Лабораторные исследования морозного пучения грунтов в приборе конструкции Южно-Уральского Государственного Университета

Время чтения: 12 минут Интересно, но нет времени читать?

Отправка на почту статьи


Нажимая кнопку "Получить", я подтверждаю свою дееспособность и даю согласие на обработку своих персональных данных в соответствии с условиями



Изучение морозного грунтового пучения в лабораторных условиях при помощи прибора, разработанного Южно-Уральским Государственным Университетом

Ф.А. Максимов, Э.Л. Толмачев

Laboratory Researches of Frosty Soils Heaving

F.A. Maximov, E.L. Tolmachyov

В работе представлены результаты изучения протекания процесса деформации глинистого грунта при морозном пучении проводимого посредством прибора, конструкция которого была разработана в Южно-Уральском государственном университете, а также исследование поведения грунта, подвергнутого проморозке, во время проведения компрессионных испытаний.

Ключевые слова: глинистый грунт, морозное пучение, деформации.

A study on the dependence of deformations frosty clay soils heaving in the device of a design of South Ural State University and behaviour of the freezed soil at compressive tests has been undertaken.

Keywords: clay soil, frosty soil heaving, deformations

Широкое распространение явления морозного пучения на территории Челябинской области, его воздействия на основания и фундаменты зданий и сооружений обуславливают актуальность достоверной оценки пучинистых свойств различных видов грунтов с установлением критериев их морозоопасности, используемых при проектировании зданий и сооружений.

Рассматривая данное направление, отметим, что в соответствии с решением технического комитета по морозным грунтам Международного общества по механике грунтов и фундаментостроению (ISSMGE) существуют три уровня оценки степени пучинистости грунтов.

I – грубая по гранулометрическому составу, позволяет выделить лишь заведомо непучинистые грунты;

II – средней точности по формуле предложенной В.О. Орловым [1]

III – точная по результатм промораживания образцов в специальных приборах или по данным стационарных наблюдений в полевых условиях.

Первый и второй уровни оценки точности используются для определения степени морозного пучения грунтов и отражены в нормативных документах и рекомендациях [ 3...6 ].

Однако эти методы следует считать приближенными, так как при определении степени деформации морозного пучения не учитываются такие факторы как минералогический состав глинистых фракций, состав обменных катионов, структура грунтов.

Метод лабораторных исследований позволяет учесть большую часть природных факторов, влияющих на деформации испытываемых образцов. В связи с этим этот метод более предпочтительный на всех стадиях проектирования и строительства сооружений.

Испытания на морозное пучение регламентируются ГОСТ 28622-90 [9]. В настоящее время приборы, рекомендуемые для проведения этих испытаний серийно не производятся.

В целях совершенствования ранее созданного оборудования и методики испытаний грунтов на морозное пучение на кафедре «Строительные конструкции и инженерные сооружения» совместно с НПО «Электромеханика» г. Миасс разработана установка для определения относительной деформации морозного пучения. [7]

Ниже приводиться информация о новой конструкции данного прибора.

Установка позволяет моделировать естественный процесс промораживания грунтов. Фронт промерзания движется сверху вниз. Промерзание осуществляется с заданным режимом согласно ГОСТ 28622-90.

Обойма под образцы выполнена металлической, высота обоймы 150 мм, внутренний диаметр 100мм.

Обойма устанавливается на металлический поддон с отверстием, который соединяется через патрубок резиновым шлангом для подачи воды. Уровень воды поддерживается на уровне низа обоймы для свободного подтока к фронту промерзания.

Конструкция прибора позволяет осуществлять испытания под нагрузкой на образцы за счет установки динамометра ДОСМ 0.2, так и без нее. [7]

Новая установка отличается от ранее выпускаемых НИИОСП тем, что в качестве охлаждения используется проточная вода, которая через гибкие шланги подводиться к термостатированным плитам, что позволило отказаться от холодильных камер, повысить точность поддержания отрицательной температуры у верхней поверхности и положительной температуры у нижней поверхности испытуемого образца, а также позволило автоматизировать заданный режим промерзания в процессе исследований.

Считаем целесообразным внесение изменений в методику, рекомендуемую ГОСТ, а именно, учитывая высокое термическое сопротивление теплоизоляционного кожуха ( ) перед проведением испытаний не помещать образцы грунта в холодильную камеру и выдерживать в течение суток, что позволяет существенно сократить время экспериментальных исследований.

Авторами были проведены лабораторные исследования грунтов на морозное пучения без нагрузки на образцы в лаборатории кафедры «Строительные конструкции и инженерные сооружения» с целью апробации нового прибора, выявления возможных недостатков конструкции.

Ниже приведены некоторые экспериментальные данные, полученные при испытании глинистых грунтов Челябинской области.

Испытания велись без нагрузки на образцы, по открытой схеме, т.е в процессе испытаний обеспечивался свободный приток воды к границе промерзания.

Перед заполнением грунтом, металлическая форма, размерами 100х150(h) обмазывалась фторопластовым лаком для исключения влияния сил трения и смерзания грунта со стенками.

Перемещения вследствии морозного пучения измерялись индикаторами часового типа с точностью 0.01мм.

Результаты определения физико-механических характеристик испытываемых грунтов приведены в табл. 1.

Таблица 1
Грунты(по ГОСТ 25100-95) Влажность, % Число пластичности, Ip Показатель текучести, IL Плотность грунта, г/см3 Пористость, % Коэффициент пористости
природная сухого частиц
Суглинок элювиальный(монолит) 0.30 9.3 0.64 1.82 1.7 2.71 37 0.59
Суглинок элювиальный(нарушенной структуры) 0.28 0.28 0.64 1.95 1.7 2.70 37 0.77
Глина делювиальная твердая 0.2 19.8 -0.30 1.78 1.47 2.60 43 0.77
Глина делювиальная полутвердая 0.27 18.1 0.149 1.87 1.48 2.50 40 0.69
Глина делювиальная мягкопластичная 0.31 21.1 0.67 1.9 1.5 2.74 45 0.82

Классификация и оценка пучинистых свойств грунтов выполнялась по величине - относительной деформации морозного пучения согласно ГОСТ 28622-90.

, где - фактическая толщина промерзшего образца, - вертикальная деформация образца грунта в конце испытания (с точностью до 0.01мм).

Результаты обработки лабораторных исследований морозного пучения делювиальной глины от консистенции (величине ) приведены на рис 1.

Рис.1. Кривые относительной деформации пучения: 1- глины полутвердой, 2- глины мягкопластичной, 3- глины твердой консистенции.

Наибольшая величина пучения ( =0.73) наблюдалась у глины мягкопластичной консистенции. По степени пучинистости данный образец глины относится к сильнопучинистым грунтам.

Рис. 2. Экспериментальная зависимость деформаций морозного пучения от структуры грунта. а- монолитная,б- нарушенная структура.

На рис. 2 отображены кривые пучения суглинка элювиального.

Исследовалось два образца, первый – монолит, второй – нарушенной структуры.

По кривым пучения образцов видно, что наибольшая величина пучения достигается в образце монолитной структуры =0.72, грунт сильнопучинистый, относительная деформация морозного пучения второго образца =0.52, грунт среднепучинистый.

По степени пучинистости данные образцы суглинка – сильнопучинистые.

Также в процессе лабораторных исследований определяли миграционное водонакопление для этих грунтов. Результаты изменения влажности образцов приведены в таблице 2.

Таблица 2
Образцы грунта Суглинок (монолит) Суглинок(нарушен.) Глина твердая Глина полутвердая Глина мягкопластичная
Влажность до испытаний 0.28 0.30 0.20 0.27 0.31
Влажность после испытаний 0.34 0.35 0.23 0.44 0.38

Так, для мягкопластичной глины природная влажность до промораживания составила W =0,31 , после промерзания влажность составила W =0,38, т.е. его влажность увеличилась на 22,5 %, а для твердой глины влажность возросла на 15%.

В дальнейшем предполагается исследование зависимостей миграционного водонакопления и деформации пучения от давления на грунт.

Для образцов суглинка мороженной структуры были проведены компрессионные испытания при оттаивании в сравнении с испытаниями образцов суглинка в естественных условиях.

Результаты, полученные в ходе испытаний образцов суглинка приведены в табл. 3

Таблица 3
Характеристики Мороженая структура Естественная структура
Влажность 0.35 0.23
Коэффициент пористости е (до опыта) 0.790 0.831
Коэффициент пористости е (после компрессии) при р=0.3МПа 0.674 0.694
Компрессионный модуль деформации Е, МПа 5.2 2.8

Графическая интерпретация полученных результатов испытания грунтов на сжатие приведена на рис. 3

Рис.3. Графическая интерпретация результатов испытаний образцов суглинка элювиального на сжатие: 1- образец естественной структуры, 2- образец после промораживания, е- коэффициент пористости, - относительная осадка образца

По графику изменения относительной осадки во времени видно, что при промораживании суглинка его осадка при оттаивании значительно превышает величину морозного пучения, а время оттаивания в несколько раз меньше, чем длительность морозного пучения. Это приводит к неравномерным деформациям системы «основание – здание» и повреждению сооружения.

Подобные исследования приведены в работах [8,10,11] и хорошо согласуются с нашими исследованиями в этой области.

Лабораторные исследования выявили отдельные недостатки нового прибора ЮУрГУ. Так, из-за недостаточной герметичности установки, возникали трудности, связанные с эксплуатацией прибора, перебои в работе блока автоматического терморегулирования приводили к неравномерному промерзанию образцов, образованию ледяных прослоек до 10мм. Также конструкцией не предусмотрено удобное извлечение образца с целью изучения его криогенной структуры.

С учетом выявленных недостатков и внесенных авторами предложений по усовершенствованию конструкции, установка была доработана.

Внесенные предложения:

  • Выполнить обойму под образцы в форме, состоящей из шести пластиковых колец, высотой по 25мм с пазами для соединения колец между собой.
  • Кольца обеспечивают свободу деформаций и исключают влияние сил трения и смерзания грунта со стенками.

  • Для удобного извлечения образцов сделать кожух из двух
  • раскрывающихся частей

  • В кожухе прибора сделать направляющие для удобной установки колец.
  • Заменить индикаторы часового типа на датчики линейных перемещений для полной автоматизации контроля процесса испытаний.
  • Сделать возможным менять скорость промерзания, что позволить изучать зависимости относительной деформации от скорости перемещения фронта промерзания.

Выводы

Разработанный прибор конструкции ЮУрГУ для нахождения величины морозного пучения грунта от давления и способ ее определения позволяют:

  1. определять характеристики морозного пучения по ГОСТу;
  2. обеспечить III уровень точности в соответствии с рекомендациями ISSMGE, необходимый для проектирования сооружений на морозоопасных основаниях.

Данный прибор прошел испытания в лаборатории кафедры «СКиИС» и может быть рекомендован к использованию в учебном процессе для проведения лабораторных работ по курсу «Механика грунтов».

Литература

  1. Орлов В.О. Принципы расчета фундаментов на пучинистых грунтах // Проблемы механики грунтов и инженерного мерзлотоведения. – М., 1990. – С. 187-198
  2. Невзоров А.Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. – М.: Издательство АСВ, 2000. – 151 с.
  3. ГОСТ 25100 – 95. Грунты. Классификация.
  4. ТСН 50 – 303 – 99. Проектирование и устройство мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных жилых зданий в Московской области.
  5. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений – М.:Стройиздат, 1986.
  6. Рекомендации по проектированию и расчету малозаглубоенных фундаментов на пучинистых грунтах. – М.: Стройиздат, 1985. – 60 с.
  7. Достижения,проблемы и перспективные направления развития и практики механики грунтов и фундаментостроения. Академические чтения по геотехнике/ изд-во Казанского государственного архитектурно-строительногоуниверситета.- Казань, 2006. – С.174
  8. Абжалимов Р.Ш. Лабораторные исследования морозного пучения // «ОФМГ». – 1982. - №5. – С.20-22
  9. ГОСТ 28622-90. Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости.
  10. Голли О.О. Интегральные закономерности морозного пучения грунтов и их использование при решении инженерных задач в строительстве. – Санкт-Петербург: ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 2000. – 46 с.
  11. Малышев М.А., Фурсов В.В. Влияние сезонного промерзания и оттаивания глинистых грунтов на работу оснований и фундаментов // «ОФМГ». – 1982. - №3. – С.16-18.
  12. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.

Максимов Федор Александрович. Ассистент кафедры «Строительные конструкции и инженерные сооружения» ЮУрГУ.

Область научных интересов: исследования механизма морозного пучения в глинистых грунтах, методы расчета несущей способности и осадки винтовых свай в глинистых грунтах.

Толмачев Эдуард Львович. К.т.н., доцент кафедры «Строительные конструкции и инженерные сооружения» ЮУрГУ.

Область научных интересов: исследование свойств грунтов, проектирование оснований и фундаментов, обследование и усиление фундаментов реконструируемых зданий.

Maksimov Feodor Aleksandrovich. The assistant of department of building and engineering structures of SUSU.

Field of scientific interests: research of the mechanism of frosty clay soils heaving, methods of calculation of load-carrying capacity and settlement of injectioned piles in clay soils.

Tolmachyov Edward Lvovich. The candidate of technical science, associate professor of department of building and engineering structures of SUSU.

Field of scientific interests: soil testing, foundation engineering.



Была ли информация для Вас полезной?
0
0
0

Статьи по теме