Лабораторные исследования морозного пучения грунтов

Научные публикации Технология Проектирование


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



В данной статье представлены результаты изучения протекания процесса деформации глинистого грунта при морозном пучении, а также результаты исследования поведения грунта, подвергнутого проморозке, во время проведения компрессионных испытаний.

Уровни оценки степени пучинистости грунтов

Широкое распространение явления морозного пучения на территории Российской Федерации, его воздействия на основания и фундаменты зданий и сооружений обусловливают 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 результатам 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.

Установка для определения относительной деформации морозного пучения

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 отделом НИОКР компании «ГлавФундамент» разработана установка для определения относительной деформации морозного пучения. [7]

Данная 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.

Перечисленные особенности прибора делают целесообразным внесение изменений в методику, рекомендуемую ГОСТ, а именно, учитывая высокое термическое сопротивление теплоизоляционного кожуха (1.2 м2 . кДж) перед проведением испытаний не помещать образцы грунта в холодильную камеру и выдерживать в течение суток, что позволяет существенно сократить время экспериментальных исследований.

Специалистами отдела были проведены лабораторные исследования грунтов на морозное пучения без нагрузки на образцы с целью апробации нового прибора, выявления возможных недостатков конструкции.

Приведенные ниже экспериментальные данные получены при испытании глинистых грунтов.

Лабораторные исследования глинистых грунтов на морозное пучение

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 вследствие морозного пучения измерялись индикаторами часового типа с точностью 0.01 мм.

Результаты определения физико-механических характеристик испытываемых грунтов приведены в таблице 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

Таблица 1 - Физико-механические характеристики испытываемых грунтов

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 0.01 мм).

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



Рисунок 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.

Рисунок 2 - Экспериментальная зависимость деформаций морозного пучения от структуры грунта: а – монолитная, б – нарушенная структура.
На рисунке 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.

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

Таблица 2 - Изменения влажности образцов 

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 таблице 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

Таблица 3 - Результаты компрессионных испытаний образцов суглинка

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

Рисунок 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.

Выводы

Разработанный прибор для нахождения величины морозного пучения грунта от давления и способ ее определения позволяет:

  • Определять характеристики морозного пучения по ГОСТу;

  • Обеспечить III уровень точности в соответствии с рекомендациями ISSMGE, необходимый для проектирования сооружений на морозоопасных основаниях.

Данный прибор прошел испытания и может быть рекомендован для проведения лабораторных испытаний.

В то же время лабораторные исследования выявили отдельные недостатки нового прибора. 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 10 мм. Также конструкцией не предусмотрено удобное извлечение образца с целью изучения его криогенной структуры.

С учетом выявленных недостатков были разработаны предложения по усовершенствованию конструкции. 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 изменения скорости промерзания, что позволить изучать зависимости относительной деформации от скорости перемещения фронта промерзания.

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.




Была ли информация для Вас полезной?
2
2
0

Статьи по теме