ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ ЗАМОЧЕННОГО ЛЕССОВОГО ОСНОВАНИЯ

ПОД ЖЕСТКИМ ШТАМПОМ-ФУНДАМЕНТОМ

 

Б.М. Черепанов,  А.Б. Алюшин

 

Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова

 

Проблема использования водонасыщенных лессовых грунтов в качестве оснований зданий и сооружений является на сегодня одной из актуальных. Полное водонасыщение лессовых пород может оказаться следствием их аварийного замачивания или результатом подтопления территории. Лессовые породы в природном залегании могут находиться также в состоянии полного водонасыщения без каких-либо техногенных воздействий.

Лессовые водонасыщенные грунты по своим деформационным свойствам можно причислить к сильносжимаемым грунтам, т. к. значения модулей их деформаций составляют 2-3 МПа, а в ряде случаев и менее 1 МПа. Величина удельного сцепления колеблется в интервале с = 0,002-0,005 МПа, а угол внутреннего трения j = 11-19°. По консистенции эти грунты можно отнести к текучепластичным и текучим.

Отбор образцов грунта, их упаковка, транспортирование и последующая обработка в лабораторных условиях приводит к неизбежной потере первоначальной структуры. Наиболее целесообразно для исследования водонасыщенных лессовых грунтов применять полевые методы. 

Данные о напряженно-деформирован-ном состоянии грунтового основания, сложенного слабыми замоченными лессовыми грунтами под подошвой фундаментов и в глубине грунтового массива, весьма противоречивы. Специальные комплексные исследования в натурных условиях для решения этого вопроса в нашем регионе не проводились. Поэтому, нами были проведены натурные исследования с целью определения напряженно-деформированного состояния в основании жестких штампов-фундаментов. В ходе этих исследований определялись пределы применимости теории упругости для расчетов фундаментов промышленных и гражданских зданий, расположенных на лессовых замоченных грунтах.

Экспериментальная площадка, размером 5´5 м, находилась в Научном городке г. Барнаула на склоне р. Ляпиха. Предварительно на площадке был снят верхний слой гумусированного суглинка на глубину 0,7 м. Для изучения физико-механических свойств грунта на площадке были пройдены шурфы глубиной 3,5 м, из которых отбирались монолиты. Физико-механические характеристики грунта определялись в лабораторных условиях по стандартным методикам.

Основанием опытной площадки являются лессовидные твердые суглинки, обладающие следующими основными физическими свойствами: естественной влажностью We=0,12-0,15; числом пластичности Ip=0,10; плотностью r = 1,49-1,66 г/см3; плотностью сухого грунта rd = 1,33-1,44 г/см3; влажностью на границе раскатывания Wp=0,18; влажностью на границе текучести Wl=0,28. Прочностные характеристики рассматриваемых грунтов - угол внутреннего трения j и удельное сцепление с меняются в зависимости от их влажности и плотности и составляют в среднем j=24-26° и с=0,017-0,025 МПа. По данным компрессионных испытаний модуль общей деформации грунтов Е при естественной влажности составляет 7-9 МПа, при увеличении влажности до полного водонасыщения значение модуля общей деформации снижается до 3-5 МПа. Относительная просадочность esl при Р = 0,3 МПа меняется от 0,038 до 0,066.

Все экспериментальные натурные испытания по исследованию распределения напряжений и перемещений в грунтовом основании проводились жестким квадратным металлическим штампом площадью 10000 см2. Для нагружения штампа использовался подъемный кран на базе автомобиля МАЗ-500А. Осадки штампа определялись геометрическим нивелированием восьми геодезических марок, приваренных по углам штампа.

Напряжения в грунте измерялись тензометрическими датчиками давления (мессдо-зами) с гидравлическим преобразователем конструкции ЦНИИСКа типа ПДП-70 (автор Д.С. Баранов) с предельным давлением от 0,3 до 0,45 МПа. Более чувствительные мессдозы устанавливались в те точки грунтового основания, где ожидались наименьшие напряжения.

Исследования проводились по следующей методике. В центре площадки устанавливался металлический штамп. До начала испытаний, для исследования размеров деформируемой зоны грунта под штампом, а также степени деформируемости грунта в отдельных горизонтальных слоях в пределах деформируемой зоны, под штамп закладывались специальные индикаторы. Для этого, в вертикальной плоскости, проходящей через середину штампа, пробуривались в горизонтальном положении шпуры длиной 3 метра на глубине 0,5 м; 1 м; 1,5 м; 2 м и 2,5 м от подошвы штампа. В эти шпуры закладывались индикаторы, представляющие собой отрезки палочек диаметром 10 мм и длиной 40 мм, образовывавшие сплошные горизонтальные нити. Для сохранения горизонтального направления при бурении шпуров было применено фиксирующее устройство.

Измерение вертикальных напряжений в основании производилось по центральной оси штампа и под его краями. При укладке датчиков давления в основу был положен принцип вдавливания из шурфа, отрытого рядом с местом установки штампа. Для этого, на стенке шурфа наносилась разбивочная сетка, по которой ручным буром пробуривались горизонтальные скважины диаметром 5 - 6 см. В скважинах при помощи специальной металлической лопатки, размеры которой на 1 мм меньше размеров мессдоз, проходились направляющие отверстия, обеспечивающие горизонтальное положение установки мессдоз. Глубина проходки не доходила до проектного местонахождения мессдоз на 10 - 15 см. Затем, в скважины помещались мессдозы и при помощи специального приспособления вдавливались на необходимую глубину. После скважины заполнялись просеянным грунтом и уплотнялись специальной трамбовкой, прикрепленной к штанге, до необходимой плотности. Достижение необходимой плотности было предварительно определено опытным путем. Всего в грунтовое основание было уложено десять датчиков давления - пять по центральной вертикали и пять под краем штампа через 0,5 м по глубине, считая от подошвы штампа.

После установки индикаторов, мессдоз и нивелировки угловых геодезических марок опытная площадка была подвержена замачиванию, которое длилось 1 месяц. Для полного водонасыщения поверхность площадки до начала замачивания засыпалась песком толщиной 5-7 см и было пробурено 16 скважин диаметром 70 мм и глубиной 3 м, которые также заполнялись песком. Вода подавалась шлангом под небольшим напором на протяжении всего периода проведения эксперимента. Всего было залито 2300 м3 воды.

 

 


 

 


Рис. 1. Полевые испытания лессового замоченного основания жестким

штампом-фундаментом

После полного водонасыщения грунтового основания штамп последовательно нагружали таким образом, чтобы среднее давление под его подошвой увеличивалось ступенями примерно по 0,01 МПа. Нагрузка создавалась при помощи железобетонных блоков (рис. 1). После приложения каждой ступени нагрузки изучали распределение напряжений в грунтовом основании, а также измеряли осадку штампа и перемещения поверхностных марок. Каждая последующая ступень нагрузки прикладывалась после достижения условной стабилизации осадки штампа под действием предыдущей нагрузки. В качестве критерия стабилизации принималась скорость осадки штампа равная 2 мм за два дня. Максимальная нагрузка под подошвой штампа составила 2,81 кг/см2. Наблюдения за оседанием поверхности дна котлована велись путем нивелирования 20 марок, установленных на поверхности. Эти наблюдения не позволили зафиксировать смещения марок, что свидетельствует об отсутствии деформационной воронки вокруг опытного штампа. Деформации грунта происходят лишь под самим штампом.

После испытаний, для изучения деформируемой зоны в основании штампа, был отрыт шурф, передняя стенка которого прошла

посередине штампа и вскрыла нити индикаторов. Из-за большой длины нитей по горизонту, индикаторы смещались вследствие деформации грунта только в средней части, крайние отрезки нитей не изменили своего положения. Глубина деформируемой зоны под штампом распространилась до 1,5-2 м. Наибольший прогиб нити индикаторов наблюдался на глубине 0,5 м и составил около 4 см. С глубиной прогиб закономерно уменьшается и на глубине 2,5 м нить индикаторов сохранила свое первоначальное положение.

По результатам испытаний был также получен график зависимости осадки штампа от нагрузки (рис. 2). Максимальная осадка штампа составила 7,2 см.

На основании полученных результатов видно, что деформируемая зона водонасыщенного лессового грунта возникает непосредственно под штампом и распространяется на глубину до 2 м, несмотря на сравнительно небольшую вертикальную нагрузку. Причем наибольшая деформируемость наблюдается в верхних слоях. Так, например, верхний слой грунта мощностью 0,5 м деформировался на 4 см, что составляет 55 % от общей осадки штампа. Следующий полуметровый слой деформировался на 1,8 см (25%) и т. д.

 

 

 

                                                                            0           0,05         0,1         0,15         0,2          0,25          Р, МПа

 

            

                                                      20

   

 

 

                                                      40

 

 

                                                     60

 

 

 

                                                    80

 

 

            

                                                   100

                                                                                    S, мм

 

Рис. 2. График зависимости осадки штампа от нагрузки

 

а)                                                                 б)

          0            0,1       0,2       sz, МПа                 0           0,1       0,2         sz, МПа                                                                                                                                                                                  

                                                                                                                                                                                                    

                                                                                                  1                                                                                              

                                                                                                                                                                                              

        0,5                                                               0,5                                                                                                                           

                                                                                                                                                                                                  

                    1                                                                                                                                                                                     

                                                                                                                                                                                                             

        1,0                                                               1,0                                                                                                                               

                                            2                                                       2                                                                                                  

                                                                                                                                                                                                       

                                                                                                                                                                                                  

        1,5                                                              1,5                                                                                                                         

                                                                                                                                                                                                          

                                                                                                                                                                                                         

         2,0                                                              2,0                                                                                                                                

                                                                                                                                                                                                          

                                                                                                                                                                                                         

                                                                                                                                                                                                                   

         2,5                                                              2,5                                                                                                                                

                 

                  Z/B                                                              Z/B                                                                                                          

                                                                                                                                                                                                    

Рис. 3. Эпюры вертикальных напряжений sz в лессовых водонасыщенных

грунтах по центральной оси (а) и под краем штампа (б) при Р=0,28МПа;

1, 2 - соответственно полученных расчетным и экспериментальным путем

По результатам исследования напряженного состояния основания под штампом было замечено, что распределение вертикальных напряжений по центральной оси и под краем штампа в водонасыщенных лессовых грунтах отличается от распределения напряжений, полученных по решениям теории линейно-деформируемой среды. Так, например, при давлении на штамп 0,28 МПа вертикальные напряжения по центральной оси штампа в водонасыщенном лессовом основании на  глубине 1 м на 47% больше, чем по решениям теории линейно-деформируе-мой среды (рис. 3). При  этом  увеличивается  глубина активной зоны, которая при давлении 0,28 МПа составляет более двух диаметров штампа.

Увеличение активной зоны вдоль центральной оси и под краем подошвы жесткого квадратного штампа говорит о том, что при больших давлениях на фундаменты между напряжениями и деформациями возникают нелинейные соотношения. Т. е., применение теории упругости для расчета фундаментов на лессовых водонасыщенных грунтах возможно лишь до определенных давлений под подошвой фундамента.