Содержание к диссертации
Введение
Анализ существующих способов и методов упрочнения грунтов оснований зданий и сооружений 11
Особенности и строительные свойства лессовых просадочных пород 11
Методы армирования грунтов вертикальными и наклонными элементами 15
Краткие исторические сведения о становлении и развитии концепции армирования грунтов 17
Современные концепции армирования грунтов 19
Обзор существующих методов по расчету оснований, армированных вертикальными элементами 23
Расчет армированных массивов методом конечных элементов(МКЭ) 27
Расчет армированных массивов инженерными методами... 28
Выводы по главе 1 33
Полевые и лаботаторные исследования грунтов, армированных вертикальными армоэлементами (АЭ) 34
Программа исследований 34
Методика проведения экспериментальных исследований... 37
Маломасштабное моделирование—его особенности и критерии в линейной постановке 38
Проектирование и изготовление моделей армоэлементов и контрольных образцов 40
2.2.3. Материалы и методика определения прочностных характеристик контрольных образцов 43
2.2.4. Методика проведения модельных испытаний грунтов, армированных вертикальными армоэлементами 47
2.2.4.1. Испытание грунтов, армированных вертикальными элементами в объемном и плоском лотках, под круглым и прямоугольном жесткими штампами 51
2.2.4.2. Испытание грунтов, армированных вертикальными элементами в одометре 65
Выводы по главе 2 71
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований грунтов, армированных вертикальными армоэлементами 72
3.1. Результаты экспериментальных исследований по определению предела прочности цементогрунта 72
3.2. Результаты экспериментальных исследований грунтов, армированных вертикальными элементами в лотке 80
3.3. Результаты экспериментальных исследований грунтов, армированных вертикальными элементами в одометре 108
Выводы по главе 3 123
Глава 4. Напряженно-деформированное состояние, прочность и деформативность основания, армированного вертикальными элемен тами 126
4.1. Основные предпосылки, допущения, граничные условия и расчетные модели просадочного основания, армированно го вертикальными элементами 126
4.1.1. Основные гипотезы 130
4.2. Определение начальных напряжений и прочности грунтового массива до его увлажнения, при природной влажности 135
4.3. Модуль деформации массива просадочного грунта, армированного вертикальными элементами, в условиях природной влажности
4.4. Напряженно-деформированное состояние, прочность и деформативность увлажненного просадочного грунта, армированного вертикальными элементами при проявлении просадочных свойств в пределах и за пределами армированного массива 140
4.4.1. Напряжения в армированном грунтовом массиве при пластическом деформировании просадочного грунта 146
4.4.2. Модуль деформации армированного грунтового массива при проявлении просадочных свойств лессовым грунтом... 151
4.5. Расчет осадки просадочного грунтового основания, армированного вертикальными армирующими элементами 153
4.6. Результаты сопоставления экспериментальных данных с расчетными значениями, полученными при использовании предлагаемых в настоящей работе формул 159
Выводы по главе 4 174
Общие выводы 176
Список литературы
- Методы армирования грунтов вертикальными и наклонными элементами
- Маломасштабное моделирование—его особенности и критерии в линейной постановке
- Результаты экспериментальных исследований грунтов, армированных вертикальными элементами в лотке
- Определение начальных напряжений и прочности грунтового массива до его увлажнения, при природной влажности
Введение к работе
Работы по возведению фундаментов и подземных сооружений в общем объёме строительно-монтажных работ в стране занимают 7-15% сметной стоимости строительства, 10-20% затрат труда, 15-20% общей продолжительности работ по возведению зданий и сооружений, 20-25% общего расхода бетона в строительстве. В свою очередь, в пределах приблизительно 15% территории СНГ и ближнего зарубежья имеются отложения лессовых грунтов, которые обладают просадочными свойствами и залегают непосредственно под растительным слоем. Лессовые породы широко распространены среди континентальных четвертичных отложений. На территории СНГ лессовые породы занимают площадь равную 3,3 миллиона квадратных километров. Это составляет около 14% континентальной поверхности СНГ, из них примерно 35% площади европейской части и около 7% -азиатской. На Украине они охватывают свыше 70% всей территории республики. Лессовыми и лессовидными породами заняты более 25% общей территории центральной и южной частей Средней Азии, а также значительная площадь в западной части Западно-Сибирской низменности [67]. Возведение и реконструкция надежных фундаментов и подземных сооружений на просадочных и других структурно-неустойчивых и слабых грунтах вызывает необходимость дополнительных стоимостных и материально-технических затрат. Поэтому использование местных грунтов, закрепленных вяжущими, по эффективным технологиям, имеет большое практическое значение.
При повышении плотности застроенных территорий, реконструкции и создании современных инфраструктур в стесненных условиях, возникают сложности связанные с тем, что многие работы производятся на лессовых просадочных грунтах, распространенных на значительной части, территории Российской Федерации и стран СНГ. Решить эти проблемы можно лишь при использовании таких методов искусственного улучшения грунтов оснований, при которых не возникают динамические воздействия на грунты основания и фундаменты существующих зданий от механического и статического уплотнения. Химические инъекционные методы позволяют решить имеющиеся проблемы. Однако, относительно высокая стоимость и дефицитность химических реагентов, зависимость инъекционных способов от коэффициента фильтрации «kf», степени водонасыщенности «sr» а также от минералогического состава закрепляемого грунта, не позволяет применять их как основные строительные мероприятия в широком масштабе.
Поэтому поиск новых методов и способов, удовлетворяющих всем условиям строительства зданий на просадочных породах вблизи от существующих сооружений, в том числе при реконструкции, является актуальным.
Одним из таких, способов, сочетающим в себе элементы физико-химического и конструктивного улучшения строительных свойств лессовых просадочных пород, является - их армирование вертикальными цементогрун-товыми элементами, изготовленными современными способами, включая: бу-росмесительный, струйный, инъекционный, термический, комбинированный. Среди отмеченных наиболее приемлемым в стесненных условиях является буросмесительный, основаный на смешении переведенного в текучее состояние просадочного грунта с водоцементным раствором непосредственно в массиве грунта. В России, вертикальное армирование грунтов, как способ их упрочнения, начал применяться для закрепления илов уже в начале 70-х годов, а с 1980 года распространен и на лёссовые просадочные породы.
Перспективность такого армирования заключается в: полной или частичной ликвидации просадочных свойств грунтов оснований зданий и сооружений при капитальном строительстве, а также, что очень важно, в условиях реконструкции при стесненных условиях; возможности полной механизации работ по устройству вертикальных цементогрунтовых армоэлементов; независимости от коэффициента фильтрации «kf», степени водонасыщения «sr», активности поглощающего комплекса закрепляемого грунта; снижении объема земляных работ и расхода привозных строительных материалов; сокращении сроков возведения «Т» и стоимости строительства «Сс».
Целью диссертационной работы является: разработка нового метода расчёта прочности и деформативности просадочных грунтовых оснований, армированных вертикальными армирующими элементами с учётом совместного деформирования грунтов и армирующих его элементов.
Работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, приложения и списка использованных источников.
Во введении работы обосновывается актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи диссертации, её научная новизна, приводится информация о практической ценности и о реализации результатов исследований.
В первой главе приведён обзор и анализ существующих способов армирования оснований, сложенных просадочными грунтами, и методы их расчёта.
Во второй главе приводится методика экспериментальных исследований грунтов, армированных вертикальными армирующими элементами.
Третья глава посвящена анализу результатов экспериментальных исследований. Приводятся графики деформирования армированных грунтов; эпюры контактных напряжений, деформаций и осадок штампа для испытанных моделей.
В четвёртой главе предлагается аналитический метод расчёта прочности и деформативности оснований, сложенных просадочными грунтами и армированных вертикальными элементами. Приводится сравнение теоретических и экспериментальных значений прочности и деформации армированных оснований.
В приложении приведены: перечень основных сфер применения армирования грунтов в строительстве; результаты полевых испытаний составленного буросмесительного агрегата; пример расчета грунтового основания, армированного вертикальными элементами в просадочных грунтах.
В работе поставлены следующие задачи:
1. Анализ существующих способов армирования оснований, сложенных просадочными грунтами. Выявление основных закономерностей разрушения, развития напряжений и деформаций, в отдельных составляющих армированного массива грунта, и армированном основании в целом.
2. Качественный и количественный анализ существующих методов расчёта прочности и деформативности оснований, армированных вертикальными армоэлементами.
3. Экспериментальные исследования прочности и деформативности грунтов, армированных вертикальными армоэлементами.
4. Разработка на основе теоретических исследований методов расчёта прочности и осадки оснований, сложенных просадочными фунтами и армированных вертикальными армоэлементами.
5. Оценка точности и достоверности предлагаемого метода расчёта прочности и осадки армированных оснований, сложенных просадочными грунтами путём сравнения результатов теоретических исследований с данными полученными в результате экспериментальных исследований.
На защиту выносятся:
- результаты теоретических исследований напряжённо-деформированного состояния, возникающего в массиве грунтового основания армированного вертикальными элементами, сложенного из просадочных пород, при действии внешних нагрузок;
- метод расчёта прочности армированных оснований, сложенных просадочными грунтами;
- метод расчета осадок армированных оснований, сложенных просадоч ными грунтами;
- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности армированных грунтов;
- результаты проверки точности и надежности предлагаемых методов расчета прочности и деформативности армированных оснований, сложенных просадочными грунтами.
Научную новизну работы представляют:
-общие уравнения механического состояния вертикально армированных грунтовых оснований, сложенных просадочными породами с учетом пластических свойств грунтов, реальных режимов деформирования материалов армированного массива при действии внешних нагрузок и увлажнении массива;
-методы расчета прочности армированных оснований, сложенных просадочными грунтами в условиях природной влажности (W Wsl) и при увлажнении армированного грунтового массива (lV Wsl);
-методы расчета осадки армированных оснований фундаментов, сложенных просадочными грунтами в условиях природной влажности {W Wsl) и при увлажнении армированного грунтового массива (W Wd)\
-результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности армированных просадочных грунтов.
Практическое значение работы заключается в том, что в результате выполненных исследований разработаны методы расчета прочности и осадки армированных оснований фундаментов, сложенных просадочными грунтами, позволяющие повысить достоверность расчетных значений несущей способности и деформативности упрочненного вертикальным армированием грунтового основания, и за счет этого получить экономичные проектные решения.
Объём работы:
Диссертационная работа содержит страниц - 251, в том числе, приложений - 5, иллюстраций - 67, таблиц - 25, использованных источников - 173.
Исследования проводились под руководством доктора технических наук, профессора, советника РААСН И.Т. Мирсаяпова. Экспериментальная часть работы проведена под руководством доктора технических наук, профессора А.З. Хасанова при консультации кандидата технических наук, профессора А.Н. Токина, которым автор выражает глубокую признательность.
Методы армирования грунтов вертикальными и наклонными элементами
Создание вертикально расположенных упрочненных элементов в грунтовом массиве или насыпи, придает им устойчивость и надежность.
Признание в строительстве это направление получило после опубликования работы французского ученого Анри Видаля, посвященной вопросам создания "армированного грунта". Им же впервые был запатентован новый вид материала "армированный грунт" (армогрунт). Основными достоинствами армогрунта являются: простота, легкость изготовления и низкая стоимость.
На начальном этапе своего развития, армирование грунта в основном использовалось в дорожном и гидротехническом строительстве. В последние годы, концепция об армированном грунте, вызвала широкий интерес и среди специалистов в области промышленного и гражданского строительства. Несмотря на легкость восприятия, эта концепция, привлекает внимание множеством новых теоретических и практических задач, требующих своего решения. В настоящее время, в нашей стране и за рубежом проводятся многочис ленные исследования по данной проблеме, а армирование грунта признано в качестве отдельного направления в геотехнике со своим кругом вопросов.
Грунтовое основание, армированное вертикально расположенными в массиве, более прочными по отношению к структурной прочности Pstr грунта армирующими грунтовый массив элементами, представляет собой искусственно улучшенное физико-химическим или конструктивным методом основание, формируемое путем устройства в грунтовой среде относительно жестких элементов. Нагрузка на вертикально армированное грунтовое основание передается непосредственно через фундамент мелкого заложения. При этом в контактной зоне, между подошвой фундамента FL и оголовками армоэлементов возможны различные варианты передачи давления, в том числе: посредством непосредственного контакта или через конструктивную прослойку (грунтовую, бетонную, железобетонную или горизонтально армированный грунт).
При передачи нормального давления от фундамента на упрочненное вертикальным армированием грунтовое основание, армирующие элементы, включаясь в совместную работу с окружающим их массивом грунта, снижают деформативность армированной части грунтового массива, взаимодействуя с грунтом по боковой поверхности за счет сил трения-сцепления и по торцам за счет сопротивления грунта, подстилающего армированный массив.
Напряженно-деформированное состояние грунтового основания, армированное вертикальными элементами, принципиально отличается как от естественного основания, так и от свайного фундамента (основания со сваями), непосредственно контактирующими с ростверком. В известном смысле свайный фундамент можно рассматривать как частный случай армированного вертикальными стержнями основания, принимая во внимание тот факт, что прочность материала бетонных или железобетонных свай в сотни и тысячи раз больше чем окружающий их массив грунта. При этом грунт лишь препятствует погружению свай от нагрузки, передаваемой сооружением, и деформация грунта происходит лишь под подошвой условного фундамента.
Армирование грунтов имеет глубокие исторические корни. Как любое перспективное направление в науке, оно находит свое подобие в природных формах и явлениях (логова животных, гнезда птиц, эффект от корневой системы деревьев). Первые упоминания об армировании глины и кирпичей тростником или соломой при сооружении жилья имеются в библии, во второй книге Ветхого завета. Известно, что сооружения, возводимые с использованием таких, подсказанных природой приемов, существовали в IV и V тысячелетиях до нашей эры.
Сохранившиеся до наших дней сооружения из армированного грунта, среди которых, можно отметить: Зиккурат древнего города Дур-Куригацу, известного под названием Агар-Каф, высотой до 30м и возведенный более 3000 лет назад [11]; аналогичные строения у г. Ур, завершенное около 2205 г до нашей эры; святилище Мардука у Вавилона, называемое Вавилонской башней, возведенное около 550 году до н.э. [52], армировалось сплетенными тростниковыми матами. Великая китайская стена, участки которой были завершены приблизительно в 200 году до н.э., представляют собой пример использования армированного грунта в виде смеси глины с гравием, армированной ветвями тамариска [39]. Приемы армирования грунта тростником использовали и римляне при возведении земляных дамб вдоль Тибра. Причал порта Лондиниума в Лондоне, построенный римлянами в I веке, свидетельствует о том, что методы строительства прошлого имеют сходство с современными методами. В иле реки Темзы найдены сохранившиеся на протяжении 1200 лет участки деревянного причала из дубовых брусьев высотой 2 метра, вертикальная грань которого, удерживалась от бокового давления грунта при помощи деревянных армирующих элементов, заанкерованных в обратную засыпку [14].
Маломасштабное моделирование—его особенности и критерии в линейной постановке
Для исследования работы грунтового массива, армированного вертикальными элементами, была использована методика маломасштабного моделирования (МММ) эксперимента. В классическом представлении, МММ - это один из видов физического моделирования, осуществляемый на моделях малого размера. [104, 106, 108, 109, ПО, 111, 112, 113]. Применение принципов МММ, при исследованиях было вызвано: экономичностью, достаточностью небольших экспериментальных площадей и малогабаритного испытательного оборудования, относительно быстрым изготовлением и испытанием моделей. При изготовлении и испытании, учтены условия удобства с размещением модели на столе и полу лаборатории, размер которой не превышал 1-2м. Линейный масштаб модели принят, при испытаниях в одометре М 1:25, а при испытании в объемном и плоском лотках Ml :50.
Основными измеряемыми величинами, при изучении НДС упрочненного армированием основания являлись напряжения и перемещения. В натуре они настолько малы, что лежат вблизи пороговой чувствительности измерительных приборов. При соблюдении простого подобия напряжения и перемещения будут в "Я/"1 " раз меньше, поэтому, при использовании МММ пришлось отказываться от принципов простого подобия. Вся интерпретация результатов моделирования излагалась на языке теории расширенного подобия.
При МММ появляется необходимость применения низкомодульных материалов объясняющаяся тем, что при отказе от простого подобия деформации на модели во столько раз больше, чем на натуре, во сколько раз больше отношение перемещений к линейным размерам. В соответствии с [108, 109], материал, применяемый для изготовления моделей-армоэлементов должен удовлетворять определенным механическим характеристикам. В частности, модуль упругости материала Ем должен быть по возможности ниже, а плотность /?м должна быть по возможности выше. Причем, должны соблюдаться граничные условия, при которых: в качестве необходимых являются 10 м 100 и /?м 0,8г/см3, а в качестве желательных - 10 м 50 и рм 1,2г/см . Кроме того, материал для изготовления моделей армоэлементов должен удовлетворять техническим требованиям, [108], в т.ч.: -изготовление моделей и их частей способом литья в заранее приготовленные формы или скважины; -приготовление литьевого состава, путем механического перемешивания; -заливка и отверждение модели без применения вакумирования, термообработки или других процессов, требующих специального оборудования; -приготовление литьевого состава замесами цементогрунтовой смеси, массой т 5 кг, при трудоемкости Т 1 чел./кг.; -смесь должна иметь «жизнеспособность» от момента окончания перемешивания до момента окончания укладки в формы или скважины не менее 25 минут, а вязкость - не более 500Пас, с тем, чтобы производить укладку без захвата воздуха и образования пузырьков; -усадка не должна превышать 1 %; -модель должна легко отделяться от формы - оснастки; -определение механических характеристик образцов, материала, отлитых одновременно с моделью, в возрасте 28 суток; -полностью отверждаться не позднее 2-3 недель после заливки; -после отверждения, материал модели должен сохранять стабильность физико-механических характеристик с отклонением не более 5 %; -иметь малую зависимость механических характеристик от температуры, с допуском не более 0,5% на 1С в зоне температур от 15С до 25С; -склеивание деталей тем же материалом в течение 1 месяца без потери прочности места склейки.
Большинству из перечисленных требований и довольно близких к удовлетворению остальных, относится натурный материал, из которого изготовлены армоэлементы - это цементогрунт, модифицированный АЦФ-ЗМ-65, от-вержденная ПЭПА-А. Близкими свойствами также обладает смесь лессовидного суглинка со строительным гипсом и водой.
Поэтому маломасштабное моделирование работы грунта, армированного вертикальными элементами-моделями осуществлялось с использованием отвердевшей смеси состава: лессовидный суглинок + цемент М400 + вода + раствор АЦФ-ЗМ-65 (0,15% от веса вяжущего) + ПЭПА.
При проектировании моделей обязательным являлось требование полного геометрического подобия всех элементов моделей и натуры. Соотношение между масштабом и механическими характеристиками материала устанавливалось на основании двойного неравенства [100]: 0.24 Iм Ры — 0.5 \м Рм " \Ен-Ри 1н \Ен Рн где, Ем, рм, 1М- соответственно модуль упругости {МПа), плотность {г/см3) и характерный линейный размер модели в см.; Ен, рн, /н - тоже натуры.
Чем ниже Ем и выше рм, тем меньше может быть модель. Для того чтобы добиться максимальной точности моделирования выбирался наибольший из масштабов. При моделировании армоэлементов из цементогрунта принят масштаб Ml:50.
Состав материала модели принят из цементогрунта с добавлением 0,15% водного раствора ацетонформальдегидной смолы АЦФ и отвердителя ПЭПА-А. Дозирование цемента марки М40.0 составляло 20% от веса воздушно сухого лессовидного суглинка.
Из цементогрунтовой смеси были изготовлены модели армоэлементов размером 300x20x20мм по литьевой технологии, а также целая серия армо-элементов-моделей непосредственно в массиве грунта для лотковых и одо-метральных испытаний. Для каждой серии выполнялись контрольные образцы-цилиндры высотой И=50мм, диаметром сї=50мм.
Формы для заливки моделей были изготовлены из древесины твердых пород, пропитаны антисептиком и покрыты олифой за два раза. Для изготовления контрольных-образцов определения физико-механических характеристик материала моделей использовались цилиндрические формы из металлических и стеклянных труб с внутренним диаметром с?=50мм, высотой h=5 0мм, а также сборно-разборные металлические формы кубиков с размерами сторон.. 20x20x20мм. Модели и контрольные образцы извлекались из форм на вторые сутки после их заливки. Дальнейшее хранение моделей армоэлементов и контрольных образцов осуществлялось в условиях приближенных к тем, которые ожидаются в натуре, при их эксплуатации. Образцы помещались во влажные опилки при комнатной температуре. После выдерживания образцов в таких условиях и достижения, соответственно: 7, 28, 90, 180, 365 суток, 2, 3, и 4 года по программе исследований, образцы-цилиндры подвергались испытанию на одноосное сжатие под прессом.
Результаты испытаний контрольных образцов на прочность под прессом приведены на графиках зависимостей: пределов прочности на одноосное сжатие от сроков хранения образцов в нормально-влажностных условиях Rs=f(T), а также пределов прочности на одноосное сжатие от количества дозирования портландцемента марки М400 Rs=fffl% ) (рис. 3.1).
Результаты экспериментальных исследований грунтов, армированных вертикальными элементами в лотке
Проведенные испытания в лабораторных условиях, по определению изменения предела прочности Rs цементогрунтовых образцов-цилиндров (диаметром сі=50мм, высотой /г=50лш), изготовленных из цементогрунтовой смеси текучей консистенции, при заданном дозировании (9%; 18%; 21%; 24%; 30%) цемента марки М400 по весу к воздушно сухому грунту (лессовидному суглинку) и различных сроках их хранения (Г=7; 28; 90; \&0суток; 1; 2; 3 и Алет) в нормально-влажностных условиях (влажные опилки при температуре ґ=+10С ...+\2С), позволили подтвердить теоретические предположения о
Из таблицы № 3.1 и графика зависимости Rs=f(T) на (рис. 3.1), видно, что динамика роста прочности цементогрунта для всех серий опытов, при различном дозировании смеси цементгорунта вяжущим в количестве 9%, 18%., 21%, 24%, 27% и 30% соответственно для кривых 1, 2, 3, 4, 5 и 6: имеет различную скорость схватывания, твердения и набора прочности во времени. В семи дневном возрасте нормально-влажностного хранения, моделирующего условия, при которых будут происходить процессы схватывания, твердения и набора прочности цементогрунта в массиве грунта, прочность незначительная, и составляет не более 15% для кривой 1 с дозированием цемента 9% и 45% для кривой 6, при дозировании 30% от марочной прочности. Такую величину расхождения (45-15=30) в скорости набора прочности для кривых 1 — 6 на графике, можно объяснить количеством дозирования цемента.
Интенсивный набор прочности цементогрунта, для всех серий опытов, происходит в первые 90 суток. К концу 90-х суток, цементогрунтовые образцы набирают 70% своей марочной прочности. Образцы, испытанные на прочность в 180 суточном возрасте, составили около 80% - 85% от марочной прочности. После 180 суток хранения, и далее, до 4-х летнего возраста (в пределах программы экспериментальных исследований), все кривые зависимости Rs=f(T), имеют тенденцию к уполаживанию и на участке от 1-го года до 4-х лет и более, кривые 1, 2, 3, 4, 5 и 6 графика становятся относительно параллельными оси "Г", с незначительным по величине нарастанием прочности, составляющим от 1% до 5%.
Следовательно, цементогрунт, как искусственный материал, используемый в качестве армирующего грунтовый массив армоэлементов, относительно медленно, по отношению к бетону, набирает прочность. Все серии цементог-рунтовых образцов, приобретают 70% гарантированной марочной прочности, в возрасте не ранее 90 суток, при условии нормально-влажностного хранения и соблюдении температурного режима (t +5С).
Программа исследований включала апробацию влияния пластифици 76 рующей растворимой в воде добавки АЦФ-ЗМ-65, производимой Ферганским заводом синтетических смол, на динамику наращивания прочности, улучшения пластичных свойств цементогрунтовой смеси и снижение «липкости» приготавливаемой смеси к стальной поверхности лабораторных форм-оснасток и буросмесителя. Исследования проводились в два этапа. На первом этапе изучались свойства ацетон - форм альдегидной смолы АЦФ-ЗМ-65, в сочетании с отвердителем ПЭПА-А для: установления сроков изменения вязкости {СП), при различной концентрации «С», %, водных растворов АЦФ-ЗМ-65 + вода и АЦФ-ЗМ-65 + вода + ПЭПА-А; установления сроков схватывания и желатинизации растворов. Оптимальные режимы установленные на первом этапе, были использованы для проведения испытаний второго этапа. На втором этапе изучалось влияние пластифицирующей добавки на динамику изменения прочности цементогрунта, при различном дозировании цемента в смесь. Экспериментальными исследованиями второго этапа, установлено оптимальное количество пластифицирующей добавки, вводимой в цементогрунтовую смесь с водой затворения. Результаты этих исследований приведены на (рис. 3.2 -3.6).
Установлена экспериментальная зависимость В=/(С), вязкости В, (СП), определенного по вискозиметру Освальда ВЗ-4, от концентрации С, %, водного раствора ацетон - формальдегидной смолы АЦФ-ЗМ-65 и построена кривая график по точкам при трехкратной повторяемости эксперимента (рис. 3.2). Из графика В=/(С) видно, что максимально допустимой величиной концентрации водного раствора смолы, при температуре воздуха t=21C, является концентрация не превышающая 50% (С 50%). Это можно заключить из условия, что кривая графика B=f(C), до достижения концентрации С 50% имеет пологий участок, характеризующий незначительный рост вязкости (В 5%) при увеличении концентрации С. На участке графика, где концентрация раствора С 50% до С=100%, любая касательная к кривой графика имеет значительно больший угол наклона к оси концентрации раствора С.
Определение начальных напряжений и прочности грунтового массива до его увлажнения, при природной влажности
Наряду с исследованиями прочности и деформативности грунтов в объемном лотке, моделировалась работа грунта, армированного вертикальными элементами в одометре. По результатам испытаний при помощи стандартного одометра с высоким срезным кольцом, получены качественные и количественные характеристики изменения прочности и деформативности песчаных фунтов и связных, с ненарушенной структурой (лессовидных суглинков) грунтов, армированных вертикальными элементами-моделями. Идентичные со штамповыми, испытания фунтов, армированных вертикальными элементами, в срезном кольце одометра, где отсутствует возможность бокового расширения испытуемого фунта, при его сжатии под штампом одометра, позволили оценить результаты, имеющие существенное отличие от лотковых испытаний на сжимаемость.
Испытания в одометре, проведены с целью моделирования работы сжимаемого массива грунта без армирования и с его вертикальным армированием, при возведении зданий и сооружений в стесненных условиях городской застройки, например, между двумя подземными сооружениями.
Испытания сжимаемости грунта в одометре, при различном проценте его армирования, проводились по стандартной методике с последовательным определением изменения: -коэффициента пористости «е» в зависимости от прикладываемой к штампу ступенчатой нагрузки «N» и соответствующего увеличения давления «Р» под штампом. Построена зависимость e=f(P) (рис. 3.19); -осадки «S» штампа одометра в зависимости от времени «Г» проведения испытаний, при постоянном давлении P=const, под штампом. Построена зависимость S=f(T) (рис. 3.20); -осадки «S» штампа одометра в зависимости от давления «Р» под штампом, для случаев вертикального армирования связных (лессовидный суглинок с ненарушенной структурой) грунтов (рис. 3.21) и сыпучих (рыхлых песчаных,) грунтов (рис. 3.23, 3.24) с различными по длине, диаметру, материалу армирующими элементами. Построены зависимости S=f(Pj; -модуля деформации «Е» грунта неармкрованного и армированного, связного с ненарушенной структурой и сыпучего, рыхлого от процента армирования грунта «/ .Построена зависимость E=f(ju) (рис. 3.22, 3.25, 3.27); -относительной деформации грунта «є» от процента армирования «/л». Построена зависимость s=f(ju) (рис. 3.26); -осадки «S» штампа модуля деформации «Е» грунта в зависимости от процента его армирования «ju». Построен совмещенный график зависимости S=f(ji) и E=f(ju), позволяющий произвести сравнение изменения «Е», определенного по экспериментам (кривые 1, 2 и 3) с рассчитанным по формуле (кривая 4) (рис. 3.27).
Анализируя графики полученных зависимостей e-f(P) (рис. 3.19); S=f(T) при P=const (рис. 3.20); S=f(P) (рис. 3.21, 3.23, 3.24); E=f(ju) (рис. 3.22, 3.25, 3.27); є=/(р) (рис. 3.26), построенных по результатам компрессионных испытаний лессовидного суглинка с ненарушенной структурой заключенного в срезное кольцо (высотой /?к=145мм) стандартного одометра, а также аналогичные испытания для песка в рыхлом состоянии, армированного стальными элементами с рифленой поверхностью, можно отметить следующее:
1. Армирование лессовидного суглинка природного сложения, вертикальными элементами-моделями, изготовленными из цементогрзгнта+гипса, при различном проценте армирования, соответственно: //=0,00327%-0,027% и глубине армирования в пределах кольца, составляющем 1аэ = Q,5hK, -кривые 2...5, lai = 0,75hK -кривые 6...9 и la3=hK кривые -10.. .13, существенно снижает значение е армированного грунта (кривые-2... 13) по отношению к неармиро-ванному (кривая -1) на всех ступенях загружения штампа одометра (рис. 3.19). Причем, чем выше процент армирования р и глубина армирования (1аэ) грунта в пределах сжимаемой толщи, тем закономерно меньшее значение имеет величина е, а следовательно грунт приобретает меньшую сжимаемость.
2. Закономерность изменения величины осадки S во времени Т, при постоянном для всех серий испытаний давлении Р-const, наблюдается для всех случаев вертикального армирования грз нта, включая вариант «армоэлемен-тов-стоек» при 1аэ=Ьк (кривые-10... 13) (рис.3.20). Полная стабилизация осадки штампа одометра, при увеличении (л и глубины армирования грунта в пределах высоты срезного кольца hK (от 1аэ = 0,5hK, -кривые 2...5 до 1аэ = 0,75hK — кривые 6...9 и наконец Ia3=hK кривые -10...13), достигается соответственно раньше, по отношению к неармированному массиву грунта в одометре. Полная стабилизация осадки S штампа одометра во времени Т для неармирован-ного грунта (кривая 1) наступает через 104 минуты при установившемся статическом давлении Р=4,5Н/см2 =const. Для случаев армирования цементог-рунтовыми элементами-моделями сіа/=5мм, / 0,5/7,=5 7мм, время стабилиза ции осадки S штампа, соответственно, наступает через: 102 минуты при армировании одним элементом (кривая 2); 101 мин.-тремя (3); ЮОмин.-пятью (4); 96мин.-восьмью (5). При прочих равных условиях и 1аэ = 0,75/7к=110мм стабилизация осадки 5 , соответственно, наступает через: 100 минут при армировании одним элементом (кривая 6); 99мин.-тремя (7); 98мин.-пятью (8); 94мин.-восьмью (9). И наконец при 1аэ=Ик= 145мм стабилизация осадки S штампа, соответственно, наступает через: 83 минуты при армировании одним элементом (кривая 10); 75мин.-тремя (11); ббмин.-пятью (12); ЗОмин.-восьмью (13).
Следовательно, чем выше процент армирования грунта ju% и глубже зона армирования (при !аі- Іік,) тем раньше наступает полная стабилизация осадки штампа одометра.
3. Существенное влияние на уменьшение сжимаемости лессовидного суглинка природной структуры, упрочненного цементогрунтовыми элементами-моделями при возможных вариантах его вертикального армирования, для возрастающих ступеней нагружения штампа Р от 5 Н/см" до 45 Н/см" с шагом нагружения по 5 Н/см , можно наблюдать на графике S=f(P) (рис. 3.21). Если принять за базисную, зависимость S=f(P) без армирования (100%, кривая 1), то снижение экспериментально полученной величины осадки 5 штампа одометра, при аналогичных ступенях нагружения, для грунта, армированного вертикальными элементами в процентах, соответственно, составляет:
пои армировании грунта элементами-моделями =5мм. / =0.5/7 =75мм -46,25%, количество элементов под штампом и=1шт, /4 =0,0033% -кривая 2; -58,50%, количество элементов под штампом п=3шт, [л0ещ =0,0098% -кривая 3; -62,65%, количество элементов под штампом /з=5шт, / =0,0164% -кривая 4; -66,80%, количество элементов под штампом и=8шт, //„ =0,0270% -кривая 5;