Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор существующих методов оценки деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов 8 с.
2.Всасывающее давление дисперсных грунтов 15 с.
2.1.История изучения всасывающего давления влаги.. 16 с.
2.2. О зависимости всасывающего давления влаги от физико-механических свойств грунтов 24
2.3.О методах измерения всасывающего давления 29 с.
2.4.Постановка задачи исследований 33 с.
З. Инжвнерно-геологическая характеристика лессовых грунтов Нижнего Дона 35 с.
ЗЛ.Геолого-литологическая характеристика лессовых грунтов 35 с.
3,2. Выделение типовых участков для изучения всасывающего давления 38 с.
4. Изучение зависимости всасывающего давления влаги от состава и структуры лессовых грунтов 50 с.
4.1.Измерение всасывающего давления в полевых и лабораторных условиях 50 с.
4.2. Изучение всасывающего давления на искусственных грунтовых смесях 59 с.
4.2.1.Зависимость всасывающего давления от влажности грунта. . 60 с.
4.2.2.Зависимость всасывающего давления от гранулометрического состава грунта *,. 63 с.
4.2.3.Зависимость всасывающего давления от пластичности грунта 67 с.
4.2.4.Зависимость всасывающего давления от плотности грунта 71 с.
4,3.Вывод уравнения регрессии для расчета всасывающего давления по физическим свойствам грунта 74 с.
4.4.Проверка уравнения регрессии на лессовых грунтах природного сложения..- 78 с.
5. Определение деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов по величине всасывающего давления .83 с.
5.1.Изучение взаимосвязи всасывающего давления с деформационными и просадочными характеристиками лессовых грунтов 83 с.
5.2. Определение деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов расчетным методом по величине всасывающего давления 90 е.
5.3.Проверка расчетного метода определения деформаци онных и просадочных характеристик по результатам полевых штамповых испытаний 94 с.
5.4.Оценка просадочности лессовых грунтов по вели чине всасывающего давления 97 с.
5.5.Рекомендации по внедрению результатов работы... 98 с.
Выводы 100 с.
Литература
- О зависимости всасывающего давления влаги от физико-механических свойств грунтов
- Выделение типовых участков для изучения всасывающего давления
- Изучение всасывающего давления на искусственных грунтовых смесях
- Определение деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов расчетным методом по величине всасывающего давления
Введение к работе
Для успешного решения задач, намеченных ХХУІ съездом КПСС по улучшению качества и эффективности строительства, важное значение приобретают исследования инженерно-геологических свойств просадочных лессовых грунтов. В инженерной геологии, механике грунтов и фундаментостроении проблема строительства на просадочных грунтах считается одной из важнейших. Для оптимального проектирования и надежной эксплуатации сооружений на просадочных грунтах необходимо точное знание деформационных и просадочных характеристик этих грунтов.
Акт^шьность^гемы. Существующие методы оценки деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов не отвечают всем требованиям практики инженерно-геологических исследований. Лабораторные компрессионные испытания, являющиеся наиболее распространенным методом оценки деформационных и просадочных характеристик, давно вызывают нарекания своей низкой достоверностью. Полевые штамповне испытания, дающие наиболее точную оценку, отличаются трудоемкостью и длительностью, что затрудняет их широкое применение. Наряду с прямыми методами широко используется прогнозирование деформационных и просадочных характеристик по косвенным данным -показателям состава, структуры и состояния грунта. Однако, точность прогнозов остается пока недостаточной.
Повышение точности и достоверности оценки деформационных и просадочных характеристик является первоочередной практической задачей при строительстве на просадочных грунтах. Один из путей решения этой проблемы - поиск и разработка новых методов. Судя по литературным данным, весьма перспективным представляется для оценки деформационных и просадоч-
дах характеристик использование такого показателя как "всасывающее давление влаги". Этот показатель тесно связан с такими свойствами грунта как плотность, влажность, гранулометрический и минеральный состав, величина емкости поглощения, т.е. с теми свойствами, которые определяют сжимаемость и просадочность лессовых грунтов.
Цель работы заключается в изучении всасывающего давления лессовых грунтов с последующим использованием этого показателя для определения деформационных и просадочных характеристик. В соответствии с основной целью в работе были поставлены следующие задачи:
- изучение зависимости всасывающего давления от физических
свойств лессовых грунтов с целью получения уравнения для
расчетного определения всасывающего давления при невоз
можности его прямого измерения;
изучение взаимосвязи всасывающего давления с деформационными и просадочними характеристиками лессовых грунтов;
разработка метода определения деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов по величине всасывающего давления.
Научная новизна работы состоит в том, что для оценки деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов использовано всасывающее давление влаги. Изучены зависимости всасывающего давления от физических свойств лессовых грунтов. Выведено уравнение для расчета всасывающего давления по физическим свойствам грунта. Сконструирован прибор для измерения всасывающего давления в процессе компрессионных испытаний. Выявлена взаимосвязь всасывающего давления с деформационными характеристиками лессовых грунтов. Разработан расчетный метод определения деформационных и просадочных характе-
ристик лессовых грунтов по величине всасывающего давления. Составлена программа для расчета на ЭВМ деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов по величине всасывающего давления.
Пршетгаесіод_цеішрть работы состоит в повышении точности и достоверности оценки деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов. Опибка определения этих характеристик по величине всасывающего давления не превышает 10 % по сравнению со штамповими испытаниями. Применение разработанного метода позволит сократить объемы полевых и лабораторных работ при инженерно-геологических изысканиях, особенно на ранних стадиях. Кроме того, разработанный метод может быть использован для составления региональных таблиц, а также для формирования банка физико-механических характеристик лессовых грунтов на более достоверной основе.
Внесение работы осуществлялось в 1982-83 гг. при производстве инженерно-геологических исследований на территории Ростовской области. Тресту РостовДонТИСИЗ была передана для внедрения программа "Модуль" для расчета на ЭВМ деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов. Проверка программы на материалах полевых штамповых испытаний показала высокую степень сходимости расчетных и фактических значений. Ожидаемый экономический эффект от внедрения программы "Модуль" составляет рублей в год.
В институте Ростовский ПромстройНИИпроект для изучения лессовых грунтов был использован разработанный автором прибор 0ЦЦ-І. Применение этого прибора позволило повысить достоверность оценки деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов.
_ 7 _
ІДЕР&ВДЇЇ. аботы- Отдельные положения работы были доложены на конференциях молодых ученых СКНЦ ВШ (Ростов-на-Дону, 1979, 1983), научно-технических конференциях РИСИ, расширенном заседании секции "Основания и фундаменты** Ростовского областного правления НТО СтроЙиндустрия (1981), научном семинаре института ПромстройНИИпроект (Ростов-на-Дону,1983), лессовом семинаре ПНИИИС'а (1983),
По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Диссертационная работа была выполнена на кафедре инженерной геологии РИСИ, в рамках научного направления "фундаменто-строение на лессовых просадочных грунтах", возглавляемого заслуженным деятелем науки и техники РСФСР, доктором геолого-минералогических наук, профессором В.П.Ананьевым. Основой для написания диссертации послужили материалы экспериментальных исследований, выполненных автором в 1979-83гг.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Общий объем работы составляет 126 страниц машинописного текста, сопровождаемого 16 рисунками, 23 таблицами и списком литературы из 101 названия.
Автор выражает глубокую благодарность доктору геолого-минералогических наук, профессору В.П.Ананьеву за постоянное внимание и научное руководство исследованиями. Автор глубоко признателен доценту Н.В.Волянику за помощь в работе, а также сотрудникам"кафедры инженерной геологии и проблемной лаборатории оснований за ценные советы и замечания.
О зависимости всасывающего давления влаги от физико-механических свойств грунтов
Кроме того, на полный потенциал влияет изменение температуры. Влияние температуры на частные потенциалы неодинаково, поэтому расчитать теоретически эту зависимость в общем случае невозможно, ее надо определять эмпирически для конкретных условий. В целом можно сказать, что привнсоких влажнос-тях грунта влияние температуры незначительно, потенциал линейно возрастает (алгебраически) с температурой [231. С понижением влажности грунта чувствительность потенциала к изменениям температуры возрастает.
Болт и Фриссел [ю] предложили для набухающих почв ввести переменную X , которая зависит от геометрии твердой фазы. Величина X измеряется в единицах объема Термины "термодинамический потенциал влаги" и "всасывающее давление влаги" прочно вошли в литературу после работы Болта и Фриссела. Соотношение между потенциалом и давлением выражается формулой: V- Р/р, где р - плотность воды, которую без большой погрешности можно принять равной единице. Таким образом, потенциал и давление не совпадают по размерности, но практически совпадают по абсолютной величине. Размерность потенциала в системе СИ измеряется в джоулях, деленных на грамм или килограмм. Размерность давления MLT , измеряется в Паскалях. Кроме того, для измерения всасывающего давления часто используют единицу, предложенную Скофильдом и обозначаемую символом рГ . Эта единица представляет собой десятичный логарифм давления, измеренного в сантиметрах водного столба и взятого с обратным знаком.
В последние 20 лет учение о термодинамическом потенциале влаги широко развивается у нас в стране. Среди фундаментальных работ, посвященных этому вопросу, следует отметить работы А.А.Роде [76,77], И.И.Судницына [84,85,87], А.М.Глобуса [23], А.Б.Ситникова[ 83], Б.Н.Мичурина [ 58]. Развитием и углублением отдельных вопросов занимаются А.Д.Воронин [ 19], Н.А.Муромцев [59], С.В.Нерпин [ 62], В.Г.Онищенко [ 67], В.М.Сироткин [81,82,83] и другие. Коллектив исследователей Киевского университета и института Укргипроводхоз длительное время занимается изучением всасывающего давления применительно к целям мелиорации [33,36,91,92]. В последние годы появился ряд работ, в которых всасывающее давление влаги используется для целей грунтоведения и механики грунтов - В.П.Ананьев и др.[б], В.В.Бадов [ 8], О.Е.Приходченко и Л.В.Передель-ский [72], в частности - для прогноза набухания грунтов [її].
Количественно характеризуя силы, действующие на воду со стороны твердой фазы грунта, всасывающее давление тесно связано с такими свойствами грунта как плотность, влажность, дисперсность, геометрия порового пространства, минеральный состав и состав обменного комплекса.
Особый интерес представляет зависимость всасывающего давления от влажности грунта, которая в почвоведении носит название основной гидрофизической характеристики почвогрун-тов (ОГХ). Использование этой зависимости позволяет количественно описать движение влаги в ненасыщенных грунтах. Как показали многочисленные исследования [ 14,20,54,70 ] для каждой конкретной пористой системы характерна индивидуальная зависимость всасывающего давления от влажности.
В.Г.Онищенко и Б.Н.Мичурин [бб] изучали зависимость всасывающего давления от влажности на монодисперсных фракциях, выделенных из почвы. Так как частицы в монофракциях не обладают внутренней пористостью, то вся влага содержится в порах между частицами, которые постоянны в размере. Графики зависимости всасывающего давления от влажности, полученные В.Г. Онищенко и Б.Н.Мичуриным (рис.2.3), позволяют выявить некоторые важные закономерности. Резкий перегиб графика в области высокой влажности соответствует давлению входа воздуха в систему, отвечающему моменту разрыва сплошности капилляров. Абсолютное значение этого давления возрастает с ростом удельной поверхности дисперсной системы. Второй перегиб графика в области низкой влажности соответствует моменту перехода капиллярной влаги в пленочную.
Для реальных грунтов, содержащих частицы различного размера, зависимость всасывающего давления от влажности имеет другой характер. Она представляет собой кривую гиперболической формы, причем параметры гиперболы зависят от свойств грунта. По мнению И.И.Судницына [84] гиперболическая форма кривой объясняется тем, что общий объем тонких пор в грунте невелик, хотя этих пор много. Объем же немногочисленных крупных пор значительно больше.
Выделение типовых участков для изучения всасывающего давления
На изученной территории лессовые грунты имеют практически сплошное распространение и отсутствуют лишь на пойменных террасах и небольших участках обнажений коренных пород, приуроченных к крутым склонам балок и речных долин. Лессовые породы имеют покровный характер залегания. Мощность лессового покрова различна и возрастает в юго-восточном направлении. Наибольшая мощность лессовых пород наблюдается на водоразделах - от 20-30 м на западе территории до 50-70 м на востоке. К подножиям склонов водоразделов мощность лессовых пород уменьшается, и местами они выклиниваются. В отдельных местах значительные по мощности лессовые толщи (до 15-40 м) наблюдаются также на древних террасах крупных рек. На низких террасах мощность лессовых пород не превышает нескольких метров.
Практически на всей территории лессовые отложения подстилаются мощными толщами скифских глин верхнего плиоцена. На надпойменных террасах лессовые грунты иногда подстилаются аллювиальными песчано-глинистыми отложениями четвертичного возраста, а у подножий склонов - и более древними породами.
На обширных водораздельных пространствах лессовые толщи слагаются тремя, реже - четырьмя горизонтами, разделенными четко выраженными погребенными почвами. Лессовые породы верхнего горизонта чаще всего имеют светлую желто-бурую окраску, иногда сероватую, красноватую, коричневатую. Лессовидные суглинки неслоистые, карбонатные, пылеватые, макропористые. Встречаются горизонты, обогащенные гипсом, карбонатами, железисто-марганцовистыми включениями.
Для среднего горизонта характерны меньшая макропористость, перемежаемость различных тонов окраски, изменчивость плотности и глинистости по разрезу, иногда слоистость. Мощность этого горизонта изменяется в широких пределах.
Нижний горизонт представлен более глинистыми разностями, имеющими темно-бурую и красноватую окраску, макропоры отсутствуют. Погребенных почв в толще лессовых пород насчитывается от одной до четырех. Они представляют собой прослои мощностью 0,5-1,5 м гумусированных темно-бурых суглинков.
В инженерно-геологическом отношении наибольший интерес представляют лессовые грунты верхнего горизонта, отличающиеся большой пористостью и склонностью к просадке.
На водоразделах преобладающим типом пород являются эоловые и эолово-делювиальные лессовидные суглинки, На склонах водоразделов в лессовых породах наблюдаются явные следы делювиального переноса. В долинах рек, на низких террасах заметную роль в формировании лессовых пород сыграл аллювиальный фактор.
В литологическом отношении лессовые грунты представлены различными суглинками - легкими, средними и тяжелыми. На отдельных участках, например на склонах речных долин, встречаются лессовидные супеси. В низах лессовой толщи иногда встречаются облессованные глины. Сверху вниз по разрезу литологический состав обычно изменяется вполне закономерно -от легких и средних суглинков до тяжелых суглинков и глин. На территории Сало-Донского и Сало-Манычского междуречья распространены более легкие грунты - в основном легкие и средние суглинки. На территории Северного Приазовья грунты отличаются более тяжелым составом.
Анализ гранулометрического состава лессовых грунтов подтверждает их визуальную характеристику. По данным микроагрегатного анализа в лессовых породах наблюдается следующее содержание фракций: песчаной ( 0,05мм) - 10-40 %, пылева-той (0,05-0,002 мм) - 45-75%, глинистой - 5-35%. Таким образом, в составе лессовых грунтов преобладает пылеватая фракция. Содержание песчаной фракции обычно увеличивается от водоразделов к террасам.
На территории исследований преобладают лессовые грунты эернисто-агрегативной структуры. На некоторых участках (Северное Приазовье) преобладают грунты агрегативной структуры.
Изучение всасывающего давления на искусственных грунтовых смесях
В соответствии с поставленной задачей (п.2.4), изучение зависимостей всасывающего давления от состава и структуры лессовых грунтов проводилось на искусственных грунтовых смесях с заданными свойствами. Исходным материалом для создания этих смесей послужил лессовидный тяжелый суглинок из центральной части г.Ростова-на-Дону со следующими свойствами:
Изготовление искусственных грунтовых смесей проводилось следующим образом. Исходный грунт разминался и высушивался до влажности около 10 %. Затем грунт просеивался через сито с отверстиями 5 мм, так как такой диаметр обеспечивал сохранение природных макроагрегатов. Просеянный грунт увлажнялся до требуемой влажности и оставлялся на сутки в закрытом эксикаторе для равномерного распределения влаги. Перед формованием образцов проводился контроль влажности. Из грунта требуемой влажности с помощью пресса формовались образцы заданной плотности. Контроль плотности грунта проводился путем взвешивания кольца с грунтом. Для понижения числа пластичности исходного грунта в него добавлялась песчаная фракция, отмытая из того же грунта.
Интервалы изменения физических свойств искусственных грунтовых смесей выбирались с учетом двух факторов: варьирования этих свойств в естественных лессовых грунтах Нижнего Дона и технических возможностей тензиометрического метода.
При изучении зависимости всасывающего давления от состава и количества глинистых минералов, образцы создавались путем смешивания в определенных весовых отношениях глинистых мономинералов (каолинита и монтмориллонита) с песчаной фракцией, имеющей определенный размер зерен. Полученную смесь увлажняли и формовали образцы заданной плотности.
.Зависимость всасывающего давления от влажности грунта. Влажность лессовых грунтов Нижнего Дона изменяется в широких пределах - от 9 до 25 % (табл.3.I). Как отмечалось ранее, тензиометрический метод позволяет измерять всасывающее давление в лессовых грунтах с влажностью не ниже 13-15$. Поэтому, при создании искусственных грунтовых смесей за нижний предел была принята влажность 16 %, За верхний предел принята влажность 24 %. Влажность грунтовых смесей в выбранном интервале изменялась через 2 % (16-18-20-22-24$). Более дробное деление интервала представляется нецелесообразным. Измерения всасывающего давления проводились в трехкратной повторности.
Как показали результаты эксперимента (табл.4.5), график зависимости всасывающего давления от влажности представляет собой кривую гиперболического вида (рис.4.4), причем параметры гиперболы зависят от свойств грунта. Здесь и далее всасывающее давление измеряется в килопаскалях, что позволяет выражать результаты измерений в целых числах. На рисунке 4.4.А представлены графики зависимости всасывающего давления, измеренного в кПа, от влажности для грунтов с различными свойствами. При уменьшении влажности грунта происходит рост всасывающего давления, причем скорость роста зависит от свойств грунта. Различие величин всасывающего давления у грунтовых смесей с различными свойствами незначительно при высокой влажности, но быстро возрастает при уменьшении влажности.
Проводить регрессионный анализ гиперболической зависимости сложно, поэтому, в соответствии с литературными данными, [15,23], зависимость всасывающего давления от влажности была заменена зав— pF-f(lftW) . Э замена позволила преобразовать описываемую зависимость в линейную (рис.4.4.Б). Графики представляют собой прямые линии, причем угол наклона их остается практически постоянным. Таким образом, мы имеем семейство прямых вида: где свободный член изменяется в зависимости от плотности и пластичности грунтовой смеси.
Исследованиями многих авторов [23,54,56,64,66] установлено, что с ростом дисперсности грунта всасывающее давление увеличивается при постоянной влажности. В данной работе поставлена задача сравнить лессовые грунты с грунтами различного грансостава. На рисунке 4.5 представлены графики зависимости всасывающего давления от влажности для грунтов различного состава.
Каи показали результаты эксперимента, график зависимости всасывающего давления от влажности для песчаных фракций (кр.1-2) представляют собой S-образную кривую. График характеризуется наличием двух резких перегибов, соответствующих моменту разрыва капилляров и моменту перехода капиллярной влаги в пленочную.
Определение деформационных и просадочных характеристик лессовых грунтов расчетным методом по величине всасывающего давления
Отсутствие значимой связи всасывающего давления с относительной просадочностыо заставляет обратиться к другому методу определения просадочности по величине всасывающего давления - методу аналитического построения компрессионной кривой. В основе метода лежит предположение о возможности определения объемной деформации лессового грунта по величине всасывающего давления.
Метод построен на основе предположения Н.М.Орнатского [68 j о возможности определения капиллярного давления ( бк ) по компрессионной кривой. Согласно его воззрениям, капиллярное давление является по отношению к скелету грунта внешней силой, вызывающей сжатие скелета. При этом фактическое напряжение сжатия скелета ( бк )с будет равно: где бк - напряжение, эквивалентное капиллярному давлению, найденное по кривой сжимаемости, МПа ; 60 - коэффициент пористости лессового грунта природного сложения. Имея кривую сжимаемости грунта можно определить напряжение, эквивалентное капиллярному давлению. Для этого по кривой сжимаемости надо определитьнапряжение, соответствующее коэффициенту капиллярно-насыщенного грунта ( 6 ).
Теперь полагаем, что всасывающее давление С Г$ ) и калил лярное давление С бк ) лессового грунта эквивалентны по величине. Если нам известна величина всасывающего давления, а также величина коэффициента пористости грунта, соответствующего влажности капиллярного насыщения С 6К ), тогда становится возможным решение обратной задачи - построение кривой сжимаемости по величине всасывающего давления без проведения компрессионных испытаний.
В полулогарифмическом масштабе компрессионная кривая приобретает линейный вид. Поэтому построение кривой сжимаемости проводилось в полулогарифмическом масштабе, по оси абсцисс откладывались значения натуральных логарифмов давления. Для построение прямой необходимо две точки. Для определения первой точки находятся значения [Л(бк)с и соответствующего ему 9к . В качестве координат второй точки принимаем Єо и Ш 0,01 МПа, полагая, что при столь малом давлении коэффициент пористости остается неизменным. По двум полученным точкам строим компрессионную прямую. Затем, задаваясь значениями давления 0,1 и 0,2 МДля того, чтобы определить относительную просадочность С Опр ) и модуль деформации грунта при естественной влажности ( LQ), воспользуемся формулой:
Приняв пр - 0,01, находим на сколько уменьшится коэффициент пористости грунта природной влажности ( ДЗ ) при приложении нагрузки от начального просадочного давления ( Гпр ) до Гщ +0,1 МПа: де= ь? - 0,04 ( + е0) . Отношение Д к приращению нагрузки в полулогарифмическом масштабе равно тангенсу угла наклона компрессионной зависи мости, имеющей общую точку с "мокрой" ветвью зависимости. Воспользовавшись этим, находим точки, соответствующие "сухой" ветви этой зависимости. Вычисления производим в следующем порядке: , . ч In И где 6 - коэффициент пористости грунта природной влажности при нагрузке , ї\ . Далее, задаваясь различными значениями давления, находим
Е0 и Ьпр Таким образом, разработанный метод позволяет определять деформационные и просадочные характеристики грунта без проведения компрессионных испытаний. Зная величину всасывающего давления грунта можно расчитать эти характеристики даже не строя компрессионной кривой, так как весь расчет формализован.
На основе разработанного аналитического метода была составлена программа "Модуль" для расчета на ЭВМ деформаци онных и просадочных характеристик лессовых грунтов по величине всасывающего давления.
Программа "Модуль", составленная на основе разработанного аналитического метода, была передана для внедрения тресту РостовДонТИСЙЗ. На материалах треста была проведена проверка достоверности получаемых расчетных значений деформационных и просадочных характеристик. Полученные расчетные значения сопоставлялись с результатами компрессионных испытаний, полевых штамповых испытаний, а также с материалами банка физико-механических свойств лессовых грунтов. Результаты проверки приведены в таблице 5.3. Здесь компрессионный модуль деформации грунтов (Ек) взят для интервала нагрузки 0,1-0,2 МПа без учета коэффициента ЇП к . Относительная просадочность определялась при давлении 0,2 МПа. Точность компрессионных и расчетных значений определялась относительно полевых штямповых испытаний. Как показывают результаты проверки, отклонения расчетных значений модуля деформации в естественном и водонасыщенном состоянии не превышают 10 %, а отклонения относительной просадочности - 15 %. Отклонения наблюдаются в обе стороны, т.е. ошибка определения случайная. В то же время, ошибка определения модуля деформации по результатам компрессионных испытаний достигает ПО %. Относительная просадочность по компрессионным испытаниям, как правило, бывает завышена. Ошибка достигает 250 %.
Расчетный метод дает более близкие к штамповым испытаниям значения относительной просадочности, чем метод аналогий (банк физико-механических свойств). Па, определяем модуль деформации водонасыщенного грунта ( t-w).
Похожие диссертации на Изучение всасывающего давления лессовых грунтов в связи с оценкой их деформационных и просадочных характеристик
