МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 624.131.4  

ШТАМПОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ

КАК ОСНОВАНИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

 

А.М. Будикова – аспирант;  С.Г. Юрченко – к.т.н., проф.

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Особенностью гидротехнических сооружений на лессовых грунтах, по сравнению с гражданскими и промышленными, является то, что грунты в  их основаниях практически все время находятся в увлажненном состоянии, что способствует проявлению просадочных  деформаций, наблюдающихся в толще лессовых грунтов при длительном увлажнении. При этом величина просадки зависит от степени и области увлажнения под тем или иным гидротехническим сооружением. Как показала практика эксплуатации гидротехнических сооружений, применяемых в оросительных системах, толща лессовых грунтов под ними не всегда увлажняется до максимального значения, так как глубина  и площадь замачивания зависят от геометрических размеров в плане источников замачивания. Такие сооружения, как промежуточные опоры лотков, акведуков и дюкеров, имеют, как правило, даже при длительном их использовании ограниченный контур увлажнения.

Ожидаемую величину просадки лессовых грунтов под гидросооружениями в соответствии с ВСН 33-2.02.06-86 рекомендуется определять по формуле

 

(1)

где   εsl.p - относительная просадка грунта i-го слоя при расчетном давлении р, определяемая по результатам компрессионных испытаний по формуле

                                                                                                  (2)

Δрб  деформация образца при предварительном обжатии  его природным (бытовым) давлением рб;   Δsl деформация образца после кратковременного  (2-3 суток)  замачивания при расчетном давлении;   hн   начальная высота образца,  равная  высоте кольца компрессионного прибора;   mz коэффициент,  учитывающий  гистерезис  (разуплотнение) деформаций грунта, определяемый по  обязательному  приложению ВСН;  mб коэффициент, учитывающий формоизменение  (горизонтальные деформации) грунта в пределах сжимаемой зоны  грунта под фундаментом. Последняя определяется  согласно  СНиП 2.02.01-83. Значения коэффициента m  также определяется по обязательному приложению  ВСН;  mр    коэффициент, учитывающий влияние размеров и формы объекта замачивания, определяемый по приложению к ВСН;   mwt коэффициент, учитывающий длительность увлажнения грунта

                                                                                                                     (3)

при отсутствии опытных данных  ewt, esl  величину коэффициента mwt также определяют по приложению к ВСН; εwt относительное послепросадочное сжатие образца при длительной фильтрации воды при сохранении расчетного давления.

Анализируя основную формулу (1) ВСН, необходимо отметить, что в ней вертикальная просадочная деформация подсчитывается по модели компрессионного сжатия без возможности бокового расширения небольшой мощности слоя грунта под подошвой фундамента сооружения. При этом предполагается, что замачивание происходит только под подошвой фундамента, а мощность лессового основания невелика, так как в компрессионном приборе отношение диаметра кольца штампа к его высоте d/h = 8,74 : 3,7=2,4, то есть мощность слоя просадочного грунта в 2,4 раза меньше ширины сооружения.. В реальных условиях мощности лессовых грунтов обычно в несколько раз превышают ширину гидротехнического сооружения, например, опоры акведука. Для сближения результатов расчетов просадочных деформаций, полученных по компрессионной модели, с реально наблюдаемыми используются корректирую-щие эмпирические коэффициенты условий работы mz, mр, mwt, иногда неопределенные по учитываемым ими факторам.

Для условий гидромелиоративного строительства, когда необходимо определить ожидаемую величину деформации  гидросооружений на лессовых основаниях большой мощности, имеющих область замачивания больше площади подошвы их фундамента вследствие длительного увлажнения фильтрационным потоком, модель компрессионного сжатия для определения относительной деформации становится неприемлемой.

Для приближения модели лабораторного исследования деформационных свойств лессового грунта к реальным условиям их работы под гидротехническими сооружениями гидромелиоративных систем нами были проделаны штамповые испытания такого грунта в лотке. Поскольку в реальном грунтовом основании под сооружением (в зависимости от соотношения сторон подошвы фундамента и сжимаемой толщи грунта), кроме компрессионного, может быть и другое напряженно-деформационное состояние с возможностью бокового  расширения грунта и областью замачивания за пределами контура фундамента, необходимо было размеры основания под штампом, имитирующим подошву фундамента ГТС, принять в несколько раз больше размеров штампа как в ширину, так и в глубину.

Преимуществом лабораторного моделирования является возможность изучения ожидаемых процессов с учетом пространственной изменчивости лессовых грунтов, фактора времени, напряженно-деформированного состояния и т.д. Эти методы обеспечивают получение материала в объеме, необходимом для статистической обработки данных с целью выявления корреляционных зависимостей между изменениями влажностного режима лессовых грунтов и их деформативностью. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием аппарата математической статистики. Для этого после построения эмпирических зависимостей для n количества образцов промышленным  монолитов было сделано допущение о характере зависимости и выведена эмпирическая зависимость между напряжениями и деформациями. Адекватность полученного регрессионного уравнения, то есть соответствие  реальному моделируемому процессу, достоверность его параметров оценивались показателем качества подгонки, а именно коэффициентом детерминации.

В связи с невозможностью создания в искусственном модельном грунте условий подобия характеристикам реального грунтового основания, в  эксперименте использовались образцы натурного грунта естественного сложения, отобранные в виде монолитов на строительной площадке.

Образцы грунта были отобраны в Кызылординской области республики Казахстан. Было отобрано 10 монолитов ненарушенной структуры  лессового грунта с разной глубины из трех шурфов. 

Так как в лабораторной модели системы «ГТС – основание» использован натурный грунт естественной структуры, то и напряжения σz, передаваемые опорой ГТС на основание и его относительная деформация  εsl  должны быть равны реальным.

Лабораторная модельная установка системы «опора акведука лоткового канала –  лессовое основание» представляет собой прямоугольный ящик размерами 3b х b и высотой  h = 3b, где b – ширина штампа. Так как b = 10 см, то ящик имеет размеры 30х10х30 см.  Размеры основания в плане (а, следовательно, и монолита грунта) назначены таковыми, чтобы они соответствовали возможным контурам замачивания грунта основания от моделируемого гидросооружения. Схема модельной  установки показана на рис.1.

Одна сторона ящика выполнена из прозрачного оргстекла. В ящик помещается модель основания – натурный грунт в виде монолита в естественном по ориентации состоянии. На лицевой стороне монолита, примыкающей к оргстеклу, прежде чем помещать в лоток, нанесена несмываемой краской сетка размерами 2х2 см. Во избежание застенной фильтрации передняя поверхность монолита тщательно выравнивается для наиболее плотного прилегания к лицевой стороне ящика.

Прозрачная стенка необходима для возможности визуального фиксирования изменения контура промачивания модельного грунтового основания, а также изменение его деформативного состояния после приложения к нему через штамп постепенно увеличивающейся ступенями нагрузки до расчетной нагрузки от ГТС.

                                                                     индикатор часового типа

 

                                Рис.1. Схема модельной установки

 

На поверхность монолита в лотке устанавливается модель сооружение – прямоугольный металлический штамп толщиной  t = 1см и размерами в плане 10х10 см (модель плиты-опоры акведука с реальными размерами подошвы 2,0х2,0 м). 

На выровненную модельную поверхность основания тщательно устанавливается строго посередине штамп и на него передается напряжение ступенями. Сверху штампа закрепляется  индикатор часового типа для фиксирования происходящих вертикальных деформаций. После суток консолидации грунта под нагрузкой и снятия начального отсчета по индикатору вокруг штампа заливается вода и поддерживается во все время инфильтрации ее через грунт модели до завершения деформации. При этом производится замер времени и отсчет деформаций.

Осредненные результаты эксперимента приведены в таблице и показаны на графиках (рис. 2, 3).

e

 

e,  %

 

График зависимости e = f(p)

 

 

Рис. 2, 3

 

В результате обработки экспериментальных данных методами математической статистики получены эмпирические формулы  для определения относительной деформации для сетевых гидросооружений на лессовых основаниях с мощностью замачиваемой толщи hsl > b в два  раза.

 

                                                                                                                                Таблица

Штамповые испытания

 

Нагрузка

p, кг/см2

Время отсчета

t, мин

Показания индикатора

Δh, см

Относительная

деформация e, %

0

-

0,0975

0,4875

0,1338

10

0,1585

0,7925

0, 2688

20

2,1056

10,52

0,4035

30

5,0975

25,48

0,5372

40

6,7557

33,77

 

Анализируя полученные опытные данные, можно сделать вывод о том, что в штамповых  испытаниях лёссового грунта  после замачивания до полного водонасыщения нагрузки  p > 0,4 кг/см2 происходит выпирание грунта из-под штампа и образуются бугры выпирании, то есть происходит фактическое разрушение грунта, хотя на кривой S = f(p) явно выраженной 2-й критической нагрузки не наблюдается.