AN EXPERIMENTAL STUDY OF THE SOFT CLAY SOIL FOUNDATIONS

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ ИЗ СЛАБЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Научная статья

Сафин Д.Р.^1, *, Белов Ю.А.², Сафина А.Д.³

¹ ORCID: 0000-0003-2871-0808;

^{1, 2, 3} Казанский государственный архитектурно-строительный университет, Казань, Россия

* Корреспондирующий автор (d.safin[at]list.ru)

Аннотация

Цель исследования – оценка деформативности слабого водонасыщенного глинистого основания, усиленного группой песчаных свай в виде сплошного свайного поля, при их совместном деформировании под нагрузкой. В существующих исследованиях рассматриваются взаимодействие отдельностоящих грунтовых свай с окружающим грунтом, методики их расчета, без учета совместной работы группы свай в деформируемом грунтовом массиве. Основные результаты исследований получены в виде новых экспериментальных данных работы группы песчаных свай при их совместном деформировании с массивом грунта из слабого водонасыщенного глинистого грунта под штампом. Значимость полученных результатов для строительной отрасли состоит в том, что приведенные экспериментальные данные могут быть использованы при дальнейших теоретических исследованиях для разработки расчетной модели, позволяющей учесть особенности взаимодействия песчаных свай в свайном поле между собой и с окружающим грунтовым массивом, и представляют практическую ценность.

Ключевые слова: строительство, грунт, песчаная свая, слабый водонасыщенный глинистый грунт, армирование грунта, деформации, осадка.

AN EXPERIMENTAL STUDY OF THE SOFT CLAY SOIL FOUNDATIONS

Research article

Safin D.R.^1, *, Belov Yu.A.², Safina A.D. ³

¹ ORCID: 0000-0003-2871-0808;

^{1, 2, 3} Kazan State University of Architecture and Engineering, Kazan, Russia

* Corresponding author (d.safin[at]list.ru)

Abstract

The aim of the study is to assess the deformability of a soft water-saturated clay foundation reinforced by a group of sand piles in the form of a continuous pile field when they are jointly deformed under load. Existing studies consider the interaction of free-standing soil piles with the surrounding soil and the methods of their calculation without taking into account the joint work of a group of piles in a deformable soil mass. The main results of the research are obtained in the form of new experimental data on the work of a group of sand piles during their joint deformation with a soil mass of weak water-saturated clay soil under the stamp. The significance of the obtained results for the construction industry lies in the fact that the experimental data can be used in further theoretical studies to develop a computational model that allows taking into account the aspects of the interaction of the sand piles in the pile field both with one another and with the surrounding soil mass, and are of practical value.

Keywords: construction, soil, sand pile, soft water-saturated clay soil, soil reinforcement, deformations, sediment.

Введение

Одним из эффективных методов улучшения строительных свойств оснований, сложенных из слабых водонасыщенных глинистых грунтов, является применение армирующих элементов в виде песчаных свай. С появлением современных материалов, появилась возможность дополнительно улучшить характеристики песчаных свай путем наружного цилиндрического армирования их геосинтетическим сетками или геосинтетическим нетканым материалом, что позволяет существенно снизить их поперечные деформации и, как следствие, уменьшить их вертикальные деформации. В тоже же время более медленно происходит процесс заиливания тела песчаных свай.

В настоящее время различными авторами проведены ряд научных экспериментальных и теоретических исследований по изучению деформативности и несущей способности песчаных свай. В исследованиях Тер-Мартиросяна З.Г., Тер-Мартиросяна А.З. [1], [2] рассмотрены основные методы улучшения свойств слабых глинистых грунтов при их поверхностном и глубинном уплотнении, отмечается, что в зависимости от технологии устройства свай существенно отличаются процессы уплотнения слабого глинистого основания. Приводятся решения задачи взаимодействия грунтовой сваи и фундаментной плиты с окружающим грунтовым цилиндром, опирающимся на несжимаемое основание по схеме «свая-стойка». Авторами получены замкнутые решения для определения напряжений в теле сваи и грунте под штампом.

В своей работе Новиков Ю.А. [3] на основании комплексных экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях выявил эффективное соотношение диаметра песчаной сваи к её длине, выявил особенности напряженно деформированного состояния слабого глинистого основания ленточных фундаментов, усиленного армированными песчаными сваями по контуру.

В работах А. Б. Пономарева, Р. А. Усманова, Р. И. Шенкмана [4], [5] рассматривается технология улучшения слабого грунтового основания с использованием грунтовых свай из щебня в геосинтетической оболочке. Для изучения армированного основания были проведены лабораторные и полунатурные эксперименты, численное моделирование. В процессе полунатурных испытаний были рассмотрены несколько вариантов передачи нагрузок на армированное основание и технологии армирования. Авторы отмечают, что при нагружении армированного массива из грунтовых свай не удается добиться существенного снижения осадок. Поэтому, на сегодняшний день хоть и имеются разработанные методики определения осадок армированных свай, существует необходимость изучения осадок группы грунтовых свай, армирующих слабые водонасыщенные основания.

Результаты исследований в области применения песчаных свай, технологии их устройства и работы под нагрузками, деформации слабых водонасыщенных грунтов под статическими и циклическими нагрузками, данные по исследованию эффективности армирования грунта геосинтетическими материалами приведены так же в [6], [7]. Результаты численных исследований основания плитного фундамента из слабого глинистого грунта [8], [9] показали, что вертикальные деформации штампа, изгиб свай главным образом зависят от диаметра свай, их длины и шага. Хорошая эффективность армирования достигается при отношении длины свай к толщине слабого слоя грунта 0,75.

В упомянутых работах в основном рассматривается ячейка, состоящая из одиночной армированной песчаной сваи при совместном деформировании с окружающим грунтом в пределах ячейки. Однако под сплошными плитными фундаментами в различных зонах реализуются разные условия напряженно-деформированного состояния, и условия деформирования свай в зависимости от расположения будут существенно отличаться, что, несомненно, необходимо учитывать при определении осадок и несущей способности основания в целом. На сегодняшний день работа группы грунтовых свай, применяемых для улучшения слабого водонасыщенного глинистого основания, изучена недостаточно, и существует необходимость в разработки методик расчета осадок таких оснований, базирующихся на новых экспериментальных данных.

Методы и принципы исследования

С целью изучения напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания под жестким штампом в лаборатории кафедры ОФДСиИГ КазГАСУ были проведены серии лабораторных исследований на маломасштабных грунтовых моделях. При моделировании применяли метод геометрического подобия, когда соблюдается постоянство в отношении всех сходственных размеров. Лоток стендовой установки имел внутренние размеры 500х500х500мм. В качестве грунта использовался суглинок нарушенной структуры, физико-механические характеристики приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Физико-механические характеристики грунта

Наименование показателей	Ед. изм.	Значение
Удельный вес	кН/м3	18,5-18,9
Заданная влажность	%	38
Число пластичности	%	16
Показатель текучести	д.ед.	0,93-0,96

 

Были изготовлены три серии образцов: 1 серия (2 образца) – естественное основание (образцы без усиления); 2 серия (3 образца) – усиление грунта песчаными сваями диметром 25 мм длиной 200 мм, армированными геосинтетическим материалом по контуру; 3 серия (2 образца) – усиление грунта песчаными сваями диметром 25 мм длиной 300 мм, армированными геосинтетическим материалом по контуру.

В образцах серии 2 нагрузка передается на армированный массив (через песчаную прослойку), а в образцах серии 3 нагрузка передается непосредственно на сваи. Шаг свай в плане принят 60 мм. Для устройства свай в массив погружалась труба с остроконечным пробойником внутри. После достижения заданной глубины пробойник извлекался, в трубу опускалась геосинтетическая ткань. Далее в полость трубы послойно загружался песок с раскаткой пробойником. В качестве материала для свай применялся песок крупный с влажностью W = 3% с плотностью ρ=1,9 г/см³. Плотность контролировалась по расходу песка для заполнения сваи. Нагрузку на массив передавали через жесткий металлический штамп диаметром 160 мм. Величина предельной осадки штампа принята 100мм. Схемы испытаний приведены на рис.1.

Рис. 1 – Схема грунтовых моделей

  Основные результаты

Результаты испытаний в виде графиков «осадка-давление» для трех серий экспериментов представлены на рис.2. Графики построены по осредненным значениям нескольких экспериментов в каждой серии.

 

Рис. 2 – Вертикальные деформации штампа: 1–грунтовый массив без усиления (1-я серия); 2– усиление грунта песчаными сваями длиной 200 мм (2-я серия);3– усиление грунта песчаными сваями длиной 300 мм (3-я серия)

На основании изучения графиков осадки штампа в зависимости от давления графиков можно сделать следующие выводы:

а) при значении предварительно заданной предельно допустимой осадки штампа величиной в 10см, предельное давление составило:

– на основание без усиления – 73 кПа;

– на основание с усилением песчаными сваями длиной 200мм – 145 кПа;

– на основание с усилением песчаными сваями длиной 300мм – 156 кПа;

б) устройство песчаных свай в массиве слабого водонасыщенного глинистого грунта привело к увеличению предельной нагрузки до 2,1 раз.

в) в образцах 3-й серии песчаные сваи выполнены длиной 300 мм с устройством их через прослойку песчаного грунта непосредственно под подошвой штампа. Однако, в сравнении с образцами 2-й серии, где песчаные сваи выполнены длиной 200 мм только в пределах слабого слоя грунта, предельная нагрузка на основание возросла всего лишь на 7,5%, что говорит о неэффективности сопряжения песчаных свай непосредственно со штампом.

Результаты испытаний образцов 1-й серии на примере одного эксперимента представлены на рис.3

Рис. 3 – Результаты испытаний 1-й серии образцов: а) 1, 2 положение штампа до и после испытаний; б) влажность грунта в различных зонах массива после испытаний; в) плотность грунта в различных зонах массива после испытаний

 

Как видно из схемы (а), к концу испытаний наблюдается потеря устойчивости штампа, сопровождающийся небольшим выпором на поверхности величиной около 15 мм, что свидетельствует о достижении давления на основание своего предельного значения. К окончанию эксперимента под штампом формируется деформационное ядро уплотнения, о чем свидетельствуют контрольные измерения влажности и плотности в различных точках массива (схемы б и в). На поверхности слабого грунта наблюдается углубление величиной до 58 мм. Миграция воды происходит в направлении от деформационного ядра вниз и в стороны. Существенное изменение плотности массива и влажности распространяется на глубину до 1,5 диаметров штампа.

Результаты испытаний образцов 2-й и 3-й серий с армированием слабого основания песчаными сваями представлены на рис. 4 и 5.

Рис. 4 – Результаты испытаний 2-й серии образцов: а) 1, 2 положение штампа до и после испытаний; б) влажность грунта в различных зонах массива после испытаний; в) плотность грунта в различных зонах массива после испытаний

 

Для образцов 2-й серии уплотненная зона грунта образуется практически в пределах всей длины песчаных свай. При этом за счет бокового давления грунта несколько увеличились расстояния между сваями, однако сваи практически сохранили свою вертикальность. Как видно на схемах рис.4, на поверхности грунта наблюдается углубление величиной до 5,6 см, поэтому вертикальные деформации средних свай в массиве слабого грунта существенно больше, примерно равные диаметру свай после расширения. Что свидетельствует о том, что нагрузка на сваи в пределах штампа передается не равномерно, средние сваи нагружены больше.

По сравнению с массивом грунта без армирования, глубина изменения плотности и влажности грунта существенно больше, практически равна мощности образца. Движение воды происходит в основном из центральной зоны в боковые зоны лотка, в горизонтальном направлении. В боковых частях лотка примерно на уровне низа свай находятся зоны с максимальным увеличением влажности образца.

В песчаных сваях также произошло существенное изменение влажности в большую сторону.

Рис. 5 – Результаты испытаний 3-й серии образцов: а) 1, 2 положение штампа до и после испытаний; б) влажность грунта в различных зонах массива после испытаний; в) плотность грунта в различных зонах массива после испытаний

 

Влажность в песчаных сваях после окончания эксперимента составила порядка 10% – 17% – 12% в верхней, средней и нижней зонах соответственно, при изначальной влажности песка в 3%. Указанное изменение влажности свидетельствует о том, что значительное количество влаги фильтруется в тело песчаных свай, как дренирующих элементов.

Для образцов 3-й серии наблюдается деформирование свай в горизонтальном направлении с изгибом, что свидетельствует о чрезмерной гибкости свай в связи с большим соотношением диаметра свай к длине. Как показали измерения плотности грунта после проведения эксперимента, уплотненная зона грунта для этой серии образовалась только в пределах верхней зоны песчаных свай. Поэтому, боковое расширение грунта в пределах уплотненной зоны привело к изгибу свай в горизонтальном направлении в стороны, а нижние зоны свай при этом сохраняли свою вертикальность. Однако, ввиду передачи нагрузки от штампа непосредственно на сваи, произошло существенное проскальзывание их в массиве. Для средних свай величина деформаций проскальзывания существенно больше, чем для крайних свай. Изгиб свай привел к существенному снижению их несущей способности, поэтому деформации штампа для 3-й серии незначительно отличаются от деформаций образцов 2 серии.

Заключение

Предельная нагрузка при усилении массива из слабого водонасыщенного глинистого грунта песчаными сваями в геотекстильной оболочке возросла до 2,1 раза. Что подтверждает эффективность применения указанных свай и достаточно хорошо согласуется с натурными и численными экспериментальными данными других исследователей [10], [11], [12]. При изучении деформаций свай можно выделить, что средние сваи под штампом нагружены больше, что сопровождается увеличением их осадки по сравнению с крайними сваями. Крайние сваи полностью не могут включиться в работу, так как они испытывают одновременно вертикальные и горизонтальные деформации, в пределах образующегося ядра уплотнения под штампом происходит изгиб свай в направлении от штампа. При этом верхняя и нижняя зоны свай сохраняют свою вертикальность, хотя и наблюдается некоторое боковое смещение самих свай. Так же необходимо отметить, что при передаче нагрузки от штампа непосредственно на сваи, существенного увеличения несущей способности основания не происходит. Это приводит к проскальзыванию свай в массиве и увеличению осадки штампа в целом. В случае, когда давление от штампа на песчаные сваи передается через прослойку грунта с хорошими деформационно-прочностными характеристиками, происходит дополнительное боковое обжатие тела песчаных свай, что увеличивает их несущую способность и уменьшает осадку штампа. Указанное явление подробно описана также в [10, 11]. Несмотря на то, что армированные песчаные сваи достаточно эффективно улучшают деформативные характеристики основания из слабого водонасыщенного грунта, осадки достигают достаточно больших величин. Как указывают и другие исследователи, это вероятнее всего связано с тем, что определённые деформации происходят до момента включения в работу грунтовых свай.

Конфликт интересов	Conflict of Interest
Не указан.	None declared.

Список литературы / References

1. Тер-Мартиросян А.З. Экспериментально-теоретические основы преобразования слабых водонасыщенных глинистых грунтов при поверхностном и глубинном уплотнении / А.З. Тер-Мартиросян, Тер- З.Г Мартиросян // Инженерная геология, 2015, №4. – С.16-25.
2. Тер-Мартиросян А.З. Взаимодействие грунтовых свай с окружающим грунтом с учетом расширения диаметра свай / А.З. Тер-Мартиросян, Тер- З.Г Мартиросян, В.В. Сидоров // Основания, фундаменты и механика грунтов, 2016, №3. – С.10-15.
3. Новиков Ю.А. Исследование работы песчаных армированных по контуру свай в слабых глинистых основаниях под ленточными фундаментами / Ю.А. Новиков: дис... канд. техн. наук. Тюмень, 2015.
4. Полунатурные экспериментальные исследования грунтовых свай в оболочке из геосинтетических материалов / Р.И.Шенкман, А. Б. Пономарев, Р. А. Усманов // Вестник гражданских инженеров. 2014, № 1(42) – С. 54-60.
5. Подходы к расчету осадок и технологии изготовления грунтовых свай в оболочке из геосинтетических материалов / Р.И.Шенкман, А. Б. Пономарев, С. В. Пискотин // Вестник гражданских инженеров. 2015, № 6(53) – С. 127-133.
6. ХасановР.Р. Экспериментальные исследования деформативности водонасыщенных глинистых грунтов при циклических нагружениях / Р. Р. Хасанов, Р. Р. Гиниятуллин // Известия КГАСУ. – Казань: 2008, № 2 (10). – С. 85-89.
7. ХасановР.Р. Экспериментальные исследования физических характеристик предварительно обжатых глинистых грунтов при замачивании / Р. Р. Хасанов, А. Р. Смирнова // Международный научно-исследовательский журнал. – Екатеринбург: 2017, №12 (66) – С. 178-182.
8. Сиразиев Л.Ф. Экспериментальные исследования влияния напластования различных грунтов на напряженно-деформированное состояние слоистого грунтового основания плитного фундамента / Л.Ф. Сиразиев, Д.Н. Сергеев // Известия КГАСУ. – 2017. – № 2 (40). – С. 153-159.
9. Сиразиев Л.Ф. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния слоистых грунтовых оснований под центром штампа при кратковременных испытаниях / Л.Ф. Сиразиев // Инновации и инвестиции. – 2018. – № 11. – С. 225-228.
10. Сафин Д.Р. Экспериментальные исследования НДС слабых водонасыщенных глинистых грунтов, армированных вертикальными элементами/ Д.Р. Сафин // Известия КГАСУ. – 2014. – № 4 (30). – С. 191-199.
11. Safin D. R. Experimental studies of a weak clay base reinforced with sand piles / D. R. Safin // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 962 (2020) 032020 doi:10.1088/1757-899X/962/3/032020.
12. Elsawy, M.B.D. Performance of Granular Piles-Improved Soft Ground Under Raft Foundation: A Numerical Study / B.D Elsawy,. & B. El-Garhy, // Int. J. of Geosynth. and Ground Eng. (2017) 3: 36.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ter-Martirosyan A.Z. Jeksperimental'no-teoreticheskie osnovy preobrazovanija slabyh vodonasyshhennyh glinistyh gruntov pri poverhnostnom i glubinnom uplotnenii [Experimental and theoretical foundations of the transformation of weak water-saturated clay soils with surface and deep compaction] / A.Z. Ter-Martirosyan, Z.G. Ter-Martirosyan // Inzhenernaja geologija [Engineering Geology], 2015, No. 4. - pp. 16-25. [in Russian]
2. Ter-Martirosyan A.Z. Vzaimodejstvie gruntovyh svaj s okruzhajushhim gruntom s uchetom rasshirenija diametra svaj [The interaction of soil piles with surrounding soil, taking into account the expansion of the diameter of piles] / A.Z. Ter-Martirosyan, Z.G. Ter-Martirosyan, V.V. Sidorov // Osnovanija, fundamenty i mehanika gruntov [Foundations, foundations and soil mechanics], 2016, No. 3. - pp. 10-15. [in Russian]
3. Novikov Yu.A. Issledovanie raboty peschanyh armirovannyh po konturu svaj v slabyh glinistyh osnovanijah pod lentochnymi fundamentami [Investigation of the work of sand reinforced along the contour of piles in weak clay foundations under strip foundations] / Yu.A. Novikov: thesis for a Candidate Degree in Technical Sciences. Tyumen, 2015. [in Russian]
4. Polunaturnye jeksperimental'nye issledovanija gruntovyh svaj v obolochke iz geosinteticheskih materialov [Seminatural experimental studies of soil piles in a shell made of geosynthetic materials] / R.I. Schenkman, A.B. Ponomarev, R.A. Usmanov // Vestnik grazhdanskih inzhenerov [Bulletin of Civil Engineers]. 2014, No. 1 (42) - pp. 54-60. [in Russian]
5. Podhody k raschetu osadok i tehnologii izgotovlenija gruntovyh svaj v obolochke iz geosinteticheskih materialov [Approaches to the calculation of the draft and manufacturing technology of soil piles in a shell made of geosynthetic materials] / R.I. Schenkman, A.B. Ponomarev, S.V. Piskotin // Vestnik grazhdanskih inzhenerov [Bulletin of Civil Engineers]. 2015, No. 6 (53) - pp. 127-133. [in Russian]
6. Khasanov R. R. Eksperimental'nye issledovanija deformativnosti vodonasyshhennyh glinistyh gruntov pri ciklicheskih nagruzhenijah [Experimental studies of deformation of water-saturated clayey soils under cyclic loads] / R. R. Khasanov, R. R. Ghiniatullin // Izvestija KGASU [Izvestiya KGASU]. - Kazan: 2008, № 2 (10). – Р. 85-89. [in Russian]
7. Khasanov R. R. Eksperimental'nye issledovanija fizicheskih kharakteristik predvaritel'no obzhatyh glinistyh gruntov pri zamachivanii [Experimental studies of the physical characteristics of pre-compressed clay soils during soaking] / R. R. Khasanov, A. R. Smirnova // Meždunarodnyj naučno-issledovatel’skij žurnal [International Research Journal]. – Ekaterinburg: 2017, №12 (66) – P. 178-182. [in Russian]
8. Siraziev L.F. Jeksperimental'nye issledovanija vlijanija naplastovanija razli’nich gruntov na naprjazhenno-deformirovannoe sostojanie sloistogo gruntovogo osnovanija plitnogo fundamenta [Experimental studies of the influence of the bedding of various soils on the stress-strain state of a layered subsoil base of the slab foundation] / L.F. Siraziev, D.N, Sergeev // Izvestiya KGASU. – 2017. – № 2 (40). – Р. 153-159. [in Russian]
9. Siraziev L.F. Jeksperimental'nye issledovanija naprjazhenno-deformirovannoe sostojanie sloistogich gruntovich osnovanii pod tsentrom chtampa pri kratkovremennich ispitanijach [The stressed-stained state experimental researches of multilayered soilbases under the stamp center at short term tests] / L.F. Siraziev // Innovatsii i investitsii. – 2018. – № 11. – Р. 225-228. [in Russian]
10. Safin D.R. Eksperimental'nye issledovanija NDS slabyh vodonasyshhennyh glinistyh gruntov, armirovannyh vertikalnymi elementami [Experimental studies intense-deformed condition vertically reinforced water-saturated argillir soil body] / Safin D. R. // Izvestiya KGASU. – 2014. – № 4 (30). – Р. 191-199. [in Russian]
11. Safin D. R. Experimental studies of a weak clay base reinforced with sand piles / D. R. Safin // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 962 (2020) 032020 doi:10.1088/1757-899X/962/3/032020.
12. Elsawy, M.B.D. Performance of Granular Piles-Improved Soft Ground Under Raft Foundation: A Numerical Study / B.D Elsawy,. & B. El-Garhy // Int. J. of Geosynth. and Ground Eng. (2017) 3: 36.