EXPERIMENTAL RESEARCH OF PHYSICAL CHARACTERISTICS OF PRELIMINARY COMPRESSED CLAY SOIL AT MOISTENING

Хасанов Р.Р.¹, Смирнова А.Р.²

¹Доцент кафедры оснований, фундаментов, динамики сооружений и инженерной геологии, кандидат технических наук, ²студент,

Казанский государственный архитектурно-строительный университет, Россия, г.Казань

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОБЖАТЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПРИ ЗАМАЧИВАНИИ

Аннотация

Свойства грунтов, особенно пылевато-глинистых, существенным образом зависят от объемного содержания в них воды. Для точной прогнозной оценки характеристик грунта при возможном замачивании в процессе эксплуатации необходимо правильно оценивать возможность насыщаемости грунта водой в условиях сложившегося в них напряженного состояния при обжатии нагрузкой от здания или природным давлением. Приведены результаты экспериментальных лабораторных исследований оценки степени влияния давления, предварительно приложенного на грунт и имитирующего природное давление либо давление, возникающее под подошвой фундаментов зданий или сооружений, на возможность достижения полного водонасыщения грунта. Выполнен анализ результатов исследований, и установлена эмпирическая зависимость степени влажности от давления обжатия грунта.

Ключевые слова: грунт, замачивание, предварительное обжатие, коэффициент водонасыщения, показатель текучести.

Khasanov R.R.¹, Smirnova A.R.²

¹Associate professor of the Department of Foundations, Dynamics of Structures and Engineering Geology, PhD in Engineering, ²Student,

Kazan State University of Architecture and Civil Engineering, Kazan, Russia

EXPERIMENTAL RESEARCH OF PHYSICAL CHARACTERISTICS OF PRELIMINARY COMPRESSED CLAY SOIL AT MOISTENING

Abstract

The properties of soils, especially silty-clayey ones, essentially depend on the water content in them. For the accurate predictive assessment of soil characteristics with possible moistening during operation, it is necessary to correctly assess the possibility of soil saturation with water under the conditions of the stressed state with loading from the building or by natural pressure.

The results of experimental laboratory studies of the influence evaluation of pressure degree, previously applied to the ground and imitating the natural pressure or pressure arising under the foundation bases of buildings or structures, to the possibility of achieving full water saturation of the soil are presented in the paper. The analysis of the research results is performed, and the empirical dependence of the humidity degree on the ground compression pressure is established.

Keywords: soil, moistening, preliminary reduction, water saturation index, flow index.

Одним из отрицательных факторов, связанных с хозяйственной деятельностью человека и существенно влияющих на свойства грунтов, является их замачивание.

Причины, способствующие замачиванию грунтов на стадиях строительства и эксплуатации зданий и сооружений, могут быть:

• создание искусственных барьеров на пути движения грунтовых вод;
• вскрытие водоносных горизонтов;
• протечки из водонесущих коммуникаций;
• ошибки при водопонижении на строительных площадках;
• подтопление застроенных территорий.

Известно, что свойства всех разновидностей грунтов, особенно пылевато-глинистых, существенным образом зависят от состава и содержания в них воды. Изменение физического состояния грунтов при обводнении прежде всего выражается в повышении их объемной массы и показателя консистенции. Изменение механических свойств грунтов приводит к тому, что в процессе обводнения уменьшаются величины модуля общей деформации и параметров сопротивления сдвигу.

С учетом вышеизложенного, действующие строительные нормы предписывают при выполнении соответствующих расчетов несущей способности или деформаций осадок определять характеристики глинистых грунтов при их возможном полном водонасыщении, принимая коэффициент водонасыщения S_r = 0,9 – 1,0. Прогнозируемый теоретический показатель текучести глинистого грунта при этом определяется по формуле (9.1) [8]:

     (1)

Однако факторы, влияющие на возможность или невозможность достижения полного водонасыщения, данная формула не учитывает. Как показывает практика, степень увлажнения грунта в условиях поднимающегося уровня грунтовых вод зависит от величины приложенной на грунт нагрузки. С увеличением нагрузки способность грунта к увлажнению снижается, следовательно, грунты, обжатые нагрузкой, будут содержать меньше воды. К тому же, практически всегда грунты в той или иной степени испытывают вертикальное давление, создаваемое либо собственным весом грунтов, либо нагрузкой, передаваемой фундаментами.

Для возможности составления прогноза изменения физико-механических свойств грунтов исследуемой территории застройки очень важно наличие большого количества экспериментов по рассматриваемой теме с разными видами грунтов. Поэтому в целях оценки степени влияния давления, приложенного на грунт, имитирующего природное давление либо давление, возникающее под подошвой фундаментов зданий или сооружений, на возможность достижения полного водонасыщения грунта в лаборатории грунтоведения кафедры оснований, фундаментов, динамики сооружений и инженерной геологии КГАСУ были проведены экспериментальные исследования глинистых грунтов с предварительным замачиванием под нагрузкой и с последующим определением их физико-механических характеристик.

В качестве испытуемого образца грунта была принята супесь твердая нарушенной структуры со следующими физическими характеристиками [1]: ρ = 1,8 г/см³; ρ_s = 2,7 г/см³; W_L = 21 %; W_P = 14 %; W = 8 %, I_p = 7 %; I_L = -0,86; e = 0,61, S_r = 0,35. Образцы грунтов изготавливались в соответствии с [2], испытания проводились в соответствии с [3].

Эксперименты проводились в приборе для компрессионных испытаний полевой лаборатории Литвинова с трубками для подачи и отвода воды, схема которого представлена на рис. 1. Испытуемый образец грунта заключался в металлическое кольцо диаметром 57 мм и высотой 20 мм. Кольцо с грунтом устанавливалось на перфорированное днище, сверху закрывалось перфорированным штампом для приложения давления. Перфорация давала возможность воде свободно проникать в поры грунта, а также просачиваться через него на поверхность.

В процессе экспериментальных исследований было проведено 6 серий испытаний. В каждой серии грунты, имеющие изначально идентичные физико-механические характеристики, подвергались предварительному обжатию определенным вертикальным давлением, после чего подвергались продолжительному интенсивному замачиванию. Давление обжатия на образец грунта создавалось посредством перфорированного штампа с помощью рычажной системы и гирь (рис. 1).

Рис. 1 – Схема прибора: 1 – образец грунта; 2 – режущее кольцо; 3 – перфорированный поршень; 4 – перфорированное дно; 5 – рычаг с грузами; 6 – емкость для воды; 7 – грузы; 8 – регулирующие винты; 9 – индикатор

 

Первая серия экспериментальных исследований содержала в себе испытания по определению характеристик замоченного грунта при отсутствии давления на образец, в последующие серии давление увеличивалось от 30 до 200 кПа. Давление под штампом со второй по шестую серии составляло соответственно: 30; 50; 100; 150; 200 кПа. По окончании процесса замачивания повторно определялись характеристики образца грунта.

Перед началом замачивания образец грунта выдерживался под давлением, соответствующим серии испытаний, до условной стабилизации осадок, которая контролировалась индикатором часового типа 9 (рис. 1). За условную стабилизацию осадок принято увеличение деформации образца грунта не более чем на 0,01 мм за 1 час наблюдений. Затем через трубку к нижней части образца подавалась вода, которая просачивалась через поры грунта и заполняла пространство над верхним перфорированным штампом. По мере падения уровня в емкость 6 (рис. 1) периодически добавлялась вода для поддержания постоянного гидравлического напора. В таком состоянии грунт выдерживался в течение 2 суток, после чего прибор разбирался, и определялись основные физические характеристики замоченного грунта, а именно, влажность W и плотность ρ, на основании которых вычислялись такие производные характеристики как коэффициент пористости е, коэффициент водонасыщения S_r и показатель текучести I_L.

На рис. 2. представлен график изменения влажности грунта при замачивании под разными значениями давления предварительного обжатия. Примечательно, что теоретическая полная возможная влажность W_sat = 22,6% при замачивании практически была достигнута (на 96%) только при отсутствии давления на образец.

Рис. 2 – Полная возможная (W_sat) и фактическая (W) влажности грунта при замачивании в зависимости от давления, прикладываемого на образец

 

Известно, что между коэффициентом пористости и водопроницаемостью грунта существует прямая нелинейная зависимость, и чем меньше пористость, тем грунт менее водопроницаем, что, безусловно, влияет на способность грунта к водонасыщению.

На рис. 3 представлено изменение коэффициента пористости e грунта после замачивания в зависимости от давления, которое прикладывалось на поверхность образца. Установлено, что при отсутствии давления на поверхность грунта (1-я серия испытаний) после подачи воды пористость грунта увеличилась, т. е. происходило определенное разуплотнение грунта, которое возможно связано с взвешивающим действием воды или набуханием грунта. В последующих сериях приложение давления на образец грунта сопровождалось его некоторым уплотнением, т. е., соответственно, коэффициент пористости уменьшался по сравнению с первоначальным значением до 12%.

Рис. 3 – Изменение коэффициента пористости (e) грунта после замачивания в зависимости от давления, прикладываемого на поверхность образца

 

По результатам всех 6 серий испытаний грунтов построен обобщенный график зависимости коэффициента водонасыщения S_r испытуемого образца грунта от вертикального давления σ, предварительно приложенного на грунт, который представлен на рис. 4.

Проанализировав результаты проведенных эскпериментов, можно установить, что замачиваемость глинистого грунта действительно зависит от величины предварительного обжатия вертикальным давлением. Как видно из графика на рис. 4, поры грунта, обжатого вертикальным давлением, после замачивания содержат меньшее количество воды по сравнению с грунтом, не испытывающим давления.

Аппроксимирующую кривую зависимости между коэффициентом водонасыщения S_r и давлением на грунт σ, полученную в результате обработки и анализа экспериментальных данных (рис. 4), для рассмотренного в рамках исследований грунта (супеси твердой) можно описать в виде следующего логарифмического уравнения:

  (2)

где σ – давление на грунт в кПа.

Величина достоверности аппроксимации при этом составляет R²=0,95.

Рис. 4 – Обобщенный график зависимости коэффициента водонасыщения (S_r) от вертикального давления предварительного обжатия грунта (σ)

 

Кроме коэффициента водонасыщения контролировался и показатель текучести грунта I_L при замачивании под разными вертикальными давлениями (рис. 5). Как и следовало ожидать, график его изменения получился практически идентичным графику изменения коэффициента водонасыщения S_r (рис. 4), так как зависимость между ними прямая (1).

В 1-ой серии экспериментов, когда давление отсутствовало, грунт после замачивания становился водонасыщенным, он очень быстро размокал, и его консистенция практически сразу переходила из твердого состояния в текучее (I_L > 1). В остальных же сериях экспериментов с наличием давления на образец, перехода консистенции грунта после замачивания в текучее состояние не наблюдалось, во всех экспериментах она становилась только пластичной (рис. 5).

Следует отметить, что при определении показателя текучести грунта I_L на основе формулы (1), используя значение коэффициента водонасыщения S_r, найденное по выражению (2), можно получить весьма хорошую сходимость теоретических и экспериментальных данных (в пределах 8%).

Рис. 5 – Изменение показателя текучести грунта I_L после замачивания в зависимости от давления (σ), прикладываемого на поверхность образца

 

По результатам проведенной работы, которая включала в себя как проведение эксперимента, так и анализ процессов, возникающих в грунтах при их взаимодействии с водой, можно сделать следующие выводы:

• Наличие давления, возникающего в грунте от собственного веса или от возводимого сооружения, учет которого на стадии проектирования сооружений не регламентирован нормами, является одним из немаловажных факторов, оказывающих влияние на возможность полного водонасыщения и изменяемость физико-механических свойств грунтов при замачивании.
• После обжатия грунтов их возможность впитывать в себя воду снижается. Данный процесс, можно объяснить увеличением количества в глинистом грунте неустранимых замкнутых пузырьков воздуха при обжатии, которые не позволяют воде полностью заполнить весь объем пор.
• По результатам проведенных лабораторных испытаний получена эмпирическая зависимость, позволяющая определить прогнозный коэффициент водонасыщения супесей в зависимости от давления предварительного обжатия грунта, учет которого позволяет получить наиболее приближенные к реальности значения показателя текучести, величина которого напрямую влияет в дальнейшем на все физико-механические характеристики грунта.

Список литературы

1. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. – М.: Стандартинформ. – 42 с.
2. ГОСТ 30416-2012. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения. – М.: Стандартинформ. – 15 с.
3. ГОСТ 5180-2015. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. – М.: Стандартинформ. - 23 с.
4. ДорджиевА. А. Методы определения прочностных характеристик лессовых просадочных грунтов при замачивании / А. А. Дорджиев // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2008. - Вып. 10 (29). – С. 58-63.
5. Дорджиев А. А. Прогноз деформаций оснований фундаментов существующей застройки в процессе их эксплуатации / А.А. Дорджиев, А. Г. Дорджиев // Водные ресурсы и водопользование в бассейнах рек западного Каспия: сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. – Элиста: Изд-во КалмГУ, 2008. – С.109-111.
6. Сафин Д. Р. Исследование деформативности водонасыщенных глинистых грунтов, армированных вертикальными армирующими элементами / Д. Р. Сафин // Известия КГАСУ. – Казань: 2008, №2 (10). – С. 81-84.
7. Сафин Д. Р. Исследование несущей способности слабых водонасыщенных глинистых грунтов, армированных вертикальными армирующими элементами / Д.Р. Сафин, В. А. Груздева // Сб. ст. Междунар. научно-практич. конф. «Методы проектирования и оптимизации технологических процессов». – Уфа: ОМЕГА САЙНС, 2017. – С. 54-56.
8. СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. Минрегион России. – М.:НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, 2011. – 90 с.
9. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов / З. Г. Тер-Мартиросян. М.: АСВ, 2005. – 488 c.
10. 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.

Список литературы на английском языке / References in English

1. GOST 25100-2011. Grunty. Klassifikacija [ Classification]. – M.: Standartinform. 2013. – 42 p. . [in Russian]
2. GOST 30416-2012. Grunty. Laboratornye ispytanija. Obshhie polozhenija [Soils. Laboratory tests. General Provisions]. – M.: Standartinform. 2013. – 15 p. . [in Russian]
3. GOST 5180-2015. Grunty. Metody laboratornogo opredelenija fizicheskih harakteristik [Soils. Methods for laboratory determination of physical characteristics]. – M.: Standartinform. 2016. - 23 p. . [in Russian]
4. Dordzhiyev A. A. Metody opredelenija prochnostnyh harakteristik lessovyh prosadochnyh gruntov pri zamachivanii [Methods for determining strength characteristics of loess subsidence soils while wetting] / A. A. Dordzhiyev // Vestnik VolgGASU. Ser.: Str-vo i arhitektura. [Bulletin of Volgograd State Univercity of Arhitecture and Engeneering. Ser.: Construction and architecture]. - 2008. – №.10 (29). – P. 58-63. [in Russian]
5. Dordzhiyev A. A. Prognoz deformacij osnovanij fundamentov sushhestvujushhej zastrojki v processe ih jekspluatacii [Forecast of deformations of foundations of existing buildings during their operation] / A. Dordzhiyev, A. G. Dordzhiyev // Vodnye resursy i vodopol'zovanie v bassejnah rek zapadnogo Kaspija: sb. st. Vseros. nauch.-prakt. konf [Water resources and water use in the basins of the Western Caspian: dig. art. of All-Russian scientific-practical conference]. – Elista: Publishing house of KalmSU, 2008. – P.109-111. [in Russian]
6. Safin D. R. Issledovanie deformativnosti vodonasyshhennyh glinistyh gruntov, armirovannyh vertikal'nymi armirujushhimi jelementami [Vertically reinforced water-saturated argillir soil body deformability studies] / D. R. Safin // Izvestija KGASU [Izvestiya KGASU]. - Kazan: 2008, № 2 (10). – P. 81-84. [in Russian]
7. Safin D. R. Issledovanie nesushhej sposobnosti slabyh vodonasyshhennyh glinistyh gruntov, armirovannyh vertikal'nymi armirujushhimi jelementami [A study of the bearing capacity of weak water-saturated clayey soils reinforced by vertical reinforcing elements] / D. R. Safin, V. A. Gruzdeva // Sb. st. Mezhdunar. nauchno-praktich. konf. «Metody proektirovanija i optimizacii tehnologicheskih processov» [Dig. art. of International scientific-technical conference. «Methods for the design and optimization of technological processes»]. - Ufa: OMEGA SCIENCE, 2017. – P.54-56. [in Russian]
8. SP 24.13330.2011 «Svajnye fundamenty» Aktualizirovannaja redakcija SNiP 2.02.03-85 ["Pile foundations" Actualized edition of SNiP 2.02.03-85]. Minregion Rossii [Ministry of Regional Development of Russia]. – M.: NIIOSP im. N.M. Gersevanova, 2011. – 90 p.
9. Ter-Martirosyan Z. G. Mehanika gruntov [Soil mechanics] / Z. G. Ter-Martirosyan. M.: ASV, 2005. – 488 p.
10. Khasanov R. Jeksperimental'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]