книги из ГПНТБ / Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению

следования показали, что для отбора слабых водонасыщенных глинистых грунтов необходимо применять грунтоносы, которые погружаются в грунт путем задавливания. Скорость задавливания должна быть не более 3 м/мин. Грунтоносы внутренним диаметром 10 см сле­ дует задавливать на глубину до 50 см.

Исследования проводились на образцах ила оз. Си­ ваш, отобранных одним и тем же тонкостенным, безва­ куумным грунтоносом с одной и той же площадки при различной методике погружения. В одном случае грун­ тонос залавливали, в другом — забивали, а в третьем •— погружали вибрационным способом. Из отобранных мо­ нолитов были вырезаны и исследованы в компрессион­ ных приборах конструкции Гидропроекта кольца образ­ ца грунта площадью 60 см2. При изменении давления от 0 до 1 кгс/см2 коэффициент сжимаемости грунта, ото­ бранного грунтоносом по методу задавливания, был ра­ вен 0,072 см2/кгс. Коэффициент сжимаемости образцов, отобранных при помощи забивного грунтоноса, был ра­

сильевым, при отборе образцов пластичной консистен­ ции грунтоносами диаметром 100 мм и более по пери­ ферийной зоне монолита (примыкающей к тонкостенной металлической гильзе) появляется зона нарушенной структуры. Средняя величина этой зоны у пластичных глинистых грунтов составляет 14 мм, а у текучих глини­ стых грунтов (даже при отборе грунтоносами внутрен­

отобранных грунтоносами, размеры нарушенной перифе­ рийной зоны монолита определяются по методике, пред­ ложенной автором. Боковую поверхность образца очища­ ют от металлической гильзы или картонной обоймы и боковую поверхность исследуют при помощи прибора конструкции Н. А. Цытовича — «шариковой пробы».

Шарик диаметром 8—10 мм устанавливают на боко­ вую поверхность образца и задавливают его в грунт при нагрузке на штангу прибора 400 гс. После измерения

20

Глубины его вдавливания с образца срезают острым но­ жом слой грунта толщиной 1—1,5 мм. На обнаженную боковую поверхность вновь устанавливают шарик и сно­ ва задавливают его в грунт при той же нагрузке. Испы­ тания повторяются до тех пор, пока с образца не будет снят слой грунта толщиной около 2 см.

Как правило, около первоначальной поверхности об­ разца шарик вдавливается на глубину, примерно в 2— 4 раза большую, чем на расстоянии 2 см от поверхности. По данным опыта строится график зависимости глубины погружения шарика при данной нагрузке (или величины сцепления, определенной по формуле Н. А. Цытовича для прибора «шариковая проба») от расстояния испыты­ ваемого слоя до первоначальной поверхности. Постоян­ ная глубина погружения шарика свидетельствует о том, что именно здесь начинается зона ненарушенного грунта. Опыты проводятся обычно с шестикратной повторностью.

Изучение образцов грунта, отобранных, например, с площадок оз. Сиваш (засоленные илы), районов Ново­ кузнецка (заторфованные суглинки), Душанбе (лёссо­ видные суглинки), Мурманска (макропористые илы), Архангельска (пресноводные илы) и т. п., показало, что даже при применении одного и того же грунтоноса, за­ лавливаемого с одной и той же скоростью на одну и ту же глубину, периферийная зона нарушения образцов ме­ няется в зависимости от консистенции грунта, влажности на пределе текучести и засоленности.

С увеличением предела текучести грунты, отбираемые грунтоносами, имеют меньшую зону нарушения, чем грунты с меньшим значением предела текучести при оди­ наковой консистенции. Так, илы Архангельска, у кото­ рых предел текучести был равен 55%, имели нарушен­ ную зону 4 мм при отборе в грунтонос диаметром 108 мм, а водонасыщенные покровные суглинки Каши­ ры, у которых предел текучести равен 31%, имели зону нарушения при отборе образцов в тот же грунтонос, рав­ ную 7 мм (консистенция илов и покровных суглинков была текучепластичной). При отборе в этот же грунто­ нос сивашских илов, у которых предел текучести состав­

12 мм (консистенция текучепластичная и текучая).

Используя предложенную нами методику, можно для каждой партии полученных образцов в лаборатории оп-

21

ределить нарушенную периферийную зону и вырезать для испытаний кольца такого размера, чтобы исследова­ лись только грунты с ненарушенной структурой.

Кроме прибора «шариковая проба» для исследования нарушенной зоны мы использовали микропенетрометр с углом при вершине конуса 60°. Исследования показали, что микропенетрометр может с успехом применяться для определения нарушенной зоны для грунтов твердой и тугопластичіюй консистенций. Для грунтов же мягкопластичной и текучей консистенции более точные результаты получаются при использовании шарика. Это, вероятно, объясняется тем, что напряжения под шариком распре­ деляются более «плавно» по сравнению с распределени­ ем напряжений в основании конуса микропенетро­ метра.

Зона наибольших нарушений структуры образца, отобранного с помощью грунтоносов, находится в его верхней части. Обычно это является следствием некаче- \ ственной зачистки забоя скважины от разрушенного

а для грунтов с высокой структурной прочностью дости­ гает 20 мм.

По мнению А. А. Васильева, в нижней части образца, отобранного грунтоносом, имеется зона с переуплотнен­ ным грунтом. Однако наши исследования не зафиксиро­ вали уплотненной зоны в нижней части образца.

Как показали опыты, проведенные в Центральном тресте инженерно-строительных изысканий Госстроя РСФСР в 1969—1970гг., атакже исследования ПНИИСа, МИСИ, ВСЕГИНГЕО, ЛенГРИИ и других организаций, из существующих в СССР грунтоносов наиболее удачны­ ми для отбора монолитов слабых водонасыщенных гли­ нистых грунтов являются грунтоносы конструкции Лен­ ГРИИ, ЦНИИСа и Сибгипротранса [14].

с обсадными трубами диаметром не менее 115 мм, внут­ ренним диаметром режущего башмака 88 мм и толщиной стенок режущего башмака 5 мм.

Такой грунтонос заряжают многослойной бумажной парафинированной гильзой и задавливают в грунт при

22

открытом подрезающем устройстве. После задавливания грунтонос поворачивают по часовой стрелке на 180°, при этом режущий башмак благодаря тормозящему дейст­ вию лопастей остается неподвижным, а поворачивающий­ ся корпус приводит в действие подрезающее устройство, отделяющее образец грунта от забоя и препятствующее его выпадению из грунтоноса. Затем грунтонос поднима­ ют из скважины и после разъединения верхнего и ниж­ него стаканов извлекают гильзу с грунтом. После среза­ ния излишков грунта, выступающего из гильзы, образец консервируют с помощью металлических крышек.

В последние годы при отборе слабых грунтов вместо металлических стаканов стали применять бумажные па­ рафинированные гильзы. Образцы грунта в гильзах до­ ставляют в лаборатории и циркулярными пилами разре­ зают на отдельные цилиндры высотой, несколько превы­ шающей высоту кольца компрессионного или сдвигового приборов. При этом способе отбора резко снижается зо­ на нарушения вдоль контакта с металлической гильзой по периферии образца, неизбежная при использовании металлических стаканов.

Бумажные парафинированные гильзы толщиной 1,2— 1,5 мм обычно изготовляют в лаборатории. Для этого на токарный станок помещают цилиндр, у которого диаметр па 2,5—3 мм меньше внутреннего диаметра корпуса грун­ тоноса. На цилиндр накладывают два слоя тонкой проч­ ной бумаги, пропитанной жидким парафином. Внешнюю поверхность парафинированной бумажной гильзы вырав­ нивают кольцом, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру грунтоноса. Края обрезают на станке.

Грунтонос конструкции Сибгипротранса представля­ ет собой тонкостенный прибор, отверстие которого пол­ ностью перекрывается секторным затвором в виде кону­ са, обращенного вершиной вниз. Чтобы предотвратить проворачивание внешней гильзы при вращении внутрен­ ней гильзы для закрытия секторного затвора, грунтонос снабжен ребрами. Для испытания образцов в компресси­ онных и сдвиговых приборах необходимо отбирать образ­ цы диаметром не менее 100 мм.

В настоящее время в Госстрое РСФСР (Центральный трест инженерно-строительных изысканий) на основе конструкций ЛенГРИИ, Союзморпроекта и ЦНИИСа разработаны новые конструкции грунтоносов (табл. 1.1).

23

После отбора образцов в гильзы или в обоймы их по­ крывают слоем марли и парафинируют. Чтобы парафин не имел трещин, в него добавляют пластифицирующие добавки (канифоль, гудрон и т. п.). Однако, как показал опыт, образцы, обмазанные парафином, с течением вре­ мени все-таки теряют влажность. Поэтому в последнее время вместо парафина для консервации образцов стали применять латексы.

Латекс представляет собой молочнообразную жид­ кость, которая состоит из мельчайших частиц натураль­ ного или синтетического каучука, диспергированных в во­ де. Частицы каучука имеют отрицательный электриче­ ский заряд и образуют стабильную коллоидную систему. Наиболее часто применяют ревультекс, изготовляемый на основе натурального каучука, и латекс Л-7, изготовляе­ мый на основе синтетического каучука. Следует обра­ тить особое внимание на то, чтобы латексная смесь бы­ ла однородной по составу и не содержала примесей и пу­ зырьков воздуха.

24

В результате получается резиновая оболочка толщиной 0,03—0,10 мм в зависимости от концентрации сухих ве­ ществ в латексе. После высушивания первого слоя тол­ щину резиновой пленки можно увеличить повторным обмакиванием.

Для получения толстых пленок (до 1 мм) используют каогулятор — 10—15%-ный раствор хлористого кальция.

Если для создания пленок применяется ревультекс, то его необходимо сушить в течение 4 ч при температуре

сервирования грунта естественной влажности применял­

ния влажности образцов. Результаты испытаний приве­ дены в табл. 1.2.

При транспортировании отобранных монолитов в ла­ боратории необходимо укладывать образцы грунта в ящик вертикально и в один ряд, а свободное простран­ ство между образцами и ящиком плотно заполнять па­ рафином, мягкопластичными глинистыми (малоусадоч­ ными) грунтами или древесными опилками, увлажненны­ ми при укладке. Желательно для транспортирования образцов слабых водонасыщенных глинистых грунтов иметь специальные металлические ящики. На ящиках должна быть надпись «не кантовать». При транспорти­ ровании образцов следует принимать меры, исключаю­ щие сотрясение, а также промораживание грунта. Часто именно небрежное транспортирование является основной причиной нарушения природной структуры грунтов.

25

Образцы водопасыщепных глинистых грунтов жела­ тельно хранить в помещениях с высокой влажностью и постоянной температурой. Для запарафпнированных образцов время хранения не должно превышать 15 дней. Образцы в латексных оболочках сохраняются до 45 дней.

4. СЖИМАЕМОСТЬ ГРУНТОВ

При проведении изысканий очень важно определить характеристики сжимаемости слабых водопасыщепных глинистых грунтов, которые необходимы для расчетов оснований под сооружения.

Современные расчеты осадок земляных сооружений основаны на теории линейно-деформируемых тел. Для расчетов по этой теории необходимо получить в испыта­ ниях значения модуля общей деформации Е0. Кроме этой характеристики для описания деформативных свойств необходимо знать коэффициент бокового расши­ рения (типа коэффициента Пуассона). Коэффициент бо­ кового расширения, как показывают исследования, про­ веденные различными авторами (В. Г. Березанцевым, А. С. Строгановым, автором и др.), не является постоян­ ной величиной для слабых водонасыщенных глинистых грунтов, а изменяется в зависимости от их напряженного состояния. Коэффициент бокового расширения особенно существенно изменяется при напряжениях, близких к структурной прочности сжатия грунтов и при превы­ шении этой величины. Для расчета каркаса железобе­ тонных зданий, железобетонных резервуаров, заглублен­ ных подземных сооружений часто используются значения коэффициента постели, так как расчет этих сооружений

в отличие от малосжимаемых грунтов значения модуля общей деформации Е0 слабых водонасыщенных глини­ стых грунтов не являются постоянной величиной и суще­ ственно зависят от напряженного состояния образца. Так, при компрессионном исследовании образцов речного ила (Архангельск) значения модуля общей деформации изменялись для различных интервалов давления в сле­ дующих пределах. При изменении давления от 0 до

26

разом, в зависимости от выбранного интервала давлений значения модулей общей деформации могут изменяться более чем в 4 раза. Поэтому при определении модуля общей деформации для слабых водонасыщенных глини­ стых грунтов необходимо указывать, для какого интер­ вала давлений получено данное значение модуля.

Нами были проведены исследования для выявления зависимости между характеристиками сжимаемости и ме­ тодикой нагружения образцов. В опытах исследовались слабые водонасыщенные глинистые грунты, отобранные из районов Новокузнецка, Риги, Архангельска, Каширы, Мурманска, а также илы оз. Сиваш. Эксперименты про­ водились на компрессионных приборах конструкции Гидролроекта (площадь кольца 60 см2) и на приборах трехосного сжатия при невозможности бокового расши­ рения (диаметр образцов в стабилометрах был равен 6 см, а высота образцов изменялась от 10 до 16 см). Исследования проводились одновременно с трехкратной иовторностью. Одну группу приборов нагружали ступе­ нями давлений 0,025; 0,05 и далее по 0,05 кгс/см2 до дав­ ления 2—3 кгс/см2. Другую группу приборов нагружали ступенями давлений 0,5 кгс/см2. Некоторые результаты опытов приведены на рис. 1.1.

Эксперименты показали, что большинство исследо­ ванных образцов при приложении давления малыми сту­ пенями имели коэффициент сжимаемости значительно меньший, чем в испытаниях образцов-близнецов на тех же приборах, но при приложении давления большими ступенями. Таким образом, очевидно, что для получения достоверных расчетных значений характеристик сжимае­ мости необходимо знать не только величину максималь­ ного давления в грунтах, но и методику приложения этих давлений; т. е. если на одном и том же слабом водонасыщенном грунте будут построены кирпичное здание, у которого нагрузка прикладывается к фундаменту ма­ лыми ступенями, и промышленное здание из крупных сборных элементов, то при расчете осадок фундаментов

27

Vîle

Рис. 1.1. Исследование сжимаемости слабых водонасыщенных глини­ стых грунтов в компрессионных приборах при различных схемах на-

а — ил Ю. Буга; б — ил из Архангельска; в — суглинок заторфованный из Но­ вокузнецка; г — ил из Мурманска; а —ил из Каширы; и—лёсс водонасыщен-

ный из Запорожья

28

значения модуля деформации грунтов основания сле­ дует принимать разными, хотя максимальные значения давлений под фундаментами кирпичного и промышлен­ ного зданий могут быть одинаковыми. Аналогичные ре­ зультаты получены и в опытах M . Н. Гольдштейна [16].

При проведении исследований сжимаемости грунтов малыми ступенями давлений было установлено, что до определенных значений давления на грунт последний практически не сжимался (правда, в некоторых опытах были отмечены малые деформации образцов при первых ступенях давлений, которые, вероятно, могут быть объяс­ нены неровностью поверхности образцов). В связи с этим автор предложил называть величину максимального дав­ ления на образец, при котором грунт практически не сжи­

Характеристики сжимаемости грунтов могут быть определены при помощи полевых методов — обжатием грунтов штампами, при помощи зондирования и прессиометров.

У многих исследователей сложилось мнение, что при проведении компрессионных испытаний значения модуля общей деформации получаются значительно меньшими по сравнению с результатами испытания тех же грунтов штампами в полевых условиях. Поэтому в МИСИ им. В. В. Куйбышева под руководством автора были про­ ведены лабораторные и полевые сопоставительные ис­ следования сжимаемости грунтов. Грунты были отобра­ ны с площадок, расположенных в районах Архангельска, Новокузнецка и оз. Сиваш. В полевых условиях были использованы круглые металлические штампы площадью 10 000 см2. До полевых испытаний из шурфов отбирали образцы грунта с ненарушенной структурой, которые за­ тем исследовали на компрессионных приборах и на стабилометрах конструкции МИСИ им. В. В. Куйбышева. Полевые исследования штампов проводились по такой же методике нагружения, как в лабораторных условиях. В качестве критерия стабилизации осадок штампа была принята осадка, равная 0,1 мм/сутки. Результаты иссле­ дований изменяемости модуля общей деформации Е0 по данным испытания грунтов различными способами для илов оз. Сиваш приведены в табл. 1.3.

Эксперименты, проведенные на илах оз. Сиваш при

29