ущільнювача у виробничих умовах як за даними лабораторних випробувань, так і розрахунковим шляхом.

11.6. ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК УЩІЛЬНЕННЯ ЗА УМОВИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТРИВАЛОЇ МІЦНОСТІ ҐРУНТІВ

Одним із важливих питань при зведенні земляних споруд є забезпечення їх тривалої міцності, тобто коли за довгий час експлуатації зберігаються отримані після ущільнення механічні характеристики ґрунту і не виникає значних деформацій.

На поведінку ущільненого ґрунту в часі великий вплив має вологість, при якій було проведено ущільнення й кількісне співвідношення окремих видів води в ущільненому ґрунті. Розглянемо схему впливу кількісного вмісту різних видів води на поведінку ущільненого ґрунту в часі (рис. 11.24). Якщо ущільнення ґрунту виконано при вологості меншій, ніж максимальна кількість зв’язаної води Wcon (рис. 11.24, а), то електричний потенціал поверхні твердих частинок не використаний і вони здатні збільшити товщину плівок зв’язаної води δ до максимально можливого значення δmax при додатковому зволоженні ґрунту під час експлуатації земляної споруди. Збільшення товщини плівок зв’язаної води приводить до збільшення початкового об’єму ущільненого ґрунту і деформації споруди. Треба враховувати й те, що, як правило, зволоження йде нерівномірно, що, у свою чергу, викликає нерівномірну деформацію.

Якщо ущільнення ґрунту виконано при вологості, яка значно перевищує максимальну кількість зв’язаної води (рис. 11.24, б), то електричний потенціал поверхні твердих частинок повністю використаний, система має нейтральний заряд і товщина плівок зв’язаної води має максимальне значення. Але наявність значної кількості вільної води приводить до того, що з часом вільна вода під дією сил гравітації, власної ваги ґрунту і зовнішніх навантажень витискається з пор ґрунту. У свою чергу це спричиняє додаткове ущільнення ґрунту за рахунок більш компактного розташування твердих частинок. Міцність ґрунту при цьому збільшується, але виникають значні нерівномірні деформації.

Рис. 11.24. Схема деформацій ущільненого ґрунту з часом:

а – недозволожений ґрунт (W<Wcon); б – перезволожений ґрунт (W>Wcon); 1 – вільна вода; 2 – зв’язана вода; 3 – тверда частинка; 4 – напрям руху води

між максимальними контактними тисками й оптимальними характеристиками ущільнення (оптимальною вологістю Wopt і максимальною щільністю сухого ґрунту ρdmax).

2.З допомогою методу “кінетики сушіння” або вологомісткого середовища визначають максимальний уміст зв’язаної води Wcon.

3.На графіку залежності між максимальними контактними тисками в лабораторних

умовах σmax1 та оптимальною вологістю Wopt знаходять тиск σmax 1 c, який відповідає значенню оптимальної вологості Wopt=Wcon.

4.Знаходять потрібний максимальний контактний тиск, який повинен забезпечувати

упольових умовах ущільнювач σmax c=Kc·σmax 1 c для досягнення в кінці ущільнення максимальної щільності сухого ґрунту.

У п. 11.4 розглянуто взаємозв’язок між питомим опором пенетрації, який є узагальненим показником міцності ґрунту, питомим об’ємом сухого ґрунту і вологістю. Як видно з номограми пенетрації (рис. 11.23), зміна вологості або щільності сухого ґрунту суттєво змінює показники міцності ґрунту. Тому для забезпечення тривалої міцності ущільненого ґрунту, що необхідно для безпечної експлуатації земляних споруд, потрібно забезпечити умови збереження в часі стабільної щільності сухого ґрунту й вологості. Такі умови виконуються при ущільненні ґрунту до максимально можливої щільності при вологості, близькій до максимального вмісту зв’язаної води. Ущільнений при таких умовах ґрунт зберігає стабільні у часі щільність сухого ґрунту та вологість, що дає можливість забезпечити тривалу міцність.

Таким чином, проектування процесу ущільнення за умови тривалої міцності зводиться до визначення параметрів, які дозволяють ущільнити ґрунт до максимально можливої щільності при вологості, близькій до максимального вмісту зв’язаної води.

11.7.ОСОБЛИВОСТІ УТВОРЕННЯ В ҐРУНТІ УЩІЛЬНЕНИХ ЗОН

Упопередніх розділах було розглянуто закономірності ущільнення ґрунтів порушеної структури, які використовують для зведення земляних споруд. Однією з головних умов зведення земляних споруд є досягнення рівномірної щільності сухого ґрунту, тому ущільнення, як правило, виконують шарами, у межах котрих із незначними припущеннями можна вважати розподіл напруг та зміну щільності сухого ґрунту рівномірними за всією товщиною шару. Раніше ущільнений шар ґрунту розглядався як нестислива основа, тому процес ущільнення можливо було розглядати як компресійне стиснення (див. п. 8.6) з урахуванням багатократного впливу зовнішніх динамічних навантажень.

Практика зведення фундаментів, що виготовляють без виймання ґрунту, показала, що їх влаштування супроводжується утворенням у ґрунті ущільнених зон, тобто таких зон, у межах яких змінюються існуючі природні характеристики фізичних та механічних властивостей ґрунту. Утворення ущільнених зон приводить до поліпшення умов роботи фундаментів і дає змогу збільшити їх несучу здатність.

Розглянемо процес утворення ущільненої зони при зануренні у ґрунт непорушеної структури тіла обертання довільної форми. Вихідна схема наведена на рис. 11.26.

Для спрощення задачі будемо вважати поверхню ґрунту завантаженою розподіленим навантаженням q, яке запобігає випиранню ґрунту на поверхню. Під час занурення тіла на поверхні контакту з ґрунтом виникає ударна хвиля, напрямок розповсюдження якої перпендикулярний до поверхні контакту, потім з’являється хвиля напруг, пов’язана з опором ґрунту проникненню тіла, і, нарешті, виникає хвиля деформацій, котра приводить до переміщення частинок ґрунту.

Об’єм ґрунту, що знаходився на місці зануреного тіла, відповідає об’ємові зануреного тіла, яке вважаємо абсолютно нестисливим. Під час витіснення зі свого первісного місця ґрунт ущільнюється, тому об’єм витісненого ґрунту буде значно меншим, що врахуємо вве-

денням коефіцієнта ущільнення Kcom. Ущільнення ґрунтів і зміна початкових значень щільності сухого ґрунту ρd0 можливі тільки у тому випадку, коли напруги перевищують межу структурної міцності σstr. Менші значення напруг викликають тільки пружні деформації, які

Pсвоїми точками перетне напрямок ON і радіус зони впливу досягне свого максимального значення ref.max.

Якщо вважати, що максимальна зміна первинного об’єму ґрунту відповідає активній пористості na при ri=r, а далі зміна первинного об’єму пропорційна діючим напругам, отримаємо

Об’єм зони ущільнення у межах елементарного перетину дорівнює об’єму елементарного кільця із зовнішнім радіусом, що дорівнює радіусові зони ущільнення rcom.

Визначене за виразом (11.87) значення радіуса зони ущільнення відповідає умові, коли за межею зони ущільнення ніякої зміни первинної щільності сухого ґрунту не виникає. Якщо зовнішній контур зони ущільнення обмежити значенням Δρdlim, радіус зони ущільнення отримаємо з виразу

r = (rcom − r )(∆ρd max − ∆ρd lim )+ r , (11.88)

де Δρdmax визначають за виразом (11.78).

У розглянутих вище випадках ґрунт вважався однорідним і анізотропним, тому в реальних умовах, особливо коли зона ущільнення утворюється проникненням тіла складної форми у багатошарову основу, визначення її параметрів розрахунковим шляхом є складним за-

303

вданням.

Незважаючи на труднощі, пов’язані з впливом багатьох факторів на процес утворення ущільнених зон, можна відмітити деякі загальні для статичного й динамічного впливу закономірності їх утворення:

а) ущільнені зони утворюються внаслідок проникнення у ґрунт нестисливих тіл; б) об’єм зони ущільнення пропорційний об’єму зануреного тіла;

в) ущільнення ґрунту відбувається за рахунок витіснення ґрунту з місця проникнення тіла та зменшення у зоні ущільнення первинного об’єму природного ґрунту;

г) утворення ущільнених зон можливе тільки за наявності активної пористості. У водонасичених ґрунтах утворення зон ущільнення за допомогою динамічних навантажень практично неможливе;

д) зменшення активної пористості приводить до збільшення розмірів ущільненої зо-

ни;

е) на зовнішній межі зони ущільнення внутрішні напруги, що виникають у ґрунті внаслідок занурення тіла, не перевищують структурної міцності ґрунту;

ж) початковий напрямок руху ґрунтових частинок збігається з нормалями до поверхні зануреного тіла.

Найбільш точні дані про параметри зони ущільнення отримують експериментально шляхом дослідних розкопувань або зондування.