Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Комплексные исследования лессового грунта, уплотненного трамбовками повышенного веса

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Комплексные исследования лессового грунта, уплотненного трамбовками повышенного веса"

Р Г Б О Д 1~[а правах рукописи

ЧЕРЕПАНОВ БОРИС МИХАИЛОВИЧ

КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕССОВОГО ГРУНТА, УПЛОТНЕННОГО ТРАМБОВКАМИ ПОВЫШЕННОГО ВЕСА

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул -1998

Работа выполнена на кафедре "Основания, фундаменты, инженер] геология и геодезия" Алтайского государственного технического университ им. И.И.Ползунова.

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

член-корреспондент Российской Академии архитектуры и строительных наук, профессо Г. И. Швецов

Официальные оппоненты - доктор технических наук

А.И.Полищук

кандидат технических наук Л.В.Хал турина

Ведущая организация - АО "СтройГАЗ"

Защита диссертации состоится 19 июня 1998 г. в 10 час. на заседав диссертационного совета К 064.29.07 в Алтайском государственном техническ университете по адресу: 656099, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 18 мая 1998 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреж, ния, просим направлять по адресу: 656099, г.Барнаул, проспект Ленина,46, (■ тайский государственный технический университет, ученому секретарю диса тационного совета

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат геолого-минералоги-

,еск,"""ук т-АХор6у"°!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При инженерно-геологической оценке лессо-< пород важнейшими их характеристиками являются просадочность и воз-жность обводнения в результате аварийного замачивания или подтопления, и аварийном замачивании просадочных лессовых грунтов или при подъеме >вня грунтовых вод фундаменты зданий и сооружений дают значительные и астую неравномерные осадки. В связи с этим, одной из основных задач техникой мелиорации грунтов следует считать поиски эффективных способов ¡дотвращения обводнения толщ, а также повышения прочностных и деформа-шных характеристик лессовых грунтов.

Перспективным для устранения просадочных свойств и повышения проч-:тных и деформационных характеристик лессовых грунтов является их уплот-ше. Одним из простейших и экономичных методов уплотнения является по-1Хностное уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками.

В нашей стране для уплотнения просадочных грунтов применяют трам-1ки массой 5-7 т и диаметром 1,5-2 м. Мощность уплотненной зоны составляет -2,5 м, что не всегда удовлетворяет требованиям расчета по деформациям. Для 1учения большей глубины уплотнения при существующей методике трамбова-1 необходимо использовать трамбовки массой 15-25 т и диаметром 2,5-3 м, что »тветственно потребует применения более грузоподъемных кранов, экскавато-1 или других установок.

Более экономичный и доступный способ повышения эффективности по-жностного уплотнения грунтов заключается в разработке новых технологий ютнения и конструкций трамбовок. Это позволит при прочих равных условиях личить мощность уплотненной зоны.

Одним из недостатков поверхностного уплотнения просадочных грунтов [яется сложность контроля качества уплотненного массива. Результаты уплот-шя зависят от целого ряда факторов, к которым относятся плотность грунта и 1 влажность. В пределах строительной площадки эти характеристики имеют личные значения, что требует частичного изменения технологии производства ют для достижения одинаковых параметров уплотнения по всей площади. Это 5ывает необходимость увеличения количества шурфов для контроля качества с :ледующим комплексом определения физико-механических характеристик ютненного грунта.

Данное обстоятельство указывает на необходимость разработки регио-(ыгой таблицы нормативных и расчетных характеристик деформируемости и >чностных свойств уплотненных лессовых грунтов, которая будет иметь боль-е значение для практики и значительно сократит трудовые и материальные за-ты при контроле качества уплотнения.

Целью работы является разработка методики устранения просадочных >йств лессовых грунтов уплотнением трамбовками повышенного веса с созда-:м уплотненной зоны мощностью 5-6 м, что позволит заменить дорогостоящие йные фундаменты на фундаменты мелкого заложения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следую 1Щ задачи:

1. Исследование напряженного состояния уплотненных лессовых грунте при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии;

2. Выявление закономерности изменения физических, прочностных и д формационных характеристик грунта в результате уплотнения;

3. Исследование микроструктуры уплотненных лессовых грунтов в сра; нении с микроструктурой грунта в естественном состоянии;

4. Изучение влияния способов замачивания как фактор изменения дефо] мационных, прочностных свойств и микроструктуры уплотненного грунта;

5. Отыскание по результатам определений физических, прочностных и д формационных характеристик корреляционных зависимостей для уплотненно1 грунта между:

- коэффициентом пористости и модулем общей деформации;

- коэффициентом пористости и удельным сцеплением;

- коэффициентом пористости и углом внутреннего трения грунта;

6. Разработка на основе полученных корреляционных зависимостей per» нальной таблицы деформационных и прочностных характеристик уплотненнь лессовых пород Верхнего Приобья.

Методы исследований. Основные положения и выводы диссертационнс работы основаны на теоретических, экспериментальных и лабораторных иссл дованиях проведенных в течение нескольких лет.

Исследование прочностных и деформационных характеристик произвол) лось на основе лабораторных испытаний уплотненных лессовых грунтов при ра личной степени уплотненности. Помимо лабораторных исследований, сжима мость грунтов, также как и характер распределения напряжений в уплотненно среде, исследовались по результатам проведения крупномасштабных полевь экспериментов по испытанию уплотненного грунтового основания жестки штампом-фундаментом площадью 10000 см2 с созданием нагрузки до 0,47 МПа.

Микроструктурные характеристики грунта в естественном состоянии после уплотнения трамбовками различного веса изучались с помощью комплею растровой электронной микроскопии РЭМ-микроЭВМ.

Отыскание корреляционных зависимостей коэффициента пористости < прочностных и деформационных характеристик и получение уравнений регре сии производилось на ЭВМ с использованием программы "Microcal Origi Vesion: 3.5" Microcal Software, Inc.

Статистическое обобщение характеристик для составления таблицы но] мативных и расчетных деформационных и прочностных харатеристик уплотне) ных лессовых грунтов выполнялось на основе лабораторных испытаний упло ненных лессовых грунтов, выполненных автором в лаборатории кафедр "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского госуда] ственного технического университета (АлтГТУ).

Исходные данные и личный вклад автора. В основу работы положень материалы исследований, выполненных автором в период 1992-1997гг. Диссер

юнная работа выполнялась в составе временного научного коллектива кары "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" АлтГТУ по >аботке проблемы "Исследование закономерностей деформирования лессо-оснований на территории Верхнего Приобья" (тема № 9.91) и "Совершен->вание методов устройства и расчета оснований и фундаментов на лессовых садочных грунтах юга Западной Сибири" (тема № 3.3.1). Отработка техноло-уплотнения грунтов трамбовками повышенного веса выполнялась при актом участии автора в рамках договора № 40-94 "Разработка методики устрани просадочных свойств лессовых фунтов г. Барнаула уплотнением трамбов-и повышенного веса с созданием уплотненной зоны 5-6 м".

Автором получены уравнения регрессии для расчета прочностных и де-мационных характеристик уплотненного лессового грунта в зависимости от ^фициента пористости. На основании полученных корреляционных зависи-тей разработана региональная таблица нормативных и расчетных характери-к уплотненных лессовых грунтов.

Научная новизна. Экспериментальные и теоретические исследования пошли отработать технологию уплотнения лессовых просадочных грунтов ибовками повышенного веса. В отличие от существующих методик угаготне-грунтов трамбовками массой до 7 т при данной технологии впервые получе-/плотненное основание мощностью 5-6 метров. В пределах уплотненной зоны ностыо ликвидируются просадочные свойства грунтов, увеличиваются проч-тные и деформационные характеристики, создается прочное, устойчивое к онасыщению основание.

Исследование микроструктуры показало, что уплотнение лессового грунта мбовками повышенного веса приводит к коренному ее изменению. Под влия-м динамического уплотнения идет интенсивное разрушение глобул и агрега-, их расплющивание и сближение основных элементов лессового грунта - пес-о-пылеватых частиц и глинистого материала. Формируется новая матричная уктура, отличающаяся от природной минимальной и относительно однород-[ пористостью, более плотной упаковкой элементарных частиц.

На основе анализа корреляционных зависимостей получены уравнения ре-ссии взаимосвязи: коэффициента пористости с модулем деформации и проч-тными характеристиками. По результатам уравнений регрессии разработаны екомендованы для внедрения в практику проектирования оснований зданий и ружений нормативные и расчетные характеристики деформационных и проч-тных свойств уплотненных лессовых пород при естественной влажности и во-[асыщенном состоянии. Использование полученной региональной таблицы юстит контроль качества уплотненного грунта. Для лессовых грунтов Запад-I Сибири такая таблица разработана впервые.

Реализация и практическая ценность работы. На основании теорети-ких, полевых, лабораторных и микроструктурных исследований отработана нология уплотнения лессовых просадочных грунтов Западной Сибири трампами массой 7-10 т. Данная технология была одобрена и рекомендована к ярению на заседании расширенного Технического Совета АО "Алтайграж-

данпроект", АО "АлтайТИСИЗ" и кафедры "Основания, фундаменты, инжене] ная геология и геодезия" АлтГТУ 21 марта 1995 года. На основании этого реш< ния по данной методике осенью 1996 года начато уплотнение котлована под 9-т этажный 108-квартирный кирпичный жилой дом в 2003-ем микрорайог г.Барнаула. Экономический эффект от внедрения данной технологии при стро) тельстве вышесказанного дома составляет более 1 млрд. рублей в ценах 1997 г.

Полученная региональная таблица нормативных и расчетных характер! стик уплотненных лессовых грунтов позволит значительно сократить объем и1 женерно-изыскательских работ при контроле качества уплотненного основания.

На защиту выносятся:

1. Технология уплотнения лессовых просадочных грунтов трамбовкам повышенного веса.

2. Результаты экспериментальных исследований распределения верт) кальных напряжений по глубине под жестким штампом-фундаментом, устан< вленном на уплотненном лессовом основании.

3. Динамика изменения прочностных и деформационных характерней лессового просадочного грунта в процессе его уплотнения трамбовками массс 3,2 и 7-10 т с последующим водонасыщением.

4. Характер изменения микроструктуры лессового просадочного грунта результате уплотнения трамбовками различной массы.

5. Корреляционные зависимости модуля общей деформации, удельно1 сцепления и угла внутреннего трения лессового уплотненного грунта от коэфф] циента пористости.

6. Региональная таблица нормативных и расчетных характеристик упло ненных лессовых грунтов.

Практическое значение работы состоит в том, что в ней отработа; технология уплотнения лессового просадочного грунта, позволяющая замени: дорогостоящие свайные фундаменты фундаментами мелкого заложения на у! лотненном основании. Предложены формулы для определения деформационнь и прочностных характеристик уплотненного лессового грунта по значению ю эффициента пористости, которые могут быть использованы для предварител ных, а также окончательных расчетов уплотненных лессовых оснований зданий сооружений II и III классов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы кладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Основания, фунд менты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технич ского университета (1992-1997), на IV Всероссийской конференции с и» странным участием "Нелинейная механика грунтов" (Санкт-Петербург, 1993), I международной научно-практической конференции "Лессовые просадочнь грунты: исследования, проектирование и строительство" (Барнаул, 1996), на К захстанской национальной геотехнической конференции "Проблемы фундаме тостроения в грунтовых условиях новой столицы" (Акмола, 1997).

Публикации, По результатам выполненных исследований опубликовано

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех в, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы тавляет 156 страниц, в том числе 38 рисунков, 20 таблиц, 2 страницы прило-тя и список литературы из 141 наименования.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, -м.н., профессору Г.И.Швецову; сотрудникам кафедры "Основания, фунда-тгы, инженерная геология и геодезия" АлтГТУ П.П.Райсу, Б.Ф.Азарову, З.Носкову, С.Г.Камаеву, Т.А.Горбуновой, Е.И.Вяткиной, Е.В.Дьякову за по-щь, деловые советы, консультации и полезные дискуссии; бывшему директору • "Управление механизации № 8" В.И.Шабалину и главному инженеру Я.Крылову за помощь в проведении полевых экспериментов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности и практической ценности ра-:ы, сформулирована цель и задачи исследований.

Глава 1. Современное состояние вопроса о физико-механических свойствах лессового грунта, уплотненного трамбовками повышенного веса

В главе приводится аналитический обзор существующих методов уплот-1ия лессовых просадочных грунтов различными способами. Анализируются »актерные особенности напряженно-деформированного состояния уплотненно грунта в основании фундаментов зданий и сооружений.

Вопросам исследования взаимодействия различных фундаментов с уплот-шым различными методами грунтовым основанием посвящены работы М.Ю. елева, Ю.М.Абелева, И.В.Ананьева, Ю.А.Багдасарова, Ю.В.Власова, Н.В.Во-шка, В.Г.Гапицкого, В.Н.Голубкова, А.А.Григоряна, М.П.Костельова, В.И. утова, О.П.Минаева, И.Г.Рабиновича, Г.И.Швецова, О.К.Югая и других уче-х. Из всех существующих методов уплотнения просадочных грунтов самым :пространенным является поверхностное уплотнение тяжелыми трамбовками, ервые этот метод устранения просадочных свойств грунта был предложен в [И оснований еще в 50-е годы Ю.МАбелевым. В дальнейшем в отечественной «стике, благодаря исследованиям Ю.М.Абелева, Л.М.Бобылева, В.Г.Галицко-В.И.Крутова, В.Б.Швеца и других, тяжелые трамбовки массой 5-7 т, диамет-л основания 1,4-2,2 м и при высоте их сбрасывания 5-8 м использовались вным образом для уплотнения малосвязных и связных маловлажных грунтов.

Уплотнение лессовых грунтов тяжелыми трамбовками, как правило, ис-очает деформации оснований даже в случае замачивания. В главе приводится ожество примеров аварийного замачивания грунтов, показывающих, что уп-гнение лессовых просадочных грунтов позволяет создать прочное грунтовое ювание, которое обеспечивает устойчивость зданий и сооружений при зама-$ании даже без применения специальных конструктивных мероприятий.

Далее в главе рассмотрены микроструктурные изменения происходящие лессовом грунте при уплотнении. В исследованиях, проведенных Г.И.Швецовы и В.Н.Соколовым, установлено, что в результате уплотнения исследуемого гру! та тяжелыми трамбовками его микроструктура резко меняется. Происходит ра< плющивание глинисто-пылеватых агрегатов и некоторое дробление зерен.

Не менее важным является изучение физико-механических свойств упло' ненных лессовых пород. Большинство исследователей склоняется к тому, что у1 лотненные лессовые грунты имеют меньшую деформируемость и более высока показатели прочностных свойств.

Эффективное уплотнение грунтов при постоянной затрате работы на ед! ницу массы грунта достигается при его некоторой оптимальной влажности. Пр влажностях меньших оптимальной агрегаты грунта становятся слишком про1 ными по сравнению с уплотняющим импульсом, а результат уплотнения незн: чительным. При больших влажностях объем воды, заполняющей поры, превь шает объем пор, остающихся в грунте, что препятствует максимальному упло' нению. На основе экспериментальных исследований и производственного опьп по уплотнению лессовых грунтов тяжелыми трамбовками оптимальная влая ность определяется следующей зависимостью:

Шопт = Шр-(1-3),% (1

В подавляющем большинстве уплотнение грунтов тяжелыми трамбовкам создает мощность уплотненного слоя в пределах от 1,5 до 2,5 м с величине плотности сухого грунта от 1,8-1,9 г/см3 в верхней части до 1,6 г/см3 в нижне] Относительная просадочность в пределах уплотненной толщи снижается до О,; 0,8 %, а модуль деформации и удельное сцепление возрастают в 2-3 раза.

Устранение просадочности лессовых грунтов на ту или иную глубину - эт только часть общей задачи по созданию мелиорируемого основания. Другая с часть должна состоять в создании прочного и водостойкого основания, что д< стигается оптимальной технологией трамбования. Также следует учитывать во: можность разуплотнения и потерю прочности механически уплотненных лесс< вых грунтов при периодическом увлажнении-высушивании.

Анализ литературных источников показывает, что до настоящего времен не до конца изучены процессы, происходящие в грунте при уплотнении тяжель ми трамбовками. Существующие методики не позволяют уплотнить грунт далс глубины 2,5-3 м.

В соответствии с вышеизложенным были сформулированы цель работы задачи исследований.

ГЛАВА 2. Напряженно-деформированное состояние уплотненных лессовых грунтов в основании штампов-фундаментов

2.1. Методика уплотнения лессовых просадочных грунтов трамбовками повышенного веса

Исследования по отработке методики уплотнения лессовых просадочны грунтов трамбовками повышенного веса выполнялись в рамках натурного эксп<

мента, осуществляемого кафедрой "Основания, фундаменты, инженерная теория и геодезия" АлтГТУ. В ходе эксперимента проводилось опытное уплотне-г грунта площадок трамбовками различной массы.

На первом этапе поверхностное уплотнение грунта выполнялось обычной шбовкой массой 3,2 т, смонтированной на копровой установке на базе экска-:ора ЭО-1252"Б". Анализ результатов после уплотнения подтвердил предложение о его небольшой эффективности. Уплотнение грунта происходит лишь глубину 0,5 м.

В связи с этим, в последующие годы был проведен ряд экспериментов по ютнению лессового просадочного грунта трамбовкой повышенного веса (мас-\ 7 т). Трамбовка сбрасывалась с определенной высоты, двигаясь по металли-жому направляющему монорельсу, смонтированному на том же экскаваторе-лре Э-1252"Б".

В результате трамбования на поверхности образуется слой разрыхленного /нта (в особенности при степени влажности ниже оптимальной). Энергия удара начительной степени поглощается этим слоем и не передается на нижележа-[е слои. В связи с этим было принято решение уплотнять грунт за несколько эходок (циклов). За первую проходку при 3-6 ударах трамбовки по одному :ду (при = 8-10%) отметка дна котлована понижается на 40-60 см. После >го производится снятие разрыхленного грунта бульдозером и начинается шбование грунта во второй проходке. Во втором цикле, т.к. грунт в верхней ;ти уже уплотнен, необходимо затратить большую энергию для понижения по-эхности дна котлована на ту же глубину, что и в первом цикле. В нашем случае и 10-12 ударах трамбовки по одному следу было зафиксировано понижение верхности на 25-35 см, после чего также была произведена планировка пло-дки бульдозером. В третьем цикле, для понижения отметки дна котлована на -35 см, понадобилось произвести уже 15-20, а в четвертом цикле - 25-30 ударов шбовки по одному следу. В результате трамбования площадки тяжелой трам-зкой отметка дна котлована понизилась на 1,5 м.

При повышении влажности до близкой к оптимальной значительно снизи-сь затраты труда при трамбовании для достижения той же глубины понижения верхности дна котлована. Так, на второй площадке (\Уе = 12-16%) в первом кле для понижения поверхности дна котлована на ту же глубину, что и на пер-й площадке, потребовалось всего 2-4 удара, а в четвертом вместо 25-30 - 15-20 аров трамбовки по одному следу. В связи с этим можно отметить возможность гличения количества ударов с уменьшением естественной влажности грунтов есто доведения грунтового основания до оптимальной влажно-сти дополни-1ьным замачиванием. Замачивание котлована является длительным процессом )е всегда экономически выгодным.

Вместо планировки площадки бульдозером можно рекомендовать разры-гнный слой выравнивать сбрасыванием той же трамбовки, но с гораздо мень-:й высоты, примерно с 1-1,5 м. В результате уплотняется только верхний раз-хленный слой, не воздействуя на нижележащие слои, так как энергия удара нетика.

При влажности больше оптимальной уплотнение грунта по вышеизж женной методике не допускается, так как в результате трамбования на повер; ности образуется слой перемятого фунта, мощность которого по мере увелич! ния влажности и количества ударов возрастает и достигает 30-50 см. Энерп удара в значительной степени поглощается перемятым грунтом, удар становитс вязким и не передается на нижележащие слои. К тому же за пределами слех трамбовки наблюдается выпор фунта на поверхность. Эффект уплотнения фу! тов со степенью влажности более 0,6 незначительный. Для таких фунтов нео( ходимо применять другие методики, варьируя массой трамбовки и высотой сбр; сывания.

Для повышения производительности труда при трамбовании, на кафедр "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" АлтГТУ при уч; стии автора была разработана и изготовлена тяжелая трамбовка массой Ют. Пр разработке новой трамбовки главной целью было обеспечить величину удельног статического давления близкую к той, что была у экспериментальной трамбовю В результате удельное статическое давление у новой трамбовки составило те ж 0,062 МПа, а энергия удара, при высоте сбрасывания 7 м, возросла с 450-500 д 640-700 кДж. Увеличение энергии удара и диаметра основания трамбовки (с 1 д 1,5 м) позволяет увеличить производительность работ в 1,5-2 раза.

2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния уплотненных лессовых грунтов

Особое внимание в полевых экспериментах было уделено определешп напряжений в фунтовом основании, которое осуществлялось с помощью датч! ков давления (мессдоз) конструкции Д.С.Баранова. Протарированные мессдоз] помещались в фунтовый массив под опытными штампами-фундаментами предварительно пробуренные горизонтальные штреки с таким расчетом, чтоб] находиться на одной вертикали под штампом через 0,5 м по глубине. Нафужени штампов-фундаментов производилось ступенями по 0,05-0,08 МПа до удель-ног давления под подошвой каждого из штампов равного 0,47 МПа.

Анализ проведенных полевых испытаний на основании уплотненно] трамбовкой массой 3,2 т подтвердил выводы других авторов, что при нафужени жесткого штампа-фундамента до достижения определенной величины давлени измеренные величины вертикальных напряжений незначительно отличаются о расчетных значений по теории упругости (не более 20-30%). При дальнейшем ш фужении штампа наблюдается увеличение расхождений между наблюдаемым напряжениями в основании штампа и прогнозируемыми по теории упругости, т,< при больших давлениях возникают нелинейные соотношения между напряж« ниями и деформациями лессовых фунтов. Таким образом, применение теори упругости для расчета фундаментов на лессовых фунтах возможно до опреде ленных давлений, равных расчетному сопротивлению фунта.

Также было проанализировано изменение осевых напряжений в массив грунта после уплотнения фунта трамбовкой массой 7 т. Вертикальные осевы напряжения под каждым из двух штампов (было выполнено два независимы

сперимента на соседних площадках) убывают с глубиной. Наиболее значитель-,1е затухания происходят в верхнем более уплотненном слое. Так, например, >и давлении 0,15 МПа на каждый штамп до глубины 0,5 м вертикальные осевые шряжения затухают под первым штампом на 33%, а под вторым на 60%. С убиной вертикальные напряжения постепенно уменьшаются, причем основное [дение напряжений происходит до глубины 1,5 м (85-90%). Осевые напряжения >д вторым штампом затухают намного быстрее, чем под первым. Это объяс-[ется тем, что под вторым штампом находится более прочное грунтовое осно-ние, с более высокими прочностными и деформационными характеристиками, эамбование в этом случае велось при влажности близкой к оптимальной и по-ому уплотнение распространилось на большую глубину, что и подтвердила юра осевых напряжений. Таким образом, подтверждается вывод ряда авторов о >м, что размеры замеренной зоны деформаций зависят от величины модуля ¡щей деформации грунта основания.

В результате экспериментальных исследований были также построены афики осадок штампов-фундаментов на основании уплотненном обычной и желой трамбовками (Рис. 1). Как и следовало ожидать графики осадок штампа-/ндамента на уплотненном, трамбовкой массой 7 т, основании практически 1еют вид прямой линии как на первой, так и на второй площадках. Это свиде-льствует о том, что в результате такой обработки лессового грунта нами полу-:но линейно-деформированное основание. Следовательно, расчет можно вести с шменением принципов теории упругости.

График осадки второго штампа-фундамента на уплотненном тяжелой 1амбовкой основании имеет меньший наклон, по сравнению с первым и конеч-1я осадка составляет около 25 мм против 40 мм в первом случае. Это согласует-с данными по вертикальным осевым напряжениям в грунте и еще раз указы-ет на создание во втором случае более уплотненного, а следовательно более ючного, грунтового основания. Хотя, следует заметить, конечная осадка перво-штампа также ниже допустимой, а по сравнению со штампом, установленном I лессовом основании уплотненном обычной трамбовкой, она меньше в 4,2 ра. Это говорит о том, что и первом случае трамбованием достигнуто значитель->е уплотнение лессового грунтового основания.

2.3. Изменение физико-механических, прочностных и деформационных свойств грунта после уплотнения

После проведения каждого опытного уплотнения лессового основания амбовкой, производилось исследование изменения важнейших характеристик унта в процессе трамбования. За основной критерий уплотнения бралась плот->сть сухого грунта В результате уплотнения грунта трамбовкой массой 3,2 т »верхность дна котлована понизилась на 0,4 м и на поверхности плотность су-то грунта возросла с 1,41 до 1,65 г/см3. Но, уже на глубине 0,5 м плотность су-то грунта составила всего лишь 1,56 г/см3, что однозначно недостаточно для транения просадочных свойств основания. На глубине 1 м влияние трамбовки 1все не замечено, грунт сохранил свои прежние значения плотности.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Р, МПа

80

120

160

200

Т

Б, мм

Рис. 1. Графики осадок штампа-фундамента на опытном полигоне: 1 - после

уплотнения грунта трамбовкой массой 3,2 т; 2 - после уплотнения грунта трамбовкой массой 7 т на первой площадке; 3 - после уплотнения грунта трамбовкой массой 7 т на второй площадке

Совсем иную картину можно наблюдать при рассмотрении изменений ха рактеристик грунта в результате уплотнения грунта опытной площадки трам бовкой массой 7 т. В результате уплотнения значительно повысились такие ха рактеристики грунта как плотность сухого грунта и модуль общей деформации.

По сравнению с начальной (1,42 г/см3) плотность сухого грунта, в резуль тате уплотнения тяжелой трамбовкой, возросла на 37% (до 1,95 г/см3) на глубин 0,5-1 м и на 14% (1,60 г/см3) на глубине 5,5 м. Осредненное значение по все] мощности уплотненной зоны составляет 1,77 г/см3, что на 25% выше осреднен ного значения плотности сухого грунта в естественном залегании.

Модуль общей деформации в результате штамповых испытаний на грун товом основании уплотненном трамбовкой массой 3,2 т составил 7,42 МПа. Пос ле аналогичных испытаний штампами грунтовых оснований уплотненных трам бовкой массой 7 т модуль общей деформации увеличился до 15,95 МПа на пер вой и до 21,49 МПа на второй экспериментальных площадках, т.е. в среднем мо дуль общей деформации увеличился более чем в 2,5 раза. Следует также отме тить, что в результате замачивания наблюдалось значительное увеличение осад ки штампа-фундамента, установленного на грунтовом основании, уплотненнол

1

амбовкой массой 3,2 т. Замачивание же основания уплотненного трамбовкой ссой 7 т на опытных площадках № 1 и № 2 не вызвало дополнительных осадок гампа-фундамента, находившегося под полной нагрузкой.

С целью учета влияния уплотнения на грунтовое основание за пределами амбуемой площадки были отобраны и исследованы образцы грунта на расстоя-и 4-5 м от края площадки. Начиная с глубины 3,5 м замечено постепенное уве-чение плотности сухого грунта с глубиной. Так, на глубине 4 м плотность су-го грунта составляет 1,47 г/см3, а на глубине 7 м (считая от уровня планировки начала трамбования) - 1,60 г/см3, далее следуют пески. Как видно, на глубине ч плотность сухого грунта рл имеет такое же значение, как и на уплотненной ощадке. Следовательно, при трамбовании лессового основания тяжелой трам-вкой грунт уплотняется не только на трамбуемой площадке, но и за ее преде-ми.

В результате исследований было замечено, что с течением времени не оисходит существенных изменений в значениях модуля общей деформации и отности сухого грунта. Уплотненный грунт во время отбора образцов (октябрь 94 г.) имел естественную влажность И'е - 6-8%. Затем котлован простоял от-ытым всю зиму и в результате весеннего снеготаяния грунт увлажнился (вода эяла в котловане больше месяца, что подтверждает маловодопроницаемость нования). В момент повторного отбора образцов (июль 1995 г.) фунт имел ес-:твенную влажность \Уе - 10-12%. Плотность сухого грунта и модуль общей формации практически сохранили свои прежние значения.

Глава 3. Исследование прочностных и деформационных свойств лессовых уплотненных грунтов

3.1. Приборы, оборудование и методика проведения лабораторных исследований

В данном параграфе описываются методы отбора образцов грунта на экс-риментальных площадках и методики их исследований.

Компрессионные испытания проводились по стандартной методике на. мпрессионных настольных приборах КПр1 системы "Гидропроект", а также на* гоматизированной системе для инженерно-строительных изысканий типа :ИС-18/4 согласно ГОСТ 23908-79 и ГОСТ 23161-78.

Прочностные характеристики фунтов определялись на приборах ПСГ-2М стемы "Гидропроект" и на сдвиговых приборах типа ПСПА-40/35, входящих в став автоматизированной системы АСИС-18/4. Сдвиговые испытания производись согласно ГОСТ 12248-78 методом консолидированного среза при полном донасыщении и при естественной влажности.

3.2. Изменение прочностных и деформационных свойств грунта в результате уплотнения

На основании исследований был проведен тщательный анализ изменения очностных и деформационных свойств лессового фунта в результате уплотне-я трамбовками различной массы. Сразу же следует отметить, что уплотнение

грунтов трамбовкой массой 3,2 т приводит к увеличению прочностных и дефор мационных свойств грунта лишь до глубины 0,5 м, что явно недостаточно дл создания прочного основания.

Более значительный интерес представляет собой картина изменения проч ностных и деформационных характеристик грунта после уплотнения трамбовка ми массой 7-10 т. В этом случае прослеживается явное увеличение таких важны: грунтовых характеристик, как модуль общей деформации и удельное сцепленис В таблице 1 приведены результаты определений физико-механиче-ских характе ристик лессовых грунтов г. Барнаула природной плотности и уплотненных трам бовками повышенного веса до плотности сухого грунта рл = 1,95 г/см3 в верхне (0,5-1 м) и до 1,60 г/см3 в нижней (5 м) зонах уплотненной грунтовой тол ид Прочностные характеристики с и <р даны в состоянии полного водонасыщения условиях консолидированного среза грунта, модули общей деформации - пр; природной влажности и в водонасыщенном состоянии.

Таблица 1

Физико-механические свойства уплотненных лессовых грунтов

Глу- Показатели физи- Механические характеристики

Вид бина ческих свойств до уплотнения после уплотнения

грунта отбора грунта перед уплотнением Прочностные характеристики Модуль общей деформации Прочностные характеристики Модуль общей деформации

ь, м 1р, % % Р<ь г/см3 с, МПа Ф, град Е,' МПа МПа : с, ' МПа град Еу МПа МП.

0,5 10 10,2 1,42 0,004 24 6,96 2,17 0,057 33 23,28 22,9'

Суглинок 1 10 9,6 1,44 0,005 24 7,12 2,13 0,045 32 22,58 21,71

лессовый 2 9 7,0 1,43 0,005 24 8,28 1,81 0,031 31 22,08 18,3'

3 9 8,8 1,42 0,005 25 7,32 2,05 0,017 28 15,91 12,6'

4 11,4 1,42 0,006 24 6,66 2,25 0,010 26 13,58 10,6'

5 9 13,5 1,41 0,006 24 6,08 2,32 0,008 24 12,32 5,6С

При анализе приведенных данных обращает на себя внимание прежде все го тот факт, что у уплотненных лессовых грунтов увеличиваются как прочност ные, так и деформационные характеристики. В верхних слоях уплотненног основания значение модуля общей деформации увеличивается в 2,5-3,5 раза пр: естественной влажности \Уе= 7-10%. На нижней границе уплотненной зоны (5м модуль общей деформации больше в 1,5-2 раза, чем тот же показатель грунта естественном состоянии до уплотнения. Еще более заметна разница при водона сыщении грунтов. Модуль общей деформации уплотненного грунта при водона сыщении меняется незначительно, - в верхних слоях (1-2 м) на 1-2%, а в нижнед

эе (5 м) в 2 раза, тогда как модуль общей деформации неуплотненного грунта еньшается в 3-5 раз.

При замачивании уплотненного фунта различными способами (замачи-яие снизу и замачивание сверху) никаких различий замечено не было. Водона-щение в обоих случаях происходило очень медленно, грунт практически в мпрессионном приборе не деформировался. Просадочные свойства при давле-и Р = 0,3 МПа, да и то незначительные, были обнаружены только на глубине >-5 м (е51 = 0,013), а до глубины 4,5 м просадочность ликвидирована полностью 1 глубине 4 м - е5] = 0,0054, на глубине 3,5 м - б5! = 0,0032 и т.д.). Величина от-сительной просадочности лессового грунта в естественном залегании состав-ет в среднем по глубине - 0,052.

При сравнении значений модулей деформации по данным полевых и ком-ессионных опытов видно, что они не существенно отличаются между собой, к, модуль общей деформации по результатам штамповых испытаний на уплот-нном трамбовкой массой 7 т основании составил 15,95-21,49 МПа, а по резуль-гам компрессионных в среднем 18,29 МПа в естественном состоянии и 15,32 Па при полном водонасыщении. Близкая сходимость получена в результате то, что расчет модулей общей деформации велся по уточненной методике при вой величине коэффициента ¡} (по Г.И.Швецову). То же самое можно сказать и и сравнении значений модулей общей деформации определенных после уплотнил грунта трамбовкой массой 3,2 т. По результатам полевого опыта Е = 7,42 Па, а по лабораторным данным Е = 7,07 МПа.

Прочностные характеристики также при уплотнении претерпели измене-е в сторону увеличения. Угол внутреннего трения ф увеличился с 24 до 30-33°. 1ельное сцепление грунта с увеличилось с 0,005 МПа до 0,057 МПа на глубине м и до 0,010 на глубине 4 м. Результаты определения прочностных характери-ик уплотненных лессовых суглинков (таблица 2) показали, что при повышении отности сухого грунта от 1,54 до 1,95 г/см3 удельное сцепление грунта воз-стает в 5-6,5 раз, а угол внутреннего трения ф в 1,3 раза. При увеличении ажности от природной (\Уе = 9%) до полного водонасыщения (Б, > 0,8) удель-е сцепление снижается в 1,8-2,5 раза, а угол внутреннего трения практически меняется.

блица 2

Плотность Природная влажность Полное водонасыщение

'хого грунта (\У = 0,09) (Вг> 0,8)

Ра, г/см3 С, МПа Ф, град. С, МПа Ф, град

1,54 0,015 25 0,006 24

1,61 0,020 26 0,008 26

1,71 0,038 28 0,017 28

1,82 0,062 31 0,031 31

1,90 0,085 32 0,045 32

1,95 0,103 33 0,057 33

3.3. Изменение микроструктуры лессового грунта в процессе его уплотнения, формирование новой микроструктуры и ее оценка

При уплотнении грунта трамбовками различной массы очень важным моментом является изучение на микроструктурном уровне изменений происходящих в грунте в процессе его уплотнения.

После уплотнения исследуемого грунта трамбовкой массой 3,2 т его микроструктура претерпела некоторые изменения, по сравнению с природной, только на глубине до 0,5 м. Уменьшилась общая пористость, исчезли крупные межагрегатные поры, преобладают поры размером 5-10 мкм. Отмечается уменьшение размеров структурных элементов до 10-25 мкм за счет их механического разрушения. Произошло перераспределение глинистого материала: глинистые "рубашки" глобул частично разрушены и отмечается наличие почти сплошной глинистой массы, в которой содержатся беспорядочно расположенные пылева-тые и песчаные зерна. По сравнению с природной микроструктурой скелетной типа структура уплотненного грунта до глубины 0,5 м приобрела признаки ске летно-матричного типа, класс структуры (зернисто-пленчатый) не изменился

На снимках образцов грунта с глубин от 1 до 6 м не было замечено ника ких изменений микроструктуры грунта по сравнению с природной. Тип структу ры - скелетный, класс - зернисто-пленчатый.

После уплотнения грунтового основания трамбовками повышенного вес! микроструктура грунта резко изменилась. В образцах грунта с поверхности кот лована и с глубины до 2 м видно, что грунт приобрел гораздо более плотнук структуру, представляющую собой сплошную массу - однородную тонкодис персную матрицу. Практически отсутствуют крупные микроагрегаты и глобуль строго очерченной формы, которыми сложена структура фунта в естественно]* состоянии. Обнаруживается совершенно новое явление - дробление глобул, афе гатов, их расплющивание. Резко уменьшилась пористость фунта - размер ме жафегатных пор составляет 5-10 мкм. Все это позволяет отнести микроструктур; фунта, уплотненного тяжелой трамбовкой, с поверхности и до глубины 2м-: матричному типу.

Анализ РЭМ-изображений уплотненного фунта с глубины 3-4 м показаг что микроструктура фунта приобретает признаки скелетно-матричного тип структуры. Присутствуют неразрушенные крупные микроафегаты и глобул! размером от 10 до 30 мкм. Песчаные и пылеватые зерна покрыты глинистым рубашками.

На микроструктурных снимках уплотненного фунта с глубины 5-6 i вновь распознается структура скелетного типа. Основные твердые структурны элементы представлены округлыми глинисто-пылеватыми афегатами и зернам размером 15-40 мкм. Глинистый материал расположен в местах контактов афе гатов и глобул, и на поверхности песчаных и пылеватых зерен. Глинистс пылеватые афегаты имеют рыхлое сложение и хорошо очерченную округлу! или яйцевидную форму. Основная часть порового пространства представлен крупными межафегатными порами.

Глава 4. Региональная таблица деформационных и прочностных характеристик уплотненных лессовых грунтов

Проведенные экспериментальные работы по уплотнению лессовых проса-чных грунтов трамбовками повышенного веса позволили произвести обобще-е результатов этих исследований с созданием региональной таблицы характе-стик уплотненных лессовых грунтов. Для этого образцы уплотненных грунтов бирались на протяжении всего трамбования с различных горизонтов имея раз-чные степени уплотнения, а следовательно и коэффициенты пористости.

Ценность таких таблиц заключается в том, что они отражают инженерно-алогические особенности региона и , с другой стороны, позволяют значительно [еньшить объем инженерно-геологических изысканий.

Статистическое обобщение модулей общей деформации уплотненных лес-вых грунтов производилось после уточнения их величин и группировки по сте-ни влажности и действующим давлениям. Объектом исследований являлись ссовые уплотненные суглинки.

Особое внимание уделялось качеству компрессионных испытаний. Учиты-гсись только те результаты, качество определения которых не вызывало сомне-й. Компрессионные кривые, свидетельствующие о некачественности опыта, не ссматривались. Достоверность получаемых характеристик также во многом за-сит от методики обработки результатов опытов. Для статистической обработки ш принят диапазон напряжений равный 0,1-0,3 МПа как наиболее часто ис-льзуемый при проектировании зданий и сооружений, и близкий к рекомендуе-1му в данном регионе. Коэффициент (3 принимался в расчетах с учетом уточне-я по рекомендуемой таблице разработанной Г.И.Швецовым для лессовых унтов Верхнего Приобья, позволяющий получить значения модулей общей де-|рмации близкие к результатам штамповых опытов.

В целом для уплотненных лессовых грунтов г.Барнаула как естественной ажности, так и в водонасыщенном состоянии получены корреляционные зави-мости с высокими коэффициентами корреляции (0,930-0,974), что указывает на этическую связь, близкую к функциональной. Регрессионные уравнения и ко-фициенты корреляции Я имеют следующий вид и значения: дя грунта при степени влажности 8Г < 0,5:

Е = 38,37 - 38,39е0; Я = 0,955 (2)

с= 0,20- 0,27ео; Я = 0,965 (3)

9 = 42,13 -24,04е0; Я = 0,969 (4)

ля грунта при степени влажности = 0,5-0,8:

Е = 40,92 - 44,94е0; Я = 0,955 (5)

с = 0,19- 0,26ео; Я = 0,964 (6)

ср = 41,43-22,88е0; Я =0,969 (7)

ля грунта при степени влажности > 0,8:

Е = 45,23 - 56,23е0; Я =0,974 (8)

с= 0,11 - 0,1 бе0; Я =0,930 (9)

Ф = 40,99 - 27,24е0; Я =0,956 (10)

Полученные корреляционные зависимости позволили составить таблиц нормативных и расчетных характеристик уплотненных лессовых пород, имек щих наибольшее распространение на территории Верхнего Приобья и в част ности г.Барнаула (таблица 3).

Табличные значения показателей механических характеристик лессовы пород рекомендуется использовать для предварительных, а также окончательны расчетов уплотненных лессовых оснований зданий и сооружений II и III классог Для более ответственных зданий и сооружений рекомендуется табличные значе ния уточнять с результатами испытаний грунтов на компрессию и на срез.

Таблица 3

Нормативные и расчетные характеристики уплотненных лессовых грунто

Наимено- Сте- Обозна- Характеристики грунтов при коэффициенте

пень чения

вание влаж- хапакте- пористости е0, равном

грунта ности ристик 0,390-0,450 0,451-0.500 0,501-0,600 0,601-0,70

sr грунта норм. расч. норм. расч. норм. расч. норм. рас

Суглинки С, МПа 0,087 0,069 0,072 0,050 0,051 0,033 0,024 0,0

лессовые <0,5 Ф, град. 32 30 30 29 29 27 26 2'.

уплотненные Е, МПа 22 - 20 - 17 - 13 -

Суглинки С, МПа 0,080 0,054 0,066 0,045 0,046 0,026 0,020 0,0

лессовые 0,5- ф, град. 32 30 30 29 29 27 26 21

уплотненные 0,8 Е, МПа 22 - 19 - 16 - 12 -

Суглинки С, МПа 0,046 0,032 0,037 0,024 0,025 0,014 0,009 0,01

лессовые >0,8 Ф, град. 31 30 30 28 28 27 26 2i

уплотненные Е, МПа 22 - 18 - 14 - 9 -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Уплотнение лессового просадочного грунта трамбовкой массой 3,2 т н эффективно. Проведенные экспериментальные и лабораторные исследования пс казали, что изменение деформационных и прочностных характеристик грунт происходит лишь в верхнем слое и распространяется на глубину не более 0,5 л Этот факт подтверждают и микроструктурные исследования.

2. Разработан метод уплотнения грунта тяжелыми трамбовками. Сущност метода заключается в том, что уплотнение грунта ведется в несколько проходо! После каждой проходки производится снятие разрыхленного верхнего слоя груь та, выполняющего роль своеобразного амортизатора удара при падении трамбо! ки. В результате уплотнения грунта отметка дна котлована опускается на 1,5 более метров, что значительно сокращает трудозатраты на земляные работы пр разработке котлована.

3. Применение тяжелых трамбовок массой от 7 до Ют, при статическом влении на грунт равным 0,06-0,065 МПа, позволяет уплотнить фунтовое осно-ние на значительную глубину. При использовании разработанной технологии верхностного уплотнения фунтов тяжелыми трамбовками и при влажности унта близкой к оптимальной глубина уплотнения может достигать 5-6 и более тров. В пределах уплотненной зоны полностью ликвидируются просадочные ойства фунтов, увеличиваются такие важнейшие характеристики фунта как: отность сухого фунта, модуль деформации, удельное сцепление и угол внут-ннего трения. Создается прочное, устойчивое к водонасыщению фунтовое нование и кроме того, препятствующее замачиванию нижележащих слоев унта за счет низкой водопроницаемости.

4. Проведенные крупномасштабные экспериментальные исследования по фужению штампа-фундамента на уплотненном основании позволили проана-зировать напряженно-деформированное состояние уплотненного фунта. Зона формации напрямую зависит от степени уплотненности фунтового основания, гухание напряжений происходит быстрее в более уплотненных слоях. Основе падение напряжений приходится на верхний, более уплотненный слой, в ко-ром напряжения уменьшаются более чем в два раза.

Линейная зависимость осадки штампа-фундамента от нафузки говорит о м, что в результате обработки фунтового основания трамбовкой повышенного :а получаем линейно-деформированное основание.

5. Уплотнение лессового фунта тяжелыми трамбовками помимо повыше-я прочностных и деформационных характеристик фунта приводит к коренно-

изменению его микроструктуры. Под влиянием динамического уплотнения ет интенсивное разрушение глобул и афегатов, их расплющивание, перемеще-е и сближение основных элементов лессового фунта - песчано-пылеватых час-ц и глинистого материала. Формируется новая матричная структура, отли-ющаяся от природной минимальной и относительно однородной пористостью, лее плотной упаковкой элементарных частиц.

6. На основе проведенных лабораторных, микроструктурных и экспери-нтальных исследований можно констатировать, что создание уплотненного :сового основания мощностью 5-6 метров позволяет устройство на нем фунда-нтов мелкого заложения. Экономический эффект от внедрения данной техно-гии поверхностного уплотнения фунтов тяжелыми трамбовками при строи-1ьстве 9-ти этажного 108-ми квартирного кирпичного жилого дома в 2003-ем крорайоне г. Барнаула составляет более 1 млрд. рублей в ценах 1997 года.

7. Для уплотненных лессовых пород при естественной влажности и в во-насыщенном состоянии разработана региональная таблица нормативных и :четных характеристик деформационных и прочностных свойств. Таблица ре-«ендуется для использования проектными организациями для предваритель-х, а также окончательных расчетов уплотненных лессовых оснований зданий и зружений до II класса включительно.

Список работ автора по теме диссертации:

1. Анализ картины деформационно-влажностного поля в пространен лессового грунта опытной площадки // Перспективные конструкции и технол' гии: Сб. науч. тр. - Барнаул: Изд-во АГУ, 1995. - С. 14-17.

2. Анализ напряженного состояния лессового основания различной пло ности под жестким штампом-фундаментом // Изв. вузов. Строительство и арх] тектура. - 1996. - № 5 - С. 120-124. (Соавтор П.П.Райс)

3. О результатах штамповых испытаний лессового просадочного основ ния при замачивании // Лессовые просадочные грунты: исследования, проектир вание и строительство: Тез. докл. Междун. науч.-практ. конф. - Барнаул, 1996. С. 96-97. (Соавтор Б.Ф.Азаров)

4. Изменение прочностных и деформационных свойств лессового грун' при уплотнении // Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирован! и строительство: Тез. докл. Междун. науч.-практ. конф. - Барнаул, 1996. - С. 12

5. Напряженно-деформированное состояние уплотненных лессовых rpyi тов в основании фундаментов // Лессовые просадочные грунты: исследовани проектирование и строительство: Тез. докл. Междун. науч.-практ. конф. - Ба] наул, 1996. - С. 130-133. (Соавтор Г.И.Швецов).

6. Экспериментальные исследования по уплотнению лессового просадо: ного основания трамбовками различной массы // Лессовые просадочные грунт! исследования, проектирование и строительство: Тез. докл. Междун. науч.-прак конф. - Барнаул, 1996. - С. 133-134. (Соавторы: Г.И.Швецов, И.В.Носков).

7. Методика уплотнения лессовых просадочных грунтов трамбовками п< вышенного веса // Проблемы фундаментостроения в грунтовых условиях новс столицы: Тез. докл. Казахской национальной геотехнической конференции иностранным участием. - Акмола, 1997. - С. 484-486. (Соавтор Г.И.Швецов)

Подписано к печати 28.04.98. Формат 60x84/16. Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 18/98.

Издательство Алтайского государственного технического университета им.И.И.Ползунова. 656099, г.Барнаул, пр-т Ленина, 46.

130.

Лицензия ЛР № 020822 от 21.09.93.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата технических наук, Черепанов, Борис Михайлович, Барнаул

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. И.И.ПОЛЗУНОВА

На правах рукописи

УДК 624.131.23

Черепанов Борис Михайлович

Г» '

КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕССОВОГО ГРУНТА, УПЛОТНЕННОГО ТРАМБОВКАМИ ПОВЫШЕННОГО ВЕСА

Специальность 04.00.07 - Инженерная геология, мерзлотоведение

и грунтоведение

Д и с с е р т а ц и я

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, член-корреспондент Российской Академии архитектуры и строительных наук, профессор Г.И.Швецов

Барнаул - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ............................. 4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ЛЕССОВОГО ГРУНТА, УПЛОТНЕННОГО ТРАМБОВКАМИ ПОВЫШЕННОГО ВЕСА 11

1.1. Оценка напряженно-деформированного состояния уплотненного грунта.................................... 11

1.2. Микроструктура уплотненных лессовых пород.............. 17

1.3. Изменение прочностных и деформационных свойств

лессового грунта при уплотнении.......................... 20

1.4. Влияние замачивания на изменение физико-механических свойств уплотненных лессовых грунтов.................... 25

1.5. Существующие методы уплотнения лессовых

грунтов и их оценка..................................... 31

1.6. Цель и задачи исследований.............................. 40

ГЛАВА 2. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

УПЛОТНЕННЫХ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ В ОСНОВАНИИ ШТАМПОВ-ФУНДАМЕНТОВ............................ 42

2.1. Методика уплотнения лессовых просадочных грунтов трамбовками повышенного веса........................... 42

2.2. Исследование напряженно-деформируемого состояния уплотненных лессовых грунтов........................... 58

2.3. Изменение физико-механических, прочностных и деформационных свойств грунта после уплотнения.......... 68

2.4. Выводы............................................... 75

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ

СВОЙСТВ ЛЕССОВЫХ УПЛОТНЕННЫХ ГРУНТОВ........ 77

3.1. Приборы, оборудование и методика проведения лабораторных исследований.............................. 77

3.2. Изменение прочностных и деформационных свойств грунта

в результате уплотнения.................................. 85

3.3. Изменение микроструктуры лессового грунта в процессе его уплотнения, формирование новой микроструктуры и

ее оценка............................................... 90

3.4. Выводы................................................ 101

ГЛАВА 4. РЕГИОНАЛЬНАЯ ТАБЛИЦА ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УПЛОТНЕННЫХ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ.................................. 104

4.1. Отбор данных деформационных и прочностных характеристик уплотненных лессовых грунтов, их группировка и анализ.....104

4.2. Статистическое обобщение деформационных и прочностных характеристик уплотненных лессовых грунтов.............. 111

4.3. Таблица деформационных и прочностных характеристик уплотненных лессовых грунтов и рекомендации по ее применению............................................127

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ........................................... 135

ЛИТЕРАТУРА................................................... 138

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................. 154

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При инженерно-геологической оценке лессовых пород важнейшими их характеристиками являются просадочность и возможность обводнения в результате аварийного замачивания или подтопления. При аварийном замачивании просадочных лессовых грунтов или при подъеме уровня грунтовых вод фундаменты зданий и сооружений дают значительные и зачастую неравномерные осадки. В связи с этим, одной из основных задач технической мелиорации грунтов следует считать поиски эффективных способов предотвращения обводнения толщ, а также повышения прочностных и деформационных характеристик лессовых грунтов.

Перспективным для устранения просадочных свойств и повышения прочностных и деформационных характеристик лессовых грунтов является их уплотнение. Одним из простейших и экономичных методов уплотнения является поверхностное уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками.

В нашей стране для уплотнения просадочных грунтов применяют трамбовки массой 5-7 т и диаметром 1,5-2 м. Мощность уплотненной зоны составляет 1,5-2,5 м, что не всегда удовлетворяет требованиям расчета по деформациям. Для получения большей глубины уплотнения при существующей методике трамбования необходимо использовать трамбовки массой 15-25 т и диаметром 2,5-3 м, что соответственно потребует применения более грузоподъемных кранов, экскаваторов или других установок.

Более экономичный и доступный способ повышения эффективности поверхностного уплотнения грунтов заключается в разработке новых технологий уплотнения и конструкций трамбовок. Это позволит при прочих равных условиях увеличить мощность уплотненной зоны.

Одним из недостатков поверхностного уплотнения просадочных грунтов является сложность контроля качества уплотненного массива. Результаты уплотнения зависят от целого ряда факторов, к которым относятся плотность грунта и его влажность. В пределах строительной площадки эти характеристи-

ки имеют различные значения, что требует частичного изменения технологии производства работ для достижения одинаковых параметров уплотнения по всей площади. Это вызывает необходимость увеличения количества шурфов для контроля качества с последующим комплексом определения физико-механических характеристик уплотненного грунта, что приводит к дополнительным затратам трудовых и материальных ресурсов.

Данное обстоятельство указывает на необходимость разработки региональной таблицы нормативных и расчетных характеристик деформируемости и прочностных свойств уплотненных лессовых грунтов, которая будет иметь большое значение для практики и значительно сократит трудовые и материальные затраты при контроле качества уплотнения.

Целью работы является разработка методики устранения просадочных свойств лессовых грунтов уплотнением трамбовками повышенного веса с созданием уплотненной зоны мощностью 5-6 м, что позволит заменить дорогостоящие свайные фундаменты на фундаменты мелкого заложения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследование напряженного состояния уплотненных лессовых грунтов при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии;

2. Выявление закономерности изменения физических, прочностных и деформационных свойств грунта в результате уплотнения;

3. Исследование микроструктуры уплотненных лессовых грунтов в сравнении с микроструктурой грунта в естественном состоянии;

4. Изучение влияния способов замачивания как фактор изменения деформационных, прочностных характеристик и микроструктуры уплотненного грунта;

5. Отыскание по результатам определений физических, прочностных и деформационных характеристик корреляционных зависимостей для уплотненного грунта между:

- коэффициентом пористости и модулем общей деформации;

- коэффициентом пористости и удельным сцеплением;

- коэффициентом пористости и углом внутреннего трения грунта;

6. Разработка на основе полученных корреляционных зависимостей региональной таблицы деформационных и прочностных характеристик уплотненных лессовых пород Верхнего Приобья.

Методы исследований. Основные положения и выводы диссертационной работы основаны на теоретических, экспериментальных и лабораторных исследованиях проведенных в течение нескольких лет.

Исследование прочностных и деформационных характеристик производилось на основе большого объема лабораторных испытаний уплотненных лессовых грунтов при различной степени уплотненности. Большинство испытаний проводилось на автоматизированной системе для инженерно-строитель-ных изысканий типа АСИС-18/4. Помимо лабораторных исследований, сжимаемость грунтов, также как и характер распределения напряжений в уплотненной среде, исследовались по результатам проведения крупномасштабных полевых экспериментов по испытанию уплотненного грунтового основания жестким штампом-фундаментом площадью 10000 см с созданием нагрузки до 0,47 МПа.

Микроструктурные характеристики грунта в естественном состоянии и после уплотнения трамбовками различного веса изучались с помощью комплекса растровой электронной микроскопии РЭМ-микроЭВМ.

Отыскание корреляционных зависимостей коэффициента пористости от прочностных и деформационных характеристик и получение уравнений регрессии производилось на ЭВМ с использованием программы "Microcal Origin. Version: 3.5" Microcal Software, Inc.

Статистическое обобщение характеристик для составления таблицы нормативных и расчетных деформационных и прочностных характеристик уплотненных лессовых грунтов выполнялось на основе лабораторных испытаний уп-

лотненных лессовых грунтов, выполненных автором в лаборатории кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета.

Исходные данные и личный вклад автора. В основу работы положены материалы исследований, выполненных автором в период 1992-1997гг. Диссертационная работа выполнялась в составе временного научного коллектива кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета по разработке проблемы "Исследование закономерностей деформирования лессовых оснований на территории Верхнего Приобья" (тема № 9.91) и "Совершенствование методов устройства и расчета оснований и фундаментов на лессовых просадочных грунтах юга Западной Сибири" (тема № 3.3.1). Отработка технологии уплотнения грунтов трамбовками повышенного веса выполнялась при активном участии автора в рамках договора № 40-94 "Разработка методики устранения просадочных свойств лессовых грунтов г. Барнаула уплотнением трамбовками повышенного веса с созданием уплотненной зоны 5-6 м".

Автором получены уравнения регрессии для расчета прочностных и деформационных характеристик уплотненного лессового грунта в зависимости от коэффициента пористости. На основании полученных корреляционных зависимостей разработана региональная таблица нормативных и расчетных характеристик уплотненных лессовых грунтов.

Научная новизна. Экспериментальные и теоретические исследования позволили отработать технологию уплотнения лессовых просадочных грунтов трамбовками повышенного веса. В отличие от существующих методик уплотнения грунтов трамбовками массой до 7 т при данной технологии впервые получено уплотненное основание мощностью 5-6 метров. В пределах уплотненной зоны полностью ликвидируются просадочные свойства грунтов, увеличиваются прочностные и деформационные характеристики, создается прочное, устойчивое к водонасыщению основание.

Разработана и изготовлена трамбовка массой Ют, позволяющая повысить производительность труда в 1,5-2 раза (в сравнении с трамбовкой массой 7 т, используемой при опытном уплотнении экспериментальных площадок).

Исследование микроструктуры показало, что уплотнение лессового грунта трамбовками повышенного веса приводит к коренному ее изменению. Под влиянием динамического уплотнения идет интенсивное разрушение глобул и агрегатов, их расплющивание, перемещение и сближение основных элементов лессового грунта - песчано-пылеватых частиц и глинистого материала. Формируется новая матричная структура, отличающаяся от природной минимальной и относительно однородной пористостью, более плотной упаковкой элементарных частиц.

На основе анализа корреляционных зависимостей получены уравнения регрессии взаимосвязи: коэффициента пористости с модулем деформации и прочностными характеристиками (удельным сцеплением и углом внутреннего трения).

По результатам уравнений регрессии разработаны и рекомендованы для внедрения в практику проектирования оснований зданий и сооружений нормативные и расчетные характеристики деформационных и прочностных свойств уплотненных лессовых пород при естественной влажности и водонасыщенном состоянии. Использование полученной региональной таблицы упростит контроль качества уплотненного грунта. Для лессовых грунтов Западной Сибири такая таблица разработана впервые.

Реализация и практическая ценность работы. На основании теоретических, натурных, лабораторных и микроструктурных исследований отработана технология уплотнения лессового просадочного грунта трамбовками массой 7-10 т для лессовых пород Западной Сибири. Данная технология была одобрена и рекомендована к внедрению на заседании расширенного Технического Совета АО "Алтайгражданпроект", АО "АлтайТИСИЗ" и кафедры Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" АлтГТУ 21 марта 1995 го-

да. На основании этого решения по данной методике осенью 1996 года начато уплотнение котлована под 9-ти этажный 108-квартирный кирпичный жилой дом в 2003-ем микрорайоне г.Барнаула.

Экономический эффект от внедрения данной технологии при строительстве вышеуказанного дома составляет более 1 млрд. рублей в ценах 1997 года.

Полученная региональная таблица нормативных и расчетных характеристик уплотненных лессовых грунтов позволит значительно сократить объем инженерно-изыскательских работ при контроле качества уплотненного грунтового основания.

На защиту выносятся:

1. Технология уплотнения лессовых просадочных грунтов трамбовками повышенного веса.

2. Результаты экспериментальных исследований распределения вертикальных напряжений по глубине под жестким штампом-фундаментом, установленном на уплотненном лессовом основании.

3. Динамика изменения прочностных и деформационных характеристик лессового просадочного грунта в процессе его уплотнения трамбовками массой 3,2 и 7-10 т с последующим водонасыщением.

4. Характер изменения микроструктуры лессового просадочного грунта в результате уплотнения трамбовками различной массы.

5. Корреляционные зависимости модуля общей деформации, удельного сцепления и угла внутреннего трения лессового уплотненного грунта от коэффициента пористости.

6. Региональная таблица нормативных и расчетных характеристик уплотненных лессовых грунтов.

Практическое значение работы состоит в том, что в ней разработана технология уплотнения лессового просадочного грунта, позволяющая заменить дорогостоящие свайные фундаменты фундаментами мелкого заложения на уплотненном основании.

В диссертационной работе предложены формулы для определения деформационных (Е) и прочностных (с и ср ) характеристик уплотненного лессового грунта по значению коэффициента пористости (е0), которые могут быть использованы для предварительных, а также окончательных расчетов уплотненных лессовых оснований зданий и сооружений II и III классов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета (1992-1997), на IV Всероссийской конференции с иностранным участием "Нелинейная механика грунтов" (Санкт-Петербург, 1993), на международной научно-практической конференции "Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирование и строительство" (Барнаул, 1996), на Казахстанской национальной геотехнической конференции "Проблемы фунда-ментостроения в грунтовых условиях новой столицы" (Акмола, 1997).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 156 страниц, в том числе 38 рисунков, 20 таблиц, 2 страницы приложения и список литературы из 141 наименования.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, д.г.-м.н., профессору Г.И.Швецову; сотрудникам кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета П.П.Райсу, Б.Ф.Азарову, И.В.Носкову, С.Г.Кама-еву, Т.А.Горбуновой, Е.И.Вяткиной, Е.В.Дьякову за помощь, деловые советы, консультации и полезные дискуссии; бывшему директору АО "Управление механизации № 8" В.И.Шабалину и главному инженеру Г.М.Крылову за помощь в проведении полевых экспериментов.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ЛЕССОВОГО ГРУНТА, УПЛОТНЕННОГО ТРАМБОВКАМИ ПОВЫШЕННОГО ВЕСА

1.1. Оценка напряженно-деформированного состояния уплотненного грунта

Значительная часть территории Алтайского края сложена лессовыми просадочными грунтами. Опыт строительства и эксплуатации зданий и сооружений на таких грунтах показывает, что прочность и устойчивость может быть обеспечена только лишь при полном устранении просадочных свойств грунтов.

Как известно, лессовые породы при естественной плотности и влажности, являясь основанием зданий и сооружений, обладают сравнительно высокой прочностью й малой сжимаем�