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

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

ВОСНОВАНИИ ЖЕСТКИХ ШТАМПОВ

ИФУНДАМЕНТОВ

Экспериментальные исследования напряженно-де- формативного состояния в основании сооружений про­ ведены в очень малом объеме. В основном все исследо­ вания проводились на песках и лёссовых грунтах.

Сложность определения напряженно-деформативного состояния обусловлена сложностью измерений напряже­ ний и деформаций в отдельных точках основания. Одна­ ко за последние пять лет наметились новые пути реше­ ния поставленной проблемы, особенно в связи с разра­ боткой датчиков для измерения напряжений внутри грунтового массива и методики определения достоверно­ сти их измерений. В числе этих датчиков есть и датчики для измерения напряжений в грунтовом массиве, сло­ женном слабыми водонасыщенными глинистыми грунта­ ми. В первую очередь следует отметить мессдозы, разра­ ботанные в Ц Н И И С К е (Д. С. Баранов), Новочеркасском политехническом институте (Ю. Н. Мурзенко), Гидро­

проекте	(В.	П.	Бомбчинский		и др.),	в	ДИИТ
(M. Н. Гольдштейн и др.), в НИИСК УССР						(Е. Ю. Ла-
безник)	и т.	п.	Большие исследования,			проведенные
в Союзморниипроекте,				НИС Гидропроекта		(В.	3. Хей-
фец и др.), а		также в		МИСИ	(А. А. Крыжановский),

позволили более точно тарировать и более обоснованно учитывать величину искажений при измерениях напря­ жений и порового давления, возникающих в связи с вне­ сением жесткого элемента (мессдозы) в среду с други­ ми деформативными характеристиками.

Наиболее просто проводится измерение вертикаль­ ных напряжений, так как глубинные марки уже давно широко применяются при различных исследованиях в механике грунтов. Предложено много конструкций глу­ бинных марок, которые с достаточно высокой точностью позволяют оценить вертикальные смещения различных точек грунтового основания. Многие из глубинных марок применялись и при исследовании просадочных при за­ мачивании грунтов (Ю. М. Абелев [9], В. И. Крутов, 1960—1967 гг.), которые могут быть отнесены к слабым водонасыщенным глинистым грунтам. Методика же из­ мерения горизонтальных смещений практически не раз-

112

работана, что мешает определять деформативное состоя­ ние в грунтовом массиве. Известны лишь отдельные опы­ ты измерения горизонтальных напряжений, выполнен­ ные за рубежом, однако точность измерения в этих опы­ тах весьма низкая.

Так как при исследованиях напряженно-деформатив- ного состояния основания, сложенного водонасыщенны­ ми глинистыми грунтами, весьма сложно замерить де­ формации из-за их крайне медленного развития во вре­ мени, то для проверки решения консолидационных задач измеряют обычно поровое давление. Поровое давление измеряют датчиками разнообразных конструкций, при­ чем считается, что измерение порового давления проще, чем измерение напряжений.

Для ряда задач механики грунтов необходимо знать распределение напряжений и деформаций непосред­ ственно под подошвой фундамента — так называемые контактные напряжения и деформации. Хотя методика определения контактных напряжений значительно проще по сравнению с определением напряжений в грунтовом массиве, однако до последних лет не 'было проведено натурных исследований напряжений под фундаментами, лежащими на слабых водонасыщенных глинистых грун­ тах. Впервые эти измерения были выполнены в 1965—- 1971 гг. на илах оз. Сиваш. Измерения напряжений на контакте и в глубине основания жесткого штампа пло­ щадью 10 тыс. см2 были проведены Н. С. Рязановым, Н. Ф. Ариповым и автором по следующей методике. Бы­ ла выбрана площадка, где илы залегали на глубину до 6 ж и имели примерно постоянные характеристики проч­ ности и сжимаемости по глубине (что обусловлено боль­ шим содержанием солей в грунте). Так как верхний слой илов (до глубины 0,7 м) имел отличные от пласта харак­ теристики, опыты проводились в шурфах, отрытых на глубину 0,8—0,9 м.

В испытаниях применялись круглые металлические штампы, усиленные ребрами жесткости. В днище каж­ дого штампа заподлицо с поверхностью были установле­ ны 13—15 мессдоз с гидравлическим преобразователем конструкции ЦНИИСК, приспособленным для проведе­ ния таких опытов. Мессдозы изготовлялись в лаборато­ рии МИСИ им. В. В. Куйбышева с участием Д. С. Ба­ ранова. Для повышения точности измерения напряже­ ний мессдозы конструкции Д. С. Баранова были несколь-

8—1

113

ко модифицированы — уменьшена толщина мембраны, усилена гидроизоляция. Кроме того, мессдозы были за­ щищены от быстрой коррозии в засоленных илах. Точ­

ность измерения напряжений	на контакте	с грунтом
этих мессдоз составляла 10—20	гс/см2.
Мессдоза с гидравлическим	преобразователем имеет
ряд преимуществ по сравнению с мембранной		мессдозой.

Рис. 11.6. Мессдоза конструкции ЦНИИСК для измерения на­ пряжений в грунте и для опре­ деления контактных напряже­ ний

/ — корпус; 2 — кольцевая мембра­ на; 3 — крышка; 4 — резиновое внутренее кольцо; 5 — силиконовая жидкость; 6— мембрана и тензодатчик; 7 — хлорвиниловая трубка; 8 — резиновая трубка; 9— резиновое наружное кольцо

Суть их заключается в том, что давление грунта перво­ начально передается на элемент, который через жидкую прослойку распределяет давление на соответствующую измерительную систему. Если пространство между при­ емной и рабочей мембранами заполнить несжимаемой жидкостью (ртутью, силиконовой жидкостью и т. п.), то деформации верхней приемной мембраны (рис. II.6) будут меньше деформаций рабочей мембраны во столь­ ко раз, во сколько площадь второй будет меньше пло­ щади первой. К преимуществам мессдоз с гидравличе­ ским преобразователем относится и то, что измеритель­ ное устройство такой мессдозы реагирует на все давле­ ние, которое действует на приемную мессдозу, независи­

мо от характера распределения этого давления			по пло­
щади мессдозы [11].
Основным чувствительным элементом мессдозы тако­
го типа	является рабочая	мембрана толщиной 0,15—
0,2 мм.	На нижнюю часть	рабочей мембраны	наклеен

фольговый тензодатчик мембранного типа. В торцовой части корпуса мессдозы имеется отверстие для штуцера и отдельно просверленные отверстия для размещения

114

соединительных проводов. Эти провода припаивают к выводным проводникам датчика. С противоположной стороны предусмотрено отверстие для заполнения мессдозы жидкостью, прослойка которой в датчике но­ сит название гидропреобразователя.

Приемная кольцевая мембрана изготовляется из то­ го же материала, что и корпус, и имеет кольцеобразный вырез, в который уложено резиновое кольцо. Это кон­ структивное приспособление позволяет передавать дав­ ление на гидропреобразователь сразу по всей площади приемной мембраны и обеспечивает ее поступательное движение при нагружении независимо от краевого эф­ фекта.

Внешне мессдоза представляет собой металлический диск диаметром 70 и высотой 16 мм. Небольшие габа­ риты прибора позволяют использовать его для измере­ ния напряжений на контакте штампов и внутри грун­ тового основания.

Для измерения контактного давления в плите метал­ лического штампа были сделаны круглые углубления диаметром каждое 74 мм и вырезы для укладки и вы­ вода соединительного кабеля. Эти углубления были не­ обходимы для установки мессдозы заподлицо с поверх­ ностью штампа.

В углубление штампа заливали жидкий цементный раствор и устанавливали мессдозу на место легким при­ жатием. Затем с помощью шаблона, который гаранти­ ровал правильность постановки и исключал перекосы мессдозы, ее выравнивали с поверхностью штампа. Пос­ ле этого в вырез укладывали кабель и через отверстие продергивали его на противоположную сторону плиты (штампа). Штамп с установленными в него мессдозами выдерживали некоторое время для «схватывания» це­ ментного раствора, а затем снова проверяли правиль­ ность установки мессдоз тем же шаблоном.

При установке мессдоз заподлицо с днищем штампа особое внимание обращали на дублирование измеряе­ мых точек. Все основные точки (центр, край и середи­ на радиуса штампа) имели по две измерительных мес­ сдозы. Это исключало ошибки при измерениях и гаран­ тировало возможность измерений в процессе всего экс­ перимента, если даже одна из мессдоз во время опытов выходила из строя. Размещение мессдоз в днище штам­ па показано на рис. П.7.

8*

115

Pm/Kt^CHt

Рис. H.8. Экспериментальные исследования распределения контактных напряжений в ос­ новании круглого жесткого штампа

/ — по И. Я.	Штаерману	(теория	ynpyrocTHjj
// — эксперимент	(средняя	по трем	опытам для
илов из. Сиваш)

ф 420

, т M

					0,2
					О,"
	Рис.		11.9.	Измене­	0,6
					0,8
	ние формы			эпюры
	распределения кон­				I
	тактных напряже­				І2
	ний в		зависимости
					і"
	от	средней		нагруз­
	ки	рт	на	круглый	16
	жесткий			штамп
	площадью			10 тыс.
	см2

круглым штампом трансформируется в резко выражен­ ное «седло» и затем вновь выполаживается. При нагруз­ ках на штамп Р т = 0 , 7 ч - 0 , 8 кгс/см2 ординаты краевых на­ пряжений начинают уменьшаться, в то время как на­ пряжения под центром возрастают (рис. II.9). На этом рисунке сплошной линией показаны экспериментальные данные (для илов оз. Сиваш), а пунктиром — решение И. Я. Штаермана.

		1Г>\
и31	'Л	•2?	À
		\-&	' I
\	32 29	1 ѵ^3	/
у	•
\	45

б) 2 б, , кгс/см2

	16			/ 1YO
				*
	*,2			1 .
			/	/
			/	//
	О,в	У	7
		•К		h

0,4	/У

0,2 0,4 0,6 Рт, кгс/см1

Рис. 11.10. Изменение контактных напряжений в процессе нагружения в опытах 1966—1968 гг.

а — схема размещения мессдоз в днище штампа;	- экспериментальные иссле-
дования изменения контактных напряжений

На рис. 11.10 показаны графики изменения краевых напряжений и напряжений под центром штампа для всех трех опытов. Как видно из этого рисунка, перелом графиков краевых напряжений наступает при нагрузках

0,65—0,75 кгс/см2		и совпадает с переломом кривых на­
пряжений под центром штампа. Максимальная				ордина­
та краевых напряжений при резко выраженном				«седле»
равна	примерно	2,8 средней нагрузки	на штамп, в то
время	как максимальная ордината		напряжений под

центром составляет только половину этой нагрузки. Трансформация эпюры распределения контактных на­ пряжений под жестким фундаментом объясняется, оче­ видно, тем, что с ростом нагрузки в основании форми­ руется «упругое ядро», а под краями фундамента раз­ виваются области пластических деформаций.

118

Сравнение полученных эпюр контактных напряже­ ний с теоретическими, подсчитанными согласно реше­ нию И. Я. Штаермана с учетом закруглений краев фун­ дамента, показывает их достаточно хорошую сходи­ мость лишь при диапазоне давлений, меньших 0,65—

0,75 кгс/см2,	что составляет	0,7—0,8	предельной		нагрузки
на штамп.	В остальных	случах	эпюры	не	совпада­
ют, т. е. теоретические и экспериментальные				эпюры рас­

пределения контактных напряжений в основании фун­

даментов на слабых водонасыщенных	глинистых	грунтах
не совпадают количественно, хотя	и схожи	качест­

венно. При этом погрешности расчета при использовании теоретических решений для определения эпюры кон­ тактных .напряжений под жесткими фундаментами на водонасыщенных слабых глинистых грунтах, по-видимо­ му, не постоянны и зависят от напряженного состояния этих грунтов в основании фундамента.

Как уже упоминалось, сложность исследований на­ пряжений в основании сооружения обусловлена труд­ ностью установки измерительных приборов в грунты без нарушения его природной структуры. Поэтому боль­ шинство опытов по определению напряжений в грунто­ вых основаниях выполнялось на грунтах с нарушенной структурой или на песках.

Для определения напряженного состояния в слабых водонасыщенных глинистых грунтах под штампами бы­ ла выбрана опытная площадка на оз. Сиваш. В илах оз. Сиваш структурные свойства грунтов существенно обусловлены цементационными связями. Роль цемента в них выполняют кристаллические соли, которые связы­ вают частицы и агрегаты глинистых частиц между со­ бой. В илах оз. Сиваш содержится 12% солей. Как по­ казали исследования, эти илы обладают тиксотропными свойствами. Так, по данным М. П. Лысенко, Г. Ф. Но­ вожилова и H. Н. Сидорова [49], естественная структу­ ра илов восстанавливается после нарушения в течение 6—8 дней. Эти тиксотропные свойства илов были ис­ пользованы при установке мессдоз и датчиков порового давления в основание.

Опыты проводились следующим образом. Отрывали шурф на глубину 1,2—1,8 м, а стенки его крепили де­ ревянным срубом. Затем пробуривали скважины и опу­ скали на заданную глубину мессдозы и датчики порово­ го давления. Специальное устройство позволяло закла-

119

ле тампонирования проходили зондированием через 5; 7; 9 и 12 суток. Параллельно этим же зондом зондиро­ вали участки грунта с ненарушенной структурой. Ис­ следования показали, что на седьмые сутки количество

ударов при погружении зонда на 1 л			в скважинах	обыч­
но на 5—10%	больше	по сравнению	с количеством	уда­
ров этого же	зонда,	погружаемого	па тот же 1 м, но

в грунтах с ненарушенной структурой.

На рис. 11.11 показан шурф с установленными в ос­ новании штампа датчиками и мессдозами.

В 1965—1970 гг. было проведено семь опытов с круг­ лыми штампами площадью 10 тыс. см2. Мессдозы уста­

навливались		в	основании	штампа на глубине		0,2;	0,7;
1,2 и 1,7	м	от	подошвы.	Всего под	центром	и краями
штампа	в	каждом опыте было			установлено		12—

15 мессдоз.

Штамп загружали ступенями по 0,05 кгс/см2 до ус­ ловной стабилизации осадки вертикального перемеще­ ния штампа (не более 0,1 мм за последние 6 ч нагружения). Максимальная нагрузка на штамп во всех про­ веденных опытах составляла 1—1,2 кгс/см2. С целью выявления изменения напряжений во времени напряже­ ния в грунте фиксировались мессдозами через час загружения штампа каждой ступенью нагрузки. Опыты были проведены с трехкратной повторностью.

Полученные при испытаниях данные обрабатывались с учетом погрешностей (теоретическая погрешность, рассчитанная по методике Д. С. Баранова, составляла 14,8% измеренной величины). Тарировка мессдоз в ис­ следуемых грунтах нарушенной структуры (в стабилометрах) показала отклонение от гидростатической тари­ ровки примерно на 15%, что согласуется с теоретиче­ ской погрешностью [11].

Проведенные опыты показали, что напряжения под центром и краями жесткого круглого штампа уменьша­ ются с глубиной. Интересно отметить, что показания мессдозы на глубине 0,2 м от днища штампа возрастали скачкообразно, а не пропорционально возрастанию на­ грузки на штамп. Это, по-видимому, связано с тем, что под краями штампа и на небольшой глубине под ним возникают зоны пластических деформаций, скорость развития которых отлична от скорости уплотнения грун­ та. Мессдозы, расположенные на глубинах 0,7; 1,2 и \,7 м, имеют стабильные показания, что характеризует иссле-

121