Главная страница >>  Фундаменты на засоленных грунтах >> Определение сжимаемости и прочности засоленных грунтов

Определение сжимаемости и прочности засоленных грунтов

Характеристики сжимаемости и прочности следует опреде­лять для засоленных грунтов естественной влажности и струк­туры и после предварительного водонасыщения. Если в процес­се строительства и эксплуатации ожидается систематическое обводнение большим количеством воды или в результате изме­нения гидрогеологических условий возможно систематическое Движение грунтовых вод, характеристики сжимаемости грунта необходимо определять на компрессионно-фильтрационных при­борах (типа Ф-1М).

Прочностные характеристики засоленных глинистых грунтов при увлажнении и развитии процессов химической суффозии значительно ниже прочности грунта природного состава и состоя­ния (на 10-75%), поэтому прочность следует определять после водонасыщения и удаления легкорастворимых солей.

Для установления фактического распределения напряжений в основании жесткого штампа, расположенного на засоленных глинистых грунтах природной структуры, при естественной влажности и после обводнения засоленных грунтов оснований были проведены полевые экспериментальные исследования. Чтобы определить влияние изменения солевого состава при вы­носе солей в процессе обводнения грунтов основания, а также установить, как изменяются контактные напряжения в осно­вании жесткого штампа и напряженно-деформированное сос­тояние в грунтовом основании из засоленных грунтов с боль­шим содержанием легкорастворимых солей, проводилось обессоливание грунтов оснований.

При замачивании были выявлены значительная (более 8 см) осадка штампов площадью 5000 и 10 000 см2 и растрескивание грунта в грунтовом основании и вокруг штампа. При замачивании основания нагруженных штампов наблюдались просадочные деформации в течение 40-110 мин.

Предварительное обессоливание засоленных глинистых грун­тов в основании штампа проводилось под нагрузкой и без нагрузки. Для этого на расстоянии 40-60 см от края штампа пробуривали вертикальные скважины глубиной до 5 м, диамет­ром 48-60 мм. Скважины, соединенные между собой каналом, были заполнены песком средней крупности. Песок в скважинах уплотняли с помощью шуровки, изготовленной из арматур­ной стали.

В первой серии опытов в скважины подавалась водопровод­ная вода, расход которой замерялся водомером. Минерализо­ванная вода направлялась в шурф, отрытый на расстоянии 2 м от штампа. Регулярно определяли химический состав воды ана­лизом водной вытяжки. Продолжительность замачивания и обессоливания грунта основания штампа составляла 7-10 сут. После выноса 40-60% водорастворимых солей (по анализу водной вытяжки) на штамп площадью 5 000 см2 прикладывалась на­грузка ступенями 0,02 МПа. Перемещения штампа и грунта вокруг него измерялись прогибомерами ПМ-1 и индикаторами часового типа И-1.

Во второй серии опытов (всего было проведено шесть опы­тов) вода в скважины подавалась после приложения на штамп определенной нагрузки 0,04; 0,08; 0,1; 0,14 МПа. При непре­рывной подаче воды и неизменной нагрузке, которая поддер­живалась гидравлическими домкратами, замерялась осадка штампа. В процессе нагружения штампов и обводнения систе­матически определялись показания мессдоз, осадки штампов и перемещения поверхностных и глубинных марок.

Так как в процессе эксплуатации сооружений происходят подтопление территории, вынос водорастворимых солей, изме­нение физико-механических свойств основания, то соответствен­но перераспределяются напряжения по подошве фундамента, что вызывает изменение изгибающих моментов и перерезываю­щих сил, приводящих к разрушению фундамента. Особенно это важно для фундаментов в засоленных грунтах, которые обладают значительной агрессивностью к бетону и металлу фундамента, а развитие трещин в теле фундаментов приводит к солевой коррозии бетона и арматуры.

Контактные напряжения по подошве жесткого фундамента-штампа определяли в течение четырех-пяти недель под штам­пами площадью 5 000 и 10 000 см2, в грунтах естественной влаж­ности и засоленности, а также при замачивании их. В связи со значительной продолжительностью каждого опыта на водонасыщенном основании, обусловленной временем стабилизации осадки штампа, было проведено семь опытов. После каждого опыта производилась тарировка мессдоз и домкратов на спе­циальных лабораторных стендах.
Было проведено три серии штамповых опытов по различным схемам.

В первой серии опытов штампы и мессдозы на контакте меж­ду поверхностью жесткого круглого штампа и грунтового осно­вания устанавливали в маловлажных засоленных глинистых грунтах, природная влажность которых (0,047-0,07) значитель­но ниже влажности на границе раскатывания. Нагружение штам­пов доводилось до среднего давления под подошвой штампа до 0,4 МПа.

Вторая серия опытов проводилась на маловлажных грунтах, в основании которых были устроены песчаные дрены по сетке 40x40 см, а сверху засоленные грунты покрывали слоем, песка толщиной 5-8 см. На эту песчаную подушку устанавливали жесткий штамп с мессдозамй, которые были расположены как и в первой серии опытов. Нагружение производилось ступенями 0,01; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1; 0,14; 0,18; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4 МПа. При среднем давлении под подошвой штампа 0Д8' МПа производилось замачивание маловлажных грунтов основания в течение 7-11 сут. В процессе замачивания, когда нагрузка на штамп не увеличивалась, ежедневно снимали пока­зания мессдоз на контакте между жестким штампом и основа­нием и определяли осадки штампов. Через 7-11 сут, когда по­казания мессдоз стабилизировались, замеряли дополнительные осадки (просадки) и продолжали загружение штампа до сред­него давления под его подошвой 0,25 МПа.

Третья серия опытов проводилась с теми же штампами на грунтах, предварительно водонасыщенных и частично обессо­ленных. Мессдозы были расположены в тех же местах, как и при первых двух сериях опытов.

Как показали результаты экспериментальных исследований первой серии опытов по распределению контактных напряже­ний в маловлажных засоленных глинистых грунтах твердой и полутвердой консистенции, при достижении среднего давления под подошвой штампа 0,06 МПа контактные напряжения в осно­вании штампа в разных точках практически одинаковы. При дальнейшем увеличении нагрузки на штамп напряжения под краями возрастают быстрее, чем под центром штампа, и эпюра контактных напряжений под круглым жестким штампом при­обретает седлообразную форму с минимальным значением под центром штампа.

При увеличении среднего давления под подошвой штампа более 0,25 МПа начинает значительно быстрее возрастать сред­нее давление под центром штампа, чем под краями. При давле­нии 0,32 МПа происходит трансформация формы эпюры, так как во всех трех опытах при таком давлении под подошвой напря­жения под центром штампа незначительно отличаются от напря­жений, измеренных под краями штампа (рис. 13).


Изменение эпюры контактных напряжений в основании круглого жесткого штампа


Рис. 13 Изменение эпюры контактных напряжений в основании круглого жесткого штампа на засоленных грунтах природной влажности (в) и на водонасыщенных грунтах (б)


Во второй серии опытов нагружение штампов производилось сначала в маловлажных грунтах. Замеренные напряжения сов­падали и по величине, и по форме с контактными напряжениями полученными в первой серии опытов. При замачивании в течение 11 сут засоленных грунтов основания при неизменном давлении на штамп происходила трансформация эпюры контактных напряжении в основании жесткого штампа. В процессе замачивания контактные напряжения увеличивались в областях, близ­ких к центру штампа. Затем к штампу были приложены еще две ступени нагрузки и измерены контактные напряжения при сред­них давлениях 0,22-0,25 МПа. При последней ступени давления в грунтовом основании появились трещины, и дальнейшее нагружение оказалось невозможным.

После предварительного замачивания засоленных грунтов с большим количеством водорастворимых солей эпюра напряже­ний при малых ступенях нагрузки, при которых среднее давле­ние под подошвой жесткого штампа р = 0,03 МПа, распреде­ляется по контактной поверхности достаточно равномерно. При увеличении нагрузки (до р = 0,1 МПа) контактные напряжения возрастают в основном под краями штампа и лишь незна­чительно под центром. Контактные напряжения под центром составляют 40-70% величины среднего давления под штампом. При дальнейшем увеличении нагрузки на штамп (до р =  0,14 МПа) интенсивно увеличивались контактные напряжения под центром штампа. При среднем давлении под штампом р = 0,18-0,22 МПа контактные напряжения под центром штампа составляли 65-85% напряжений под краем штампа. Как пока­зывает характер распределения * контактных напряжений под штампами площадью 5 000 и 10000 см2 при естественной влаж­ности основания (w = 0,12) ниже влажности на границе раскаты­вания (wр = 0,14), при ступенях нагрузки 0,02-0,12 МПа, экспериментальные значения контактных напряжений незначи­тельно (до 15%) отличаются от расчетных.

Распределение контактных напряжений в маловлажных засо­ленных грунтах при определенных средних давлениях под по­дошвой жесткого штампа (0,22-0,25 МПа) и в водонасыщенных грунтах при среднем давлении менее 0,1 МПа может быть опи­сано по теории упругости с учетом закруглений краев штампа. При таких давлениях происходит трансформация эпюры кон­тактных напряжений - эпюра приобретает форму параболы с максимальным напряжением под центром штампа. При обводне­нии маловлажных засоленных глинистых грунтов с большим содержанием легкорастворимых солей в основании нагружен­ного штампа при давлении более 0,14 МПа наблюдается транс­формация эпюры контактных напряжений без увеличения на­грузки на штамп.

Для водонасыщенных засоленных грунтов при одинаковой схеме их нагружения грунтов и для одних и тех же диапазонов действующего давления модули общей деформации, опреде­ленные по результатам полевых штамповых и компрессионных опытов, отличаются незначительно. Для определения модуля общей деформации после выноса водорастворимых солей, на расстоянии 40-60 см от края штампа были пробурены верти­кальные скважины диаметром 89 мм, которые непрерывно заполняли водопроводной водой. Расход воды определяли расходомером.



Рис.   14 Осадки штампа на природном  засоленном основании   (сплош­ные   кривые)   и  после выщелачива­ния    волей     (пунктирные   кривые)

 

Профильтровавшаяся вода попадала в шурф, отрытый на расстоянии 2 м от края с другой стороны штампа, откуда откачивалась электрическим насосом. Общая продолжи­тельность опыта составляла 25 сут. Суффозионная осадка при фильтрации воды в основании штампа, находящегося под дав­лением 0,12 МПа, проявилась в виде резкой просадки и сос­тавила 89 мм, т.е. 80% общей осадки штампа (рис. 14).

Напряженно-деформированное состояние основания при замачивании грунта определяли с помощью мессдоз, установ­ленных под центром и краями штампа на разной глубине. Было установлено, что при среднем давлении под штампом, меньшем структурной прочности сжатия грунтов основания, эксперимен­тальные данные хорошо согласуются с данными распределения вертикальных напряжений по теории линейно-деформируемых тел. С увеличением нагрузки на штамп глубина распределения вертикальных напряжений увеличивается и наблюдается кон­центрация напряжений. Эпюра вертикальных напряжений приоб­ретает более вытянутую (по оси z)форму. Расхождение данных эксперимента (кривые I) по измерению вертикальных напря­жений под центром круглого штампа при среднем давлении под подошвой штампа 0,06 МПа и теоретических расчетов (кривые II) для засоленных глинистых грунтов при естественной влаж­ности грунта основания составило около 8% (рис. 15, а).


Рис. 15 Распределение вертикальных напряжений под жестким круглым штампом в основании засоленных глинистых грунтов природной влаж­ности (а) ив толще в одонасыщенных засоленных грунтов (б)


В основании, сложенном водонасыщенными засоленными суглинками, глубина зоны сжатия значительно больше по срав­нению с маловлажными грунтами и концентрация вертикальных напряжений происходит более интенсивно по вертикальной оси. По мере возрастания нагрузки увеличиваются концентрация вертикальных напряжений под центром штампа и активная зона сжатия грунтов.