Для определения напряженного состояния в слабых водонасыщенных глинистых грунтах под штампами была 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 связывают частицы и агрегаты глинистых частиц между собой. В илах оз. Сиваш содержится 12% солей. Как показали исследования, эти илы обладают тиксотропными свойствами. Так, по данным М. П. Лысенко, Г. Ф. Новожилова и Н. Н. Сидорова, естественная структура илов восстанавливается после нарушения в течение 6-8 дней. Эти тиксотропные свойства илов были использованы 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 деревянным срубом. Затем пробуривали скважины и опускали на заданную глубину мессдозы и датчики порового давления. Специальное устройство позволяло закладывать мессдозы в горизонтальном, вертикальном и наклонном положениях.

Рис. II.11 Шурф на оз. Сиваш с установленными в основании штампа мессдозами и датчиками порового давления
а - до установки штампа; б - после установки штампа

После установки мессдозы и проверки ее положения скважину тампонировали грунтом нарушенной структуры при влажности, близкой к влажности на пределе текучести. Некоторые скважины после тампонирования проходили зондированием через 5; 7; 9 и 12 суток. Параллельно этим же зондом зондировали участки грунта с ненарушенной структурой. Исследования показали, что на седьмые сутки количество ударов при погружении зонда на 1 м в скважинах обычно на 5-10% больше по сравнению с количеством уда' ров этого же зонда, погружаемого на тот же 1 м, но в грунтах с ненарушенной структурой.

На рис. II.11 показан шурф с установленными в основании штампа датчиками и мессдозами.

В 1965-1970 гг. было проведено семь опытов с круглыми штампами площадью 10 тыс. см². Мессдозы устанавливались 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 условной стабилизации осадки вертикального перемещения штампа (не более 0,1 мм за последние 6 ч нагружения). Максимальная нагрузка на штамп во всех проведенных опытах составляла 1-1,2 кгс/см². С целью выявления изменения напряжений во времени напряжения 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 исследуемых грунтах нарушенной структуры (в стабилометрах) показала отклонение от гидростатической тарировки примерно на 15%, что согласуется с теоретической погрешностью.

Проведенные опыты показали, что напряжения под центром и краями жесткого круглого штампа уменьшаются с глубиной. Интересно отметить, что показания мессдозы на глубине 0,2 м от днища штампа возрастали, скачкообразно, а не пропорционально возрастанию нагрузки 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 грунта. Мессдозы, расположенные на глубинах 0,7; 1,2 и 1,7 м, имеют стабильные показания, что характеризует исследуемое основание как однородное (с отсутствием в нем пластических деформаций).
Максимальные напряжения под центром штампа на глубине 0,2 м от его подошвы при средней нагрузке на штамп 0,8 кгс/см² составляли 0,74-0,78 кгс/см². На глубине 1,7 м при той же нагрузке на штамп напряжения соответственно составляли 0,163 и 0,208 кгс/см². Из этого сопоставления видно, что «затухание» напряжений по глубине значительно.

Вертикальные напряжения в основании под жестким круглым фундаментом можно теоретически определить по уравнениям К. Е. Егорова (1938 г.). Мы провели сравнение фактических напряжений под штампом (рис. II.12) и напряжений, рассчитанных по решению К. Е. Егорова, для точек, расположенных на глубине 0,2; 0,7; 1,2 и 1,7 м (рис. II.12). Из сравнения видно, что напряжения, измеренные в процессе полевых опытов, незначительно отклоняются от теоретических значений.

Отклонения эти возрастают с глубиной, и на глубине, примерно равной двум диаметрам штампа, достигают 35-40%.

Наблюдаемое распределение напряжений в деформируемой зоне основания позволяет сделать вывод, что «активная зона» в водонасыщенных слабых глинистых грунтах распространяется на большую глубину и отличается от зоны, рассчитанной по нормативным документам. Это явление подтверждает высказанное Н. А. Цытовичем в 1967 г. предположение о зависимости глубины «активной зоны» от коэффициента бокового расширения и величины структурной прочности грунтов основания.

Осадки жестких штампов на илах оз. Сиваш, полученные расчетным путем с учетом фактического распределения напряжений, достаточно близки к значениям измеренных осадок.

Для определения эпюр горизонтальных и касательных напряжений в нескольких опытах были установлены мессдозы на глубине 0,2; 0,7; 1,3 и 1,85 м от подошвы штампа. Все эти измерения проводились с двукратной или трехкратной повторностью. В опытах использовались мессдозы той же конструкции и с такой же чувствительностью, как и для определения вертикальных напряжений в основании. Мессдозы тарировали в стабилометре и при гидростатическом нагружении до 3 кгс/см².

Рис. II.12. Распределение напряжений под круглым штампом площадью 10 тыс. см² по глубине
а – под центром штампа; б – под краем штампа

После окончания опытов и контрольной проверки извлеченных мессдоз оказалось, что только 11 из 29 сохраняют такие же тарировочные кривые, как до опыта. Так как количество данных о распределении горизонтальных и касательных напряжений в глубине основания штампа было невелико, то построить замкнутые эпюры (линии одинаковых горизонтальных и касательных напряжений) не удалось. Однако в связи с тем, что для одной и той же точки имелись данные о величине касательных, горизонтальных и вертикальных напряжений, можно было установить развитие горизонтальных и касательных напряжений при увеличении вертикальных напряжений во время роста нагрузок на жесткий металлический штамп площадью 10 тыс. см².

Как показали опыты, при напряжениях 0,1-0,2 кгс/см² под подошвой штампа коэффициент бокового расширения был равен 0,12-0,17. При увеличении напряжений до величины, значительно превышающей структурную прочность сжатия грунтов (опыты проводились на илах оз. Сиваш, а в 1970 г. на морских илах Мурманска), коэффициент бокового расширения значительно увеличивается. Так, для илов оз. Сиваш при давлении под штампом 0,4-0,5 кгс/см² коэффициент бокового расширения образцов грунта на глубине 0,7 м был равен 0,27-0,31, а при увеличении давления до 0,9 кгс/см² он увеличивался до 0,35-0,38. При исследовании илов Мурманска оказалось, что при давлениях под штампом 0,2 кгс/см² на глубине 1 м под центром штампа площадью 10 тыс. см² коэффициент бокового расширения был равен 0,11-0,14. При увеличении же давления до 0,8 кгс/см² в этой же точке коэффициент бокового расширения грунта составил 0,32-0,36. При давлении 1,3 кгс/см² (предельная нагрузка на штамп соответствовала давлению 1,5 кгс/см²) коэффициент бокового расширения в этой точке возрос до 0,38-0,42.

Проведенные опыты показывают, что соотношение между вертикальными и горизонтальными напряжениями в пределах напряженно-деформативной зоны под подошвой фундаментов и штампов переменно и зависит от приближения нагрузки на штамп к предельной. Эти опыты, кроме того, хорошо согласуются с лабораторными исследованиями рассматриваемых грунтов на стабилометрах при определении коэффициента бокового расширения (при различных напряженных состояниях образцов