СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ОСНОВАНИЯ

Изобретение относится к строительству, в частности к технологиям испытания массива грунта, армированного жесткими элементами с целью преобразования свойств слабого грунта для строительства зданий и сооружений.

Известен способ испытания массива армированного слабого грунта, в котором в лабораторных условиях в малом масштабе испытывают образцы слабых глинистых грунтов, армированных вертикальными элементами. Испытания проводят в специальным лотках, в которых находится размещают массив грунта с введенными в него жесткими армирующими элементами с уплотненным вокруг них слоя грунта и слоя грунта естественной структуры. Нагрузку на массив передают через жесткий металлический штамп, давление под штампом увеличивают постепенно. Осадку штампа измеряют прогибомером, деформации поверхности грунта измеряют индикаторами часового типа. /1/

К недостаткам данного устройства можно отнести малую достоверность подобных микромасштабных испытаний, сложность сборки данной испытательной установки, низкая технологичность, высокая затратность и трудоемкость данных испытаний.

Технической проблемой является повышение достоверности и точности испытания слабых армированных грунтов, упрощение проведения испытаний за счет возможности испытаний непосредственно при производстве работ по подготовке оснований под фундамент, снижение себестоимости за счет сокращения материальных и трудовых затрат, улучшение технологичности проводимых работ.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения деформируемости основания из армированного щебеночными вертикальными элементами слабого грунта, включающем компрессионное сжатие штампом образца грунта с армирующим элементом, и измерение параметров грунта, по которым судят о деформируемости основания, согласно изобретению, компрессионное сжатие образца производят после погружения в грунт массива основания соосно армирующему щебеночному вертикальному элементу металлической трубы, длиной, равной длине армирующего элемента, диаметром, равным их шагу в массиве грунта основания, с образованием образца из щебеночного элемента, окруженного слоем уплотненного грунта и слоем естественного грунта, ограниченного стенкой трубы, а компрессионное сжатие осуществляют путем воздействия штампа на образец с одновременным измерением параметров грунта образца, и определением модуля деформации грунта, по которому судят о сжимаемости всего массива основания.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что компрессионное сжатие образца производят после погружения в грунт массива основания соосно армирующему щебеночному вертикальному элементу металлической трубы, длиной, равной длине армирующего элемента, диаметром, равным их шагу в массиве грунта основания, с образованием образца из щебеночного элемента, окруженного слоем уплотненного грунта и слоем естественного грунта, ограниченного стенкой трубы, а компрессионное сжатие осуществляют путем воздействия штампа на образец с одновременным измерением параметров грунта образца, и определением модуля деформации грунта, по которому судят о сжимаемости всего массива основания.

Технический результат данного технического решения заключается в повышении достоверности и точности испытания слабых армированных грунтов, и упрощении производства работ за счет возможности, непосредственно при производстве работ по подготовке основания для возведения фундамента проводить испытания, и по испытаниям одного образца из щебеночной сваи, в грунте судить о сжимаемости всего армированного массива грунта. Кроме того, предлагаемый способ позволит упростить процесс испытания и снизить себестоимость работ за счет сокращения материальных и трудовых затрат и улучшения технологичности проводимых экспериментальных работ.

Способ поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлено устройство для испытания массива слабого грунта; на фиг. 2 - вид А фиг. 1; на фиг. 3 - схема испытания массива слабого грунта, армированного щебеночными вертикальными элементами.

Устройство для испытания массива армированного грунта включает штамп 1, массив грунта, армированный жесткими вертикальными армирующими щебеночными элементами 2, расположенными в шахматном порядке. Вокруг каждого армирующего щебеночного элемента образован слой уплотненного грунта 3, граничащий со слоем естественного грунта 4, ограниченного стенкой трубы 5.

Способ осуществляют следующим образом.

Для испытаний выбирают центральную область армированного массива, в котором деформированное состояние грунта условно одномерно. Выбранный испытуемый участок ограждают путем погружения в грунт соосно вертикальному щебеночному элементу 2 равной его длине металлической трубы 5, диаметр, которой равен шагу щебеночных элементов, расположенных равномерно на равном расстоянии от трубы, таким образом, чтобы внутри трубы разместился и уплотненный слой 3 и слой естественного грунта 4, равные глубине залегания жестких вертикальных армирующих элементов. Труба 5 выполнена металлической и погружена в грунт задавливанием, забивкой или ввинчиванием таким образом, чтобы геометрический центр армирующего вертикального щебеночного элемента 2 совпал с центром внутренней окружности трубы. Внутреннюю поверхность трубы 5 покрывают материалом, снижающим трение по ее поверхности (например, фторопластом). В стенках трубы 5 выполняют перфорацию в виде щелей для фильтрации грунтовой воды при проведении испытаний. Внутри трубы 5, по крайней мере в трех точках по всей глубине жесткого вертикального армирующего щебеночного элемента 2, размещают глубинные марки 6 и 7 соответственно для измерения вертикальных и горизонтальных перемещений элемента по глубине армированного массива. Для измерения горизонтальных перемещений рядом с трубой 5 устраивают кессон-камеру для размещения горизонтальных марок и приборов наблюдения. Кроме того, жесткий вертикальный армирующий щебеночный элемент 2 оборудуют приборами для измерения давления в грунте - мессдозами 8 и 9, устанавливаемыми под подошвой штампа и по глубине массива на уровнях установки глубинных марок 6. Нагрузку передают сверху на образец с помощью штампа 1. Испытания ведут согласно ГОСТ 20276-2012 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости». Обработку результатов производят как для компрессионного сжатия грунта в соответствии с приведенной ниже методикой для слоев грунта, соответствующих глубине установки глубинных марок, марок для измерения горизонтальных перемещений, давления p_i по p_i+1 мессдозам.

Модуль деформации Е, МПа, в интервале давлений p_i и p_i+1 вычисляют с точностью 0,1 МПа по формулам (5.27-5.29) ГОСТ 20276-2012 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости»:

или

где ε_i и ε_i+1 - значения относительного сжатия, соответствующие давлениям p_i и p_i+1;, определяемые по глубинным маркам. Давления p_i и p_i+1; определяются по мессдозам.

m₀ - коэффициент сжимаемости, соответствующий интервалу давления от p_i до p_i+1;

β - коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе и вычисляемый по формуле

где ν - коэффициент поперечной деформации, определяемый по результатам измерения поперечной (горизонтальной) деформации по глубинным маркам.

Коэффициенты дофильтрационной консолидации, фильтрационной консолидации и вторичной консолидации вычисляют согласно «Приложения Н» ГОСТ 12248-2010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости».

При проведении опыта диаметр трубы - 1 м, шаг между армирующими элементами - 1 м, мессдозы установлены непосредственно под штампом, затем на глубине - 0,25 м, на этой же глубине 0,25 м установлены также глубинные марки и марки для измерения горизонтальных перемещений-приращений радиуса. Затем такие же приборы размещают на глубине 2 и 3 м Результаты измерений давлений и относительных деформаций грунта под штампом по глубине представлены в таблице:

Предлагаемый способ определения деформируемости армированного массива позволил определять модуль деформации армированного массива грунта в целом без проведения дополнительных испытаний по расчетной методике, которая базируется на измерении в процессе проведения опыта таких параметров, как горизонтальное (прессиометрическое) расширение - приращение радиуса r₀ щебеночной сваи при передаче на нее вертикальной нагрузки, давления под штампом и по глубине, послойные перемещения грунтов.

Допускаем, что модуль деформации - сжимаемость массива, армированного щебеночными вертикальными элементами грунта, Е_а больше модуля деформации исходного грунта Е_B в "n" раз. Число "n" равно:

n=n_F⋅n_b

где n_F - коэффициент, учитывающий повышение общей жесткости массива за счет наличия армирующих щебеночных элементов, зависящий от соотношения их площадей и модулей деформации F_S, E_S и грунтов естественной структуры (исходных грунтов) F_B, Е_B

; - коэффициент, учитывающий повышение жесткости массива армированного грунта за счет радиального прессиометрического расширения при вертикальном осевом нагружении щебеночного элемента, n_В определяется согласно изложенной ниже методике, с учетом действующих в РФ стандартов по определению модуля деформации прессиометрическим методом, где Е_a и Е_b соответственно модули деформации армирующего элемента и грунта.

Согласно ГОСТ 20276-2012, модуль деформации грунта по результатам прессиометрических испытаний равен:

Где: k_r - коэффициент, равный k_r=3, м-1, в соответствии с приложением "И", ГОСТ 20276-2012; r₀ - начальный радиус армирующего щебеночного элемента; Р_a и Р_B давление на армирующий щебеночный элемент и грунт, соответственно;

- коэффициент активного давления материала в армирующем щебеночном элементе;

Р_B=γ_B⋅t;

t - глубина; γ_B - объемный вес грунта.

Приращение радиуса r₀ определяют по результатам испытаний

Приравняем осадку армирующего щебеночного элемента и грунта при распределенной нагрузке

- осадка столба;

- осадка грунта;

Подставив (7) в (10), получим:

При нагружении армированного массива грунта общей площадью F нагрузкой p, можно считать распределение сопротивлений по аналогии с армированным железобетоном пропорционально площадям составляющих элементов армированного массива.

Преобразовав (12), получим:

Допускаем, что соотношение сопротивлений, воспринимаемых армирующими элементами пропорционально соотношению осадок армированного S_B и неармированного грунта S, следовательно:

Следуя закону линейного деформируемого грунта, получим соотношение приведенных модулей армированного и неармированного массивов:

Тогда:

;

Пример расчета:

Определить коэффициент "n" для следующих исходных данных:

E_S=4000 т/м2;

F_S=0.2 м2;

F=0.785 м2; (шаг армирующих элементов ∅0.5 м принят 1 м)

Е_B=400 т/м2;

F_B=0.785-0.2=0.585 м2;

k_r=3 (согласно таблице М-2, ГОСТ 20276-2012);

;

ϕ_a=40°;

раз;

Таким образом, общее увеличение жесткости массива при исходных данных приведенных выше, превышает в 6,495 раз и модуль деформации армированного массива в целом составляет 6,495×40=260 кг/см2, что отличается от полученного в непосредственном опыте (см. табл. 1) всего на 7,2%, что вполне допустимо.

Предлагаемый способ испытания грунтов позволяет определять сжимаемость основания на слабых грунтах, армированных вертикальными щебеночными элементами на любой стадии строительства зданий и сооружений на месте при строительстве с высокой достоверностью и точностью, что дает возможность снизить материальные и трудовые затраты при проведении опыта, а также исключить отбор проб грунта и имитацию образца основания, а также определять сжимаемость армированного массива расчетным методом, приведенным выше, без проведения испытаний.

Источники информации

1. Сафин Д.Р. "Экспериментальные исследования НДС слабых водонасыщенных глинистых грунтов, армированных вертикальными элементами", УДК 624.151.2, Казань, 2014 год.