«ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕСЧАНОЙ АРМИРОВАННОЙ ПОДУШКИ В СЛАБЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ ПОД ЛЕНТОЧНЫМИ ФУНДАМЕНТАМИ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тюменский государственный архитектурно-строительный университет

На правах рукописи

КРАЕВ Андрей Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕСЧАНОЙ АРМИРОВАННОЙ

ПОДУШКИ В СЛАБЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ ПОД

ЛЕНТОЧНЫМИ ФУНДАМЕНТАМИ

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

к.т.н., доцент Бай Владимир Фёдорович Тюмень

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………….. ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА……………………………..………... 1.1. Современные методы подготовки и устройства искусственных оснований………………………………………….…………………………. 1.2. Повышение устойчивости и несущей способности слабых глинистых оснований путем устройства песчаных подушек …………… 1.3. Способы повышения несущей способности и устойчивости слабых глинистых оснований путём армирования……………………………….. 1.4. Выводы и задачи дальнейших исследований………………………...

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СЛАБОГО ГЛИНИСТОГО

ОСНОВАНИЯ, УСИЛЕННОГО ПЕСЧАНОЙ АРМИРОВАННОЙ

ПОДУШКОЙ С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОДОШВОЙ, В

ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ………………………………………….... 2.1. Задачи исследования…………………………………………………… 2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой…………………………………… 2.2.1. Контрольно-измерительная аппаратура……………………………. 2.2.2. Результаты экспериментальных исследований на грунтовых моделях………………………………………………………………………. 2.2.3. Выводы по результатам исследования слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой…………………………………………………. 2.3. Исследование деформируемости грунтового основания усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой……………………………………………………………………. 2.3.1. Результаты экспериментальных исследований деформируемости грунтового основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой ……………………..…………… 2.3.2. Выводы по результатам исследования деформируемости грунтового основания, усиленного песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой………………………..……………………….. 2.4. Выводы по главе 2…….……………………………………………….

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЛАБОГО ГЛИНИСТОГО

ОСНОВАНИЯ, УСИЛЕННОГО ПЕСЧАНОЙ АРМИРОВАННОЙ ПО

КОНТУРУ ПОДУШКОЙ С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОДОШВОЙ, В

ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ………...………………………………………… 3.1. Инженерно-геологические условия площадки……………………... 3.2. Приборы и оборудование……………………………………………… 3.3. Методика проведения полевого эксперимента.…….……………….. 3.4. Результаты экспериментов……………………………………………. 3.5. Сопоставление экспериментальных данных с результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой………………………… 3.6. Выводы по главе 3…………..………………………………………….

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ПЕСЧАНОЙ

АРМИРОВАННОЙ ПО КОНТУРУ ПОДУШКИ С КРИВОЛИНЕЙНОЙ

ПОДОШВОЙ, ВНЕДРЕННОЙ В СЛАБЫЙ ГЛИНИСТЫЙ ГРУНТ…….

4.1. Выбор расчётной модели…………….………………………………… 4.2. Имитационная вероятностная модель И.И. Кандаурова……………. 4.3. Экспериментальная методика расчёта коэффициента структуры зернистой среды………………….…………………………………………. 4.4. Апробация методики расчёта песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой…..………………………………...

ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРАКТИКЕ СТРОИТЕЛЬСТВА…………………... 5.1 Технико-экономический эффект от внедрения конструктивного решения в практику строительства на слабых глинистых грунтах...…… ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………... ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………...

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность задачи.

распространение в настоящее время получили методы армирования грунтов геосинтетическими материалами. Основными задачами

армирования являются: упрочнение и повышение устойчивости оснований; уменьшение деформаций грунтового основания; исключение выпора грунта из-под фундаментов. Несмотря на широкое применение армирующих материалов, вопросы устройства и проектирования армированных оснований являются актуальными по причине недостаточной изученности, значительной трудоёмкости и стоимости, а в некоторых случаях недостаточной надёжности.

Кроме этого, проблемой развития армирования грунтовых оснований является отсутствие технических норм проектирования и опыта использования армирующих материалов.

В связи с этим, исследование и разработка методов повышения несущей способности слабых глинистых оснований путём замещения слабого грунта более плотным армированным песчаным грунтом, является актуальной задачей.

Одним из рациональных методов повышения несущей способности слабых глинистых оснований является устройство песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом.

Эффективность способа состоит в уменьшении осадок сооружения за счёт замещения слабого грунта песком и контурного армирования тела песчаной подушки, а также увеличения стадии линейной работы основания, вследствие более равномерной передачи нагрузки на слабые грунты за счёт криволинейной формы опорной подошвы песчаной подушки и включения максимальных сдвиговых зон и областей развития пластических деформаций в тело песчаной армированной подушки.

Предлагаемый способ усиления рационален при строительстве малоэтажных зданий на ленточных фундаментах, в условиях распространения слабых глинистых грунтов.

Достоинствами такого метода усиления являются:

вовлечение в работу массива грунта, находящегося под всей криволинейной поверхностью песчаной армированной по контуру подушки;

более равномерная передача напряжений от фундамента на слабое глинистое основание;

значительное уменьшение объёмов земляных работ;

снижение материалоёмкости за счет экономии бетона.

Внедрение в практику строительства способа усиления основания в виде устройства песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой, позволит сократить материальные и трудовые затраты на производство работ, а также повысить надежность сооружений, возведенных на слабых грунтах.

Объект исследования: песчаная подушка с криволинейной подошвой, армированная по контуру геосинтетическим материалом, помещенная в слабый глинистый грунт.

Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого глинистого основания, нагруженного полосовой нагрузкой.

Цель диссертационной работы: обоснование применения песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, с целью повышения несущей способности и снижения деформативности слабого глинистого основания под ленточными фундаментами.

Задачи исследований:

1) разработать способ повышения несущей способности и снижения деформируемости слабого глинистого основания путём замещения слабого грунта в активной зоне песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом;

2) выполнить экспериментальное обоснование улучшения строительных свойств слабого глинистого основания за счёт применения песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, в лабораторных условиях при действии полосовой нагрузки;

армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой и подстилающего слабого глинистого основания, при действии полосовой нагрузки, на основе экспериментов в полевых условиях;

4) разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого глинистого грунта, нагруженных полосовой нагрузкой.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) предложен способ повышения несущей способности и снижения деформируемости слабого глинистого основания путём замещения в активной зоне слабого грунта песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом;

2) экспериментально обоснована эффективность предложенного способа повышения несущей способности и снижения деформируемости слабого глинистого основания;

3) разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого основания.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается:

в исследовании напряженно-деформированного состояния песчаной геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого глинистого основания;

в разработке методики расчёта напряженно-деформированного состояния песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого основания;

в получении экономического эффекта при использовании полученных результатов в инженерной практике строительства ленточных фундаментов для малоэтажных зданий и сооружений на слабых глинистых грунтах.

Результаты исследования реализованы:

в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете (ТюмГАСУ) при выполнении дипломных проектов по специальности 270102 – «Промышленное и гражданское строительство»;

в проектом решении при строительстве объекта «Индивидуальный двухэтажный жилой дом в г. Ишим, Тюменской области»;

в региональном конкурсе студенческих научных работ (г. Тюмень, 2009г.);

Методология и методы исследования:

1) анализ существующих методов усиления слабого глинистого основания на основе отечественного и зарубежного опыта инженеров-геотехников;

2) экспериментальные лабораторные исследования слабого основания, усиленного песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, нагруженного полосовой нагрузкой;

основания, усиленного песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, на крупномасштабных моделях фундаментов;

аналитические и численные исследования напряженнодеформированного состояния основания, усиленного песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом;

моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

способ повышения несущей способности и снижения деформируемости слабого глинистого основания при действии нагрузки от ленточного фундамента;

криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, с подстилающими слабыми глинистыми грунтами при действии полосовой нагрузки;

методика расчёта напряженно-деформированного состояния песчаной геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого глинистого грунта.

Степень достоверности и апробации результатов.

Достоверность результатов обеспечивается:

выполнением экспериментальных исследований с помощью известных апробированных и оттарированных контрольно-измерительных комплексов, первичных преобразователей и поверенных приборов;

сравнением полученных в работе результатов с данными других исследований;

сопоставлением результатов численных и аналитических решений в программных комплексах Plaxis и FEM models с данными натурных и модельных экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены: на региональном конкурсе студенческих научных работ ТюмГНГУ (г. Тюмень, 2009г); на X, XI, XII научной конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ (г. Тюмень, 2010, 2011, 2012гг); на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири»

(г. Тюмень, 2010, 2011, 2012гг); на кафедре геотехники СПбГАСУ (г. СанктПетербург, 2013г); на заседании научно-технического совета ООО «ПИ Геореконструкция» (г. Санкт-Петербург, 2013г); на международной научнотехнической конференции СПбГАСУ «Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение» (г. Санкт-Петербург, 2014г); на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, 2014г).

Личный вклад автора состоит:

в подготовке экспериментальной базы для проведения исследований;

в проведении и получении результатов лабораторных экспериментальных исследований, их анализе и обработке;

в проведении и получении результатов натурных экспериментальных исследований, их анализе и обработке;

в разработке метода расчета песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой;

в выполнении численного моделирования работы ленточных фундаментов на усиленном основании.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 9 научных статьях, 3 из которых в изданиях перечня ВАК. По результатам работы получен 1 патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Работа содержит страниц машинописного текста, 67 рисунков, 9 таблиц, список литературы из наименования.

В первой главе изложены современные способы подготовки и устройства искусственных оснований; рассмотрена история развития способов повышения несущей способности основания в виде песчаных подушек; рассмотрены достоинства и основные недостатки песчаных подушек; рассмотрен исторический опыт развития армирования в геотехнике; обозначены проблемы развития и применения армированных оснований в современных условиях.

Во второй главе изложена методика проведения лабораторных экспериментов на маломасштабных моделях основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой; описана применяемая в экспериментах регистрирующая и измерительная аппаратура;

изложена технология изготовления измерительной аппаратуры; приведены результаты лабораторных исследований.

В третьей главе приведена методика проведения эксперимента по исследованию слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой, под ленточным фундаментом в экспериментальной площадки; приведено используемое в полевом эксперименте контрольно-измерительное оборудование; отражены результаты полевых экспериментальных исследований; исследовано напряженно-деформированное состояние песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой и подстилающего слабого глинистого грунта.

В четвертой главе приведена методика расчета напряженнодеформированного состояния песчаной армированной по контуру подушки с экспериментальным путём определён коэффициент распределительной способности структуры среды; выполнено сопоставление результатов расчёта усиленного основания с данными мониторинга жилого здания, устроенного на основании, усиленном песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой.

В пятой главе произведена экономическая оценка эффективности внедрения предлагаемого способа укрепления основания в практику строительства; выполнено экономическое сравнение предлагаемого способа укрепления основания со стандартными решениями усиления; приведено экономическое сравнение различных вариантов конструктивных решений фундаментов в условиях распространения слабых глинистых грунтов.

исследований.

В приложениях приведен патент РФ на изобретение; акт о внедрении способа повышения несущей способности слабого глинистого основания под малоэтажное индивидуальное жилое здание; свидетельство о поверке используемого оборудования.

Весь объем диссертационной работы выполнен в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете под руководством кандидата технических наук, доцента В.Ф. Бая.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

В главе рассматриваются методы повышения несущей способности водонасыщенного глинистого основания путем армирования, устройства песчаных подушек и улучшения физико-механических характеристик грунта.

1.1. Современные методы подготовки и устройства искусственных В настоящее время строительство зданий и сооружений на структурнонеустойчивых грунтах осуществляется по двум направлениям:

1. Применение мероприятий, повышающих несущую способность и уменьшающих возможные деформации основания (методы искусственного уплотнения, закрепления и т.д.).

2. Применение конструктивных мероприятий, обеспечивающих зданию или сооружению восприятие ожидаемых по расчёту деформаций основания и требуемую несущую способность грунтов (замена структурно-неустойчивых грунтов уплотнёнными подушками из песчаного и связного грунтов, повышение устойчивости основания устройством боковой пригрузки, ограничение горизонтальных перемещений грунтов основания путём устройства жестких обойм, армирование основания и т.д.).

В данное время выделено три метода устройства искусственно улучшенного основания: конструктивный метод, метод механического уплотнения, метод закрепления.

1) Метод механического уплотнения.

Все основные способы уплотнения грунтов подразделяются на:

- поверхностные, когда уплотнение производится в пределах сжимаемой толщи основания;

- глубинные, когда уплотнение выполняется по всей или определённой глубине основания.

При поверхностном уплотнении максимальная степень плотности достигается на поверхности приложения уплотняющего воздействия, а по глубине в стороны – снижается. За уплотнённую зону принимают толщу грунта, в пределах которой плотность сухого грунта не ниже заданного или допустимого её минимального значения.

В практике строительства широкое применение получили следующие методы поверхностного уплотнения грунтов:

- метод уплотнения тяжёлыми трамбовками применяется для пылеватоглинистых и песчаных грунтов, характеризующихся степенью влажности Sr < 0,7.

Уплотнение осуществляется свободным сбрасыванием с помощью крана-экскаватора с высоты 4-10м трамбовок диаметром 1,4-3,5м и весом 40-200кН. В результате трамбования в массе грунта образуется зона толщиной от 1,5 до 6м;

- укатка с помощью различных машин и механизмов применяется для всех видов насыпных, песчаных, глинистых, крупнообломочных грунтов на свободных участках и при большом фронте работ. Этот способ используют для послойного уплотнения при возведении грунтовых, песчаных, шлаковых и других подушек, земляных сооружений, подсыпок и т.д. Эффективность уплотнения грунтов укаткой определяют в основном их влажностью и типами применяемых механизмов.

Наибольшая эффективность уплотнения достигается в крупнообломочных грунтах;

- вытрамбовывание котлованов применяется в просадочных лёссовых грунтах I типа, в глинистых, в том числе водонасыщенных, в маловлажных пылеватых и мелких песчаных грунтах. Сущность устройства заключается в том, что трамбовка весом 15-100кН, имеющая форму будущего фундамента, сбрасывается в одно и то же место с высоты 4-8м. Вокруг вытрамбованного котлована образуется уплотненная зона, в пределах которой повышаются физико-механические характеристики грунта.

За уплотнённую зону принимается массив грунта, в пределах которого плотность сухого грунта составляет 1,55 т/м3;

- уплотнение грунтов глубинными взрывами применяется в просадочных лёссовых грунтах с I типом грунтовых условий по просадочности, рыхлых несвязных грунтах любой крупности и глинистых грунтах. Способ заключается в одновременном взрывании в водной среде установленных по определённой сетке на некоторой глубине от поверхности котлована зарядов взрывчатого вещества, под воздействием которых происходит разрушение существующей структуры грунта и его дополнительное уплотнение. Глубина уплотнения взрывами в зависимости от грунтовых условий, величины заряда обычно составляет 1,0-4,0м;

При глубинном уплотнении грунтов используются следующие способы:

- способ глубинного уплотнения грунтовыми сваями применяют в насыпных глинистых грунтах, а также при необходимости устранения просадочных свойств грунтов на глубину 24-28м, создания в основании зданий и сооружений сплошного маловодопроницаемого экрана и устройства притивофильтрационных завес из уплотнённого грунта [79]. Грунтовые сваи устраиваются при влажности грунтов близкой к оптимальной, отсутствии песков, линз переувлажнённого грунта и верховодки. Сущность способа заключается в том, что специальным снарядом весом 25-55кН, сбрасываемым в одно и тоже место с высоты 4-10м, в массиве грунта пробивается скважина диаметром 0,3-0,9м. Затем пробитая полость скважины заполняется местным грунтом с послойным его уплотнением;

- устройство песчаных свай применяется для глубинного уплотнения сильносжимаемых глинистых грунтов, заторфованных грунтов с прослойками супесей, суглинков, глин и илов. Технология устройства песчаных свай включает погружение в слабый грунт инвентарной металлической трубы диаметром 0,325-0,5м, снабжённой раскрывающимся наконечником с помощью вибропогружателей. В процессе погружения трубы грунт вокруг образовавшейся полости уплотняется, затем в трубу порциями засыпается крупный или среднезернистый песок и труба постепенно извлекается [35, 82]. При формировании зоны уплотнения в массиве грунта вокруг свай повышается давление в поровой воде, что значительно ускоряет процесс фильтрации воды к свае и способствует уплотнению грунтов вокруг них;

- устройство известковых свай применяется для глубинного уплотнения слабых водонасыщенных пылевато-глинистых и заторфованных грунтов большой мощности (до 10м и более). Сущность заключается в том, что при устройстве известковых свай происходит взаимодействие негашеной комовой извести с окружающем его водонасыщенным грунтом, что способствует улучшению прочностных и деформационных характеристик грунтов. Технология устройства известковых свай аналогична песчаным сваям;

- уплотнение глубинными вибраторами применяется в рыхлых песках на глубину более 1,5м в условиях естественного залегания, а также при укладке грунта в насыпи. Уплотнение грунтов производится с применением различного типа виброустановок. Уплотнение песчаных грунтов производится с одновременной подачей воды в уплотняемое основание;

- уплотнение грунтов предварительным замачиванием рекомендуется применять для упрочнения просадочных грунтов II типа по проявлению просадочных свойств с ожидаемой просадкой грунта от собственного веса более 30см. Сущность метода заключается в том, что при повышении степени влажности просадочных грунтов до Sr > 0,8 происходит коренное нарушение или существенное ослабление их структурных связей, сопровождаемое последующим уплотнением просадочной толщи под действием собственного веса грунтов. Следует отметить, что верхние слои грунта остаются в недоуплотнённом состоянии, в связи с чем возникает необходимость комбинирования данного способа с уплотнением тяжёлыми трамбовками;

- уплотнение весом фильтрующей пригрузки применяется при слабых и сильносжимаемых водонасыщенных грунтах. Сущность метода заключается в загрузке слабого грунта с устройством пригрузочной насыпи для отвода отжимаемой воды. Данное уплотнение грунтов может быть использовано при подготовке оснований (улучшения строительных свойств слабых грунтов) зданий и сооружений различного назначения, инженерной подготовке территории с целью обеспечения надежной эксплуатации инженерных коммуникаций и дорожных покрытий, а также для уменьшения воздействия сил отрицательного (негативного) трения на свайные фундаменты и другие заглубленные в грунт сооружения.

2) Метод закрепления грунтов.

При использовании методов закрепления повышение прочности и уменьшение сжимаемости грунтов происходит не за счет разрушения их структуры (повышения плотности), а за счет увеличения сцепления между частицами.

Производственный опыт показывает, что в настоящее время в практике строительства нашли применение следующие методы и способы закрепления грунтов:

- закрепление грунтов термической обработкой широко применяют для упрочнения маловлажных пылевато-глинистых грунтов, имеющих высокую проницаемость, и в основном используют для закрепления просадочных грунтов.

Сущность метода закрепления термической обработкой заключается в увеличении прочности структурных связей в грунте под влиянием высокой температуры (температура продуктов горения при обжиге грунтов должна быть в пределах t = 800С, так как при температуре t > 900°С происходит плавление грунта и исключается возможность проникания воздуха в массив грунта). При этом термическая обработка грунта производится через пробуренные в толще грунтов скважины диаметром 0,1м (чем больше диаметр скважины, тем больше поверхность соприкасаемого грунта и тем лучше проникают продукты горения в закрепляемый массив) на глубину до 20м. Термическая обработка производится до подстилающего слоя непросадочного грунта, т.е. в пределах всей просадочной толщи;

- закрепление грунтов силикатизацией и смолизацией применяется для закрепления сухих и водонасыщенных песков, просадочных макропористых грунтов и некоторых видов насыпных грунтов. Сущность метода заключается в том, что в массив закрепляемого грунта через специальные перфорированные трубы (инъекторы) нагнетается раствор силиката натрия (жидкого стекла) и некоторых других химических реагентов, в результате чего образовывается гель кремниевой кислоты, который цементирует частицы грунтов и значительно повышает их прочность.

3) Конструктивные методы.

К конструктивным мероприятия относятся следующие способы усиления слабого основания:

- шпунтовые ограждения применяются для крепления стен котлована и в отдельных случаях для укрепления слабого основания. Данный способ повышения несущей способности и устойчивости основания используется при возведении сооружения на слабых, сильносжимаемых грунтах. Шпунтовая стенка образует замкнутую область основания вокруг фундамента, под подошвой которого возникает зона сжатого грунта без возможности бокового расширения. В результате этого осадка сооружения уменьшается, а критическая нагрузка на фундамент увеличивается. Отсутствие возможности бокового расширения грунта приводит к увеличению нормального давления, для которого можно использовать теорию линейно-деформируемых тел, принимая глубину заложения фундамента равной глубине забивки шпунта;

- устройство подушек из связных грунтов применяется в случаях, когда возникает необходимость устройства уплотненного слоя большей толщины, чем при уплотнении тяжелыми трамбовками, при отсутствии соответствующих машин и механизмов для уплотнения тяжелыми трамбовками, когда расстояние до существующих зданий и сооружений не позволяет использовать способ уплотнения грунтов тяжелыми трамбовками. Сущность способа заключается в том, что при устройстве уплотненной подушки грунт оптимальной влажности отсыпается слоями в ее тело и специальными грунтоуплотняющими механизмами и машинами уплотняется до достижения проектной плотности. Толщина отсыпаемых слоев назначается в зависимости от вида грунта и грунтоуплотняющего механизма;

- устройство песчаных подушек применяется на неравномерно сжимаемых и слабых грунтах, имеются многочисленные примеры удачного их применения в насыпных и лессовых просадочных грунтах. Песчаные подушки применяются для повышения несущей способности и устойчивости основания, выравнивания осадок фундаментов, уменьшения глубины залегания фундаментов, повышения отметки заложения фундаментов для исключения вредного влияния агрессивных грунтовых вод, уменьшения размеров подошвы фундамента. Технология устройства песчаных подушек аналогична методике укатки грунта с использованием различных грунтоуплотняющих механизмов. При устройстве уплотненной подушки песок с оптимальной влажностью отсыпается слоями и специальными механизмами и уплотняется машинами до достижения проектного значения коэффициента уплотнения.

Достоинствами песчаных подушек являются надежность оснований, использование местных материалов, простота производства работ, возможность полной механизации и надежный контроль качества работ;

- армирование грунтов широко используется при строительстве зданий и сооружений на структурно-неустойчивых грунтах, например, лессовых просадочных, слабых и сильносжимаемых водонасыщенных, рыхлых песчаных и насыпных грунтах. Армирование применяется для устранения просадочности лессовых грунтов, упрочнения и повышения устойчивости оснований, в том числе на оползнеопасных склонах, упрочнения и укрепления насыпей и откосов земляных сооружений, армирования обратных засыпок подпорных стен и повышения устойчивости подпорных стен, исключения выпора грунта из-под сооружений. Усиление и упрочнение основания осуществляется за счет введения в толщу грунта элементов повышенной прочности, которые хорошо работают на растяжение и имеют высокое сцепление и трение с окружающим грунтом.

Все предложенные методы улучшения основания рекомендуется использовать на слабых сильносжимаемых, просадочных и макропористых грунтах. Однако каждые из них имеют свои недостатки, в частности при методах механического уплотнения довольно сложно обеспечить однородное уплотнение основания, как по его глубине, так и по ширине. Осложнён контроль за равномерностью уплотнения основания. Также данный метод характеризуется большими затратами на использование машин и механизмов.

Из недостатков методов закрепления можно выделить: высокую стоимость выполняемых работ, вследствие необходимости применения дорогостоящего оборудования, сложность контроля процесса уплотнения грунтов, неоднородность уплотнения грунтового массива.

К недостаткам конструктивных методов, а именно устройства песчаных подушек, относится значительное возрастание её стоимости, вследствие значительного увеличения размеров подушки в стороны, при увеличении её толщины.

В данной работе предлагается снизить материалоёмкость песчаной подушки, а следовательно и трудозатраты на её устройство, путём изменения её геометрических размеров, устройства криволинейной опорной поверхности и введения по контуру песчаной подушки армирующего элемента.

В связи с разработкой комбинированного метода укрепления основания в виде устройства песчаной подушки и её армирования, рассмотрим данные методы более подробно.

1.2. Повышение устойчивости и несущей способности слабых глинистых оснований путем устройства песчаных подушек При залегании под подошвой фундаментов слабых грунтов, необходимые размеры подошвы фундамента могут получаться чрезмерно большими. В ряде случаев размеры фундамента можно значительно уменьшить, если искусственным путём повысить несущую способность основания.

Одним из способов повышения устойчивости и несущей способности слабых оснований является устройство песчаных подушек.

В практике строительства на слабых водонасыщенных грунтах применяются два типа песчаных подушек:

- висячие, которые устраиваются путём частичной замены слабого слоя, а их основанием служит слабый слой грунта;

- опёртые, которые прорезают всю толщу слабого слоя грунтов и опираются на плотные слои.

Применение опёртых подушек становится экономически нецелесообразным, если мощность слабого слоя превышает ширину фундамента более чем в 1,5-2 раза, в данном случае используются преимущественно висячие песчаные подушки.

Первые сведения о применении песчаных подушек в качестве усиления оснований, появляются в 1832г и позже.

В 1839г был опубликован перевод статьи Моро [66], в которой описывается опыт устройства в 1829-30гг фундаментов на песчаной подушке в слабом грунте.

Фундаменты устраивались следующим образом. Ниже предполагаемого расположения подошвы фундамента выкапывали котлован глубиной около 70см, который наполняли песком с утрамбовкой. На нем возвели фундаменты здания, которое затем успешно эксплуатировалось. Опыт успешной эксплуатации зданий, возведённых на песчаных подушках, подтвердил целесообразность их применения при строительстве на слабых грунтах.

В 1851 году А. Спиридонов проводит опыты над свойствами песка и обнаруживает свойство песчаной массы, которое говорит о распределении давления, действующего в точке на ее поверхности, на гораздо большее пространство ее основания [81]. В работе Спиридонова обращается внимание на качество устройства основании из песчаных подушек. Так же в работе говорится, что при слабых грунтах песочного основания толщиной в один метр бывает недостаточно. В последующие годы выявлена способность песка выравнивать неравномерно приложенные к нему давления (следовательно, выравнивать осадки и снижать неравномерность осадок).

В.М. Карлович в 1869 году впервые дал теоретическое обоснование определения размеров песчаного слоя при использовании его как искусственного основания в слабых грунтах [36].

В дальнейшем выявляется, что для устройства подушек лучше использовать слежавшийся острозернистый и не слишком мелкий песок без примеси глины. Особое внимание обращается на качество устройства подушек из песка [72].

Значительная экономическая выгода при устройстве оснований на песчаных подушках по сравнению с другими способами, применяемыми в подобных случаях, заключается в легкости устройства песчаного основания.

В 1930 году О. Франциус отмечал, что для более полного использования преимуществ данного метода рекомендуется песок укладывать слоями толщиной в 20см и уплотнять укаткой, трамбованием или поливкой извести [97].

Особенно целесообразным является применение песчаных оснований на торфяных, слабых глинистых, а также на насыпных грунтах.

А.В. Кузнецов в 1940г выявил, что благодаря удобоподвижности частиц песка подушки легко приспосабливаются к неравномерным осадкам основания и в значительной степени сглаживают их. Поэтому подушки могут применятся при весьма неоднородных напластованиях грунтов [52].

В практике строительства принято устраивать подушки из крупнозернистого песка, гравия и песчано-гравийной смеси. Применение песков с примесями пылеватых и глинистых частиц, а также отходов камнедробильного производства из растворимых и быстро выветривающихся пород не допускается.

При укладке песок отсыпается слоями по 20-30см или разравнивается из куч бульдозером такими же слоями с уплотнением. Особое внимание следует обращать на уплотнение песка в углах котлованов или траншей.

Послойное уплотнение подушек может производиться трамбовками любого типа, площадочными вибраторами, укаткой. Допускается уплотнение подушек движением гусеничных машин.

Если в основании залегают природные грунты с неустойчивой структурой (ленточной глины, пылеватые супеси) при низком уровне грунтовых вод поливка песка в подушке не допускается. Подушка при таких условиях устраивается из заранее увлажненного песка, гравия или песчано-гравийной смеси. При уплотнении вибраторами песок также должен быть увлажнен.

Песчаные подушки должны устраиваться, как привило, в теплое время года. В зимних условиях подушки можно устраивать только при соответствующем техникоэкономическом обосновании по согласованию с проектной организацией, разработавшей проект фундаментов[85].

Подушки, устраиваемые в зимнее время, должны выполняться из крупнозернистого песка или гравия. Категорически не допускается попадание в подушку смерзшихся комьев песка, льда и снега.

Контроль за уплотнением подушек осуществляется лабораторией. Пробы песка отбираются из подушек через каждые 0,5м по глубине под углами зданий и через 8м вдоль осей стен или рядов колонн. Уплотнение продолжается до достижения заданной плотности песка.

Первый систематический курс, изданный в 1869г, по научному обоснованию теории использования песчаных подушек в слабых грунтах был составлен проф.

В.М. Карловичем [40]. В нём объяснялась целесообразность использования песка для замены слабого грунта, вследствие способности песка передавать давления на большую площадь основания, распределять давление более равномерно, а также в виду простоты и доступности устройства основания.

Основным вопросом при проектировании песчаной подушки является определение её геометрических размеров. В 1851г по проведённым опытам С. Спиридонова бала выявлена способность песка перераспределять давления на большую площадь основания. Было доказано, что давление песка простирается в стороны под углом около 45°. Исходя из этого и определяется ширина песчаной подушки по низу [81].

Для того, чтобы грунт выдержал давление сооружения, величина этого давления не должна превышать сопротивление грунта по площади в уровне подошвы подушки.

Последующие расчеты размеров песчаных подушек также основывались на углах передачи давлений в слое песка, но различные авторы принимали их значения разными [28, 37, 57, 97]. В соответствии с этим определялась ширина подушки по нижней части и её толщина.

По результатам работ Е. Тошкова [118], посвященных расчёту песчаных подушек для массивных (жестких) фундаментов на сильносжимаемых грунтах, делается вывод, что применение песчаной подушки толщиной более 0,2 ширины фундамента устраняет пластические области по краям фундамента и перемещает их к средине.

При построении эпюры распределения напряжений по подошве песчаной подушки используется приближенная формула, причём принимается, что напряжения у краев ее равны 0. Также пренебрегают различной сжимаемостью подушки и основания. В результате, анализируя условия возникновения предельного состояния в различных точках, выводятся приближенные формулы, определяющие толщину песчаных подушек для круглых, квадратных и ленточных фундаментов.

В работе K. Szechy определение размеров песчаной подушки заключается в выполнении условия, что средние давления по подошве фундамента и подошве песчаной подушки были бы близки или равнялись своим предельным значениям [117].

Все описанные выше авторы при определении ширины песаной подушки по низу, исходят из угла распределения давлений, который в большинстве случаев принимается равным 45°. Данный вид назначения ширины песчаной подушки не учитывает свойства окружающего грунта, а также конструкцию и размеры фундамента.

В работе Ю.М. Абелева и В.И. Крутова [4] отмечается, что в силу недостатков методик расчёта песчаных подушек, происходит либо перерасход материалов, либо недопустимые осадки фундаментов в результате расползания подушек в стороны.

Наиболее близким к исследуемому в данной работе способу усиления основания, является способ замены изобарных зон местных перенапряжений (рисунок 1.1), опубликованный в 1934г И.М. Литвиновым [55].

Рисунок 1.1. Замена изобарных зон местных перенапряжений.

В данном методе автор исходя из фактического распределения напряжений по подошве фундамента по колоколообразным кривым (вместо принятого в практике прямоугольного закона) и пользуясь изобарными зонами, предлагает заменять перенапряженные зоны более плотным малосжимаемым грунтом (песок, гравий).

Отмечая, что за пределами вертикали, проходящей через грань фундамента, проходят изобары примерно с 50% значением приложенной нагрузки, предложено в пределах контура, ограниченного выбранной изобарой, заменять слабый грунт (рисунок 1.1). В этом случае обеспечивается более плавный переход от материала фундамента к материалу грунта за счет вовлечения в работу масс грунта по всему периметру подушки.

Дальнейшее изучение данного метода показало, что устройство песчаных подушек только в пределах зоны распространения максимальных сжимающих напряжений не может быть распространено на слабые, сильно сжимаемые грунты.

Так как при устройстве подушек в данных грунтах их ширину следует принимать исходя из условия ограничения бокового расширения грунта, что в свою очередь подтверждает эффективность предлагаемого решения в виде внедрения армирующего элемента по контуру песчаной подушки, с целью ограничения её поперечных деформаций.

В 1946г Б.И. Далматовым были проведены исследования, в результате которых было установлено, что при недостаточных размерах песчаной подушки увеличиваются осадки фундамента и подушка «раздавливается». Поэтому ее следует делать таких размеров, чтобы она была устойчивой [24].

В данной работе Б.И. Далматов предложил приближенный метод определения необходимой ширины песчаных подушек в условиях плоской задачи, исходя из условия полного исключения бокового расширения подушки. В основу расчета был положен принцип работы подушек, как элементов, распределяющих давление на большую площадь основания.

Устойчивость песчаной подушки рассматривается исходя из условия предельного равновесия ее при сдвиге по некоторой плоскости под влиянием нагрузок от фундамента. Данному сдвигу препятствует боковое сопротивление грунта по внешней грани подушки. Ширина подушки будет достаточна, если боковое давление от призмы обрушения уравновешивается реакцией снаружи, которая принимается распределенной по гидростатическому закону.

В 1965г Я.Д. Гильман несущую способность песчаной подушки определяет по теории линейно-деформируемой среды при условии, что зоны местного нарушения прочности грунта распространяются под краями фундамента глубину не более 1/4 его ширины. Подушка рассматривается, как обычный слой песчаного грунта, и размеры фундамента определяются с учетом его несущей способности [19].

Высота песчаной подушки определяется из условия, чтобы полное давление на уровне низа подушки, равное сумме природного и дополнительного давлений, не превосходило начального давления просадочности.

Ширина песчаной подушки определяется из условия, чтобы сопротивление окружающего слабого грунта было больше или равно горизонтальным давлениям, развивающимся в подушке от нагрузок на фундамент.

Принятые размеры подушки проверяются аналитическим путем по условию устойчивости. Это условие заключается в том, что при данных размерах подушки определяют максимально допустимое давление фундамента на подушку, при котором не произойдет потери устойчивости. Устойчивость подушки проверяется по методике проф. Б.И.Далматова.

В работе В.В.Николаева (1960г) метод Б.И.Далматова распространен на грунты, обладающие внутренним трением [70].

Высота подушки определяется из условия, чтобы давление, передаваемое подушкой на слабый грунт, не превосходило нормативного давления на этот грунт, определенного с учетом глубины его залегания.

Ширина подушки принимается равной 1,6-1,7 ширины фундамента и производится проверка устойчивости подушки с соблюдением условия, чтобы пассивное давление со стороны слабого грунта было больше активного давления песка подушки в 1,2-1,5 раза. Однако, такой прием назначения необходимой ширины подушки вызывает возражение при ширине фундамента более трёх метров, а также для сплошных плит такое назначение не обосновано.

В работе С.И. Глезера и С.Ш. Школьника [20] сделана попытка развития метода Б.И. Далматова на случай, когда угол наклона поверхности сдвига меньше угла внутреннего трения материала подушки. Расчетная схема полностью соответствует методу проф. Б.И. Далматова. Из условия предельного равновесия сдвигающейся призмы получено уравнение, которое приводится к квадратному. Решая его, определяют величину уширения подушки. Одним из недостатков данного решения является его громоздкость и трудоёмкость.

В 1962г в работе Ю.М. Абелева и В.И. Крутова [4] приводится способ приближенного определения необходимой ширины песчаной подушки, основанный на принципе работы ее как верхнего слоя двухслойного основания. Здесь необходимо отметить, что способ применим для достаточно хороших грунтов, окружающих подушку. Ширина подушки назначается из расчета, чтобы горизонтальные напряжения от вертикальных нагрузок на cлaбый грунт не превосходили бы предельно допустимых для них величин. Величина в каждом отдельном случае должна определяться исходя из основных физико-механических характеристик. Для практических целей эта величина может быть определена в зависимости от нормативного давления на уплотненный грунт.

Назначение необходимой ширины подушки для отдельно стоящих фундаментов, также как и для ленточных рекомендуется производить с некоторым запасом.

В 1970г Н.Н. Морарескул и А.Ф. Чичкин провели испытания песчаных подушек в полевых условиях, исследования проводились на территории Тюменской области в торфяных грунтах. В работах [62, 103] отмечается, что под действием нагрузки на фундамент возникают горизонтальные напряжения, передающиеся на окружающий слабый грунт. Деформации песчаной подушки происходят в основном в результате отжатия песка в стороны, сдвигающие напряжения воспринимаются подушкой, в результате чего при узкой подушке происходит её «раздавливание». Было также отмечено, что сопротивление песчаной подушки увеличивается с увеличением относительной ширины.

1.3. Способы повышения несущей способности и устойчивости слабых Армирование оснований – это мероприятия и технологии, предназначенные для усиления и упрочнения грунтовых массивов с помощью включения в их состав специальных элементов, находящихся в тесном взаимодействии с грунтом, но не связанных с фундаментом конструктивно [63].

Армирование грунтов широко используется при строительстве зданий и сооружений на структурно-неустойчивых грунтах, таких как: лёссовые, сильносжимаемые, слабые глинистые грунты и др.

В грунтовых массивах конструктивное расположение армирующих элементов может быть вертикальным, горизонтальным, наклонным в одном направлении, наклонном в двух и более направлениях, сплошным, прерывистым и в виде различного ряда ячеистых структур. В зависимости от физико-механических характеристик грунтов и задач, которые решаются при армировании, выбирается характер расположения армирующих элементов, а также технология их выполнения.

Армирование грунтового глинистого основания можно осуществлять в двух основных направлениях:

- использование армирующих элементов, имеющих высокую жесткость и воспринимающих часть или всю нагрузку непосредственно на себя: сваи, микросваи;

стальная арматура, расположенная в толще грунта; стальная сетка; распорные стенки;

геосетки с наполнителями;

- использование армирующих элементов, не имеющих собственных высоких прочностных характеристик, но увеличивающих размеры активной зоны и изменяющих напряженно-деформированное состояние основания: нетканый синтетический материал (геотекстиль), солома, базальтовое волокно.

Ограничивающими факторами использования армирующих материалов в строительстве являются отсутствие опыта использования данных материалов, а также сложность учитывания работы армирующего материала в расчётной модели основания.

Впервые работу армированного грунта описал Видаль в 1963г. В работе говорится, что введенная в грунтовый элемент арматура в виде горизонтальных слоев, при условии, что между арматурой и грунтом существует сцепление или трение, приведет к возникновению связей, ограничивающих действие боковых деформаций. Такое анизотропное ограничение нормальных деформаций называют эффектом армирования. Уменьшение вертикальных напряжений приводит к возрастанию боковых напряжений и увеличению горизонтальных деформаций в грунте.

В 1979г А.С. Полуновский отмечает, что при воздействии сооружения на слабое основание в грунте возникают площадки нулевого растяжения. При их соединении образуется траектория нулевого растяжения, представляющая собой плоскость скольжения или разрушения. Данная траектория показывает возможный вид поля деформации при постоянном горизонтальном направлении главной скорости деформации растяжения. Эффективной считается арматура, расположенная в пределах сектора растяжения. Такое правило принимается в практике при проектировании армированного основания [75].

Разрушение или ослабление слабого основания возникает при размещении армирующего элемента в направлении деформаций сжатия или вдоль потенциальной плоскости разрушения. Арматура, расположенная в секторе сжатия, должна быть способна воспринимать сжимающие напряжения.

В работе К. Д. Джоунса 1989г приводятся различные виды армирования грунтового основания. В данной работе автор также отмечает об отсутствии практических наблюдений за армированными грунтовыми основаниями [30].

В результате экспериментов, проведенных Смитом (1977г) и Джуеллем (1980г), установлено, что увеличение прочности армированного грунта не всегда прямо пропорционально числу армирующих элементов в грунте. Сокращение расстояния между армирующими элементами до некоторого предела вызывает падение приращения прочности на сдвиг армированного грунта, обеспечиваемый каждым армирующим элементом.

Для расчета основания, укреплённого геосетками, предложена гипотеза устойчивого равновесия армируемого грунта: если максимальные деформации в армируемом грунте в любой точке оказываются меньше требуемых деформаций для мобилизации грунта, в армированном основании существует устойчивое равновесие.

Эту гипотезу используют, допуская, что деформация растяжения армирующего элемента такая же, как и у грунта (при отсутствии скольжения), для установления величины допустимой деформации растяжения в грунте. Данное ограничение даёт возможность определения максимального усилия в арматуре. В случае, когда сила выдергивания арматуры больше максимальных усилий в арматуре, существует условие равновесия. Но если сила выдергивания меньше, чем усилие, возникающее в арматуре, то продольная жесткость не будет определять прочность на сдвиг при разрушении арматуры, а предельная сила не может быть использована для какой-либо оценки устойчивости [30]. Усилие в арматуре не будет возникать до тех пор, пока в грунте не возникнут максимальные значения касательных напряжений, т.е. пока не нарушится прочность на сдвиг исследуемого основания. Несмотря на то, что грунт может потерять несущую способность, в арматуре будет возникать нарастание усилий, и несущая способность армированного грунта не будет преодолена.

В работе Г.Ф. Новожилова [68] армирование насыпи мостов представлено системой вертикальных и горизонтальных стержней, образующих пространственный каркас с заключенным в него грунтом.

Х.Ф. Ахмед рассматривает метод армирования базальтовыми волокнами глинистого основания [98]. Автор исследует массив грунта с многослойным расположением армирующих элементов. На основе проведенных модельных, численных и полунатурных исследований выявлены следующие закономерности:

максимальный эффект одноярусного армирования зависит от ширины, длины, глубины расположения армированного слоя и размера в плане столбчатого фундамента. Автор выявляет наиболее эффективный двухслойный вариант армирования.

В 1991г Х.А. Турсунов выполнил экспериментальные и теоретические исследования напряженно-деформированного состояния лессовых просадочных грунтов с использованием горизонтального и вертикального армирования [91]. В качестве армирующего элемента в горизонтальном направлении использовались стальные сетки, стальная проволока, нетканый материал, солома и стальные полоски.

Вертикальное армирование было осуществлено микросваями, размером 15х15х300мм с уклоном острия 45. Лабораторные и натурные исследования показали, что просадочность грунтов уменьшается при любом типе армирования. Эффект горизонтального армирования приводит к увеличению боковых размеров деформирования толщи и уменьшению глубины активно сжимаемой толщи.

В работе О.А. Ещенко [32] уделяется большое внимание методам расчета и технологии возведения насыпей, армированных геосетками. В работе автора показана эффективность использования различных схем армирования насыпей и предложена методика оценки их устойчивости.

Экспериментальными исследованиями напряженно-деформированного состояния основания, армированного геотекстильными прослойками, занимался В.И. Клевеко [41]. В качестве армируемого материала используется нетканый синтетический материал и стеклоткань. Рассмотрено одно- и двухслойное армирование основания. Автор отмечает, что наибольший эффект армирования достигается в грунтах с тугопластичной и мягкопластичной консистенцией.

По результатам исследований В.И. Клевеко выявлено, что происходит перераспределение напряженно-деформированного состояния активно сжимаемой толщи. При армировании осадки снижаются до 60%, а стоимость возведения фундаментов до 25%, по сравнению с традиционными конструкциями.

Вопросами строительства на слабых грунтах, а также их армированием занимались следующие ученые: Л.М. Тимофеев, Ю.В. Феофилов, А.П. Аксёнов, В.Д. Казарновский, А.Г. Полуновский, Ф.Ф. Зехниев, М.Ю. Абелев, С.А. Роза, А.В. Набоков, В.В. Воронцов, В.Ф. Бай, Ал. Н. Краев, А.Б. Пономарёв, В.Г. Офрихтер, Р.А. Усманов и др. [1, 2, 6, 7, 12, 29, 31, 34, 38, 39, 40, 47, 48, 50, 51, 56, 59, 60, 61, 67, 75, 76, 77, 80, 88, 89, 92, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 119, 120, 121].

Экспериментально-теоретические исследования усиления водонасыщенных глинистых грунтов армирующими конструкциями в виде ячеистых структур отражены в работах А.П. Кремнёва [49], П.А. Коновалова [44, 45, 46] и др. Ячеистая структура армирующего элемента с грунтом в ячейках повышает несущую способность слабого основания. Грунт находится в ограниченных условиях деформации, что приводит к повышению несущей способности и более низкой деформативности. В ходе экспериментальных работ установлено, что осадка здания на армированном грунте в 1,5 – 3 раза меньше, чем у неармированного грунта.

Условие деформирования грунта в ячейках позволяют исключить развитие областей предельного состояния и образования зон сдвига. Деформация грунта в ячейках происходит только за счет его уплотнения.

Разработкой рациональных конструкций и методов расчета армированных оснований и откосов занимался О. Бизиман [10]. В результате исследований предложена методика расчета устойчивости армированных откосов и оснований с учетом анизотропии грунта. На основании экспериментальных и натурных данных автором были предложены схемы армирования как в горизонтальном направлении, так и в вертикальном. Эффективное горизонтальное армирование достигается при подборе требуемой длины армирующего элемента. Длинна армирующего элемента должна достигать от двух до четырёх ширин фундамента [10].

В работах Воронцова В.В. и Ал.Н. Краева [12, 48, 71, 72] говорится, что внедрение арматуры в пределах сектора растягивающих зон нарушает однородный характер деформации, существующий в грунтовом массиве без армирования, препятствуя образованию в грунте непрерывных поверхностей скольжения и повышая жесткость и прочность на сдвиг слабого основания. На первых стадиях нагружения слабого основания армирование не оказывает влияния, эффект армирования возникает при наличии деформации в арматуре. Нагрузка от сооружения вызывает деформацию основания, в нем мобилизируется сопротивление сдвигающим усилиям. В результате деформации грунта деформируется арматура, что приводит к дальнейшему возрастанию прочности армированного грунта. Рост прочности происходит до тех пор, пока не возникнет предельное состояние, и при дальнейшем сдвиге сопротивление грунта сдвигу сохраняется постоянным.

Осадка фундамента с образованием зон выпирания под её краями связана с развитием зон пластических деформаций грунта основания. Такое перераспределение реактивного давления возникает при небольшой нагрузке под жесткими фундаментами [96]. Грунты основания в зонах с пластическими деформациями обладают большой податливостью за счет деформации этих зон в сторону от фундамента и вверх. Возрастание нагрузки приводит к увеличению этих зон и уплотнению в направлении этих деформаций. В этом случае осадка выпирания определяется путем решения смешанной задачи теории упругости и теории пластичности.

Изучением работы песчаных подушек, армированных геотекстилем в контактном слое грунта, занимался А.А. Тажигулов [87]. В работе рассматривается армирование грунта, находящегося в зоне контакта с фундаментом. В результате проведённых экспериментов выявляется способность армирующего элемента включать в работу дополнительный грунт в горизонтальном направлении, что приводит к уменьшению осадок и увеличению несущей способности основания.

Экспериментальные исследования армированных оснований приведены в работе В.М. Антонова [5]. В данной работе автором рассматривались различные варианты армирования грунтового основания (вертикальное, наклонное, горизонтальное). В результате проведённых экспериментом было установлено:

- армирование оснований фундаментов позволяет повысить прочностные и деформационные свойства грунта, передать растягивающие напряжения на арматуру за счёт сил трения по контактной поверхности;

- создание под подошвой фундамента более жёсткой области, чем окружающий массив, при площади армирования большей или равной площади фундамента приводит к увеличению прочности основания, трансформации контактных напряжений;

- значения несущей способности основания могут быть увеличены за счёт создания более жёсткого массива в 2-3 раза (в зависимости от схемы армирования и вида армирующих элементов), соответственно, снижаются значения деформаций.

В работе В.Г. Офрихтера, А.Б. Пономарева, В.И. Клевенко, К.В. Решетникова отмечается, что армированные фундаментные подушки, как правило, применяются в случае необходимости замены грунта. Заменяемый насыпной грунт укладывается послойно, а арматура устанавливается в горизонтальном направлении в соответствии с рисунком 1.2 [74].

Рисунок 1.2. Армированная песчаная подушка с фундаментом и грунтом засыпки.

В работе [74] отмечается, что количество армирующих слоев, располагаемых в песчаной подушке, определяется статическими требованиями. Тем не менее, необходимо предусматривать не менее двух армирующих слоев. При использовании геосинтетических материалов с различной расчетной прочностью в продольном и поперечном направлениям распределение расчетной прочности арматуры выполняется согласно статическим требованиям.

Авторы отмечают, что вертикальные интервалы между отдельными слоями арматуры должны быть равны. Кроме того, необходимо устанавливать следующие предельные значения величины интервала: от 0,15м до 0,4м. Длина всех слоев арматуры, уложенных в одном направлении, в рассматриваемых вариантах армирования берётся постоянной по всей высоте песчаной подушки.

Современное состояние методов армирования грунтовых оснований рассмотрено и обобщено в учебном пособии 2012г [63] под редакцией коллектива авторов Р.А. Мангушева, Р.А. Усманова, С.В. Ланько, В.В. Конюшкова.

В данной работе отмечается, что, несмотря на большую актуальность вопросов устройства и проектирования армированных оснований, имеется очень мало исследований по разработке эффективной технологии армирования оснований в сложных грунтовых условиях. Известные способы армирования обладают значительной трудоемкостью и стоимостью, а надежность их в некоторых условиях не удовлетворяет необходимым требованиям.

Все вышеизложенное указывает на необходимость дополнительных исследований по выявлению эффективных видов армирующих материалов, разработке технологий и способов армирования оснований в различных грунтовых условиях. В этом направлении большой интерес представляет использование в качестве армирующих элементов высокопрочных геосинтетических материалов.

1.4. Выводы и задачи дальнейших исследований На основании проведенного анализа существующих методов повышения несущей способности водонасыщенного основания и инженерно-геологических условий рассматриваемого региона предложен новый способ повышения несущей способности водонасыщенного основания. Согласно предложенному способу, в слабом глинистом основании устраивается песчаная подушка с криволинейным очертанием подошвы, армированная по периметру геосинтетическим материалом [73]. Предположено, что в предлагаемой конструкции опорная криволинейная часть подушки позволит более равномерно распределить напряжения на слабый грунт основания, а армирующий элемент, работая на растяжение, будет препятствовать боковой деформации песка, развитию пластических деформаций по краям фундамента и деформациям сдвига, что позволит значительно уменьшить размеры песчаной подушки, устраивая её лишь в зоне максимальных перенапряжений.

Таким образом, целью исследований является обоснование применения песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, с целью повышения несущей способности и снижения деформативности слабого глинистого основания под ленточными фундаментами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать способ повышения несущей способности и снижения деформируемости слабого глинистого основания путём замещения слабого грунта в активной зоне песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом;

- экспериментально обосновать эффективность исследуемого способа усиления;

- экспериментально выявить закономерности взаимодействия песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой в полевых условиях;

- на основе экспериментальных исследований разработать методику расчёта НДС песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой и подстилающего слабого глинистого грунта, нагруженных полосовой нагрузкой.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СЛАБОГО ГЛИНИСТОГО ОСНОВАНИЯ,

УСИЛЕННОГО ПЕСЧАНОЙ АРМИРОВАННОЙ ПОДУШКОЙ С

КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОДОШВОЙ, В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Целью данной главы является:

Выявление закономерности влияния криволинейной формы загружения на напряженно-деформированное состояние грунтового основания.

Обоснование эффективности использования геосинтетических материалов (геосеток) в качестве армирующего элемента грунтового основания при криволинейном очертании подошвы нагружения.

Для определения основных закономерностей и эффективности использования песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой в качестве способа повышения несущей способности слабого глинистого основания, проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях. Выполнение лабораторных исследований объясняется возможностью многократного повторения экспериментов с соблюдением исходных параметров [3]. Применение модельных испытаний возможно при использовании метода расширенного подобия, в котором выдерживаются геометрические, механические и силовые аналогии с реальным объектом.

С целью изучения влияния криволинейной формы нагружения на напряженнодеформированное состояние глинистого основания в межкафедральной экспериментальной лаборатории ФГБОУ ВПО ТюмГАСУ были проведены экспериментальные исследования.

Программой экспериментов предусматривалось:

Изучение напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой.

Изучение эффективности использования геосинтетического материала при контурном армировании песчаной подушки с криволинейной опорной частью.

С целью изучения деформируемости грунтового основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой, были проведены исследования в экспериментальной лаборатории «Механики грунтов, оснований и фундаментов» ФГБОУ ВПО ТюмГАСУ.

Программой экспериментов предусматривалось:

Изучение деформируемости глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой.

Определение полей перемещений (полных, вертикальных и горизонтальных) в грунтовом основании.

2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с Для изучения характера деформирования основания и развития напряжений в грунтовом массиве были проведены экспериментальные исследования нескольких вариантов грунтового основания (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. Исследуемые варианты грунтового основания:

а) слабое глинистое основание; б) глинистое основание, усиленное песчаной подушкой;

в) глинистое основание, усиленное песчаной подушкой с криволинейной подошвой;

г) глинистое основание, усиленное песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой; 1 – жесткий плоский штамп; 2 – слабое глинистое основание; 3 – песок средней Для проведения исследований была использована экспериментальная установка, представляющая собой грунтовый лоток с размерами 1500х2500х1200мм.

(рисунок 2.2), с жесткими стенками и дном. Для устранения сил трения грунта о стенки лотка на внутреннюю стенку с помощью технического вазелина внахлест наклеивалось два слоя полиэтиленовой пленки.

Грунтовое основание в лотке устраивалось путем послойной (h=200мм) укладки суглинка нарушенной структуры с затворением водой и консолидацией каждого слоя.

Высота исследуемого основания была принята Н=1000мм. Физико-механические характеристики грунта определялись в соответствии с [21, 23] и приведены в таблице 2.1.

Физико-механические характеристики грунта 18,6 Удельный вес грунта, кН/м В качестве армирующего элемента использовался геосинтетический материал (геосетка), изготавливаемый из стекловолокна, пропитанного полимерным составом.

Технические характеристики геосетки приведены в таблице 2.2.

2,5(150) Нагрузка на грунтовое основание передавалась ступенями при помощи консольно-рычажной системы через плоский штамп. Одновременно с послойной загрузкой грунта производилась установка датчиков (мессдоз) для измерения общих и поровых давлений. Общие давления измерялись по вертикальным и радиальным направлениям, поровое давление измерялось только по вертикали. Для предотвращения натяжения, обрывов и снижения влияния проводов датчиков (мессдоз) на характеристики грунта, их укладка производилась «змейкой».

осадки штампов определялась измерителями перемещений Величина индикаторного типа с точностью 0,01мм.

Для качественной оценки эффективности исследуемого объекта было выполнено сопоставление экспериментальных данных различных вариантов укрепления слабого глинистого основания. Выполнение исследований в одинаковых условиях дает равнозначное значение влияния случайных факторов на всю серию экспериментов, что позволяет сделать качественную оценку полученных данных.

Экспериментальная часть в лабораторных условиях делилась на 2 серии. В эксперименте одновременно проводилось загружение двух моделей грунта.

В первой серии экспериментов были проведены исследования на слабом глинистом основании (без усиления) и на аналогичном основании, усиленном песчаной подушкой с плоской опорной подошвой (без армирования). В каждой серии проводилось не менее трёх повторений эксперимента.

Размеры штампа в плане составляли 200х500мм.

Песчаная подушка устраивалась путем частичного извлечения слабого грунта с послойным (50мм) заполнением выемки песком средней крупности и его уплотнением. Песчаная подушка устраивалась под всей подошвой штампа.

Поперечные размеры песчаной подушки представлены на рисунке 2.1.

Во второй серии экспериментов были проведены исследования на слабом глинистом основании, усиленном песчаной подушкой с криволинейной опорной подошвой (без армирования) и на аналогичном основании, усиленном песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной опорной подошвой.

Устройство песчаной армированной по контуру подушки выполнялось путём извлечения слабого грунта с формированием криволинейной поверхности, установки по контуру выемки геосинтетического материала и послойного её заполнения песчаным грунтом с уплотнением.

Последовательность укрепления слабого глинистого основания песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой показана на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3. Последовательность укрепления слабого глинистого основания песчаной а) устройство выемки; б) установка армирующего элемента; в) послойное заполнение песчаным грунтом; г) общий вид слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой.

Нагрузка на глинистое основание передавалась ступенями при помощи консольно-рычажной системы. Каждую ступень выдерживали до условной стабилизации деформаций грунта. За критерий условной стабилизации деформации принимали скорость осадки штампа, не превышающую 0,1мм за последние 2 часа наблюдений.

Нагрузка на штамп увеличивалась до значений, при которых происходило непрерывное возрастание осадки штампа без увеличения внешней нагрузки.

На рисунке 2.4 показан общий вид экспериментальной установки и проведения испытаний.

При заполнении выемки песчаным грунтом определялись его физикомеханические характеристики в соответствии с [21], [23], которые приведены в таблице 2.3.

Удельный вес грунта, кН/м Для изучения напряженно-деформированного состояния глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой, выполнялась установка датчиков общего и порового давления (мессдоз).

Схема расположение датчиков общего и порового давления приведены на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5. Схема расположения датчиков в грунтовом массиве:

1 – штамп; 2 – датчики общего и порового давлений; 3 – глинистое основание;

4 – песчаный грунт; 5 – геосинтетический материал (геосетка).

2.2.1. Контрольно-измерительная аппаратура Фиксация осадки штампа осуществлялась при помощи измерителей перемещений с точностью измерения 0,01мм. Измеритель перемещений представляет собой индикатор часового типа, конструкция которого дополнительно оснащена барабаном для увеличения свободного хода. Соединение датчика перемещений и штампа производилось при помощи стальной струны диаметром 0,3мм. Струна с одной стороны жестко крепилась к конструкции штампа, с другой стороны наматывалась несколькими витками на барабан датчика с закреплением на конце нити отвеса. Индикаторы устанавливались на неподвижной реперной системе, которая крепилась к стенкам лотка.

Измерение общих напряжений и поровых давлений осуществлялось тензометрическими мессдозами мембранного типа. Изготовление мессдоз выполнялось по методике, предложенной А.В. Голли [14, 15]. Корпуса мессдоз вытачивались из берилловой бронзы БрБ-2, диаметром 30мм, толщиной мембраны 0,2мм (рисунок 2.6). Точность измерения при данной толщине мембраны составляет 0,001МПа.

Мессдозы состояли из двух мембран, соединяющихся посредством «пазгребень», с промазкой места стыковки тонким слоем универсального эпоксидного клея по ТУ 2252-003-62517430-01. Данный вид соединения позволил добиться высокой герметичности мессдозы.

В качестве тензодатчиков применялись фольговые тензорезисторы типа 2ФКПА с базой 5 мм. Технология наклейки тензодатчиков на рабочую поверхность мессдозы включала в себя следующие операции:

- проверка сопротивления тензорезистора;

- зачистка поверхности мессдозы под наклейку тензорезистора бумагой шлифовальной зернистостью 5-25;

- промывка поверхности мессдозы под наклейку сначала ацетоном, а затем спиртом;

- просушка промытых поверхностей на воздухе в течение 10-15мин;

- нанесение на подготовленную поверхность тонкого слоя клея БФ-2, который в течение двух часов полимеризуется на воздухе;

- нагревание мессдозы в электрошкафе до t=120C и выдержкой при ней в течение 2 часов. Скорость поднятия температуры составляла 2 градуса в минуту.

Охлаждение в электрошкафе до t=60C, затем на воздухе до t=20C;

- нанесение второго слоя клея БФ-2 на мессдозу и слоя клея БФ-2 на тыльную сторону тензорезистора; приклеивание тензорезистора тыльной стороной на поверхность мессдозы; прижатие через целлофан с помощью струбцины со средним давлением 500кПа;

- помещение мессдозы в электрошкаф. Нагревание до t=70C, с выдержкой час, затем до t=140C, с выдержкой 2 часа, затем до t=180C, с выдержкой 3 часа.

Охлаждение в электрошкафе до t=20C, затем освобождение от струбцины и прокладки;

- нагревание мессдозы в электрошкафе для окончательной полимеризации до t=180C и выдержкой при ней 4 часа. Охлаждение в электрошкафе до t=20C;

- проверка изменения сопротивления тензорезистора.

Общий вид мессдозы представлен на рисунке 2.7 а.

Все используемые мессдозы подвергались тарировке в специальном тарировочном баке (барокамере). Тарировка мессдоз выполнялась воздухом, что позволяло одновременно проверить герметичность корпуса датчика. До начала тарировки производилась «тренировка» мессдоз, суть которой состоит в многократном повторении циклов нагружения и разгрузки. Для снижения неупругой деформации корпуса мессдозы, выполнялось не менее 50 циклов «нагрузка– разгрузка» до полного совпадения нулевых и максимальных отсчетов по регистрирующей аппаратуре. Мессдозы, не дающие абсолютного совпадения отсчетов в нуле после разгрузки, выбраковывались. Одна мессдоза из партии 10шт погружалась в солевой раствор и выдерживалась в нем при давлении в 0,2МПа в течение 4 суток, после чего проверялась ее работоспособность.

При тарировке мессдоз давление в тарировочном баке повышалось ступенчато, число ступеней распределялось с равномерным приращением давления и принималось не менее 10. При достижении номинального значения давление в тарировочном баке ступенчато уменьшалось до нуля (обратный ход). Тарировка партии мессдоз повторялась не менее трёх раз. Аппаратура для тарировки датчиков показана на рисунке 2.9. По полученным значениям с регистрирующего прибора строились тарировочные графики мессдоз. По полученному графику тарировки определялась линейность работы мессдозы, точность измерения показаний и наличие гистерезиса.

Для регистрации показаний мессдоз использовался автоматический электронный измеритель деформаций ИТЦ-01 (рисунок 2.8) ИТЦ-01 является прибором для измерения деформаций при статическом нагружении. Данный прибор имеет паспорт УРКТ.161423.002 ПС и проходит тарировку 1 раз в год в региональной метрологической службе. Работа прибора ИТЦ-01 заключается в измерении электрического сигнала тензорезисторных датчиков и представлении результата в цифровом виде.

Функция преобразования прибора имеет вид:

где N i – текущее значение результата наблюдений, мкОм/Ом; A = 1 – при двух активных тензорезисторах; A = 2 – при одном активном тензорезисторе; R – номинальное сопротивление тензорезисторов; R – приращение сопротивления тензорезисторов; N 0 – начальные показания цифрового индикатора.

Использование прибора допускается при температурах от + 10°C до + 35°C и относительной влажности воздуха до 80%. Относительная погрешность измерения прибора не превышает 1%. Прибор одновременно позволяет опрашивать до датчиков с одной платы. Заводом изготовителем гарантируется нормальная работа ТУ 9667 107 02069036 99.

Измерение порового давления осуществлялось мессдозой мембранного типа, оснащенной пористой пластиной (рисунок 2.7 б), которая наклеивалась на активную часть мембраны.

Рисунок 2.6. Эскиз конструкций тензорезисторных мессдоз мембранного типа:

а) грунтовая мессдоза; б) мессдоза для измерения поровых давлений;

Рисунок 2.7. Общий вид мессдозы:

б) мессдоза для измерения поровых давлений.

Рисунок 2.8. Регистрирующая аппаратура:

а) ИТЦ - 01; б) десятиканальные платы.

Рисунок 2.9. Тарировочное оборудование.

2.2.2. Результаты экспериментальных исследований на грунтовых По результатам первой серии лабораторных исследований модели грунта усиленного песчаной подушкой с плоской опорной подошвой и естественного основания, построены графики «осадка-давление», представленные на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10. Экспериментальные графики «осадка – давление»:

2 – основание, усиленное песчаной подушкой с плоской опорной подошвой.

Проведенные исследования слабого глинистого грунта усиленного песчаной подушкой с плоской опорной подошвой и естественного основания показывают, что при устройстве песчаной подушки с плоской опорной подошвой, происходит уменьшение осадки модели фундамента на 10% при среднем давлении под подошвой штампа Р=75кПа. Следовательно, можно сделать вывод, что устройство песчаной подушки только в пределах зоны распространения максимальных сжимающих напряжений без дополнительных инженерных мероприятий (армирования песчаной подушки) не позволяет получить значительного эффекта. Это объясняется тем, что при больших нагрузках на модель фундамента, подушка «раздавливается», что сопровождается значительными поперечными деформациями тела подушки и выдавливанием песчаного грунта из под подошвы фундамента.

По результатам второй серии экспериментов на слабом глинистом основании, усиленном песчаной подушкой с криволинейной опорной подошвой (без армирования) и на слабом глинистом основании, усиленном песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой, построены графики «осадкадавление», представленные на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11. Экспериментальные графики «осадка-давление»:

1 – основание, усиленное песчаной подушкой с криволинейной подошвой (без армирования);

2 – основание, усиленное песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной Анализ приведенных графиков показал, что на первых ступенях приложения нагрузки наблюдается одинаковый рост значений осадок обоих моделей фундаментов. При среднем давлении под подошвой штампа Р=45кПа наблюдается увеличение разности осадок между сопоставляемыми экспериментами, что говорит о постепенном включении в работу геосинтетического армирующего элемента. При росте нагрузки разность осадок увеличивается, вплоть до потери несущей способности основания. Снижение осадки штампа, расположенного на слабом глинистом основании, усиленном песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой, обусловлено следующими явлениями:

- контурное армирование песчаной подушки снижает её поперечные деформации и, соответственно, уменьшает осадку фундамента за счёт снижения вертикальных деформаций песчаного грунта;

- вовлечение в работу большего объёма грунта, расположенного по периметру криволинейной подошвы песчаной армированной по контуру подушки.

На рисунке 2.12 приведены экспериментальные эпюры напряжений в слабом глинистом основании, усиленном песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой при среднем давлении Р=90кПа.

Рисунок 2.12. Эпюры нормальных общих давлений:

Характер эпюр нормальных давлений говорит о более равномерном распределении нормальных напряжений в слабом глинистом основании.

Выравнивание напряжений в глинистом основании, загруженном песчаной армированной по контуру подушкой, происходит в результате перераспределения напряжений от края фундамента к его центру, за счет криволинейной опорной поверхности подушки.

На основании полученных экспериментальных данных второй серии исследований сделаны следующие выводы:

- осадка штампа при давлении Р=75кПа на основании, усиленном песчаной подушкой с криволинейной подушкой (без армирования) составила S=0,028м, на основании, усиленном песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой – S=0,021м;

- потеря несущей способности фундамента на песчаной подушке (без армирования) произошла при давлении Р=75кПа, на песчаной армированной по контуру подушке при Р=95кПа;

- криволинейное очертание подошвы фундамента обеспечивает более равномерное распределение напряжений в основании, что приводит к снижению деформируемости и увеличению несущей способности основания.

По результатам проведенных экспериментальных лабораторных исследований вариантного сравнения усиления слабого глинистого основания построен общий график «осадка-давление» (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13. Экспериментальные графики «осадка-давление»:

1 – основание, усиленное песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой;

2 – основание, усиленное песчаной подушкой с плоской опорной подошвой; 3 – основание, усиленное песчаной подушкой с криволинейной подошвой (без армирования);

Из анализа вариантного сравнения можно сделать следующие выводы:

- разность осадок плоского штампа при давлении Р=75кПа на основании без усиления и на основании усиленном песчаной подушкой с плоской опорной подошвой составляет 10%;

- разность осадок при давлении Р=75кПа плоского штампа на основании без усиления и на основании, усиленном песчаной подушкой с криволинейной подошвой (без армирования), составляет 9%;

- разница осадок штампа при давлении Р=75кПа на основании, усиленном песчаной подушкой с плоской подошвой и криволинейной (без армирования), составляет 3-5%, при увеличении нагрузки осадка обоих штампов выравнивается, что свидетельствует о том, что при малых поперечных размерах песчаной подушки, без дополнительных инженерных мероприятий, происходит её «раздавливание», сопровождающееся большими поперечными деформациями песчаного грунта;

- разность осадок плоского штампа на естественном основании и на основании, усиленном песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой, при давлении Р=75кПа составляет 35% и с увеличением нагрузки продолжает возрастать вплоть до потери несущей способности основания. Разность осадок штампа на армированной подушке с криволинейной подошвой и на аналогичной подушке без армирования при давлении Р=75кПа составляет 25% и с увеличением нагрузки продолжает возрастать, что говорит о включении в работу армирующего элемента, стесняющего её поперечные деформации.

2.2.3. Выводы по результатам исследования слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с Комплексные экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния массива грунта, усиленного песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой, выявили следующие особенности работы основания:

1. Криволинейное очертание опорной подошвы песчаной подушки обеспечивает более равномерное распределение напряжений в основании, что приводит к уменьшению осадки и, соответственно, увеличению несущей способности основания.

2. Применение песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой позволило снизить осадку на 35% по сравнению с естественным основанием и на 25% с основанием усиленным песчаной подушкой без армирования.

3. Внедрение армирующего элемента по контуру песчаной подушки стесняет её поперечные деформации и, соответственно, уменьшает осадку за счёт снижения деформации сжатия песчаного грунта.

4. Для увеличения эффекта применяемого способа усиления основания в виде песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, предложено исключить зоны раннего развития пластических деформаций, формирующиеся по краям штампа в слабом глинистом основании, путём увеличения размера песчаной подушки у подошвы штампа.

2.3. Исследование деформируемости грунтового основания усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой Для изучения деформируемости основания использовался метод «фотофиксации». Методика его проведения подробно описана О. В. Ашихминым [6].

Суть его заключается в формировании на боковой поверхности грунта сетки из марок, расположенных за прозрачной стенкой. Далее фиксируется начальное положение марок при помощи фотосъёмки и затем на каждой ступени нагружения производится фотофиксация. После проведения эксперимента фотографии попарно обрабатываются в программах по обработке цифровых изображений, в результате чего получаются значения перемещений частиц грунта.

Точность измерения деформаций при помощи цифровых изображений зависит от разрешения фотоснимка. При увеличении разрешения в два раза, точность определения деформаций также увеличивается в два раза.

Экспериментальная установка представляла собой грунтовый лоток в виде отсеченного диаметральной плоскостью половину цилиндра. Диаметральная стенка лотка выполнена из прозрачного оргстекла, что позволяет осуществлять визуальный и инструментальный контроль за деформациями основания. Высота лотка 800мм, диаметр 980мм (рисунок 2.14).

Технология внедрения марок в грунтовое основание и цифрового слежения были приняты согласно работе О. В. Ашихмина [6].

Для снижения влияния стенок лотка, на внутреннюю стенку с помощью технического вазелина внахлест наклеивалось два слоя полиэтиленовой пленки.

Загружение штампов выполнялось ступенчато, статической нагрузкой при помощи консольно-рычажной системы. Каждую ступень выдерживали до условной стабилизации деформации грунта. За критерий условной стабилизации деформации принимали скорость осадки штампа, не превышающую 0,1мм за последние 2 часа.

Осадка штампов измерялась при помощи двух прогибомеров 6ПАО, установленных на реперной системе.

Размеры моделей фундаментов в плане представляли прямоугольник с шириной 100мм и длиной 250мм, что было обусловлено размерами испытательного лотка.

В качестве грунтового основания использовался суглинок нарушенной структуры, который послойно (h=200мм) укладывался в лоток. При заполнении лотка отбирались пробы грунта для определения его физико-механических характеристик.

Физико-механические характеристики грунта приведены в таблице 2.4.

Физико-механические характеристики грунта деформации E,МПа Исследования проводились на моделях грунта без усиления основания и с усилением песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой. Форма песчаной подушки формировалась в виде отсеченного эллипса, глубиной равной ширине штампа (100мм). Ширина песчаной подушки формировалась из условия заведения за грань штампа не менее половины его ширины (70мм). Общий вид моделей представлен на рисунке 2.15.

а – штамп на основании, усиленном песчаной армированной подушкой с криволинейной Каждый эксперимент повторялся не менее трёх раз. При доверительной вероятности р=0,9 случайные погрешности измерений не превышали: при измерениях осадок – 7%; при измерениях перемещений – 9%.

2.3.1. Результаты экспериментальных исследований деформируемости грунтового основания, усиленного песчаной армированной по контуру В результате проведенных экспериментов были построены графики зависимости «осадка-давление» (рисунок 2.16).

Рисунок 2.16. Экспериментальные графики «осадка-давление»:

1 – основание, усиленное песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной Из анализа графиков видно, что осадка штампа на естественном основании нарастает гораздо быстрее осадки штампа на основании, усиленном песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой. Разница осадок штампов на первых ступенях составляет 10%. При давлении равном 50 кПа наблюдается заметное увеличение разности осадок между штампами, что свидетельствует о включении в работу армирующего элемента. Разница в осадках растёт до окончания эксперимента. График осадки штампа на естественном основании имеет явно выраженный «срыв» при давлении, превышающем 150кПа. На графике осадки штампа на основании, усиленном песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой, при давлении, равном 200кПа, срыва не наблюдается. Общий вид основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой, после испытания представлен на рисунке 2.17.

Рисунок 2.17. Общий вид основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой Для определения перемещений грунта в основании вводилась прямоугольная система координат ХOZ, где: ось Z – проходит через центр штампа и направлена вертикально вниз, ось Х – проходит через центральную точку подошвы штампа и направлена по горизонтали вправо; точка 0 является центром координатных осей.

При проведении эксперимента предусматривалось определение вертикальных w( z ), горизонтальных v( x) и полных перемещений ( z, x) w( z ) 2 + v( x) 2 грунта.

Перемещения грунта находились как разница между изменившимся геометрическим положением марок в плоскости ХOZ и их начальным расположением. Данным методом были построены изолинии всех трех искомых перемещений для обоих вариантов грунтового основания, для ступеней при Р=50кПа (рисунок 2.18), Р=100кПа (рисунок 2.19) и Р=150кПа (рисунок 2.20).

Изолинии создавались при помощи геоинформационной системы Golden Software Surfer 8. Данная программа используется для построения графических изображений функций двух переменных.

Достоинством данной программы являются заложенные в неё алгоритмы интерполяции, которые позволяют с высочайшим качеством создавать цифровые модели поверхности по неравномерно распределённым в пространстве данным.

Используемый для построения метод «Криге» включает возможность применения различных моделей вариограмм, использования разновидности алгоритма со сносом, а также учета анизотропии. Данный метод пытается выразить тренды, которые предполагаются в данных. Например, точки высокого уровня предпочтительнее соединять вдоль гребня, а не изолировать с помощью замкнутых горизонталей вокруг экстремальных точек.

При Р=50кПа (рисунок 2.18) вертикальные перемещения у обоих штампов практически одинаковые и распространяются на глубину 1,5b (b-ширина штампа), однако у штампа на усиленном основании, за счет криволинейного очертания подошвы песчаной армированной подушки, наблюдается включение в работу грунта по всему периметру криволинейной подошвы. Области горизонтальных деформаций распространяются на глубину 0,8b.

Максимальные значения горизонтальных перемещений для неподкреплённого основания зафиксированы на глубине 0,3b под краем штампа и равны 0,6мм.

Распространение зон горизонтальных перемещений для неподкреплённого основания происходит от края штампа и вертикально по глубине.

Для усиленного основания максимальные значения горизонтальных перемещений равны 0,3мм. Распространение зон горизонтальных перемещений усиленного основания имеет радиальный характер с центром в начале координат (рисунок 2.18 б).

Площадь зон горизонтальных перемещений для неподкреплённого основания превосходит площадь зон усиленного основания в 1,8 раз.

При Р=100кПа (рисунок 2.19) наблюдается увеличение вертикальных перемещений частиц грунта у обоих вариантов основания, однако на усиленном основании с возрастанием давления происходит перераспределение деформаций по контуру песчаной подушки, тем самым включая в работу не только грунт расположенный непосредственно под подошвой штампа, но и глинистый грунт расположенный по всей криволинейной поверхности подушки.

Максимальные значения горизонтальных перемещений у обоих штампов формируются на глубине 0,4-0,5b, у штампа на неподкреплённом основании под краем штампа, у штампа на усиленном основании зоны располагаются радиально, со смещением к краю штампа (рис.2.19 б). По абсолютным значениям максимальные значения различаются в 2 раза. Следует отметить, что максимальные горизонтальные перемещения происходят в теле песчаной армированной подушки. Данный факт позволяет за счет контурного армирования геосинтетическим материалом добиться снижения поперечных деформаций песчаной подушки.

При увеличении давления до Р=150кПа (рисунок 2.20), зона распространения вертикальных перемещений на усиленном основании принимает «луковидное»

очертание, с включением в работу окружающего грунта по всей кривизне подушки.

Максимальные значения горизонтальных перемещений у штампа на неподкреплённом основании формируются на глубине 0,6b, у штампа на усиленном основании на 0,4b. У штампа на усиленном основании максимальные горизонтальные перемещения находятся в теле песчаной армированной подушки, что приводит к уменьшению их абсолютных значений. Глубина распространения зон горизонтальных деформаций грунта для штампа на неподкреплённом основании составляет 2,8b, для усиленного основания – 1,7b.

Следует отметить, что для обоих штампов в зоне глубиной 1,5b происходит до 60% от общей осадки штампов.

Рисунок 2.18. Изолинии перемещений в основании штампов при Р = 50кПа:

а) вертикальные, б) горизонтальные, в) полные.

(слева – неподкреплённое основание; справа – усиленное основание) Рисунок 2.19. Изолинии перемещений в основании штампов при Р = 100кПа:

а) вертикальные, б) горизонтальные, в) полные.

(слева – неподкреплённое основание; справа – усиленное основание) Рисунок 2.20. Изолинии перемещений в основании штампов при Р = 150кПа: