Определение сжимаемости и прочности засоленных грунтов |
Характеристики сжимаемости и прочности следует определять для засоленных грунтов естественной влажности и структуры и после предварительного водонасыщения. Если в процессе строительства и эксплуатации ожидается систематическое обводнение большим количеством воды или в результате изменения гидрогеологических условий возможно систематическое Движение грунтовых вод, характеристики сжимаемости грунта необходимо определять на компрессионно-фильтрационных приборах (типа Ф-1М). Прочностные характеристики засоленных глинистых грунтов при увлажнении и развитии процессов химической суффозии значительно ниже прочности грунта природного состава и состояния (на 10-75%), поэтому прочность следует определять после водонасыщения и удаления легкорастворимых солей. Для установления фактического распределения напряжений в основании жесткого штампа, расположенного на засоленных глинистых грунтах природной структуры, при естественной влажности и после обводнения засоленных грунтов оснований были проведены полевые экспериментальные исследования. Чтобы определить влияние изменения солевого состава при выносе солей в процессе обводнения грунтов основания, а также установить, как изменяются контактные напряжения в основании жесткого штампа и напряженно-деформированное состояние в грунтовом основании из засоленных грунтов с большим содержанием легкорастворимых солей, проводилось обессоливание грунтов оснований. При замачивании были выявлены значительная (более 8 см) осадка штампов площадью 5000 и 10 000 см2 и растрескивание грунта в грунтовом основании и вокруг штампа. При замачивании основания нагруженных штампов наблюдались просадочные деформации в течение 40-110 мин. Предварительное обессоливание засоленных глинистых грунтов в основании штампа проводилось под нагрузкой и без нагрузки. Для этого на расстоянии 40-60 см от края штампа пробуривали вертикальные скважины глубиной до 5 м, диаметром 48-60 мм. Скважины, соединенные между собой каналом, были заполнены песком средней крупности. Песок в скважинах уплотняли с помощью шуровки, изготовленной из арматурной стали. В первой серии опытов в скважины подавалась водопроводная вода, расход которой замерялся водомером. Минерализованная вода направлялась в шурф, отрытый на расстоянии 2 м от штампа. Регулярно определяли химический состав воды анализом водной вытяжки. Продолжительность замачивания и обессоливания грунта основания штампа составляла 7-10 сут. После выноса 40-60% водорастворимых солей (по анализу водной вытяжки) на штамп площадью 5 000 см2 прикладывалась нагрузка ступенями 0,02 МПа. Перемещения штампа и грунта вокруг него измерялись прогибомерами ПМ-1 и индикаторами часового типа И-1. Во второй серии опытов (всего было проведено шесть опытов) вода в скважины подавалась после приложения на штамп определенной нагрузки 0,04; 0,08; 0,1; 0,14 МПа. При непрерывной подаче воды и неизменной нагрузке, которая поддерживалась гидравлическими домкратами, замерялась осадка штампа. В процессе нагружения штампов и обводнения систематически определялись показания мессдоз, осадки штампов и перемещения поверхностных и глубинных марок. Так как в процессе эксплуатации сооружений происходят подтопление территории, вынос водорастворимых солей, изменение физико-механических свойств основания, то соответственно перераспределяются напряжения по подошве фундамента, что вызывает изменение изгибающих моментов и перерезывающих сил, приводящих к разрушению фундамента. Особенно это важно для фундаментов в засоленных грунтах, которые обладают значительной агрессивностью к бетону и металлу фундамента, а развитие трещин в теле фундаментов приводит к солевой коррозии бетона и арматуры. Контактные напряжения по подошве жесткого фундамента-штампа определяли в течение четырех-пяти недель под штампами площадью 5 000 и 10 000 см2, в грунтах естественной влажности и засоленности, а также при замачивании их. В связи со значительной продолжительностью каждого опыта на водонасыщенном основании, обусловленной временем стабилизации осадки штампа, было проведено семь опытов. После каждого опыта производилась тарировка мессдоз и домкратов на специальных лабораторных стендах. В первой серии опытов штампы и мессдозы на контакте между поверхностью жесткого круглого штампа и грунтового основания устанавливали в маловлажных засоленных глинистых грунтах, природная влажность которых (0,047-0,07) значительно ниже влажности на границе раскатывания. Нагружение штампов доводилось до среднего давления под подошвой штампа до 0,4 МПа. Вторая серия опытов проводилась на маловлажных грунтах, в основании которых были устроены песчаные дрены по сетке 40x40 см, а сверху засоленные грунты покрывали слоем, песка толщиной 5-8 см. На эту песчаную подушку устанавливали жесткий штамп с мессдозамй, которые были расположены как и в первой серии опытов. Нагружение производилось ступенями 0,01; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1; 0,14; 0,18; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4 МПа. При среднем давлении под подошвой штампа 0Д8' МПа производилось замачивание маловлажных грунтов основания в течение 7-11 сут. В процессе замачивания, когда нагрузка на штамп не увеличивалась, ежедневно снимали показания мессдоз на контакте между жестким штампом и основанием и определяли осадки штампов. Через 7-11 сут, когда показания мессдоз стабилизировались, замеряли дополнительные осадки (просадки) и продолжали загружение штампа до среднего давления под его подошвой 0,25 МПа. Третья серия опытов проводилась с теми же штампами на грунтах, предварительно водонасыщенных и частично обессоленных. Мессдозы были расположены в тех же местах, как и при первых двух сериях опытов. Как показали результаты экспериментальных исследований первой серии опытов по распределению контактных напряжений в маловлажных засоленных глинистых грунтах твердой и полутвердой консистенции, при достижении среднего давления под подошвой штампа 0,06 МПа контактные напряжения в основании штампа в разных точках практически одинаковы. При дальнейшем увеличении нагрузки на штамп напряжения под краями возрастают быстрее, чем под центром штампа, и эпюра контактных напряжений под круглым жестким штампом приобретает седлообразную форму с минимальным значением под центром штампа. При увеличении среднего давления под подошвой штампа более 0,25 МПа начинает значительно быстрее возрастать среднее давление под центром штампа, чем под краями. При давлении 0,32 МПа происходит трансформация формы эпюры, так как во всех трех опытах при таком давлении под подошвой напряжения под центром штампа незначительно отличаются от напряжений, измеренных под краями штампа (рис. 13).
После предварительного замачивания засоленных грунтов с большим количеством водорастворимых солей эпюра напряжений при малых ступенях нагрузки, при которых среднее давление под подошвой жесткого штампа р = 0,03 МПа, распределяется по контактной поверхности достаточно равномерно. При увеличении нагрузки (до р = 0,1 МПа) контактные напряжения возрастают в основном под краями штампа и лишь незначительно под центром. Контактные напряжения под центром составляют 40-70% величины среднего давления под штампом. При дальнейшем увеличении нагрузки на штамп (до р = 0,14 МПа) интенсивно увеличивались контактные напряжения под центром штампа. При среднем давлении под штампом р = 0,18-0,22 МПа контактные напряжения под центром штампа составляли 65-85% напряжений под краем штампа. Как показывает характер распределения * контактных напряжений под штампами площадью 5 000 и 10000 см2 при естественной влажности основания (w = 0,12) ниже влажности на границе раскатывания (wр = 0,14), при ступенях нагрузки 0,02-0,12 МПа, экспериментальные значения контактных напряжений незначительно (до 15%) отличаются от расчетных. Распределение контактных напряжений в маловлажных засоленных грунтах при определенных средних давлениях под подошвой жесткого штампа (0,22-0,25 МПа) и в водонасыщенных грунтах при среднем давлении менее 0,1 МПа может быть описано по теории упругости с учетом закруглений краев штампа. При таких давлениях происходит трансформация эпюры контактных напряжений - эпюра приобретает форму параболы с максимальным напряжением под центром штампа. При обводнении маловлажных засоленных глинистых грунтов с большим содержанием легкорастворимых солей в основании нагруженного штампа при давлении более 0,14 МПа наблюдается трансформация эпюры контактных напряжений без увеличения нагрузки на штамп. Для водонасыщенных засоленных грунтов при одинаковой схеме их нагружения грунтов и для одних и тех же диапазонов действующего давления модули общей деформации, определенные по результатам полевых штамповых и компрессионных опытов, отличаются незначительно. Для определения модуля общей деформации после выноса водорастворимых солей, на расстоянии 40-60 см от края штампа были пробурены вертикальные скважины диаметром 89 мм, которые непрерывно заполняли водопроводной водой. Расход воды определяли расходомером.
Профильтровавшаяся вода попадала в шурф, отрытый на расстоянии 2 м от края с другой стороны штампа, откуда откачивалась электрическим насосом. Общая продолжительность опыта составляла 25 сут. Суффозионная осадка при фильтрации воды в основании штампа, находящегося под давлением 0,12 МПа, проявилась в виде резкой просадки и составила 89 мм, т.е. 80% общей осадки штампа (рис. 14). Напряженно-деформированное состояние основания при замачивании грунта определяли с помощью мессдоз, установленных под центром и краями штампа на разной глубине. Было установлено, что при среднем давлении под штампом, меньшем структурной прочности сжатия грунтов основания, экспериментальные данные хорошо согласуются с данными распределения вертикальных напряжений по теории линейно-деформируемых тел. С увеличением нагрузки на штамп глубина распределения вертикальных напряжений увеличивается и наблюдается концентрация напряжений. Эпюра вертикальных напряжений приобретает более вытянутую (по оси z)форму. Расхождение данных эксперимента (кривые I) по измерению вертикальных напряжений под центром круглого штампа при среднем давлении под подошвой штампа 0,06 МПа и теоретических расчетов (кривые II) для засоленных глинистых грунтов при естественной влажности грунта основания составило около 8% (рис. 15, а).
Рис. 15 Распределение вертикальных напряжений под жестким круглым штампом в основании засоленных глинистых грунтов природной влажности (а) ив толще в одонасыщенных засоленных грунтов (б) В основании, сложенном водонасыщенными засоленными суглинками, глубина зоны сжатия значительно больше по сравнению с маловлажными грунтами и концентрация вертикальных напряжений происходит более интенсивно по вертикальной оси. По мере возрастания нагрузки увеличиваются концентрация вертикальных напряжений под центром штампа и активная зона сжатия грунтов. |