Прочностные свойства лёссовых просадочных грунтов характеризуются, как отмечалось рядом исследователей [1–5], двумя показателями: углом внутреннего трения «φ» и сцепления «С». С повышением влажности просадочного грунта до полного водонасыщения с учётом динамических нагрузок сцепление снижается в 3–10 раз, а угол внутреннего трения в 1,1–1,4 раза. С повышением степени плотности сцепление и угол внутреннего трения возрастают.
Учитывая сложные гидрогеологические условия: сейсмичность района, постоянное динамическое воздействие на транспортные сооружения, а также возможность постоянной инфильтрации (по всей площади и локально), и практически ликвидации зоны аэрации под дорогами. При проектировании следует принимать в расчетах φ и С для грунтов при прогнозируемой фактической влажности, с учётом приложения динамических нагрузок [8, 9].
Установлено, что ослабление внутренних связей прогрессирует за счет гидродинамического противодавления, обусловленного динамическим напором (избыточным давлением), возникающим в толще грунта в процессе уплотнения нарушенных структур частиц. Все это позволяет оценивать величину сопротивляемости лёссовых грунтов при интенсивных динамических воздействиях следующим выражением:
(1)
где – нормативные напряжения от веса грунта, лежащего выше рассматриваемого горизонта, и веса сооружения;
– объемный вес воды;
– динамический напор, отвечающий моменту времени t;
– угол внутреннего трения при влажности W;
– связность грунта, имеющая водно-коллоидную природу и отвечающая моменту времени t;
–структурное сцепление, обязанное проявлению в грунтах цементации, спеканию и кристаллизации.
Как известно, сопротивляемость грунтов охарактеризована проф. Н.Н. Масловым [6, 7]. При t=0 соответственно ht=0 и =
, тогда данное выражение приобретает общеизвестный вид:
(2)
Анализ многочисленных опытов с лессовыми грунтами многих учёных, позволил установить характер изменения связанности грунта в начальные моменты приложения динамической нагрузки, близкой к зависимости
(3)
где ,
– соответственно начальное и конечное значения связанности грунта;
–динамический параметр, характеризующий свойства грунта и силу динамического воздействия; t – длительность сотрясения. Формула (3) вполне сопоставляется с экспериментальными данными.
Исследования показывают, что в процессе нарушения структуры лёсса в любом горизонте водонасыщенной толщи динамический напор прогрессивно возрастает во времени, до своей максимально возможной величины, соответствующей заданному динамическому режиму при данной плотности и степени разрушения связанности, а затем относительно медленно падает.
Очевидно, возрастание динамического напора во времени на горизонте Z связываются с постепенным увеличением количества воды, освобождающейся во времени из объема грунта, охваченного сейсмическим воздействием. Для прогноза возрастающей величины динамического напора предложена формула
(4)
где – коэффициент динамического уплотнения, свидетельствует о скорости уплотнения данного грунта при заданной динамической нагрузки;
– коэффициент фильтрации грунта; L – активная, переходящая в наружное состояние зона, определяемая по выражению:
(5)
где – объемный вес грунта; g – ускорение силы тяжести; T – период колебаний; V – скорость распространения сейсмических волн;
- максимальное сейсмическое ускорение;
– нагрузка от веса сооружения;
- общее сцепление (
=
).
В связи с ослаблением во времени прочности грунта, при сотрясении величина активной зоны, определяемой по формуле (5), будет иметь другое значение, и определяться с учетом изменения прочностных характеристик грунта:
(6)
При решении задач, связанной с оценкой динамической (сейсмической) устойчивости грунтов наиболее важно установление критерия перехода их в динамически нарушенное состояние. Для этой цели предложена формула:
(7)
где – критическое ускорение, при котором начинается нарушение структуры грунта, согласно предложения Х.З. Расулова [9].
Учитывая вышесказанное, основная задача заключалась в определении характера изменения связности грунта при изменении степени влажности и динамическом воздействии, точнее интенсивности и длительности ожидаемого сотрясения.
Изучались лёссовые просадочные грунты с пористостью от 36 до 50 %. Образцы отбирались в шурфах глубиной до 20 м (эти же образцы использовались для изучения просадочности).
При проведении экспериментов использовалась теория проф. Н.Н. Маслова - теория «плотности-влажности».
На основании статической обработки полученных результатов составлены (таблицы 1–4) для определения и
при интенсивности сейсмодействия (динамического) при J=7-8 баллов и коэффициенте водонасыщения Sr
0,8.
Учитывая, что на Юге Украины и Северного Кавказа и других регионов широкое распространение имеют среднепросадочные грунты с пористостью n=43-48 %, обладающие низкими прочностными характеристиками и высокой деформационной способностью, возникает необходимость применения различных методов уплотнения грунтов.
Так же получены значения удельного сцепления , МПа и угла внутреннего трения
, град. лессовых грунтов при Sr ≥0,8 при стабилизированном сдвиге с предварительным обжатием образцов, быстром сдвиге образцов грунта без предварительного обжатия, быстром сдвиге образцов грунта без предварительного обжатия и J=7-8 баллов при Wp от 0,15 до 0,21 и коэффициенте пористости
=0,5-0,7.
Таблица 1
Рекомендуемые значения удельного сцепления , МПа и угла внутреннего трения
, град. лессов при Sr
0,8 (при стабилизированном сдвиге с предварительным обжатием образцов)
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||||
|
0,45 |
0,50 |
0,55 |
0,60 |
0,65 |
0,70 |
0,75 |
||
|
0,13 |
CW φW |
0,014 24°50ꞌ |
0,011 24°25ꞌ |
0,008 24° |
0,007 23°10ꞌ |
0,06 22°35ꞌ |
0,05 22° |
0,04 21°20ꞌ |
|
0,15 |
CW φW |
0,027 23°40ꞌ |
0,021 23°25ꞌ |
0,016 22°50ꞌ |
0,013 22°25ꞌ |
0,012 21°50ꞌ |
0,01 21°20ꞌ |
0,008 21° |
|
0,17 |
CW φW |
0,036 22°45ꞌ |
0,033 22°15ꞌ |
0,029 21°45ꞌ |
0,024 21°20ꞌ |
0,02 20°45ꞌ |
0,017 20°20ꞌ |
0,015 19°40ꞌ |
|
0,19 |
CW φW |
|
0,037 22°10ꞌ |
0,034 21°35ꞌ |
0,031 20°15ꞌ |
0,028 19°45ꞌ |
0,024 19°20ꞌ |
0,02 18°50ꞌ |
|
0,21 |
CW φW |
|
|
|
0,036 19°15ꞌ |
0,032 18°40ꞌ |
0,03 18°30ꞌ |
0,027 18° |
|
0,23 |
CW φW |
|
|
|
|
|
0,034 17°40ꞌ |
0,031 17°25ꞌ |
Продолжение таблицы 1
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||
|
0,8 |
0,85 |
0,9 |
0,95 |
1,0 |
||
|
0,15 |
CW φW |
0,007 20°25ꞌ |
0,006 19°55ꞌ |
0,005 19°30ꞌ |
0,004 19° |
0,003 18°40ꞌ |
|
0,17 |
CW φW |
0,014 19°20ꞌ |
0,013 18°55ꞌ |
0,011 18°33ꞌ |
0,01 18°05ꞌ |
0,009 17°40ꞌ |
|
0,19 |
CW φW |
0,018 18°25ꞌ |
0,016 18° |
0,015 17°40ꞌ |
0,014 17°20ꞌ |
0,013 17° |
|
0,21 |
CW φW |
0,024 17°40ꞌ |
0,020 17°20ꞌ |
0,019 17° |
0,017 16°20ꞌ |
0,016 15°45ꞌ |
|
0,23 |
CW φW |
0,029 17° |
0,026 16°10ꞌ |
0,024 15°40ꞌ |
0,02 15° |
0,019 14°20ꞌ |
Таблица 2
Рекомендуемые значения удельного сцепления , МПа и угла внутреннего трения
, град. лессовых грунтов при Sr ≥0,8 (при быстром сдвиге без предварительного обжатия образцов)
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||||||||
|
0,45 |
0,50 |
0,55 |
0,60 |
0,65 |
0,70 |
0,75 |
||||||
|
0,13 |
CW φW |
0,016 23°40ꞌ |
0,013 23°20ꞌ |
0,01 23° |
0,009 22°40ꞌ |
0,007 22°10ꞌ |
0,006 21°50ꞌ |
0,005 21°30ꞌ |
||||
|
0,15 |
CW φW |
0,03 22°40ꞌ |
0,024 22°15ꞌ |
0,019 21°40ꞌ |
0,016 21°15ꞌ |
0,014 20°50ꞌ |
0,012 20°20ꞌ |
0,01 20°00ꞌ |
||||
|
0,17 |
CW φW |
0,041 21°15ꞌ |
0,037 20°45ꞌ |
0,033 20°15ꞌ |
0,028 20°00ꞌ |
0,024 19°25ꞌ |
0,021 19°00ꞌ |
0,018 18°30ꞌ |
||||
|
0,19 |
CW φW |
|
0,043 20°30ꞌ |
0,039 20°00ꞌ |
0,036 18°45ꞌ |
0,033 18°15ꞌ |
0,028 18°00ꞌ |
0,024 17°30ꞌ |
||||
|
0,21 |
CW φW |
|
|
|
0,042 17°40ꞌ |
0,037 17°25ꞌ |
0,035 17°15ꞌ |
0,032 17°00ꞌ |
||||
|
0,23 |
CW φW |
|
|
|
|
|
0,042 16°40ꞌ |
0,038 16°30ꞌ |
||||
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||||||||
|
0,8 |
0,85 |
0,9 |
0,95 |
1,0 |
||||||||
|
0,15 |
CW φW |
0,009 19°25ꞌ |
0,008 18°55ꞌ |
0,006 18°35ꞌ |
0,005 18°00ꞌ |
0,004 17°45ꞌ |
||||||
|
0,17 |
CW φW |
0,017 18°00ꞌ |
0,016 17°45ꞌ |
0,013 17°20ꞌ |
0,012 17°00ꞌ |
0,011 16°40ꞌ |
||||||
|
0,19 |
CW φW |
0,021 17°10ꞌ |
0,019 16°50ꞌ |
0,018 16°40ꞌ |
0,016 16°30ꞌ |
0,014 16°00ꞌ |
||||||
|
0,21 |
CW φW |
0,028 16°40ꞌ |
0,024 16°35ꞌ |
0,022 16°10ꞌ |
0,019 15°40ꞌ |
0,017 15°00ꞌ |
||||||
|
0,23 |
CW φW |
0,035 16°10ꞌ |
0,031 15°20ꞌ |
0,028 15°00ꞌ |
0,023 14°20ꞌ |
0,021 13°50ꞌ |
||||||
Для лёссовых грунтов, обладающих при замачивании просадочными свойствами, определенный интерес представляет величина обжимающего вертикального давления, увязанная с начальным давлением или порогом просадочности.
Для определения С и в начале давались уплотняющие нагрузки меньше, чем начальное давление просадочности, для серии образцов отобранных с глубины 2,0 м. Характеристики грунта были следующие:
=1,60 г/см3;
=0,939; Wp=0,17; WL=0,30 относительная просадочность при p =0,12 и 0,3 МПа составила соответственно 0,014; 0,037 и 0,052. Часть водонасыщенных образцов грунта (серия 1) предварительно уплотнилась при давлениях: p = 0,02; 0,04; 0,06 МПа и испытания на срез проводились при этих же давлениях.
Для части водонасыщенных образцов грунта (серия 2) образцы предварительно уплотнялись при давлении p = 0,06 МПа, и затем производился их сдвиг при давлениях p = 0,02; 0,04; 0,06 МПа. А третья группа образцов (серии 3) грунта естественной влажности и в водонасыщенном состоянии, уплотнялись и срезались при давлениях p = 0,1; 0,2; 0,3 МПа. А также ряд образцов (серии 4) при тех же значениях влажности предварительно уплотнялись при давлении p = 0,3 МПа, и срезались при давлении p = 0,1; 0,2; 0,3 МПа (табл. 5).
Таблица 3
Рекомендуемые значения удельного сцепления , МПа и угла внутреннего трения
, град. лессовых грунтов при Sr =0,8 и интенсивности сейсмического воздействия J=7-8 баллов
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||
|
0,55 |
0,60 |
0,65 |
0,70 |
0,75 |
||
|
0,15 |
CW φW |
0,016 24°30ꞌ |
0,013 22°20ꞌ |
0,011 21°30ꞌ |
0,009 20°30ꞌ |
0,007 20°10ꞌ |
|
0,17 |
CW φW |
0,030 21°40ꞌ |
0,024 21°30ꞌ |
0,02 20°30ꞌ |
0,016 20°10ꞌ |
0,014 19°10ꞌ |
|
0,19 |
CW φW |
0,034 20°40ꞌ |
0,031 20°10ꞌ |
0,027 19°40ꞌ |
0,023 18°50ꞌ |
0,018 18°15ꞌ |
|
0,21 |
CW φW |
|
0,036 19°20ꞌ |
0,032 18°40ꞌ |
0,030 18°30ꞌ |
0,026 17°40ꞌ |
|
0,23 |
CW φW |
|
|
|
0,035 17°40ꞌ |
0,031 17°15ꞌ |
Таблица 4
Рекомендуемые значения удельного сцепления , МПа и угла внутреннего трения
, град. лессовых грунтов при Sr
0,8 J=7-8 баллов (при стабилизированном сдвиге с предварительным обжатием образцов)
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||
|
0,50 |
0,55 |
0,6 |
0,65 |
0,70 |
||
|
0,15 |
CW φW |
0,02 22°50ꞌ |
0,015 22°00ꞌ |
0,012 21°25ꞌ |
0,01 20°50ꞌ |
0,008 20°10ꞌ |
|
0,17 |
CW φW |
0,031 21°20ꞌ |
0,027 20°35ꞌ |
0,02 20°10ꞌ |
0,016 19°10ꞌ |
0,012 18°30ꞌ |
|
0,19 |
CW φW |
0,035 21°30ꞌ |
0,03 21°00ꞌ |
0,027 19°20ꞌ |
0,023 18°20ꞌ |
0,018 17°45ꞌ |
|
0,21 |
CW φW |
|
|
0,031 18°20ꞌ |
0,027 17°20ꞌ |
0,023 17°00ꞌ |
Таблица 5
Обобщенные результаты сдвиговых испытаний лёссовидного суглинка
|
серия |
Начальное давление при |
При влажности грунта |
||||
|
Уплотнении, МПа |
Сдвиге, МПа |
естественного |
водонасыщенного |
|||
|
С, МПа |
φ, град |
С, МПа |
φ, град |
|||
|
1 |
0,02;0,04;0,06 |
0,02;0,04;0,06 |
- |
- |
0,005 |
16 |
|
2 |
0,06 |
0,06;0,04;0,02 |
- |
- |
0,007 |
16 |
|
3 |
0,1;0,2;0,3 |
0,1;0,2;0,3 |
0,03 |
21 |
0,011 |
20 |
|
4 |
0,3 |
0,3;0,2;0,1 |
0,05 |
20 |
0,013 |
19 |
Из таблицы видно: образцы грунтов серии 1 и 3 имеют более низкие значения удельного сцепления С и несколько более высокие по сравнению с результатами, полученными при испытании по методике с предварительным уплотнением грунта (серий 2 и4). В известной мере это объясняется тем, что плотность переуплотненных образцов при конечных вертикальных давлениях p = 0,06 и 0,3 МПа будет больше, чем при давлениях уплотнения p = 0,02; 0,04; 0,1 и 0,2 МПа, при которых осуществляется срез в опытах серии 1и 3. При оценке прочности лессовых грунтов в зависимости от продолжительности замачивания наблюдается различное сопротивление их сдвигу.
В процессе проявления просадочной деформации прочность грунта резко падает, так как вначале замачивания наиболее интенсивно происходит размягчение цементационных связей. После проявления просадочной деформации, сопровождающейся уплотнением грунта, проявлением дополнительны контактов между частицами и формированием новой структуры прочность её несколько возрастает.
Вывод: лёссовые грунты, в отличие от обычных глинистых непросадочных грунтов требуют особого подхода при оценке их прочности. На значение параметров прочности лёссовых грунтов сказываются методы подготовки образцов грунта к испытаниям, продолжительность из замачивания, скорость сдвига и другие факторы. Поэтому предлагается оценку прочности грунтов необходимо производить по той методике, которая в наибольшей мере соответствует реальным условиям работы грунтового основания сооружения. Это общая задача и инженера-геолога и инженера-проектировщика.
Использование предложенных рекомендаций по предлагаемым значениям CW и , позволяет более точно оценивать несущую способность основания в условиях высокой сейсмичности и динамического воздействия, более надежно проектировать основания и повысить экономическую эффективность.
