STRUCTURAL BEHAVIOUR OF LOESS SUBSIDING SOILS UNDER PERMANENT AND DYNAMIC LOAD
Abstract and keywords
Abstract (English):
Оn the basis of static handling of attained results we composed table for determining СW и φw under intensity of earthquake action (dynamic) under J=7-8 points and degree of saturation Sr 0,8, under different means of soil stabilization.

Keywords:
collapsible soil, drained angle of internal friction, density, soil strength, cohesive properties of soil, structural strength, earthquake action
Text
Publication text (PDF): Read Download

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: ρd =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.

References

1. Gil'man Ya.D., Smirnov I.I. O pokazatelyah prochnosti lessovyh gruntov v Rostovskoy oblasti. «Informacionnyy byulleten'» CTISIZa, vyp. (19). M., 1972.

2. Denisov N. Ya. Stroitel'nye svoystva lessa i lessovidnyh suglinkov. M.: Gosstroyizdat, 1953. 154 s.

3. Krutov V.I. Raschet fundamentov na prosadochnyh gruntah. M.: Stroyizdat, 1972. 176 s.

4. Krutov V.I. Osnovaniya i fundamenty na prosadochnyh gruntah. Kiev, «Budivel'nik», 1982. 220 s.

5. Kulikov G.V. Prochnostnye svoystva prosadochnyh gruntov Prikopetdagskoy ravniny. Sb. «Stroitel'stvo i stroitel'nye materialy Turkmenii». Izd-vo TGU, Ashhabad, 1976 g.

6. Chernysh A.S. K voprosu ocenki ustoychivosti otkosov slozhennyh prosadochnymi gruntami pri dinamicheskih vozdeystviyah i uvlazhnenii // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2015. №6. S. 27-29.

7. Maslov N.N. Osnovy inzhenernoy geologii i mehaniki gruntov. M.: Vyssh. shkola, 1982. 511 s.

8. Maslov N.N. Mehanika gruntov v praktike stroitel'stva. M.: Stroyizdat, 1977.

9. Rasulov H.Z. Seysmichnost' lessovyh osnovaniy zdaniy i sooruzheniy. Tashkent, izd-vo «Uzbekistan», 1977. 163 s.

10. Rasulov H.Z. Ocenka vozmozhnosti narusheniya ustoychivosti svyaznyh gruntov pri zemletryaseniyah. Materialy IV Vsesoyuznoy konferencii. Tashkent, izd-vo «Fan», 1977.


Login or Create
* Forgot password?