Планирование экспериментов по улучшению пучинистых свойств сезоннопромерзающих грунтов с помощью геосинтетических материалов

УДК 624.139

A.B. Мащенко, А.Б. Пономарев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО УЛУЧШЕНИЮ ПУЧИНИСТЫХ СВОЙСТВ СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВ С ПОМОЩЬЮ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Представлены результаты исследования грунтов. Рассмотрены план и методика исследований механических и пучинистых свойств сезоннопромерзающих грунтов, а также способы армирования геосинтетическими материалами.

Ключевые слова: сезоннопромерзающие грунты, морозное пучение, армирование, гео-синтетические материалы, эксперименты.

Значительная часть территории города Перми представлена основаниями, сложенными песчаными и глинистыми грунтами, которые подвержены сезонному промерзанию. Фундаменты, установленные на такие грунты, подвергаются неравномерным деформациям, вызванным морозным пучением и увеличением объема грунта при промерзании. Промерзание пучинистого грунта в основании способно вызвать вертикальные перемещения фундаментов малонагруженных сооружений, как правило - зданий малой этажности. Известно, что методы улучшения свойств грунтов позволяют снизить стоимость возведения традиционных фундаментов. В настоящее время значительное распространение в геотехнической практике строительства получили методы улучшения грунтов с помощью геосинтетических материалов, которые используются для различных случаев армирования грунтовых массивов. На мировом рынке выпускается большое разнообразие видов и типов геосинтетических материалов. Они изготавливаются почти исключительно из полимеров. Применение синтетических армирующих материалов позволяет реально увеличить несущую способность и жесткость грунтовых оснований. Их применение в сезоннопромерзающих грунтах позволяет увеличить несущую способность и жесткость грунтовых оснований, а также снизить деформируемость пучинистых грунтов [1].

Чтобы установить степень улучшения прочностных, деформационных и пучинистых свойств грунтов геосинтетическими материалами, необходимо провести ряд лабораторных испытаний.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1) определить физические свойства мерзлого грунта;

2) определить прочностные свойства грунта методом одноплоскостного среза в мерзлом состоянии с армированием и без армирования;

3) определить деформационные свойства грунта методом компрессионного сжатия в мерзлом состоянии и в состоянии оттаивания с армированием и без армирования;

4) определить степень морозного пучения грунта с армированием и без армирования.

На первоначальном этапе исследований в качестве пионерного грунта взят мелкозернистый песок, который не обладает ярко выраженными пучинистыми свойствами. Для данного грунта были определены физические характеристики при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии (табл. 1) [2].

Таблица 1 Физические характеристики песчаного грунта

Характеристика Ед. изм. Сухой грунт Водонасыщенный грунт

Плотность г/см3 1,62 2,00

Плотность частиц грунта г/см3 2,64 2,64

Влажность % 0,02 23

Коэффициент водонасыщения д.е. 0,0008 0,98

Коэффициент пористости д.е. 0,63 0,62

Далее для данного грунта были определены прочностные и деформационные характеристики методом одноплоскостного среза и компрессионного сжатия. Водонасыщение образцов песчаного грунта выполнялось в приборе перед началом испытания.

Для компрессионных испытаний были назначены следующие ступени нагружения: 25, 50, 100, 200 кПа. Заданное время стабилизации деформации составило 4 ч. Деформации образца регистрировались через промежутки времени, до момента достижения условной стабилизации деформации.

При испытаниях на срез сопротивление грунта срезу определялось как предельное среднее касательное напряжение, при котором образец грунта срезался по фиксированной плоскости при заданном нормальном напряжении. Для одного определения значений угла внутреннего трения, сцепления и угла дилатансии проводились три испытания при различных значениях нормального напряжения. Испытываемый грунт песчаный, поэтому опыты проводились по консоли-дировано-дренированной схеме [3].

Передача нормальной нагрузки происходила в одну ступень. Выдерживалась для предварительного уплотнения в течение 5 минут. Значения нормальной нагрузки были приняты 100, 150 и 200 кПа.

В ходе испытаний проводилась статистическая обработка результатов по ГОСТ 20522-96, все полученные характеристики были сведены в табл. 2, 3.

Таблица 2

Результаты статистической обработки данных испытаний

Наименование характеристики Обозначение Ед. изм. Сухой грунт Водонасыщенный грунт

Компрессионный модуль деформации ЕоесС МПа 17,97 13,43

Сцепление с кН/м2 0,03 0

Угол внутреннего трения ф град 41 39,89

Угол дилатансии V град 17,61 -20,37

Таблица 3

Результаты статистической обработки данных испытаний

Наименование характеристики Обозначение Ед. изм. Сухой грунт Водонасыщенный грунт

Компрессионный модуль деформации ЕоеС МПа 17,06 10,64

Сцепление с кН/м2 0,01 0

Угол внутреннего трения Ф град 34,95 33,25

Угол дилатансии V град 14,89 -19,14

Данный грунт будет испытываться в мерзлом состоянии. Согласно ГОСТ 5180-84 будут определены такие физические характеристики мерзлого грунта, как плотность мерзлого грунта - методом взвешивания в нейтральной жидкости (керосине), влажность и суммарная влажность мерзлого грунта.

В дальнейшем будут определены прочностные и деформационные характеристики методом одноплоскостного среза и компрессионного сжатия согласно ГОСТ 12248-96. Испытания мерзлого грунта будут проводиться при постоянной отрицательной температуре.

Компрессионные испытания мерзлого грунта будут проведены для определения коэффициента сжимаемости ш/, коэффициента оттаивания и сжимаемости при оттаивании ш. Испытания будут проводиться на релаксометре АКР-2. Релаксометр предназначен для испытания мерзлых грунтов. Главным преимуществом этого прибора является многократное сокращение времени при проведении экспериментов с сохраняемой точностью искомых параметров. Перед началом испытания прибор будет охлаждаться в течение 2 ч. Испытания также будут проходить при отрицательной температуре. Нагрузка при испытаниях грунта нарушенного сложения на первоначальной ступени определяется равной 50 кПа. На последней ступени - 950 кПа. Всего ступеней нагружения должно быть не менее пяти, с увеличением нагрузки на каждой ступени не более 400 кПа - 50, 200, 400, 700, 950 кПа. Время стабилизации образца составит 6 ч [4].

При испытании мерзлого грунта на сжатие в момент оттаивания после условной стабилизации деформации на первой ступени нагружения (50 кПа) будет производиться оттаивание образца грунта при повышении температуры воздуха в помещении. Далее испытание грунта будет продолжаться в оттаявшем состоянии. Приращение давления при этом на последующих ступенях принимается 75 кПа. На каждой ступени нагружения будут сниматься отсчеты для измерения вертикальной деформации образца грунта через 5, 10, 20, 30 и 60 мин после приложения нагрузки [4].

Испытания на срез будут проводиться на установке одноплоскостного среза для определения сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности его смерзания с материалом (фундаментом). Предварительно установка охлаждается при отрицательной температуре в тече-

ние 2 ч. Образец материала (фундамента) будет изготовлен из необработанной древесины с отструганной поверхностью. В момент замораживания материала с образцом древесина будет в водонасыщенном состоянии.

Испытания будут проводиться при непрерывном быстром возрастании нагрузки к образцу. Время от начала испытания до момента разрушения образца составит 30 с, при нагрузках 100, 200, 300 кПа. В ходе испытаний нагрузки могут быть увеличены до 600-950кПа [4].

Степень пучинистости грунта будет определена по значению относительной деформации морозного пучения е^, полученному по результатам испытаний образцов грунта в специальных установках. Установка для испытания грунта должна обеспечивать промораживание образца грунта при температуре на верхнем его торце -4 °С и при монотонном понижении температуры на нижнем торце образца от +1 до 0 °С, что обеспечивается автоматическим поддержанием температуры нижней термостатированной плиты +1 °С [5].

Образец грунта в обойме помещают в установку на увлажненный капиллярно-пористый материал поддона. На верхний торец образца устанавливают термостатированную плиту, устанавливают прибор для измерения вертикальных деформаций образца грунта и подключают систему непрерывного подтока воды к образцу. К образцу грунта плавно, не допуская ударов, прикладывают нагрузку, создавая давление 50 кПа [5].

Установку помещают в холодильную камеру и выдерживают при температуре +1 °С не менее 24 ч. В ходе испытания через каждые 12 ч снимают показания приборов для измерения вертикальной деформации образца грунта и температуры верхней и нижней термостатированной плиты. Во время испытания к образцу будет обеспечен непрерывный подток воды [5].

Испытание будет закончено при достижении температуры 0 °С на нижнем торце образца. Сразу после окончания испытания образец будет извлечен из обоймы и разрезан вдоль вертикальной оси для измерения фактической толщины промерзшего слоя [5].

Относительную деформацию морозного пучения образца грунта вычисляют с точностью 0,01 по формуле [5]

где Иу - вертикальная деформация образца грунта в конце испытания, мм; - фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта, мм.

Испытания грунта в мерзлом состоянии, в момент оттаивания, в водонасыщенном состоянии и на определение свойств морозного пучения будут проводиться без армирования и с армированием. В качестве армирования будут использоваться следующие геосинтетиче-ские материалы [6]:

- геотекстиль - самый распространенный геосинтетический материал, представляющий собой геоткань (тканое полотно), а также нетканое полотно, изготавливаемое иглопробивным, термоскрепленным или гидроскреплённым способом из полипропиленовых или полиэфирных нитей (рис. 1);

- геокомпозит ПолиЭф-ТК - новый многофункциональный комбинированный материал, состоящий из полиэфирной геосетки и нетканого геотекстильного полотна, скрепленных между собой (рис. 2);

- геосетка - плоский полимерный рулонный материал сетчатой структуры, отличается высокими механическими характеристиками

- фиброволокно - тончайшее синтетическое волокно, способное заменить металлическую арматуру в железобетоне, входит в состав передовых строительных композитных материалов (рис. 4).

(рис. 3);

а

Рис. 1. Геотекстиль: а - тканый; б - нетканый

Рис. 4. Фиброволокно

Армирование образцов геотекстилем, геокомпозитом и геосеткой будет осуществляться следующим образом. В испытаниях на одноплоскостной срез слой геосинтетических материалов будет расположен по поверхности среза, в компрессионных испытаниях слой гео-синтетического материала будет расположен по середине образца грунта. При испытаниях на морозное пучение геосинтетические материалы будут расположены в грунте слоями, количество слоев будет определено в ходе испытаний. Фиброволокно будет смешиваться с грунтом в разном процентном соотношении.

В дальнейшем подобные испытания будут проводиться с другими грунтами с наиболее ярко выраженными пучинистыми свойствами, такими как: пылеватые пески, супеси, глины разной консистенции. В ходе испытаний будут определены наиболее эффективные способы армирования грунта, позволяющие снизить степень морозного пучения грунтов, а также улучшить прочностные и деформационные свойства грунтов в процессе оттаивания и в водоносыщенном состоянии.

Библиографический список

1. Мащенко A.B., Пономарев А.Б. К вопросу использования армированных сезоннопромерзающих пучинистых грунтов в качестве ос-

нований фундаментов // Вестник Перм. нац. исслед. политехи. ун-та. Строительство и архитектура. - 2012. - С. 64-80.

2. Татьянников Д.А., Клевеко В.И., Пономарев А.Б. Анализ работы армированного песчаного основания на основе штамповых модельных испытаний // Вестник Перм. нац. исслед. политехи. ун-та. Урбанистика. - 2012. - № 4. - C. 92-103.

3. Салимгариева Н.И., Калошина С.В. Негативное влияние подтопления территории городской застройки на состояние зданий и сооружений // Вестник Перм. нац. исслед. политехи. ун-та. Строительство и архитектура. - 2012. - С. 95-100.

4. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. - М., 1996.

5. ГОСТ 28622-90. Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости. - М., 2002.

6. Методы строительства армогрунтовых конструкций: учеб.-метод. пособие / В.Г. Офрихтер, А.Б. Пономарев, К.В. Решетникова, В.И. Клевеко. - М.: Изд-во АСВ, 2012. - 152 с.

A.V. Mashchenko, A.B. Ponomarev

EXPERIMENTS TO INVESTIGATE IMPROVING OF HEAVING PROPERTIES OF SEASONAL FREEZING SOILS BY GEOSYNTHETICS

Results of research of soil are presented in article. The plan and technique of researches of mechanical and heaving properties of seasonal freezing soils are composed. Ways of reinforcing of soil by geosynthetic materials are also reviewed.

Keywords: seasonal freezing, frost heave, reinforcement, geosynthetics, experiments.

Сведения об авторах

Мащенко Александра Витальевна (Пермь, Россия) - ассистент кафедры «Строительное производство и геотехника» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: spstf@pstu.ru).

Пономарев Андрей Будимирович (Пермь, Россия) - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительное производство и геотехника» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: spstf@pstu.ru).

About the authors

Mashchenko Aleksandra Vitalievna (Perm, Russia) - Assistant Lecturer, Department of Building production and geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: spstf@pstu.ru).

Ponomarev Andrey Budimirovich (Perm, Russia) - Doctor of Technics, Professor, Head of Department of Building production and geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: spstf@pstu.ru).

Получено 20.03.2013