МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ГРАБОВЕЦЬ Оксана Миколаївна

УДК 624.131.382 (477.63/65)

ДЕФОРМАЦІЙНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЛИНИСТИХ ГРУНТІВ

СЕРЕДНЬОГО ПРИДНІПРОВ’Я

05.23.02 – основи і фундаменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

ШВЕЦЬ Віктор Борисович,

Придніпровська державна академія будівництва та

архітектури, професор, завідувач кафедри основ та

фундаментів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

ЗОЦЕНКО Микола Леонідович

Полтавський технічний університет імені Юрія Кондратюка,

завідувач кафедри видобутку нафти і газу та геотехніки

кандидат технічних наук, доцент

Тютькін Олексій Леонідович

Дніпропетровський національний університет залізничного

транспорту імені академіка В. Лазаряна,

доцент кафедри тунелів, основ та фундаментів

Захист дисертації відбудеться 25 жовтня 2007 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 Придніпровської державної академії будівництва і архітектури за адресою: Україна, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24 а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва і архітектури за адресою: Україна, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24 а.

Автореферат розісланий 24 вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Деформаційні характеристики лесових і глинистих ґрунтів використовують для обчислення деформацій основ (розрахунок за другим граничним станом). Існуючі методи їх визначення або дорогі і трудомісткі (це стосується польових досліджень) або недостатньо надійні та займають багато часу, тому економія часу і зменшення витрат при збереженні надійності результатів є актуальним.

Для споруд ІІ-ІІІ классу за капітальністю для яких основою служать глинисті ґрунти м’яко- і текучопластичної консистенції при інтервалі тиску 100…200 кПа можна використати квазіштампові значення модуля деформації ЕКШ(100…200). Квазіштамповий модуль деформації розраховують шляхом множення компресійного значення ЕК(100…200) на корегуючий коефіцієнт тК. Перехід на компресійні дослідження зменшує витрати і час. Відомо, що модуль деформації ґрунту Е не є константою, хоча за результатами штампових випробувань його і приймають таким, і залежить він для заданого виду ґрунту, головним чином, від тиску Р. Причому за компресійними даними він з підвищенням тиску Р збільшується, а за штамповими – зменшується. Методи переведення ЕК в ЕКШ для інших, ніж 100…200 кПа, інтервалів тиску не розроблені. Тому визначення квзіштампового модуля деформації ЕКШ для інтервалів тиску більших ніж 200 кПа без штампових випробувань є досить актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами

Дана робота ґрунтується на кафедральній темі науково-дослідної праці “Удосконалення методів розрахунку основ та фундаментів на слабких водонасичених і просадочних ґрунтах”, №. державної реєстрації 0106U002025.

Мета і задачі дослідження.

Мета – методологія визначення деформаційних характеристик глинистих ґрунтів Середнього Придніпров’я з використанням компресійних випробувань зразків.

Для досягнення мети розв’язані наступні задачі:

- зібрання фактичною матеріалу про компресійні і штампові випробування зразків глинистих непросадочних та лесові просадочних ґрунтів та переведення поодиноких абсолютних або відносних значень компресійної та штампової деформації у наведену форму (коефіцієнт компресійної КК та штампової деформації КШ відповідно);

- статистичне опрацювання числових масивів із даними про коефіцієнт деформації КК і КШ з використанням множинної кореляції для виявлення сили впливу головних чинників і парної кореляції для встановлення виду і значення коефіцієнтів рівняння регресій КК=(Р) і КШ=(Р), де Р – тиск, для різних регіонів і видів глинистого ґрунту;

- одержання формул для обчислення компресійних значень деформаційних характеристик ґрунтів (компресійний модуль деформації ЕК, відносна просадочність еSL, початковий просадочний тиск РSL) і для обчислення квазіштампових значень модуля деформації ЕКШ, з використанням коефіцієнта Агішева тК;

- експериментальна перевірка можливості скорочення кількості ступенів тиску при компресійних випробуваннях зразків;

- порівняння наслідків використання значень деформаційних характеристик, обчислених за методикою СКДД і традиційною, на прикладі конкретного будівельного об’єкту.

Об’єкт дослідження – дисперсні глинисті непросадочні та лесові просадочні ґрунти Середнього Придніпров’я (Дніпропетровська, Запорізька та Кіровоградська області) до глибини 30 м.

Предмет дослідження – залежність деформаційних характеристик глинистих непросадочних та лесових просадочних ґрунтів від коефіцієнта деформації К.

Методи дослідження, за допомогою котрих вирішувалися поставлені задачі:

а) експериментальні лабораторні; б) статистично-математичні; в) аналітичні.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше застосовано переведення з індивідуальних значень деформації зразків у компресійному приладі під тиском і ґрунтомасивів під навантаженим штампом в уніфікований коефіцієнт деформації КК і КШ відповідно. Встановлені загальні закономірності компресійного і штампового деформування під тиском для лесових просадочних і глинистих ґрунтів, при цьому закономірності відрізняються від загальноприйнятих (параболічні замість логарифмічних та ін.).

Дістало подальший розвиток прийнятність скорочення кількості кроків тиску у компресійному досліджені і зразків ґрунту, якщо необхідно знати деформацію тільки за тиском 300 кПа.

Вперше встановлено статистичну однорідність числових масивів значень КК від тиску Р для лесових просадочних і глинистих ґрунтів Дніпропетровської, Запорізької і Кіровоградської областей та встановлено коректність заміни поодиноких рівнянь регресії КК=f(Р) загальним для регіону КК=F(Р).

Вперше одержано формули для розрахунку деформаційних характеристик дисперсних ґрунтів природної вологості і водонасичених для будь-якого тиску Р у межах 50…400 кПа за даними компресійної деформації зразків за тиском 300 кПа (методика СКДД). Використання цієї методики збільшує надійність одержаних значень деформаційних характеристик при зменшенні витрат.

Практичне значення одержаних результатів полягає у прискоренні та здешевленні компресійного визначення деформаційних характеристик глинистих та лесових просадочних ґрунтів. Встановлено домінуючий вплив на К тиску Р. Одержано параболічне рівняння регресії К=(Р), яке встановлює закономірність деформування глинистих ґрунтів. Розрахунки в умовах цеху молококомбінату №3 у м. Дніпропетровську свідчать, що: а) використання знайдених за запропонованою методикою СКДД квазіштампових значень модуля деформації створює додатковий запас надійності геотехнічного розрахунку споруд за ґрунтом; б) використання методики СКДД у загальній програмі інженерно-геологічних досліджень економить не менше 18,7 % від загальних сум на реалізацію програми. Одержані на основі методики СКДД табличні значення ЕК, ЕКШ, еSL и РSL.

Основні результати роботи передані ДніпроДІІНТРу (м. Дніпропетровськ) для використання при встановлені деформаційних характеристик дисперсних ґрунтів на об’єктах Середнього Придніпров’я.

Особистий внесок здобувача. Основні результати та висновки, які наведені у дисертації, отримані автором самостійно. Статистичні дослідження, на основі яких базується частина результатів та висновків, виконані при консультації з проф. О.П. Приставкою (лабораторія математичних методів у НДІ геології ДНУ) і проф. О.Г. Байбузом, доц. Н.П. Шерстюк, доц. В.І. Забутною. Збирання фактичного матеріалу і експериментальні компресійні та інші дослідження виконані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній науково-практичнній конференції “Регион-2003: стратегия оптимального развития” (22-25 квітня 2003 р., м. Харків); на кафедрі основ та фундаментів Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ, 2003); на конференціях у Національній гірничій академії (м. Дніпроперовськ, 2001-2002 р.); на щорічних конференціях за результатами науково-дослідних робіт викладачів та співробітників ГГФ ДНУ, секція “Гідрогеологія” (м. Дніпропетровськ, 2002 – 2006 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 наукових робіт, серед яких три у спеціалізованих видавництвах за фахом, і тези в матеріалах шести конференцій.

Структура та об’єм роботи. Дисертація є рукописом, який представлено у вигляді книги тексту, написаного українською мовою, загальним об’ємом 187 сторінок, і складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури, додатків. Книга тексту містить 35 рисунків, 36 таблиць, список літератури із 154 найменувань, 16 додатків.

Робота виконана під керівництвом доктора технічних наук Швеця Віктора Борисовича, якому автор щиро вдячний за постійну увагу та допомогу.

За цінні консультації автор вдячний проф. О.П. Приставці, проф. О.Г. Байбузу.

Автор висловлює подяку проф. В.В. Богдановичу і проф. І.М. Баргу за сприяння у роботі та уважне відношення до її виконання.

Особлива подяка доц. Осауленко В.Т. за консультації та всебічну допомогу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульована мета і задачі дослідження, наведені положення наукової новизни і практичного значення отриманих результатів.

У першому розділі представлена систематизація і аналітичний огляд відомих робіт за темою дисертації. Великий вклад у дослідження деформаційних властивостей глинистих і лесових ґрунтів внесли Абелєв Ю.М., Абелєв М.Ю., Ананьєв В.П., Балаєв Л.Г., Герсеванов М.М., Гільман Я.Д., Гольдштейн М.Н., Григорян А.О., Денисов М.Я., Крутов В.І., Лушников В.В., Мустафаєв А.А., Савватеєв С.С., Терьохіна Г.М., К. Терцагі, Ткачук Є.І., Токар Р.А., Титович М.О., Швець В.Б. та ін. Розглянуті найбільш цікаві, на погляд автора, методики і виділені польовий штамповий при статичному навантаженні та лабораторний компресійний в модифікації “ОЗДК”, причому ОЗДК прийнятий для розвитку і удосконалення, а штамповий використаний при співставленні одержаних результатів.

У другому розділі розглянута методика, послідовність і схеми виконання роботи.

Значення деформації ґрунтів були перетворені в коефіцієнт компресійної деформації КК (пропозиція В.Т. Осауленко) і штампової деформації КШ (пропозиція автора) відповідно, за формулою (1):

; або , (1)

де і h – відносна і абсолютна деформація зразка грунту відповідно при і-тому тиску;

0 і h0 – те саме, за тиском 300 кПа;

S – абсолютна деформація за і-тим тиском;

S0 – те саме, за тиском 300 кПа.

Для встановлення впливу на КК і КШ основних факторов (тиску, ступеня вологості, густини сухого грунту, числа пластичності, глибини точки відбору зразка або випробування, які обрані з врахуванням висновків В.І. Крутова, Н.О. Макаренко, В.І. Булгакова, В.Ф. Бистрих та ін.) виконано багатовимірний і парний кореляційний аналіз. Статистичні дослідження виконувалися з використанням компьютерних программ Statist і Odnorod, складених співробітниками НДІ геології ДНУ. Загальне рівняння регресії КК=F(Р) використано для розрахунку відносної деформації е у відомій формулі (ДСТУ БВ.2.1-4-96):

, (2)

де – коефіцієнт, який залежить від коефіцієнта поперечної деформації н;

Р2 і Р1 – межі інтервалу тиску, для якого встановлюють ЕК;

2 і 1 – відносна деформація, яка відповідає тиску Р2 і Р1.

Якщо виразити 2 і 1 через КК за допомогою формули (1), одержимо:

, (3)

де 0 – відносна деформація стиску зразка грунту за основним тиском Р0=300 кПа;

КК.2 і КК.1 – коефіцієнти компресійної деформації, які відповідають тискам Р2 і Р1.

Для переведення компресійного значення модуля деформації ЕК у квазіштампове ЕКШ, використано корегуючий коефіцієнт Агішева тК за відомою формулою (4), потім введено у знаменник параметр, який відображає закономірність змінення коефіцієнта штампової деформації КШ від тиску.

(4)

Для встановлення компресійних значень відносної просадочності еSL використали вираз А.О. Григорян і Б.Г. Кулачьонок із заміною знижуючого коефіцієнта на коефіцієнт компресійної деформації КК:

, (5)

де КК – як у формулі (1);

еSL – відносна просадочність за і-тим тиском;

еSL.0 – те саме, за тиском 300 кПа.

Компресійне значення початкового просадочного тиску РSL отримаємо, якщо прирівняти праву частину рівняння (5) значенню 0,01 і розв’язати його відносно тиску. Кінцевий вираз для розрахунку РSL встановимо після встановлення рівняння регресії КК=F(P) – див. роз. 3.

Видно, що для встановлення всіх деформаційних характеристик ґрунту необхідно знати лише відносну деформацію е0 або відносну просадочність еSL.0, які відповідають тиску 300 кПа.

Експериментальні компресійні дослідження були проведені з метою встановлення можливості скорочення кількості кроків тиску при збереженні об’єму кінцевої інформації і ґрунтувалися на ідеях В.А. Веселовського і М.Н. Герсеванова. Компресійним співставленням зразків-близнюків лесових ґрунтів займалися також Ю.М. Абелєв, М.Ю. Абелєв. Вони дістали висновку, що при більшому інтервалі навантаження (кроками по 10 кПа від нуля до 300 кПа) грунт деформувався систематично більше (ніж при кроках по 50 кПа) і розходження складало у середньому 41 %, причому максимальне відхилення припадало на області найменших та найбільших тисків.

Автор експериментально перевірила можливість скорочення кількості кроків до двох (перший відповідає за попереднє обтискання зразка) шляхом співставлення компресійних випробувань двох серій зразків, одну за стандартною схемою (0 – 2,5 – 5 – 7 – 15 – 25 – 50 – 100 – 200 – 300 – 400 кПа) та другу – за скороченою (0 – Р – 400, де Р – тиск дорівнював 50, 150 або 270 кПа на різних стадіях дослідження). Перевірялися відхилення деформації за тиском 400 кПа, дослідження проводилися серіями по 7…10 зразків-близнюків у кожній, всього 144 зразка (60 – непорушеної будови).

У третьому розділі наводяться основні матеріали досліджень за етапами.

З метою встановлення загальної закономірності компресійного і штампового деформування ґрунтів були обчислені за допомогою формули (1) поодинокі дані компресійних досліджень 5258 зразків ґрунтів Середнього Придніпров’я. Серед зразків були просадочні супіски (1826 одиниць), просадочні суглинки (1852), непросадочні супіски (180), непросадочні суглинки (1071), непросадочні глини (329). Результати перерахунку зведені у базу даних з загальною кількістю рядків 30805 для КК=f(P, Sr, сd, Ip, H) і 203 рядків – КШ=f(P, IP, H).

Статистичними дослідженнями:

а) встановлено домінуючий вплив на КК і КШ тиску Р (внесок більше 96 %) і на цьому факті прийнято вважати КК і КШ залежними тільки від тиску;

б) підтверджено однорідність числових масивів для різних видів ґрунтів і областей, що дало змогу об’єднати їх у загальний массив;

в) знайдено адекватні рівняння регресії КК=f(Р) для Дніпропетровської, Запорізької і Кіровоградської областей і видів ґрунтів та встановлено, що тільки в одному випадку формула представлена прямою, а в інших 12 – параболами, причому коефіцієнти параболи такі, що графіки залежності наближуються до прямої (рис. 1, лінія 2). При нульовому тиску значення коефіцієнтів деформації КК наближуються до нуля, що відповідає логіці процесу. Лінія, яка відповідає загальній формулі (6), проходить посередині пучка кривих (товста лінія). Слід зазначити, що параболічна форма залежності (6) відрізняється від прийнятої (М.О. Цитович, М.М. Троїцька та ін.), логарифмічної.

, (6)

де Р – тиск, кПа;

а=-2,1·10-6 – емпіричний коефіцієнт з розмірністю кПа-2;

b=0,004 – те саме, кПа-1;

с=0,0058 – те саме, безрозмірний.

Рис.1 – Графічне представлення даних за рівняннями регресії.

Таким чином, можно прийняти, що компресійне деформування глинистих і лесових ґрунтів Середнього Придніпров’я описується рівнянням (6);

г) знайдено загальне адекватне рівняння регресії для залежності коефіцієнта штампової деформації КШ від тиску Р, який і тут є домінуючим чинником:

, (7)

де А, В, С, Р – як у формулі (6).

Знак плюс коефіцієнта А свідчить про зворотню залежність у порівнянні з КК=f(P) кривизну лінії (див. рис. 1, лінія 1), що відповідає фактичному положенню.

д) на основі табличних даних О.І. Ігнатової знайдено адекватні рівняння регресії для залежності коефіцієнта Агішева тК від коефіцієнта пористості е і числа пластичності ІР для глин, суглинків, супісків і дрібних пісків. Формули можна використати при відсутності даних тК у нормативних джерелах.

(8)

(9)

(10)

де – обчислені значення коефіцієнта Агішева (кр.о.) для супіску, суглинку і глини при значеннях ІР=0,01…0,07; ІР=0,07…0,17; ІР=0,17…0,37 відповідно.

Обчислення коефіцієнта Агішева для піску дрібного і пилуватого можна зробити за формулою (8) для супіску при ІР=0:

(11)

Знайдено на основі рівнянь (3) і (6) формула (12) для розрахунку компресійного значення ЕК (кПа) модуля деформації:

де в, е0, Р2, Р1 – як у формулі (3).

Якщо е0 знайдено для зразка природної вологості, отримаємо за формулою (8) компресійне значення ЕК.W модуля деформації грунта природного стану, зразка водонасиченного – ЕК.sat.

Далі одержимо формулу для розрахунку квазіштампового значення ЕКШ модуля деформації ґрунту. Для цього використаємо вираз (4) і (8). Знайдемо ЕК(100…200) в інтервалі тиску 100…200 кПа:

.

Квазіштампове значення ЕКШ для того самого інтервалу тиску 100…200 кПа знайдемо за формулою (4).

. (13)

Розрахуємо значення ЕКШ для інших, ніж 100…200 кПа, інтервалів тиску за допомогою формули (7). Введемо КШ у знаменник виразу (13), тому що відомо – модуль деформації і одержана при штамповому дослідженні деформація ґрунту зворотно пропорційні. Ясно, що за тиском 150 кПа (середина інтервалу 100…200 кПа) вплив КШ повинен бути відсутнім, тобто КШ=1. Знайдемо вільний член с1 у виразі (7), використовуючи цей вираз: 8,028·10-6·1502+ +0,001·150+с1=1; с1=0,6694. Таким чином маємо

, (14)

де в, е0, Р – як у формулі (3);

тК – як у формулі (4);

296,7 – емпіричний коефіцієнт з розмірністю кПа.

За формулою (4), яка прийнята у нормативній методиці (Пособие…, 1986), ЕКШ знаходять для інтервалу 100…200 кПа і розповсюджують на будь-який інтервал, тоді як вплив тиску на ЕКШ є суттєвим (наприклад, для супісків за формулою (14) при в=0,743, тК=2, е0=0,03, ЕКШ.150=14,7 МПа, ЕКШ.400=6,2 МПа). Розрахунки деформації ґрунтової основи методом пошарового підсумування дають підвищене осідання при ЕКШ, який одержимо за формулою (14) з врахуванням залежності від тиску.

Вираз для розрахунку компресійного значення відносної просадочності еSL одержимо, за формулами (5) і (6):

, (15)

де еSL – компресійне значення відносної просадочності при і-тому тиску;

еSL.0– як у формулі (5);

Р – тиск на ґрунт (кПа) в інтервалі 50…400 кПа.

Формулу для розрахунку компресійного значення початкового просадочного тиску РSL одержимо, якщо прирівняємо праву частину вираза (15) значенню 0,01 і розв’яжемо відносно тиску:

0,01=еSL.0(-2,1·10-6 РSL2+0,004·РSL+0,0058), звідки:

, (16)

де РSL – компресійне значення початкового просадочного тиску, кПа;

еSL.0 – як у формулі (5), частки одиниці.

За формулами (12), (14), (15), (16) складено таблицю довідкових даних (у дисертації винесена у додаток).

Співставлення значень ЕК, ЕКШ, еSL, РSL, які одержані відповідно за формулами (12), (14), (15), (16) і за традиційною методикою, наведено у розділі 4.

У кінцевих формулах фігурує е0 і еSL.0, які відповідають тиску 300 кПа у компресійному випробуванні, значення е та еSL за іншими тисками не використовуються. Виникла гіпотеза скорочення випробувань зразка ґрунту.

Автором експериментально перевірено коректність скорочення кількості кроків тиску до двох. Результати компресійних досліджень 144 зразків (дві серії по 72 зразка) ґрунтів природної і порушеної будови показують, що відхилення у розмірі деформації за тиском 400 кПа за рахунок скорочення кількості ступенів до двох були несистематичними і у 70 % випадків не перевищували 10 %, причому вид ґрунту на характер розходження не впливав. В області тиску менше 50 кПа похибка зростала, а за тиском більше 400 кПа не відома, тому автор прийняла робочий діапазон формул (12), (14), (15), (16) від 50 до 400 кПа. Можливе перевищення деформації, як це відомо із досліджень Ю.М. Абелєва і М.Ю. Абелєва, призведе до додаткового підвищення запасу надійності геотехнічного розрахунку за ґрунтом.

Результати, які одержані автором об’єднані і названі методикою “СКДД” (Скорочена Компресійна методика встановлення Деформаційних характеристик Дисперсних ґрунтів), яка розрахована на використання в інтервалі 50…400 кПа і передбачає операції:

а) Для встановлення компресійного значення модуля деформації ЕК:

а.1) компресійне випробування не менше шести зразків-близнюків природної вологості W (якщо W менше вологості водонасичення, то випробуються 12 зразків-близнюків, із яких шість буде штучно водонасичено), за тисками 0-150-300 кПа за консолідовано-дренованої схеми;

а.2) виконання розрахунку статистично обґрунтованого значення відносної деформації е0 у компресійному дослідженні за тиском 300 кПа;

а.3) виконання розрахунку компресійного значення модуля деформації ЕК за формулою (12) для будь-якого тиску або визначення за довідковими таблицями.

б) Для встановлення квазиштампового значення модуля деформації ЕКШ:

б.1) виконати операції а.1 та а.2;

б.2) встановлюють значення коефіцієнтів в і тК , останнє за нормативними таблицями або за нашими формулами, якщо в таблицях такі дані відсутні;

б.3) виконують розрахунок для будь якого тиску квазіштампового значення модуля деформації ЕКШ за формулою (14) або визначають за довідковими таблицями.

в) Для встановлення компресійних значень еSL і РSL необхідно:

в.1) провести компресійне дослідження не менше шести зразків-близнюків природної

вологості методом однієї кривої за тисками 0-150-300 кПа кожного зразка з водонасиченням ґрунту за тиском 300 кПа;

в.2) одержати статистично обґрунтоване значення відносної деформації е0 за тиском 300 кПа і двох вологостях – природної і водонасиченням;

в.3) розрахувати відносну деформацію е0 за тиском 300 кПа;

в.4) розрахувати компресійне значення еSL відносної просадочності за будь яким тиском за формулою (15) або одержати за довідковою таблицею;

в.5) розрахувати компресійне значення початкового просадочного тиску РSL за формулою (16) або визначити за довідковою таблицею.

Методика СКДД зменшує більше ніж вдвічі кількість ступенів тиску і грошових витрат на випробування одного зразка, скорочує вдвічі кількість зразків при збереженні об’єму одержаної інформації, робить натурні штампові випробування грунтомасивів потрібними в обґрунтованих випадках для контролю.

В четвертому розділі представлено геотехнічно-економічне порівняння запропонованої методики СКДД і традиційних при їх використанні в програмі інженерно-геологічних досліджень та в розрахунках за деформаціями ґрунтової основи фундаментів цеха молококомбінату № 3 у м. Дніпропетровську.

Повний комплекс досліджень на площадці цього об’єкту виконано за своєю програмою ДніпроДІІНТРом, у тому числі натурні штампові випробування лесового супіску (ІГЕ-4) і компресійні випробування цього та інших ґрунтів. Геологічний розріз до глибини 27 м представлений ґрунтом родючим і шістьма шарами лесового ґрунту. Всі вони просадочні, тому підняття рівня ґрунтових вод з глибини 27,3 м до глибини 13,0 м (прогноз ДніпроДІІНТРа) за рахунок загального підтоплення території збільшить зону водонасичення і до неї додатково попадуть шари ІГЕ-7, ІГЕ-6, ІГЕ-5 і частково ІГЕ-8 та ІГЕ-4. Ґрунти шару ІГЕ-4 (лесовий супісок) досліджувалися у шурфо-дудках на глибині 8,0 м вертикальним штамповим навантаженням і у тому ж шарі на глибині 7 і 9 м відібрані зразки і досліджені у компресійному приладі.

Порівняння значень модуля деформації для ІГЕ-4. Штампові значення ЕШ розраховані нами для окремих інтервалів тиску за відомою формулою (ГОСТ 20276).

Квазіштампові ЕКШ (кПа) значення модуля деформації розраховані за формулою (14), в якій , а значення коефіцієнта Агішева тК встановлено за нашою формулою, тому що для супіску за коефіцієнтом пористості е=0,92 дані в таблицях Пособия по проектированию оснований та О.І. Ігнатової відсутні:

.

Результати розрахунку (рис. 2) показують, що:

а) відхилення ЕШ і ЕКШ різні у ґрунтів природного стану і водонасичених. У перших ЕКШ (пунктирні линії) займає середнє положення, у водонасичених майже співпадає в області тиску 30…80 кПа і перевищує ЕШ майже в два рази за тиском 100…200 кПа;

б) штампові ЕШ значення модуля деформації мають несистематичні відхилення з загальною тенденцією зменшення з ростом тиску дослідження, в той час як у квазіштампових ЕКШ зберігається та сама тенденція, але без незрозумілих відхилень.

Загальну перевірку формули (14), яка входить до запропонованої методики СКДД, можна вважати задовільною.

Порівняння компресійних значень відносної просадочності еSL. Співставлення значень еSL показують, що в області тиску 0…200 кПа дані за запропонованою методикою СКДД перевищують дані, які одержані в результаті традиційного випробування, хоча є приклад майже повного збігу (ІГЕ-8).

Рис. 2. Графічне представлення результатів розрахунку за формулою ГОСТ 20276 – та за формулою (10) – пунктир. Зверху розташовані лінії, які відповідають природному стану ґрунту шару ІГЕ-4, унизу – водонасиченому.

Порівняння значень початкового просадочного тиску для шести ІГЕ. Співставлення значень РSL показало систематичне перевищення базових (ДніпроДІІНТР) над одержаними за формулою (12), які входять у запропоновану методику СКДД, на 16…54 %. Зменшення значень РSL приведе до збільшення розрахункової товщі зони просідання і обчисленої деформації ґрунтової основи, що дає додатковий запас надійності споруди за ґрунтом.

Порівняння розмірів прогнозної деформації ґрунтової основи під фундаментами споруди. Представлені розрахункові значення осідання S і просідання SSL ґрунтової основи з використанням традиційних методів розрахунку (Пособие…, 1986) у залежності від виду, розташування і завантаженості трьох фундаментів цеха молококомбінату № 3. Перший фундамент Ф-1 є окремим з глибиною закладення 1,5 м, другий Ф-2 – пальовий з ростверком нижче дна котловану глибиною 3 м і третій Ф-3 – окремий з глибиною закладення 4 м. Осідання фундаментів S розраховували за відомим методом пошарового підсумування з використанням значень модуля деформації ЕШ і ЕКШ, які встановлені традиційним способом і за методикою СКДД відповідно, що дало два значення деформації S, які порівнювали. Просідання SSL лесової товщі під фундаментами Ф-1 і Ф-3 розраховували відомим способом з використанням відносної просадочності еSL і початкового просадочного тиску РSL, які знайдені традиційним способом і за методикою СКДД, що дало два значення деформації, які можна порівняти.

Результати розрахунків (табл. 2) показують, що в усіх випадках додаткова деформація S+SSL , яка розрахована з використанням ЕКШ, еSL, РSL за методикою СКДД, перевищує одержану за даними ДніпроДІІНТРа в середньому на 25,4 %, причому в абсолютному виразі збільшення просідання домінує (в середньому 12,5 см против 6,6 у випадку осідання). Перевищення пояснюється зменшенням ЕКШ в області більших тисків і збільшенням еSL при малих тисках, а також збільшенням товщі частини лесової товщі, в якій виникає просідання, за рахунок зменшення РSL.

Таблиця 2

Розрахована деформація ґрунтової основи цеха молококомбінату № 3

Фунда-мент | Р,

кПа | Р0, кПа | Деформація (см) з використанням даних

S | SSL | S+SSL

Дн-ра | СКДД | Дн-ра | СКДД | Дн-ра | СКДД

Ф-1 | 313 | 277 | 3,2 | 4,1 | 43,7 | 57,6 | 46,9 | 61,7

436 | 401 | 4,0 | 6,2 | 44,7 | 57,5 | 48,7 | 63,7

Ф-2 | 508 | 338 | 7,7 | 12,8 | 40,4 | 42,2 | 48,1 | 55,0

689 | 519 | 9,7 | 24,7 | 40,9 | 42,3 | 50,6 | 67,0

Ф-3 | 366 | 292 | 3,8 | 7,8 | 44,3 | 51,9 | 48,1 | 59,7

534 | 461 | 5,1 | 11,5 | 46,9 | 50,5 | 52,0 | 62,0

Примітка: Дн-ра – ДніпроДІІНТРа; Р і Р0 – середній і додатковий тиск відповідно.

Економічне співставлення (на прикладі молококомбінату № 3) результатів використання методиці СКДД і традиційної. Порівнювалися витрати на реалізацію конкуруючих програм інженерно-геологічних вишукувань: (А) – складеної спеціалістами ДніпроДІІНТРу, з використанням традиційних методів; в іншій (Д) лабораторні компресійні випробування скорочені і виключені штамподосліди; три останні програми є можливими та гіпотетичними. Розцінки на виконання робіт наведені у гривнях. В усіх програмах вишукувань збережена загальна для всіх частина (рекогносцировка, буріння свердловин тощо). Результати розрахунків показують, що найбільш дешевою є програма з використанням методики СКДД (економія – більше 18 %). Таким чином, порівняння методики СКДД з традиційними говорить про її коректність, а використання дає економію витрат на реалізацію програм інженерно-геологічних вишукувань.

Про можливе застосування запропонованої методики СКДД. Через те, що вона базується на компресійних випробуваннях, автор пропонує визначити область застосування за положеннями Пособия по проектированию оснований…, 1986, для значень деформаційних характеристик, встановлених компресійним способом за діючим стандартом.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною працею, в якій подано нове розв’язання актуальної наукової і практичної проблеми раціоналізації методики визначення для умов Середнього Придніпров’я основних деформаційних характеристик найпоширеніших в практиці будівництва в Україні ґрунтів (лесових просадочних і глинистих) на основі компресійного випробування зразків.

Проведені дослідження дозволили зробити наступні висновки.

1. Розроблена нова методика (СКДД) для лесових просадочих і глинистих ґрунтів Середнього Придніпров’я на основі встановлених автором загальних закономірностей (формули (6) і (7)) їх деформування під навантаженням та скорочення компресійного випробування зразків. Методика призначена для застосування в інтервалі тиску 50…400 кПа і визначення:

- компресійного ЕК і квазіштампового ЕКШ значень модуля деформації у природному стані ЕК.W , ЕКШ.W та після водонасичення ЕК.sat , ЕКШ.sat;

- компресійного значення відносної просадочності еSL та початкового просадочного тиску РSL.

2. При створенні методики СКДД статистичними дослідженнями встановлено, що домінуючим в обох випадках є тиск Р, на долю якого приходиться більше 96 %. В зв’язку з чим прийнято, що коефіцієнти компресійної КК і штампової КШ деформації залежать лише від тиску, що дало можливість проводити парну кореляцію залежності КК=f(Р) і КШ=f(Р).

3. Встановлені рівняння регресії (6) і (7) для залежності коефіцієнта компресійної КК і штампової КШ деформації ґрунтів відповідно. На цій основі запропоновані формули (12) для розрахунку компресійного значення модуля деформації, а також формули (15) і (16) для розрахунку компресійної відносної просадочності і початкового просадочного тиску відповідно.

Одержана формула (14) для розрахунку квазіштампового значення (кПа) модуля деформації ЕКШ глинистих і лесових просадочних ґрунтів на основі використання ЕК, коефіцієнта Агішева тК і залежності КШ від тиску (7).

4. Знайдено рівняння регресії для залежності коефіцієнта Агішева тК від коефіцієнта пористості е та числа пластичності ІР (на основі відомих табличних даних): для глини тК.Г (10), суглинка тК.СГ (9), супіску тК.СП (8), які можуть бути застосовані при відсутності даних про тК у нормативних джерелах.

5. При розробки методики СКДД експериментально підтверджена допустимість скорочення кількості кроків тиску у компресійному випробуванні зразків ґрунту до двох за схеми 0 – 150 – 300 кПа при збереженні об’єму даних компресійного випробування.

Запропонована методика СКДД, яка включає формули за п.3 і п.4 висновків передбачає у мінімальному варіанті компресійне випробування одного зразка лесового просадочного ґрунту і двох – глинистого (за природною вологістю і після штучного водонасичення). Для одержання статистично обґрунтованих результатів досліджень, кількість однойменних визначень треба збільшити у відповідності до вимог нормативних джерел.

6. Застосування методики СКДД в геотехнічних розрахунках в ґрунтових умовах площадки цеху молококомбінату № 3 у місті Дніпропетровську призвело до:

- зростання обчисленої деформації ґрунтової основи в середньому на 25,4 % з переважанням збільшення просідання – 12,5 см проти 6,6 см для осідання;

- зниження витрат на реалізацію програми інженерно-геологічних досліджень мінімум на 18 % від загальних витрат на програму.

7. Методика СКДД може бути застосована, на думку автора, для визначення основних деформаційних характеристик глинистих і лесових просадочних ґрунтів для розрахунків підвалин фундаментів споруд ІІІ класу відповідальності, з наступним корегуванням шляхом співставлення з результатами паралельно виконаних випробувань того самого ґрунту штампами, або для попередніх розрахунків.

ПЕРЕЛІК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грабовець О.М. Порівняння спрощених лабораторних методик визначення деформаційних характеристик лесових просадових ґрунтів// Вісник Дніпропетровського університету. Геологія, географія – 2002. – №4 – С. 56 – 63.

2. Грабовець О.М. Встановлення залежності деформування ґрунтів Дніпропетровської області від тиску та інших чинників// Сучастні проблеми геологічної науки. – Київ: Національна академія наук України – 2003. – С.90 – 94.

3. Грабовец О.Н. К установлению вида закономерности деформирования дисперсных грунтов Среднего Приднепровья // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2004. – № 5 – С.22 – 26.

4. Грабовец О.Н. Новая методика определения деформационных характеристик глинистых и лессовых просадочных грунтов Среднего Приднепровья //Вісник Придніпровської державної академії будівниц. та архітектури.–2004.–№ 6–С.11–17.

5. Грабовец О.Н. Определение квазиштамповых значений модуля деформации лессовых просадочных и глинистых грунтов Среднего Приднепровья // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури.– 2006.– № 5 – С. 10 – 16.

6. Осауленко В.Т., Грабовець О.М. До визначення компресійного модуля деформації ґрунтів аналітично-статистичним шляхом // Науковий вісник НГАУ Дн-ськ вид-во НГАУ – 2000. – № 4 – С. 62 – 63.

Особистий внесок – випробування глинистих ґрунтів.

7. Грабовець О.М., Бондар О.В. Визначення можливості скорочення кроків тиску в компресійних випробуваннях піщано-глинястих ґрунтів// Наук. вісник націон. гірничої академії України.–Дніпропетровськ: НГАУ 2001, № 4.– с. 37.

Особистий внесок – випробування глинистих ґрунтів.

8. Грабовець О.М. Огляд методів визначення просадових характеристик лесових ґрунтів // Науковий вісник НГА України. – Дніпропетровськ: Вид. Націон. гірничої академії України – 2001. – № 5 – С. 123 – 124.

9. Грабовец О.Н. Аналитично-статистическое определение соотношения штампового и компрессионного модуля деформации глинистых грунтов// Проблемы геологии и освоения недр. Труды Шестого Международного научного симпозиума. – Томск: Томский политехнический университет – 2002. – С. 131 – 132.

10. Грабовець О.М. Запропонований метод СКДД визначення деформаційних характеристик дисперсних ґрунтів// Матеріали міжнародної науково-практич-

ної конференції “Регіон – 2003”. – Харків: ХНУ – 2003. – С. 289 – 290.

11. Грабовець О.М. Методика лабораторного визначення деформаційних характеристик дисперсних грунтів з переведенням компресійних значень у квазіштампові// Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів. Матеріали другої Міжнародної науково-пракичної конференції. – Дніпропетровськ: Інститут проблем природокористування та екології НАН України.–2003.–С.287–289.

Анотація

Грабовець О.М. Деформаційні характеристики глинистих ґрунтів Середнього Придніпров’я – рукопис (українською мовою).

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 – Основи та фундаменти. Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. Дніпропетровськ, Україна, 2007.

Розроблена методика визначення деформаційних характеристик глинистих і лесових просадочних ґрунтів Дніпропетровської, Запорізької та Кіровоградської областей України, яка включає лабораторні компресійні випробування зразків за скороченою схемою. Методика створена на базі статистичного опрацювання перетворених даних компресійних випробувань декількох тисяч зразків і декількох десятків штамподослідів, а також спирається на традиційні розрахункові схеми одержання Е, еSL, РSL.

У кінцевих формулах методики СКДД достатньо знати одне значення відносної деформації е0 і відносної просадочності еSL.0 (обидва за тиском 300 кПа), щоб одержати ЕК=f(Р), ЕКШ=f(Р), еSL=f(Р) и РSL для будь-якого тиску в межах 50…400 кПа. Доцільність методики СКДД перевірена співставленням з результатами інженерно-геологічних досліджень ДніпроДІІНТРа для молокозаводу №3 у місті Дніпропетровську.

Порівняння умовних витрат на реалізацію програм інженерно-геологічних досліджень для молокозаводу №3 показало економію не менше 18%, якщо випробування зробити за методикою СКДД. Автор пропонує застосовувати методику у розрахунках ґрунтових основ споруд ІІІ класу відповідальності (з контролем штамподослідами) або у попередніх розрахунках.

Ключові слова: глинисті ґрунти, деформаційні характеристики, компресійні випробування, статистичні дослідження.

Аннотация

Грабовец О.Н. Деформационные характеристики глинистых грунтов Среднего Приднепровья - рукопись (на украинском языке).

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 – основания и фундаменты. Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. Днепропетровск, Украина 2007.

Разработана методика СКДД (Сокращенная Компрессионная методика определения Деформационных характеристик Дисперсных грунтов) для определения деформационных характеристик глинистых и лессовых просадочных грунтов Днепропетровской, Запорожской и Кировоградской областей Украины, включающая лабораторные компрессионные испытания образцов по сокращенной схеме.

Методика создана на базе статистической обработки преобразованных данных компрессионных испытаний нескольких тысяч образцов и нескольких десятков штампоопытов. Установлено (на основании статистической обработки общего числового массива данных коэффициента компрессионной деформации КК в зависимости от пяти факторов и коэффициента штамповой деформации КШ в зависимости от трех факторов), что доминирующим в обоих случаях является давление, на долю которого приходится более 96 %. На этом основании принято, что коэффициент компрессионной КК и штамповой КШ деформации зависит только от давления и далее проводилась парная корреляция зависимости КК=f(Р) и КШ=f(Р).

Получены формулы для вычисления компрессионного и квазиштампового модуля деформации ЕК и ЕКШ, относительной просадочности еSL и начального просадочного давления РSL на базе традиционных формул.

Экспериментально подтверждена приемлемость сокращения количества ступеней давления в компрессионном испытании образцов грунта до двух по схеме 0–150–300 кПа при сохранении объема результатов, если давление в расчетных формулах не выходит за пределы интервала 50…400 кПа.

Разработана методика, обозначенная аббревиатурой “СКДД”, для лессовых и глинистых грунтов Среднего Приднепровья на основе установленных общих закономерностей компрессионного и штампового натурного деформирования и предложенного и обоснованного соискателем сокращенного компрессионного испытания образцов с целью определения в интервале давлений 50…400 кПа:

- компрессионного ЕК и квазиштампового ЕКШ значений модуля деформации в природном состоянии ЕK.W, ЕКШ.W и после водонасыщения ЕK.sat, ЕКШ.sat;

- компрессионного значения относительной просадочности SL и начального просадочного давления РSL.

Предложенная методика СКДД предусматривает в минимальном варианте компрессионное испытание по сокращенной схеме 0-150-300 кПа одного образца лессового просадочного и двух – глинистого грунта. Для получения статистически обоснованных начальных результатов, количество одноименных определений должно соответствовать нормативным документам.

Методика СКДД уменьшает более чем вдвое количество ступеней давления и стоимость испытания одного образца, сокращает в два раза количество образцов при сохранении объема полученной информации. Данная методика делает полевые штамповые испытания грунтомассивов целесообразными только для контроля.

Целесообразность методики СКДД проверена сопоставлением с результатами инженерно-геологических изысканий ДнепроГИИНТИЗа для цеха молококомбината №3 в

г. Днепропетровске.

Методика СКДД и традиционные были сравнены в расчетах осадки и просадки лессовых грунтов под фундаментами цеха молококомбината № 3 под двумя отдельными и одним свайным фундаментом. Просадку SSL лессовой толщи рассчитывали традиционным способом с использованием относительной просадочности еSL и начального просадочного