Горизонтальные деформации и давление на ограждающие сооружения при набухании грунта

Горизонтальные деформации и давление на ограждающие сооружения при набухании грунта

Большинство набухающих грунтов имеет микрослоистую текстуру, что обусловливает кроме структурных особенностей анизотропность свойств грунтов. Это приводит к неодинаковому набуханию по вертикали и горизонтали. Так, в сарматских глинах деформации и давление набухания образцов в направлении слоистости на 20 % больше, чем в перпендикулярном направлении. Поэтому горизонтальные перемещения при набухании могут быть даже большими, чем вертикальные движения.

Полевые исследования показали, что при замачивании массива, находящегося в напряженном состоянии от внешней нагрузки или действия собственного веса, горизонтальные перемещения грунта, находящегося в увлажненной зоне, не происходят.

В то же время замачивание грунта, расположенного с одной стороны ленточных фундаментов длиной 4 м, привело к подъему этих фундаментов на 95 мм и к перемещению в сторону, противоположную от замачивания, в среднем на 3 мм. При наличии вертикальных откосов наблюдаются горизонтальные перемещения в массиве. Так, замачивание в течение 80 сут грунта в откосах котлована привело к вертикальному подъему поверхности и к горизонтальному перемещению вертикального откоса. Наибольшие горизонтальные перемещения испытывают марки, установленные на вертикальном откосе. По мере удаления откоса величина смещений уменьшается: на глубине 1 м от поверхности горизонтальных перемещений не наблюдается на расстоянии 7,5 м от котлована; на глубине 2,5 и 4 м горизонтальные перемещения отсутствуют соответственно на расстоянии 6 и 4 м от края котлована.

С увеличением глубины горизонтальные перемещения уменьшаются и на определенном расстоянии от поверхности отсутствуют. Эти эпюры показывают, что по мере удаления от стенки котлована, глубина, на которой перемещения отсутствуют, уменьшается. Граница зоны, в которой возможны горизонтальные перемещения, ограничена кривой MN.

В результате набухания вертикальный подъем поверхности составил 90 мм, с увеличением глубины вертикальные перемещения уменьшаются. Зона возможных перемещений практически совпадает с зоной распространения влаги. Поэтому вертикальные перемещения происходят в зоне, ограниченной кривой SK. В данном случае можно выделить две характерные зоны. зону SON, где происходят вертикальные и горизонтальные перемещения, и зону, ограниченную кривыми ОК и ON, где возможны только вертикальные перемещения. На границе раздела этих зон могут образовываться площадки микросдвигов, способствующих возникновению поверхностей скольжения.

Возможность возникновения горизонтальных деформаций должна учитываться при проектировании ограждающих конструкций в набухающих грунтах. При отсутствии перемещений вертикального откоса, например при подпорных стенках, на последние при замачивании грунта будут действовать дополнительные силы, вызванные набуханием грунта. Эти дополнительные силы зависят в первую очередь от вида и состояния грунта и определяются давлением набухания.

Недооценка в практике строительства дополнительных горизонтальных давлений при набухании грунта приводит к нарушению устойчивости шпунтовых стенок и других ограждающих конструкций. Например, на одном из заводов вследствие набухания грунта произошли деформации железобетонных подпорных стенок склада готовой продукции. Это потребовало проведения усиления конструкций. Имеются многочисленные случаи разрушения каналов, в которых расположены различные подземные коммуникации.

У глин, склонных к набуханию, возможно появление давления, которое воздействует на подпорную стенку. В этом случае коэффициент активного давления (отношение бокового давления к вертикальному при активном состоянии) может быть больше единицы. Это приводит к разрушению или появлению крена, т. е. смещению стенки в результате воздействия набухания.

Испытания на разных видах глин

С целью определения горизонтально давления, действующего на сооружения при набухании грунта, проведены длительные полевые испытания на сарматских и хвалынских глинах. Горизонтальное давление при набухании сарматской глины с ненарушенной и нарушенной структурой изучали на опытной площадке в г. Керчи. Для этого был снят растительный слой грунта и разработан котлован размером в плане 2,5×4,5 м, с глуби¬ной 3,2 м. С двух сторон котлован имел вертикальные откосы, а с двух других — откос с уклоном 45°. Внутри котлована был устроен железобетонный колодец высотой 3,3 м, размером 2,5×2,5 м. Одну стену колодца бетонировали враспор с грунтом, а противоположная стена имела зазор 0,4—0,5 м с вертикальным откосом грунта для последующей установки датчиков.

Обратную засыпку котлована в места наклонного откоса производили слоями грунта по 15-20 см, которые уплотняли бульдозером. Между стеной колодца и вертикальным откосом грунта засыпали слоями по 4—5 см с уплотнением каждого из них ручной трамбовкой. Средняя влажность грунта в засыпке составляла w = 31,1 %, а плотность сухого грунта pd = 1,26 т/м3. Грунт, уплотненный ручной трамбовкой, имел плотность в сухом состоянии Pd = 1,38 т/м3, т. е. его плотность была близка к плотности сухого грунта естественного сложения, составляющей 1,47 т/м3.

Горизонтальное давление измеряли датчиками контактного давления двух типов: грунтовыми динамометрами НИС Гидропроекта и датчиками давления грунта СДКС. Датчики располагали на двух стенах колодца. Всего было установлено шесть рядов датчиков — через 0,5 м по высоте. Верхний ряд находился на расстоянии 0,4 м от дневной поверхности грунта. Два датчика каждого ряда предназначались для измерения горизонтального давления при набухании грунта с ненарушенной структурой, два
других — для измерения горизонтального давления набухания грунта нарушенного сложения.
Для замачивания грунта устраивали специальные приямки, в которых пробуривали дренажные скважины диаметром 140 мм и глубиной 4 м.

Послойные перемещения грунта измеряли с помощью глубинных и поверхностных марок. Глубинные марки устанавливали через 0,5 м по вертикали с двух сторон колодца. Одну группу марок располагали в грунте естественного сложения, другую — в грунте нарушенного сложения. Для определения общей величины подъема грунта поверхностные марки устанавливали с каждой стороны колодца вдоль его осей. Расстояние между марками составляло 1 м.

На опытной площадке в г. Волгограде изучали горизонтальное давление при набухании хвалынской глины ненарушенной структуры. Для этого использовали металлическую подпорную стенку высотой 3,15 и длиной 2,35 м. Стенка была изготовлена таким образом, что в процессе опыта ее можно было перемещать с помощью винтовых домкратов с самотормозящей передачей. Два ряда домкратов крепили на упорной системе из стоек с подкосами, забетонированными в монолитную железобетонную плиту толщиной 60 см.
В котловане длиной 20 м, шириной 12 и глубиной 5,8 м стенку устанавливали таким образом, чтобы она примыкала к вертикальному откосу хвалынской глины. Образовавшийся в отдельных местах зазор (до 15 см) заполняли глиной и тщательно уплотняли. Плотность хвалынской глины в сухом состоянии равна = 1,52 т/м3, а средняя влажность w = 26%. Увлажнение осуществляли через дренажные скважины диаметром 50 мм и глубиной 3 м. Для замера перемещений грунта устанавливали глубинные и поверхностные марки.
Грунт замачивался на обеих площадках в течение 8 мес.

При увлажнении грунта вследствие объемного характера деформации набухания и невозможности его бокового расширения развивалось горизонтальное давление от набухания, действующее на стенки ограждающего сооружения. Значения этого давления, определенные в процессе увлажнения по показаниям грунтовых динамометров, приведены на рис. 2.15, из которого видно, что горизонтальное давление возрастает до максимально¬го значения pgt max.

В результате разуплотнения грунта и снижения его прочностных свойств в процессе набухания это давление уменьшается до установившейся величины pg)C и стабилизируется. Эта закономерность развития горизонтальных давлений не зависит от ввда набухающего грунта и его структуры.
в сарматских глинах горизонтальное давление от набухания возрастает с увеличением глубины до 1 м, а затем как максимальное, так и установившееся давление практически не изменяется. Эксперименты показали, что горизонтальное давление зависит от структуры грунта.

Эксперименты показали также, что в верхних слоях глины наибольшее горизонтальное давление наблюдается практически сразу после замачивания. С глубиной изменяется также отношение установившегося давления к максимальному. Эксперименты показали, что это отношение увеличивается в сарматских глинах до глубины 1 м, а в хвалынских (в пределах всей изученной толщи) — до 2,5 м. Следует отметить, что в грунтах нарушенной структуры это отношение больше, чем в грунтах природного сложения. В среднем Pg,c/Pg^nax = 0,85, в то время как в грунтах природного сложения это отношение равно 0,75.
Измерение послойных перемещений грунта позволило получить зависимость горизонтального давления от относительного набухания грунта. С увеличением относительного набухания слоя (а следовательно, и его разуплотнения) резко уменьшается горизонтальное давление на ограждающие сооружения.

Наибольшее горизонтальное давление наблюдается в случае, когда горизонтальные и вертикальные деформации при набухании отсутствуют. При этом горизонтальное давление будет равно давлению набухания, которое способен развивать грунт данного состава и состояния.
Экспериментами были установлены значения давления набухания: для сарматской глины нарушенной и ненарушенной структуры psw = 0,17 и 0,3 МПа соответственно, для хвалынской глины psw = 0,38 МПа. Таким образом, наибольшее горизонтальное давление при набухании грунта будет действовать на жесткие сооружения, перемещения которых исключаются.

При одинаковом относительном набухании горизонтальное давление различно в зависимости от вида грунта, его плотности, начальной влажности, структуры и глубины слоя. Существенное влияние на развитие горизонтального давления оказывает скорость набухания грунта в вертикальном направлении. При быстром набухании грунт интенсивно разуплотняется и его прочностные характеристики снижаются, в результате чего горизонтальное давление не достигает таких значений, как при медленном увлажнении.