Горизонтальное давление при набухании грунта

Горизонтальное давление при набухании грунта

При замачивании набухающего грунта происходят как вертикальные, так и горизонтальные деформации. При испытании такого грунта в жестком кольце, когда отсутствуют горизонтальные деформации, возникает горизонтальное давление, действующее на стенки кольца. Следовательно, на ограждающие конструкции (фундаменты, подпорные стенки, тоннели и т. д.), устраиваемые в набухающих грунтах, при их увлажнении будут действовать дополнительные давления, вызванные набуханием грунта.

Закономерности развития горизонтального давления при набухании грунта исследовали в стабилометрах М-2, в специально изготовленных приборах (ПИГД) и в цилиндрическом лотке. Прибор ПИГД состоит из стакана высотой 270 и диаметром 206 мм, приваренного к плите. На расстоянии 30 мм от плиты в стакане приварено днище с отверстиями для пропуска воды. В стенках стакана имеются два выреза размером 100х100 мм, в которых расположены штампы с кривизной, равной окружности стакана. Между штампами и расположенной на идите упорной системой установлены динамометры сжатия, замеряющие горизонтальное давление при набухании. После загрузки стакана на грунт устанавливается штамп с отверстиями, через который передается нагрузка на грунт. Увлажнение производилось в течение 40 — 110 сут.

Цилиндрический лоток имеет диаметр 1000 и высоту 1150 мм. В процессе загрузки лотка устанавливались глубинные марки. Горизонтальные давления измерялись динамометрами конструкций Гидропроекта и СДКС-3. По высоте лотка было установлено семь датчиков каждого типа. Замачивание осуществляли через систему патрубков, расположенных в вертикальной стенке и днище лотка. Увлажнение производили в течение 3 мес. После месячного перерыва грунт вновь замачивали в течение 30 сут.

На основе испытаний, проведенных в различных приборах, выявлены закономерности развития горизонтального давления при набухании грунта. Рассмотрим эти закономерности на примере набухания грунта под нагрузкой и без нагрузки. В процессе набухания грунта возникают горизонтальные давления, которые возрастают до максимального значения. Максимальное горизонтальное давление проявляется при определенном «критическом набухании». При этом большей внешней нагрузке отвечает меньшее «критическое набухание».

Следует отметить, что в пределах небольших вертикальных давлений «критическое набухание» изменяется в незначительных пределах и составляет для хвалынских глин природного сложения 4,5% при отсутствии нагрузки и 3,7% при давлении 0,2 МПа. Следовательно, максимальное горизонтальное давление зависит от относительного «критического набухания», увеличиваясь с уменьшением последнего.

Значение «критического набухания» зависит от вида глин, а также от плотности и структуры грунта (нарушенная или ненарушенная). Критическое набухание соответствует такому состоянию грунта, при котором возрастание горизонтального давления вследствие увеличения толщины гидратных пленок компенсируется снижением прочностных свойств грунта.

Дальнейшее набухание не приводит к увеличению горизонтального давления. Однако при определенном значении набухания — «пороге набухания» — начинается падение горизонтального давления до установившегося значения и дальнейшее набухание грунта не влияет на эту величину. Значение набухания зависит от вида и состояния грунта.

При набухании грунта под нагрузкой также наблюдается падение горизонтального давления до установившегося значения при этом экспериментом установлено, что если набухание грунта оказывается меньше «критического набухания», то падение горизонтального давления не происходит.

Установившееся давление зависит от конечного значения набухания и увеличивается с уменьшением последнего. При отсутствии набухания в результате приложения внешней нагрузки или при заарретированных образцах горизонтальное давление для изотропных грунтов численно равно давлению набухания.

Горизонтальное давление зависит от плотности и влажности грунта: с увеличением плотности оно возрастает, а с увеличением влажности уменьшается. Так, при испытании образцов хвалынской глины нарушенной структуры без внешней нагрузки горизонтальное давление при плотности сухого грунта pd = 1,3т/м3 равно 40 кПа, а при pd = 1,87 т/м3 — 220 кПа. При плотности pd = 1,3 т/м3 горизонтальное давление для образцов с влажностью 8% составило 170 кПа, а с влажностью 25 % — 120 кПа.

Исследованиями установлено, что начальная скорость набухания (время, необходимое для достижения «критического набухания») существенно влияет на горизонтальное давление: с уменьшением скорости набухания последнее увеличивается. Скорость набухания возрастает при увеличении водопроницаемости образца вследствие трещин, наличия прослоек песчаного материала, нарушения структуры и т. д. Таким образом, горизонтальное давление зависит от плотности, влажности, вертикальной нагрузки, структуры и скорости набухания, т. е. от всех факторов, которые влияют и на набухание.

Для природных образцов при отсутствии нагрузки горизонтальное давление зависит в основном от плотности и влажности, а также от скорости набухания. Экспериментами установлено, что горизонтальное давление при одинаковых начальных скоростях набухания является линейной функцией от плотности грунта.

После прекращения замачивания начинается обратный набуханию процесс усадки грунта. В результате усадки происходит падение горизонтального давления тем большее, чем больше величина усадки. Таким образом видно следующее: в результате усадки горизонтальное давление уменьшалось, однако при повторном замачивании оно возрастало до значений, установившихся при первичном замачивании; с увеличением глубины горизонтальное давление возрастало, что связано с уменьшением относительного набухания с глубиной. Эти данные показывают, что установившееся горизонтальное давление составляет 0,4 — 0,9 максимального горизонтального давления.