автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Прогноз осадочнодорожных насыпей на слабых грунтах с учетом изучения во времени их физических свойств

рго од

I О ?,^;моайжкий ГОСУДАРСТВЖНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО -г^УЗ КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЖГОЮШШЮ-ДОРОЖШЙ

ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) МАЛИ

На правах рукописи

АЕНЕХЬ ВАХЕД ХО$ЕЗ АЕдЩЬ ВАХВД Ш) Ш

ПРОГНОЗ ОСАД». ЗОРОШК НАСЫПЕЙ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ С УЧЕТОМ ИЗ»' шШЯ ВО ВРЕМЕНИ ИХ ФШЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Специальность 05.23.11 - Строительство автомобильных

дорог я аэродромов

• АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических -наук

МОСКВА

1993

Работа выполнена в Московском Государственном Ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте (технический университет) - ЫАДИ

Научный руководитель - доктор технических наук- Э. М. Д0БР03

Официальные оппоненты - доктор технических наук," профессор

АШЕВ Ы.Ю.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник А. К. СКЩЦНЕВ

Ведущая организация - ГШ "Союдорпроекг"

Защита состоится 20 мая 1993 г. в 10 час. в ауд.42 на заседании специализированного совета ВАК Д 053.30.01 при ЫАДИ по адресу: 125829, Мэсква, ГСП 47, Ленинградский просп., 64

С диссертацией моино ознакомиться в библиотеке ЫАДИ

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатьп просим направлять по адресу института, ученому секретари

Телефон для справок 155 - 03 - 28

Автореферат разослан "_"_ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Ю.М. СИТНИКОВ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Цри строительстве насыпей автомобильных дорог на слабых основаниях, кроме необходимости обеспечения их устойчивости, возникает обычно проблема, связанная с предварительной оценкой интенсивности нарастания деформаций осадок дороиных конструкций во времени, йэобходимость выполнения такого прогноза обусловливается потребностью оценки достаточно точного врекэни строительства конструкций дорожных одеад во избежание их возможного разрушения от неравномерных осадок зешшного полотна Развитие деформаций осадок дорожных насыпей на слабых грунтах обычно связано и обусловлено процессами их консолидации, т.е. их уплотнения во времени под воздействием статической нагрузки от веса грунта, отсыпанного на поверхность слабого слоя при сооружении конструкции земляного полотна.

Проблемы теории консолидации водояасшцэяшдггрунтов,' применительно к основаниям инженерных сооружений, рассматривались, как известно, в различное время К. Терцаги, К М. Герсевановым, В. А. Фяориным, Био, Карилло, Тав-Тьснг-Ки, Гибсоном, II К. Зарецким, а Г. Тер-Марти-' росяном, П. А. Коноваловым и др.

Применительно к проблемам дорожного строительства и, в частности, вопросам прогноза осадок насыпей на слабых грунтах, посвящены исследования Л. С. Амаряна, Е Д. Казарновского, ЯП. Евгеньева, Е Е фоько, Ю. Ы. Васильева, Э. К. Кузахметовой и др.

Вместе с тем полевые наблюдения за осадками реальных дородных объектов привели к выводу, что прогнозируемая интенсивность развития осадок дорожных насыпей во времени не полностью соответствует реальным процессам консолидации слабых оснований. В этой связи в последние 20 лет значительное внимание начало уделяться поиску путей, в большей степени отражающих особенности реального процесса ковсожида-ции грунтов под статической нагрузкой. В частности, оказалось, что существенную роль в интенсивности нарастания деформаций уплотнения грунта во времени играят явления, связанные с ползучестью скелета грунта или так называемой, "вторичной консолидации".

В плане совершенствования методики прогноза консолидации слабых грунтов Э.М. Добровьа» в конце 60-х годов было получено решение, которое принципиально отличалось от ранее применяемых. В данной методике принималось, что в момент приложения на водокасывдэпный грунт внесшей статической нагрузки вся она воспринимается скелетом грунта, и только затем, по мере его объемного деформирования, постепенно передает-

" 4 "

ся на порозув жидкость, вызывая ее обжатие.

Еыесте с тем необходимо отметить, что полученная 3. М. Добровым зависимость позволяет определить только время достижения требуемой плотности элемента слоя грунта мощностью И на заданном горизонте % от дренирующей поверхности. В то же самое время при прогнозе интенсивности накопления осадок насыпи- или другого инженерного сооружения необходимо иметь возможность оценивать на тот и.та иной момент врзме-ни степень консолидации слоя грунта в целом, а не только его отдельных элементов.

В этой связи основной целью настоящей диссертационной работы было намечено разработать практическую штодику по прогнозу степени консолидации з целом слоя слабых грунтов, залегаящих в основании дорожных насыпей с учетом переменности во времени физических свойств их оснований.

Методически работа базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях процесса консолидации связных грунтов во времени с учетом переменности их характеристик фильтрационной способности, и объемной вязкости.

Научная новизна работы. Диссертация развивает положения научных исследований, относящихся к изучении процессов длительной деформируемости слабых оснований дорожных насшей за счет явлений их объемного уплотнения во времени.

Теоретически проанализированы различные способа оценки прогнозируемой степени консолидации слоя слабого грунта в целом с учетом его переменности во времени физических свойств, и выявлена наиболее приемлемая методика прогноза этой характеристики в условиях дорожного строительства.

Экспериментально определены и изучены особенности консолидаци-онных характеристик различных разновидностей связных грунтов, отражающих характер накопления (в процессе юс консолидации) происходящих изменений фильтрационных свойств и объемной вязкости скелета.

Установлен характер взаимосвязи прогнозируемой степени консолидации слоя слабого грунта в целом со степенью консолидации его отдельных элементов.

Разработана методика практического (в том числе и упрощенная) прогноза степени консолидации слоя грунта е целом, учитьващая характер переменности во времени физических параметров слабых грунтов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

- теоретическим анализом, базирующимся на фундаментальных положениях механики грунтов;

- результатами экспериментальных исследования консолидационных параметров связных грунтов различных разновидностей и иатема-ткческим моделированием прогноза осадок -инженерных сооружений на слабых грунтах.

Практическая ценность работа Разработана графо-аналитическая методика прогноза степени консолидации слабого основания дорожных насыпей в целом, что позволяет более надежно выполнить оценку характера развития их осадок во времени и более достоверно определить время устройства дорожных одежд.

Разработана упрощенная методика прогноза осадок насыпей, сооружаемых на консолидируемых слабых основаниях, учитывался разновидность грунта и прогнозируемую степень его консолидации.

Апробация работы. Отдельные вопросы диссертации были доложены автором на научно-исследовательских конференциях МАЛИ в 1992-93 гг.

Объем диссертации. Диссертационная работа состотПга введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения. Диссертация содержит 184 страниц машинописного текста, из них 75 рисунка и 24 таблиц и 15 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано краткое обоснование актуальности работы, ее цели, научной новизны и практической значимости.

В первой главе диссертации изложено состояние вопроса. При этом прежде всего отшчалось, что обширная отечественная и зарубежная практика строительства инженерных сооружений различного типа на глинистых грунтах, в том числе и в первую очередь на слабых,. свидетель-ствуэт о наличии значительных расхождений в величине и интенсивности нарастания во времени наблюдаемых осадок и осадок прогнозируемых, базирующихся на широком использовании основных положений, как наиболее простой, теории фильтрационной консолидации К-Герцаги.

Еесоответствкз теоретических расчетов фактическим процессам наблюдается тагак и в том случае, когда происходит явление консолидации под воздействием собственного веса глинистых грунтов, уложенных в тзло самого сооружения (дорожная- насыпь, плотина, дамба).

В ряде случаев фактическая продолжительность осадки оказывается меньше расчетной в 1.5 - 7 раз. При этом основная ее часть (65 -85Х) происходит в строительный период.

Такое положкиг лсслужлс основой для поиска причин замеченного расхождения прогнозируемых осадок от фактических как по величине', •так и по интенсивности их нарастания во врек&ни и вызвало мощный толчок к существенному совершенствован ив решений теории консолидации Те рцати-Ге рсеванова.

Однако, применительно к условиям дородного строительства, когда земляное полотно автомобильных дорого имеет значительную линейную протяженность, не всегда имеется возможность досконально изучить свойства грунтоз оснований насыпей, так как чрезвычайно велик объем необходимых геотехнических исследований.'Естественно, что в этих условия/: проектировщик!! отдают предпочтение, пускай полег быть к менее строгим с математической точки зрения, методам, но обладающим несомненны« преимуществом в плане более простой методики оценю: необходимых расчетных параметров.

И в этом смысла, методика прогноза процессов консолидации, предлоденная Э. к Дсбровыу, представляет для нас несомненный интерес.

Нэ она с нажв& точки зрения ы.;еет и определенные недостатки. Бо-первых, консолздационные характеристики грунта, отражающие переменность фильтрационных и вязкостных свойств связных грунтов, хотя и имеет четко вырзгэнный фиеичэский смысл, могут быть определены лишь экспериментальны* путем и, во-вторых, основной расчетной зависимостью является время достижения грунтом на том или ином горизонте , (от дренирувдай поверхности), требуемой пористости или коэффициента пористости, относительной деформации к т. п. Такая форма расчетной формулы существенно отличается от традиционной, в которой степень консолидации является некоторой найденной теоретической функцией времени и мощности слоя грунта.

Влесте с тем, исходя из анализа современного состояния исследований в области прогноза процессов консолидации слабых грунтов, залегающих в основании транспортных сооружений, мы пришли к выводу, что наиболее приемлемым способом осуществления этого прогноза является решение, полученное Э. М. Добровым, которое базируется на реаль-

ном физическом процессе уплотнения грунта и исходит иг определяющего влияния на интенсивность переменности во времени водопропускной способности и объемной его вязкости грунта

Однако данная методика не позволяет оценить величину степени консолидации слоя водонасыпенного грунта целиком, что вызывает определенные затруднения при ее использовании для прогноза величины осадок во времени дорожных насыпей на слабых грунтах.

В этой связи нами были поставлены следушие основные задачи исследования:

1. Провести теоретический анализ возможных вариантов оценки степени консолидации слабых грунтовых оснований с учетом переменности во времени физических свойств глинистых грунтов.

2. Провести консолидационные исследования связных грунтов различных разновидностей с выявлением особенностей их консолидационных характеристик.

3. Методами математического моделирования, с учетом полученных консолидационных характеристик, провести анализ предложенных методик оценки степени консолидации слоя грунта и отобрать из них наиболее приемлемые.

4. Оценить взаимосвязь между степенью консолидации слоя грунта целиком и степенью консолидации элемектоз слоя грунта, расположенных на различных расстояниях от дренирующей поверхности для исследуемых разновидностей, грунтов.

5. Провести прогноз степени консолидации реального объекта дорожного строительства и разработать соответствуйте рекомендации для практического прогноза осадок дорожных насыпей на слабых грунтах.

Вторая глаза диссертации посвящгна поиску возможных путей оценки степени консолидации слоя слабого грунта целиком при использовании зависимости, учитывающей переменность его физических свойств.

При этом, мы пришли к выводу, что время достижения заданной степени консолидации (У элеьгента в слое грунта, находящегося на глубине 2 от дрены, к моменту времени / < /у под нагрузкой может быть выражено зависимостью:

= "¿V$/(;)* ?/{/){//?- ?*№)] • (1)

'о 3

Особенность данной формулы состоит в том, что входящие в нее функции 5(0 и Р/(У) должны быть не функциями пористости Л на дан-

ном горизонте, как у Э. Ы. Доброва. или являться функциями относительной деформации Я , как у а Л. Казарновского, а быть некоторой Функцией степени консолидации С/ .

Наряду с различили подходами, рассмотренными в работе, был проанализирован еше один способ выражения степени консолидации во времени. Суть его заключается в следующем. В каждом конкретном случае может быть найдена и построена функция времени консолидации грунта по глубине слоя для У - 100% (рис.1). Данной функции ог-

Рис. 1. Схема к построению функции степени консолидации

по глубине слоя грунта для фиксированного времени 1С-

вечает вполне определенная эпюра степени консолидации элементов грунта, имеющая вид вертикальной линии при значении степени консолидации I/ =■ 100% (рис.1). Применительно к фиксированное/ моменту времени ¿1 полную 1СС& степень консолидации, как следует из рис. 1, будут иметь лишь элементы грунта, расположенные только на глубине не более /Г,- , т.е. при 2,<2{ (рис.1). Все же элементы, которые находятся глубже и в большей степени удалены от дренирующей поверхности, будут иметь гораздо меньшую степень консолидации (¿А 100%) (рис.1). Тогда, в качестве степени консолидации слоя грунта в целом к моменту

времени б/ можно рассматривать как отношение площзди ¿?г- заштрихованной эпюры функции О'-У^, О к полной ее площади Д- на момент времени (рис.1). В этом случае задача должна сводиться сначала

к построению функции Ц-'/'/'Л, ¿с) , а затем к нахождении плошади соответствующей эпюры. Наиболее просто эта операция может быть выполнена графоаналитическим методом на базе сначала построения нескольких функций вида рис.1), а затем применительно к взятому вре-

мени построения искомой функции £/){ рис.1).

Оценка реальных возможностей каждого подхода к оценке степени консолидации слоя грунта во времени в целом может быть, сделана в условиях численного математического анализа на основе использования конкретных значений консолидационных параметров 3[и) и Р/и), полученных применительно к той или иной разновидности грунта.

В третьей главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований.

Основной целью экспериментальных исследований, являлось: нахождение консолидационных параметров различных связных грунтов; выявление основных закономерностей их изменения в зависимости от разновидности грунта, степени его консолидации и ступени приемлемой нагрузки; использование полученных характеристик для выбора рациональной схемы прогноза степени консолидации основания сооружения и ее последующей апробации в условиях проектирования реального инженерного объекта.

фи испытаниях было использовано три разновидности грунтов: глина, суглинок и супесь. Основные характеристики и физические свойства этих грунтов приводятся в табл.1.

Таблица 1 '

Основные физические свойства используемых грунтов

Грунт Удельный Предел текуче- Предел плас- Число плас-

вес сти тичности тичности

т/м3 Ц/о

Глина 2.7 37.8 15.6 22.2

Суглинок 2. 72 33.0 18.7 14.30

Супесь 2.67 19.8 15.3 4.50

Испытания по консолидация« проводили в основном ка компрессорных приборах. .Высота используемых колец характеризовалась следующими величинами: 2. 5 см; 2.75 см; 3.0 см; 3.5 см; 5.5 см; 8.9 сы и 11.0 см. Образцы консолидировались под действием ступеней нагрузок: 0.1; 0. 2; 0.4 и 0.5 Ша. Под кадцой ступенью уплотняющей нагрузки образца грунта выдергивались до полной стабилизации процесса уплотнения, за которую условно принималась скорость деформации, не превышающая 0.01 мм/сут.

По данным, накопленным при проведении консоладационкых опытов с различными грунтами с разной высотой образцов под разными нагрузками, строились базовые зависимости относительной деформации осадки«-^ от времени консолидации •Я^А)' которые позволили получить функции, связывающие степень консолидации грунта взятых разновидностей (в зависимости от высоты образца и уплотняющей нагрузки) со временем ее достижения ) (рис. 2).

Наибольший интерес с научной и практической точки зрения представляют консолидЕЩионные характеристики исследуемых грунтов как интегральные функции степени их консолидации под той или иной уплотняющей нагрузкой. Определение консолидационных характеристик в('(У) и ¿У) проводилось следующим образом. Сначала на график функции изменения степени консолидации во времени (рис.2) применительно к выбранной разновидности грунта и двум различным высотам ¡1, и определяются значения времени консолидации íi и ¿г , отвечающие определенному значению степени консолидации (рис.2). Далее, полагая, что заданная степень консолидации будет достигнута образцом грунта по всей, в среднем, его высоте, в формуле (1) принималась /£ , .и записывалась следующая система уравнений:

Эта система уравнений содержит две неизвестные величины: и , которые легко найти, поскольку все остальные параметры известны.

Аналогичным образом находятся консолидационные параметры для лхйых значений степени консолидации грунта.

Используя данную методику, появилась возможность сначала определить, а потом и построить в графическом виде функции применительно ко всем исследуемым разновидностям грунтов.

На рис.3 в качестве примера представлены исследуемые функции

- и -

сут.

И<12 3 и 5 6 7 89

Рис.2. Характер изменения степени консолидации образцов грунта во времени (глина, 1р =22.2)

13и)5(и)

Ч

2Р 16 12

0,8| А

О/, ' 1 0 4)

Р= 0.1 МПа

Т

ад

/

и/»

10 20 30 ¿0 50 60 70 60 9 0100 Рис. 3. )!арактер зависимости коясолидационшх параметров и

Т/^ от степени консолидации грунта (глина = 22.2)

- 12 -

гликы, найденные при ее консолидации под нагрузкой 0.1 МПз- Функции ¿>{(/] и берут свое начало от нулевого своего

значения ¿/ = 01 и достигают максимума при степени консолидации I/ = 1001. Характер функций, как показывает анализ, не зависит от разновидности грунта и имеет вид парабол Однако более существенным оказывается то, что величина значений $/(/) , отражающей, косвенно временные затраты на вязкое перемещение зерен скелета грунта (вторичная консолидация) при его уплотнении, увеличивается при переходе от супеси к глине. Причем, величина консолидационной характеристики ${(/) при (У = 90£ для суглинка оказывается больше этой характеристики, полученшй-для супеси, приблизительно в 5 раз, а для глинистого грунта соответственно в 10 -12 раз. Это обстоятельство представляется для нас весьма принципиальным, поскольку свидетельствует об увеличении роли и масштаба реологических процессов в связных грунтах при их консолидации по мере увеличения количества глинистых частиц и числа пластичности этих грунтов.

Если мы далее образуемся к анализу аналогичных зависимостей, но построенных уже для других ступеней нагрузки уплотнения Р 0.2 МПа -и Р •= 0.4 МПа, то применительно-к отмеченной особенности, разница в значениях характеристик 5'(1У) для супеси и глины достигает уке 50 раз для Р = 0.2 ШЬ и 500 раз для Р - 0.4 МПа.

При этом характерно, что увеличение плотности грунта неодинаковым образом сказывается на изменении величины консолидационной характеристики в пределах отдельно взятой разновидности. Так, для супеси масштаб изменения ¿>/1^) для Р = 0.1 МПа и Р - 0.4 МПа остался одинаковым. В случае суглинка диапазон изменения!$/(/) вырастает примерно в два раза, а ват для глины увеличение нагрузки уплотнения в 4 раза приводит к росту приблизительно в 50 раз. Данное, обстоя-

тельство, с навей точки зрения, является ярким свидетельством существенного нарастания роли реологических процессов в консолидации грунтов при нарастании их плотности особенно в случае глинистых грунтов. Для супеси увеличение плотности грунта в исследуемом диапазоне нагрузок не привело к заметному росту консолвдацконной характеристики

Увеличение плотности глинистых грунтов вшивает более существенное увеличение масштаба реологических процессов, связанных с объемной ползучестью скелета грунта. Суглинистые грунты занимают, при этом, промежуточное положение между супесью и глиной.

Что ж касается консолидационной характеристики ^С/) , от ража-

ющей характер изменения (и его масштаб) фильтрационных свойств грунтов при их консолидации, то применительно к ней мокко отметить, что она тага® как и 3[(У) зависит от вида консолидируемого грунта и его плотности.

Хотелось бы обратить внимание еще на одну особенность развития консолидационных характеристик Sft/) и//г(/) ъ зависимости от степени консолидации. Так, для супеси при всех взятых ступенях уплотняющей нагрузки Р= 0.1 - 0.4 МПа рост консолидационных характеристик начинается при достаточно высокой степени консолидации грунта ( U = 4Q -50%). Данное обстоятельство свидетельствует о том, что в супеси на начальных этапах ее консолидации ( ¿/ <40%) практически не происходит изменения как Фильтрационных, так и вязких свойств скелета грунта Что .те касается глинистых грунтов, то для них- на начальных этапах уплотнения, (когда грунт имеет текучую консистенцию), рост видоизменений фильтрационная и вязких свойств скелета начинает прослеживать-ся уме при степени консолидации U = 10 - 20%. С увеличением плотности этот предел сдвигается в сторону некоторого увеличения степени консолидации ( (J » 30%).

Подученные результаты, таким образом, свидетельствуют, действительно, об очень сложной пр:5роде физических процессов, которые обуславливают явление консолидации водонасыщенных глинистых грунтов под естественной нагрузкой. Ометим, что полученные параметры комплексно (интегрально) отражают на своей величине и темпах нарастания все возможные видоизменения, которые происходят с грунтом в процессе его консолидации. В этом, как нам кажется, и заключается основное преимущество рассматриваемой методики прогноза осадок сооружений в сравнении с другими.

Четвертая глава диссертации посвящена анализу предложенных во второй главе диссертации схем прогноза степени консолидации слоя слабого грунта в основании дорожной насыпи в целом и рассмотрения основных особенностей'предлагаемой методики.

Итак, с целью сравнения всех результатов прогноза степени консолидации, выполненных по различным схемам, на рис. 4 приведены кривые зависимости степени консолидации U % от времени.

Согласно представленным кривым ( рис. 4), на любой момент времени t¿.степень консолидации, рассчитанная по первой и второй схеме ( кривые 1 и 2) меньше ее величины, рассчитанной по теории К-Терцаги (кривая 4), т.е. оказывается, что скорость осадки, рассчитанная по

Рис. 4. Кривые зависимости степени консолидации слоя грунта от времени по разным методикам (1 -.по первой методике; 2 - по второй методике; 3 - по третьей методике; 4 - по фильтрационной теории и 5 - для элемента на глубине 1 = 0.5Н)

теории фильтрационной консолидации, при одном и том же времени больше величины, рассчитанной по первой и второй предлагаемой схеме. Это позволило сделать вывод, что расчет степени консолидации слоя в целом на основе применения отношения площадей эпюр времени или объемов приводит к явно неверным результатам и не может быть рекомендовано для практических расчетов. При рассмотрении характера развития кривой (3) по сравнению с кривой (4), видно, что процесс уплотнения грунта на один и тот же момент времени завершается быстрее, чем по K-Терцаги. Время, при котором грунт достигает определенной величины степени консолидации по предлагаемой методике, значительно меньше по сравнению с кривой (4) (рис.4). Например, при U = 80%, время достижения этой заданной степени консолидации, по Терцаги равна 550 суток, а по предлагаемой методике (кривая 3) оно равно только 325 суткам. Увеличение прогнозируемой степени консолидации приводит (рис. 4) к еще большему разрыву по времени ее достижения между нашим методом и теорией фильтрационной консолидации. Данное обстоятельство полностью соответствует существующей практике строительства инженерных соору-

ханий па сжишешк водонасшценных грунтах и служит основой для уверенного прогноза степени консолидации на основе использования для этой цели функции вида (У'У^, 2).

Кроме Есего прочего, на рис.4 приведена кривая изменения степени консолидации элемента грунта во времени при /Г = 0.5 Н . При этом оказывается, что наша кривая (3) оказывается нияе данной кривой (5), свидетельствуя, что степень консолидации слоя грунта в целом нарастает во времени интенсивнее, велели степень консолидации элементов грунта, расположенных в центре слоя при 2 = 0. 5 // , и поэтому нельзя сводить прогноз степени консолидации слоя грунта в целом к прогнозу степени консолидации его центральных ( % - 0. 5/У ) элементов.

Полученные экспериментальным путем консолидационные характеристики связных грунтов (супеси, суглинка и глины) позволили не только определить приемлемую методику сценки степени консолидации слоя грунта в целом, но базируясь на данной методике, проследить целый ряд весьма ценных, в практическом смысле, закономерностей, которые выявляются в условиях числонных примеров реализации прогноза во времени степени консолидации слоев грунта различной мощности. Такой прогноз наки был выполнен для-всех трех исследуемых разновидностей грунта при мощности слоя 50, 100, 200, 500 и 1000 см и внешней уплотняющей нагрузки 0.1; 0.2; 0.4; 0.5 Ша. Прогноз осуществлялся нами как для слоя грунта в целом, так и применительно к его элементам, находящимся на расстоянии >2'= 0.25; 0.35; 0.4; 0.45; 0.50; 0.75 и 1.0 /V от дренирующей поверхности.

На рис. 5 в качестве иллюстрации представлены функции изменения степени консолидации элементов слоя глинистого грунта во времени при различных величинах Я . Здесь же даны кривая нарастания степени консолидации слоя грунта £ целом, полученная согласно предложенной методике, учитывающей переменность физических свойств грунтов зо времени, и аналогичная кривая, базирующаяся' на теории фильтрационной консолидации. Анализируя представленные функции можно сделать следующие выводы.

Во-первых, во всех случаях прогноз по нашей методике дает более высокий теш нарастания степени консолидации слоев грунта во Еремени по сравнению с теорией фильтрационной консолидации.

Во-вторых, кривая, отвечающая росту степени консолидации во времени слоя грунта в целом, располагается выше кривой, соответствующей темпам нарастания во времени степени консолидации элементов грунта, расположенных в центральной зоне ,слоя (% = 0.5 /У ). При

uv.

s 70

д. г = юон

5' в игэюм по слое

20 ао

Время наблюдения в сутках

60

• txlo

Рис.5. Характер нарастания степени консолидации 1К для слоя грунта в целом и его элементов во времени (глина Р - 0.2 ЫПа, Н ■= 1000 см)

этом эта кривая находится в зоне между кривыми консолидации при Z = 0.25/9 и Z => 0.5 //. При этом на начальных этапах кривая изменения степени консолидации во времени отвечает тешам ее нарастания для элементов слоя грунта, расположенных ближе к дренирующей поверхности. При нарастании степени консолидации (рис. 5) эта кривая начинает сливаться с кривой, которая соответствует элементам слоя удаленных от дренирующей поверхности на несколько большее расстояние.

Шесте с тем, если бы удалось определить такую величину заглубления элемента Za , при которой кривая его консолидации во времени совпала бы с кривой консолидации слоя грунта в целом, то задача прогноза осадки сооружения сводилась бы только к предварительному построению функций S/V) и У/С/) и использованию формулы (1).

Однако," как следует из результатов анализа функций стро-

го говоря, не существует единой для всех значений степени консолидации величины ординаты ZB . В самом деле, для супеси величина варьирует в пределах Д = 0.36 - 0.40/У, для суглинка Ze » 0.38 - 0. 41/^ а для глины Z„ = 0.38 - 0.44 /У -. При этом для супеси нижнее значение Я, = 0.35 И может быть использовано приблизительно при прогнозе осадки до степени консолидации U < 60%, для суглинка = 0.38 М

применимо до (У <- 40% и для глины Z0 - 0.38 // моино использовать при степени консолидации (У „< 80%~

Однако еще большей степени упрощения задачи прогноза можно достичь, если для кавдой разновидности грунта использовать средние значения величины 20. Так, для супеси моино принять, что ZT = 0.38//, для суглинка 2=0.39/У и для глины = Л'. Шало, раэумеет-ся, учитывая небольшой рзгброс в значениях величины , для всех

разновидностей грунтов принять единую величину Za 0.39// или Z ~ = 0.4//.

В целях еще белее глубокого анализа и выявления особенностей развития степени консолидации свявиых грунтов во времени представлялась на базе полученных результатов экспериментальных исследований и функций вида l/^ffZ, сопоставить абсолютную величину возможных расхождений прогнозируемой степени'консолидации по предложенной нами методике и теории фильтрационной консолидации. С этой целью нами использовался некоторый коэффициент , равный:

я ¿Р-*

3f = —Г— , (2)

где ¿р,// - время достижения слоем грунта в целом степени консолидации л» по теории фильтрационной консолидации;

¿s^tf - то ж самое, но по предлагаемой методике.

На рис. 6 представлена зависимость данного коэффициента от мощности слоя грунта (той или иной разновидности), для которого осуществляется прогноз степени консолидации. Из анализа данного графика мозно, в частности, следует, что при лобом значении мощности толщи грунта в основании сооружения максимальный эффект при прогнозе с использованием предложенной методики, учитывающей переменность физических свойств грунтов достигается в случае, если толща сложена супесчаным грунтом. Здесь сокращение прогнозируемого времени в сравнении с теорией фильтрационной консолидации составляет от 5.0 до 5. б pa3t -В суглинке от -4.0 до 4.5, а вот в глинистых грунтах только от 1.5 до 2.0 раз. Это, как нам представляется, может иметь решающее значение при решении практических задач в деле прогноза осадок сооружений, дорожных насыпей и темпов нарастания прочности их оснований во времени.

На основе результатов выполненных исследований был рассмотрен практический пример прогноза во времени осадки дорокной насыпи, возведенной на слое слабого грунта ограниченной мощности.

6.0 5.0 40 3.0 2.0 1.0

Сую зсь

Суглв яок

о

Хмя 1

Р=<Ш U7. = BC ПО •/. ■

•

"cm

ZOO 400.. 600 800 1000

Рис.6. Характер изменения коэффициента при изменении

модности сдоя грунта (U «= const и Р - const)

и'/.

100

а] 60

§

о

о га 60

о

к

•а 40

Я

аэ

п

CD

н

о 20

^^ц— Ь—

/v

A v 1 - по предлагаемой методике 2 - по теории К Терцаги * - Цри Z - 0.38 - 0.42Н При Z = 0.4Н

fcYt

юсоо

20003

30000

Прогнозируемое время и в сутках Рис.7. Характер изменения степени консолидации во времени по предлагаемой методике и по теории КТерцаги

Насыпь высотой /Z = 5.0 м отсыпана из супесчаного грунта Слабый грунт представлен суглинком мягко-пластичной консистенции модностью 4 м.

На рис.7 приведен графи; изменения степени консолидации слоя грун:а во времени. Здесь же для сравнен:« дана кривая изменения этой характеристики в соответствии с теорией К. Гзрцаги, т. е. при класск-ческо;,; подходе. Хорсзю видно, что в соответствии с нашей методикой осадки нарастаягг гораздо быстрее, а следовательно, мы раньше имеем возможность устроить дорожную одежду.

Для сравнения лоедстазляется важым получать кривую роста степени консолидации, испсльсуя приближенный прием, основанный на использовании базовой зависимости, но 1фи л* Z0 , где Z<> является глубиной расположения элемента слоя, степень консолидации которого совпадает с темпами нарастания плотности слоя слабого грунта в целом. Применительно к суглинку величина ле.вдт в пределах 0.38 - 0.42/V. Ло стзпеми консолидации (У = 40%, = 0.38 // а для (У = = 80Х = 0.42 А! Исходя из этих условии, мы имеем кривую изменения степени консолидации во зремени слоя слабого грунта в основании насыпи (рис. 7).

Наконец, мы можем взять некоторое среднее значение расчетной глубины элемента, которая не изменяется в процессе нарастания степени консолидации во времени. На рис. 7 приведена и эта кривая хода осадки. Их сравнение показывает, что, во-первых, использование переменных значений глубины расположения расчетного элемента 5Т0 позволит получить практически полное совпадение прогнозируемых величин степени консолидации основания насыпи во времени (рис. 7) и, во-вторых, для практических задач вполне возможно использовать самый простой прием, базирующийся на применении фиксированной величины расчетной глубины элемента %а = 0.40 И .

ОБЩИЕ ЕЫВОДЫ

1. Наиболее надежно прогноз интенсивности нарастания осадок дорожных кгсыпей ео времени при их сооружении на слабых грунтах может быть осугестллен с учетом изменчивости значения коэффициента фильтрации и вязких свойств скелета грунта в процессе его уплотнения.

Z. Прогноз степени консолидации слоя слабого грунта в целом с учетом переменных параметров физических его свойств шлет быть осуществлен графо-аналитическим методом на основе использования эпюр

степени консолидации как функции расчетного времени и удаленности элемента грунта от дренирующей поверхности.

3. Консолидационные параметры связных грунтов и ^/¡У), отражающие характер происходящих изменения вязких свойств скелета грунта и его фильтрационных свойств соответственно в процессе консолидации под статической нагрузкой, зависят как от разновидности грунта, так и от начальной его плотности. При зтом величина консоли-дационной характеристики возрастает при переходе от супеси к глине, причем значение при степени консолидащи грунта ¿У »

9ОХ для суглинка оказывается больше этой характеристики, получаемой для супеси, приблизительно в 5 раз, а для глинистого грунта соответственно в 10-12 раз. При увеличении плотности глинистого грунта и уплотняющей нагрузки в 4 раза значение характеристики <5/^ возрастает в 50 раз.

4. Диапазон изменения консолидационной характеристики для супеси и суглинка при нагрузках уплотнения 0.1-0.4 1Ша (от границы текучести) изменяется незначительно, однако для глин эта характеристика при переходе от уплотняющей нагрузки 0.1 Ша к нагрузке 0.2 МПа увеличивается приблизительно в два раза, а при переходе к нагрузке 0.4 МПа - уже в 8 - 9 раз.

5. Для супесчаных грунтов для всех исследуемых ступеней нагрузок интенсивный - рост коясслидацяонных характеристик Я/О*) и У7^) наблюдается при достижении грунтом достаточно высокой степени консолидации (40 - 50%). Для глинистых грунтов этот процесс соответствует гораздо меньшей степени консолидации (10 -30%).

6. Прогноз нарастания степени уплотнения во времени слоя связного грунта в целом может быть наиболее точно осуществлен на основе использования отношения площадей функции описывавшей характер изменения степени консолидации элементов слоя грунта на тот или иной момент времени.

7. Темп роста степени консолидации слоя грунта во времени в целом в зависимости от вида грунта может совпадать на отдельных участках с темпом роста степени консолидации элементов слоя, расположенных на том или ином расстоянии от дренирующей поверхности.

8. фи любой мощности слоя слабого грунта в основании насыпи максимальный эффект при прогнозе с использованием предложенной методики достигается в случае, если толшр сложена супесчаным грунтом. Сокращение в этих-грунтах прогнозируемого времени уплотнения в сравнении с теорией фильтрационной консолидации составляет от 5 до 5.5 '

раз, в суглинке - от 4 до 4.5 раз и в глинистых грунтах - от 1.5 до 2.0 раз.

9. Используя теорию фильтрационной консолидации, возможная максимальная ошибка в прогнозе темпов уплотнения и роста прочности грунта на ранних стадиях процесса, если речь идет о слабых основаниях, сложенных глинаьп, и на поздних этапах, если эти основания представлены супесчаными грунтами.

10. Для практических прогнозов характера накопления осадок до-роэшых насыпай, отсыпаемых на слабых грунтах, вполне достаточно использовать приближенную зависимость, описывавшую изменение степени консолидации на глубине (от дренирующей поверхности), равной 0.40 мощности слоя.