Определение осадки оснований, сложенных биогенными грунтами по значениям вертикальных сжимающих напряжений

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСАДКИ ОСНОВАНИЙ, СЛОЖЕННЫХБИОГЕННЫМИ ГРУНТАМИ ПО ЗНАЧЕНИЯМ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ

При реконструкции мелиоративных систем на осушенных болотах, мероприятий по защите населенных пунктов и сельскохозяйственных земель от затопления, дорог и коммуникаций на заболоченных территориях приходится иметь дело с биогенными грунтами.

К биогенным грунтам относятся: торфы, сапропели, заторфованные грунты, мергели болотные. В зависимости от условий формирования биогенные грунты в результате жизнедеятельности микроорганизмов содержат определение количество разложившихся или не полностью разложившихся остатков растительного и животного происхождения, что определяет специфику физико-механических свойств, отличающих их от минеральных грунтов сходного механического состава.

В отличие от минеральных грунтов, биогенные грунты характеризуются высокой влажностью, большим содержанием органического вещества, малой (иногда чрезвычайно малой) прочностью.

Однако умелое использование такой особенности этих грунтов как их сильная сжимаемость и, как следствие этого их упрочнение в процессе уплотнения позволяет использовать в качестве основания даже такие биогенные грунты, которые в недалеком прошлом считались совершенно не пригодными для этих целей.

В практике мелиоративного и водохозяйственного строительства Республики Беларусь накоплен определенный опыт использования таких грунтов в качестве оснований, материала и среды для возведения сооружений.

В естественном залегании биогенные грунты отличаются высокой влажностью, весьма низкой несущей способностью и сильной сжимаемостью.

В то же время экспериментальные исследования показывают, что при научно обоснованном подходе и регламентированном режиме нагружения оснований можно добиться упрочения биогенных грунтов в результате уплотнения, обеспечивающего устойчивость в процессе эксплуатации оснований при существенном снижении трудоемкости и материальных затрат.

Достижение этой цели возможно путем надежной и объективной оценки изменчивости физико-механических свойства биогенных грунтов в объемно-напряженном состоянии с последующим прогнозированием конечных результатов и расчетом прочности и деформируемости.

По напряжениям оценивается устойчивость основания, а осадка определяет требуемые объемы работ по отсыпке насыпей. Для расчета напряжений в биогенных грунтах используются решения теории упругости.

Применимость таких решений к расчету оснований, сложенных биогенными грунтами, доказана в диапазоне реально встречающихся в практике нагрузок и подтверждается опытом проектирования и строительства.

При малой мощности биогенных грунтов используют данные компрессионных испытаний для расчета осадки как деформации слоя конечной толщины (одномерная задача).

Однако на практике встречаются случаи, когда мощность биогенных грунтов близка к размерам насыпи (ширине) или превышает ее. Если в основании залегают несколько генетических типов биогенных грунтов с различной сжимаемостью, следует учитывать распределение вертикальных сжимающих напряжений по высоте и вести расчет для каждого слоя биогенных грунтов. биогенный грунт осадка дамба деформируемость Выше изложенное можно проследить при расчете осадки опытной насыпи на объекте Доватора Витебской области.

В створе опытной насыпи под слоем торфа мощностью 2,0 м залегают два слоя сапропеля глубиной 3,0 и 2,5 м (рис. 1).

Рис. 1 — Расчетная схема опытной насыпи на объекте Доватора

Так как ширина насыпи сопоставима с мощностью биогенных грунтов в основании, то был выполнен расчет напряженного состояния и осадка определена с учетом распределения вертикальных сжимающих напряжений от насыпи по глубине.

Задачей расчета напряженного состояния является определение нормальных и касательных напряжений в любой точке основания дамбы по элементарным площадкам различным образом ориентированным в плоскости поперечного сечения.

Напряженное состояние в заданной точке полностью определяется величиной главных напряжений и направлением их действия. Напряжения от нагрузки распределенной по закону равностороннего треугольника можно определить по графикам построенным в относительных координатах и для единичной нагрузки Р₀ = 1, которые приведены в типовых проектных решениях «Дамбы низконапорные на слабых грунтах для водохранилищ и польдерных осушительных систем».

Так как опытная насыпь равнобокая трапеция, то для определения вертикальных напряжений у_z для нагрузки распределенной по закону равнобедренной трапеции в точке основания с координатами Х и Z используем следующий прием.

Трапеция дополняется до равностороннего треугольника, состоящего в свою очередь из двух треугольников — большого с нагрузкой Р = 0,61 кг/см³ и малого с нагрузкой Р = 0,21 кг/см². (рис.2).

Рис. 2 — Расчетная схема для определения вертикальных напряжений у_z

По графикам, построенным в относительных координатах и для единичной нагрузки Р₀ = 1, определяем напряжения для треугольников.

Разница между величинами большого и малого треугольников дает фактические вертикальные напряжения уz в каждом слое основания насыпи. Эпюры уz показаны на рис. 3а и 3б.

Рис. 3а — Эпюры сжимающих напряжений на границах отдельных слоев и деформация уплотнений.

Рис. 3б — Общая осадка насыпи Наиболее распространенным методом расчета осадок оснований из биогенных грунтов является метод, основанный на результатах компрессионных испытаний.

Получение экспериментальным путем компрессионных характеристик (показателей сжимаемости), необходимых для определения осадки сооружений и используемых при расчете напряженно-деформируемого состояния основания является трудоемкой задачей.

Анализ особенностей свойств биогенных грунтов позволил получить зависимость компрессионных свойств, пригодную для всех видов биогенных грунтов.

Для торфа и сапропелей изменение коэффициента пористости от уплотняющей нагрузки определялось по формуле 1.

(1).

где е₀ — начальный коэффициент пористости Р₀ — начальное давление.

Р₀ = 0,1 кг/см²

Нагрузка от опытной насыпи определялась по формуле.

Р = Н? г (2).

где Н — высота насыпи.

г — плотность грунта в насыпи.

г = 0,94г/см²

Таблица — Расчет осадки по вертикали

Расчетная осадка определялась.

где S — расчетная осадка;

е₀ — начальный коэффициент пористости отдельного слоя;

е_i — коэффициент пористости этого слоя, достигнутый в результате уплотнения от удельной нагрузки Р_i;

h_i — толщина слоя каждого вида биогенного грунта в основании.

Результаты расчета расчетной осадки по вертикалям приведены в таблице.

Замеры осадки производились по установленным осадочным маркам на поверхности массива и по глубине. Осадка насыпи протекает в течение длительного периода времени и обусловлена ползучестью биогенных грунтов.

Расчетная дает значения конечной осадки, которая будет достигнута за длительный срок, то есть когда деформации уплотнения практически будут стабилизированы. Фактическая осадка насыпи приведена за 19 суток после отсыпки. Этим и объясняется некоторое отклонение расчетных значений от фактических, полученных в результате наблюдения, а полученная формула для компрессионной зависимости дает возможность с достаточной для практики точностью рассчитывать осадку без проведения длительных и трудоемких испытаний.

• 1. Абелев, М. Ю. Возведение зданий и сооружений на насыпных грунтах. /М.Ю. Абелев, Крутов, В.И. — М.: Госстройиздат. 1962 г. 147с.
• 2. Амарян, ЛС. Прочность и деформируемость торфяных грунтов. — М.: недра, 1969 г. 51 с.
• 3. Сеськов, В. Е. Биогенные грунты Белоруссии и использование их в качестве оснований под здания и сооружения. — Мн.: БелНИИНТИ. 1989 г. 1989 г. 48 с.
• 4. Васильева, Н. В. Расчет осадки сооружений, возводимых на биогенных грунтах. //Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Высшего мелиоративного образования в Республике Беларуси (Горки 4−5 июня). — Горки, 1999 г. — С. 197 — 200.