Abstract

Abstract

This article considers stamping tests of full-scale models of reinforced foundation pads in real engineering and geological conditions of the city of Perm. These tests entail the final experimental stage in studying the bearing capacity of reinforced foundation pads. Numerical modeling was performed at the first experimental stage, the results of which were used to formulate the basic operation parameters of the reinforced foundation pads. Before the full-scale tests, model stamping tests of various types of reinforced foundation pads had been made and formulated on the basis of the numerical modeling results. The results of the model stamping tests made it possible to clarify the qualitative parameters of the work, to reveal the rational design of the reinforced foundation pads. In order to check the results of numerical modeling and model stamping tests, as well as to find the real bearing capacity of the reinforced foundation pads, full-scale stamping tests of specially prepared reinforced foundation pads were carried out. The main purpose of the experimental work is to obtain real parameters for the operation of reinforced foundation pads. To achieve this goal, certain objectives were identified, such as: - identify the regularity of settlement for the reinforced foundation pads under load by constructing the experimental plots of the "settlement-pressure" dependence; - estimate the bearing capacity at a maximum settlement of 12 cm; - study the stress-strain state of the base of the improved reinforced foundation pad under load by measuring stresses and deformations using soil pressure cells and marks. The solution of these problems will development a technique of calculating the bearing capacity of reinforced foundation pads.

Full Text

Эксперименты проводились на опытной площадке, расположенной на территории базы ОАО «Пермдорстрой» в п. Осенцы Пермского района. Характеристики грунтов основания представлены в табл. 1. Схема экспериментального стенда приведена на рис. 1. Таблица 1 Физико-механические характеристики грунтов основания Table 1 Physical and mechanical properties of soils base Наименование грунта Характеристики грунта Модуль деформации Е, МПа Сцепление c, кПа Угол внутреннего трения φ, град Удельный вес γ, кН/м3 Суглинок мягкопластичный 8,7 14 16 19,1 Перед проведением испытаний на площадке был удален плодородный слой и выкопан шурф глубиной 1,2 м до суглинка мягкопластичного, который служил основанием подушки. Предварительно до начала устройства модели фундаментной подушки были отобраны образцы грунта основания с целью уточнения его физико-механических характеристик [1, 2]. По результатам компрессионных и сдвиговых испытаний были получены уточненные характеристики грунта основания, которые представлены в табл. 1. Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 - анкеры; 2 - гидравлический домкрат; 3 - жесткий штамп; 4 - фундаментная подушка; 5 - упорная балка; 6 - индикаторы часового типа Fig. 1. The scheme of the experimental stand: 1 are the anchors; 2 is the hydraulic jack; 3 is the hard stamp; 4 is the foundation pad; 5 is the persistent beam; 6 are the mercer clock gauges В качестве модели фундамента использовался жесткий металлический штамп площадью 600 см2, d = 275 мм для соблюдения параметров подобия, подошва штампа была обработана для придания ей шероховатости. Основные положения о проведении испытаний были приняты аналогично модельным штамповым испытаниям [3, 4]. Нагрузка на штамп передавалась при помощи гидравлического домкрата, который опирался в специально изготовленную металлическую упорную балку, через ручную насосную станцию (см. рис. 1). Для устройства фундаментных подушек использовался песок средней крупности с подсчитанными [4] физико-механическими характеристиками, которые представлены в табл. 2. Таблица 2 Физико-механические характеристики песка Table 2 Physical and mechanical properties of sand Характеристика грунта Обозначение, единица измерения Значения характеристик Удельный вес γ, кН/м3 16 Коэффициент пористости e 0,6 Удельное сцепление с, кПа 1,4 Угол внутреннего трения φ, град 30 Модуль общей деформации Е0, МПа 29 Для исследования напряженно-деформированного состояния грунтового основания были изготовлены грунтовые месдозы [5], а также грунтовые марки, разработанные В.А. Лаврентьевым [2]. Грунтовая марка представляет собой металлическую пластину, установленную в грунт. Регистрация измерений производится путем жестко закрепленной к пластине металлической шпильки, выпуск которой выходит на поверхность земли с упором в индикатор часового типа. Для исключения трения по контакту «грунт - шпилька» она пропускалась через тонкостенную металлическую трубку. Перед установкой в грунтовый массив грунтовых марок и месдоз ручным ямобуром были подготовлены скважины, которые после установки датчиков засыпались грунтом. Для стабилизации показаний месдоз интервал после их установки в грунтовый массив и начала испытаний составил 15-20 сут [6-8]. После установки грунтовых месдоз формировалась фундаментная подушка путем отсыпки песка с послойным уплотнением, коэффициент уплотнения был принят kуп = 0,95. Для контроля уплотнения использовался статический плотномер СПГ-1 [4]. Схемы расстановки месдоз и грунтовых марок были приняты индивидуально для каждой схемы испытаний, которые представлены на рис. 2, 3. Рис. 2. Схема испытаний № 1. Неулучшенный грунт основания: 1 - жесткий штамп; 2 - грунтовые месдозы (2.1-2.4 - номера месдоз); 5 - грунтовые марки (5.1-5.4 - номера марок) Fig. 2. Test scheme number 1. Unimproved base soil: 1 is the hard stamp; 2 are the soil pressure cells (2.1-2.4 is the number of soil pressure cells); 5 are the soil marks (5.1-5.4 is the number of soil marks) Рис. 3. Схема испытаний № 2. Подушка, армированная георешеткой: 1 - жесткий штамп; 2 - грунтовые месдозы (2.1-2.4 - номера месдоз); 3 - фундаментная подушка; 4 - георешетка; 5 - грунтовые марки (5.1-5.4 - номера марок) Fig. 3. Test scheme number 2. The pad is reinforced with a geogrid: 1 is the hard stamp; 2 are the soil pressure cells (2.1-2.4 is the number of soil pressure cells); 3 is the foundation pad; 4 is the geogrid; 5 are the soil marks (5.1-5.4 is the number of soil marks) Схемы испытаний были приняты на основании результатов модельных штамповых испытаний [3]. В качестве армирирующего материала была выбрана георешетка Secugrid [9-11] с шагом армирования Δh = (n - 1)∙100 + 200, где n - номер армирующего слоя [12]. Нагрузка на штамп передавалась при помощи гидравлического домкрата через ручную насосную станцию ступенями по 10 кПа до достижения предельной нагрузки. От одной ступени нагружения к другой переход совершался после условной стабилизации осадки, равной 0,1 мм, за 1 ч [3]. Измерение осадки штампа осуществлялось при помощи двух индикаторов часового типа ИЧ-50 как среднее арифметическое двух измерений. Параллельно с замером осадки штампа проводился замер перемещений грунтовых марок, а также непрерывно в течение испытания велась регистрация напряжений в грунтовых месдозах. Первой задачей экспериментальных исследований явилась установка закономерности развития осадки штампа от приложенной нагрузки. Для решения данной задачи по результатам проведенных испытаний были построены графики зависимости «осадка - давление» для всех схем испытаний (рис. 4). Рис. 4. Графики зависимости «осадка - давление» для различных схем проведения испытаний Fig. 4. The graphs of the settlement-pressure relation for different test schemes После установления данных зависимостей была определена величина несущей способности при предельной осадке 12 см: она составила для естественного основания 120 кПа, для основания, улучшенного фундаментной подушкой, - 200 кПа. Полученные зависимости в целом подтверждают ранее полученные качественные параметры работы армированных фундаментных подушек. Можно также сделать вывод о том, что опытная фундаментная подушка позволяет существенно снизить осадки штампа при аналогичных ступенях давления по сравнению с естественным основанием. В целом применение в качестве метода улучшения грунтового основания песчаных фундаментных подушек, армированных георешеткой, позволяет снизить осадку, по сравнению с естественным основанием, до 35 %. Фундаментная подушка способна воспринимать больший диапазон приложенной нагрузки по сравнению с естественным основанием. Георешетка как армирующий материал вступает в работу после достижения песком фазы уплотнения при давлении приблизительно 80-90 кПа. По аналогии с модельными штамповыми испытаниями в процессе проведения испытаний проводился замер напряжений при помощи грунтовых месдоз. Его результаты представлены в виде графика зависимости «вертикальные напряжения - глубина месдозы» (рис. 5). Исходя из анализа полученных зависимостей, можно сделать следующие выводы. Распределение напряжений в грунтовом массиве происходит по классическим представлениям механики грунтов. При невысоком диапазоне давлений (до 80 кПа) распределение напряжений в случае естественного основания и основания, улучшенного армированной фундаментной подушкой, качественно имеет схожие зависимости. При увеличении давления на штамп (см. график 2 на рис. 5) происходит «включение в работу» армирующего геосинтетического материала (георешетки), и, как следствие, за счет перераспределения напряжений под георешеткой месдоза регистрирует меньшие значения напряжений. При дальнейшем увеличении давления перераспределение напряжений под георешеткой имеет более явный характер (см. график 3 на рис. 5) [13-15]. , Рис. 5. Экспериментальные значения вертикальных напряжений по глубине грунтового массива: 1 - давление на штамп 50 кПа; 2 - давление на штамп 100 кПа; 3 - давление на штамп 170 кПа; 4 - давление на штамп 300 кПа Fig. 5. Experimental values of vertical stresses over the depth of the soil massif: 1 is the pressure on the stamp of 50 kPa; 2 is the pressure on the stamp of 100 kPa; 3 is the pressure on the stamp of 170 kPa; 4 is the pressure on the stamp of 300 kPa Совместно с изучением распределений напряжений проводился замер перемещения грунтовых марок. Полученные экспериментальные данные совпадают с классическими механизмами развития осадок в грунтовой толще. Неравномерность осадки грунтовых марок по глубине значительно меньше в случае основания, улучшенного армированной фундаментной подушкой. Также при испытаниях армированной фундаментной подушки на глубине 0,3 м от подошвы штампа наблюдается уменьшение значений осадки (угасание). По результатам выполненных экспериментальных работ можно сделать следующие выводы: 1. Полученные зависимости в целом подтверждают ранее полученные качественные параметры работы армированных фундаментных подушек. 2. Фундаментная подушка позволяет существенно снизить осадки штампа при аналогичных ступенях давления по сравнению с естественным основанием. 3. Несущая способность при предельной осадке 12 см армированной фундаментной подушки на 40 % больше по сравнению с естественным основанием. 4. Напряженно-деформированное состояние армированной фундаментной подушки существенно отличается от естественного основания. Данное отличие обусловлено внедрением армирующих элементов, которые перераспределяют напряжения в грунтовом массиве и, как следствие, позволяют снижать осадку. Наиболее характерное перераспределение напряжений начинается с глубины 0,15 м от подошвы штампа. 5. Георешетка как армирующий материал вступает в работу после достижения песком фазы уплотнения при давлении приблизительно 80-90 кПа.