Зоценко Н.Л. Инженерная геология. Механика грунтов, основания и фундаменты

Подождите немного. Документ загружается.

290

у конкретному випадку прийнятою 30 см.

Якщо досліджують ущільнення ґрунтів тра-

мбівками, відривають шурфи та з інтервалом

10÷20 см за глибиною також відбирають зра-

зки для визначення щільності сухого ґрунту,

за отриманими даними будують графіки змі-

ни щільності сухого ґрунту за глибиною і

визначають зону ефективного ущільнення.

Для зведення земляних споруд зви-

чайно використовують однорідні зв’язні ґру-

нти, які розробляють у кар’єрі чи резерві й

доставляють на місце робіт для ущільнення.

Вологість ґрунту в кар’єрі суттєво не зміню-

ється, тому значення вологості наперед відо-

ме за результатами контрольних випробу-

вань. Ґрунти найчастіше ущільнюють поша-

ровим відсипанням із наступним ущільнен-

ням котками. При цьому нормативні докуме-

нти регламентують значення щільності сухо-

го ґрунту ρ

, котрі потрібно досягти після

ущільнення. Тому почати ущільнення насту-

пного шару можна тільки після того, як

отримано результати контрольних визначень щільності сухого ґрунту. Використання звичай-

них методів випробувань (метод ріжучих кілець та визначення вологості висушуванням) ви-

кликає значні технологічні перерви у роботі.

Значний виграш у часі дає використання пенетраційного методу контролю. Схема

польового пенетрометра наведена на рис. 11.22.

Головною робочою частиною є металевий конус 1 із кутом розкриття при вершині

30°. На поверхні ґрунту пенетрометр фіксують опорною частиною 2. Перед випробуваннями

знімають на глибину 5 – 10 см розпушений ґрунт і зачищають поверхню. Для того, щоб урів-

новажити конструкцію пенетрометра й конус під своєю вагою не занурювався в ґрунт в кор-

пусі 9 установлено пружину 3, яка фіксується опорним кільцем 4. Перед початком випробу-

вань за допомогою рухомого кільця 5 фіксують початкове положення конуса. Навантаження

на конус передають через ручки 8 та за допомогою динамометра 7 визначають прикладене

зусилля. Отримане переміщення конуса фіксується на проградуйованій штанзі 6. За отрима-

ними даними розраховують питомий опір пенетрації R.

Для використання пенетраційного методу контролю спочатку на дослідних площад-

ках проводять пенетраційні випробування при різній вологості і будують номограму взає-

мозв’язку між питомим об’ємом сухого ґрунту 1/ρ

, вологістю W та питомим опором пенет-

рації R. У процесі виконання робіт за заданим значенням щільності сухого ґрунту ρ

dс

знахо-

дять контрольне значення питомого об’єму сухого ґрунту 1/ρ

dс

і для відомого значення воло-

гості визначають значення питомого опору пенетрації R

, яке потрібно досягти після ущіль-

нення. Після контрольної кількості проходів котка виконують пенетраційні випробування,

знаходять питомий опір пенетрації R та роблять висновок про можливість відсипання насту-

пного шару (якщо R≥R

) або про необхідність додаткового ущільнення (якщо R<R

На рис. 11.23 для прикладу наведено рівняння взаємозв’язку й номограму пенетрації

легкого суглинку з Кривого Рогу, який використовувався для греблі водоймища-

накопичувача шахтних вод Кривбасу.

Коефіцієнт кореляції склав 0,946 при середній квадратичній похибці умовного рів-

няння 0,0755, що підтверджує високу точність отриманої залежності. Використовуючи номо-

граму, для відомої вологості та опору пенетрації легко знайти відповідне значення питомого

об’єму сухого ґрунту.

Рис. 11.22. Схема польового пенетрометра:

1 – конус; 2 – опорна частина; 3 – пружина;

4 – опорне кільце; 5 – рухоме кільце;

6 – штанга; 7 – динамометр; 8 – ручка;

9 - корпус

291

Візьмемо, наприклад, значення вологості W=0,150, потрібне значення щільності сухо-

го ґрунту ρ

=1,83 г/см

(1/ρ

=0,546 см

/г). Для контрольного значення 1/ρ

=0,546 см

/г, кон-

трольне значення питомого опору пенетрації R

=1,15 МПа. Це значення і є критерієм достат-

ності ущільнення ґрунту.

Практична перевірка показала, що похибки визначення щільності сухого ґрунту з ви-

користанням пенетраційної методики не перевищують 0,02 г/см

11.5. ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

УЩІЛЬНЕННЯ З УРАХУВАННЯМ ПАРАМЕТРІВ МЕХАНІЗМІВ

ДЛЯ УЩІЛЬНЕННЯ ҐРУНТУ

Досвід виробничого ущільнення показує, що закладені у проект значення максималь-

ної щільності сухого ґрунту й оптимальної вологості у багатьох випадках не враховують мо-

жливостей їх досягнення тими засобами ущільнення, які є, або відсутні рекомендації до до-

сягнення цих характеристик конкретним типом ущільнювача.

Для об’єктивного призначення оптимальних характеристик ущільнення за даними ла-

бораторних випробувань необхідно, щоб параметри ударного навантаження у лабораторних

умовах були пропорційні величині максимального контактного тиску, котрий розвиває ущі-

льнювач. Таким чином, для встановлення пропорційного зв’язку між лабораторним і вироб-

ничим ущільненням потрібно знати величини максимальних контактних тисків.

У випадку вільного падіння трамбуючого робочого органа максимальний контактний

тиск може бути знайдений із виразу

HKG,

pttr

max

460

, кПа, (11.36)

де G

– вага трамбуючого органа, кН; H

– висота падіння, см; A

– площа контактної повер-

хні, см

; t – час удару, с; K

– коефіцієнт, що враховує незбіжності часу закінчення удару з

моментом максимуму тиску.

Коефіцієнт K

характеризує відставання процесу розвитку деформації ґрунту від зміни

2,0

1,5

0,45

2,5

1,0

0,40

0,30

0,50

0,25

0,15

0,35

0,10

0,05

0,20

0,70

0,65

0,50

0,45

0,60

0,55

=1,15

1/d

=0,546

1/r

=0,140

=0,200

=0,150

=0,160

=0,170

=0,180

=0,190

=0,830 S

=1,0

1/ρ

=0,3780L

+0,1562-0,0590lg

=1-0,7908(1-S

) R

=0,1 МПа

Питомий опір пенетрації, R, МПа

Питомий об’єм сухого ґрунту 1/ρ

, см

/г

Рис. 11.23. Номограма пенетрації

292

контактного тиску на його поверхні і тим самим визначає гостроту ударного імпульсу. Чим

більший цей коефіцієнт, тим гостріша форма імпульсу, менше час дії і при більших контакт-

них тисках він проходить. Значення коефіцієнта K

збільшуються з підвищенням швидкості

штампа і зниженням його ваги. Для практичних розрахунків можна користуватися значення-

ми, наведеними у табл. 11.4.

Таблиця 11.4. Значення коефіцієнта K

Швидкість

удару, м/с

Статичний тиск, кПа

1,5

1,3

1,2

1,1

1,8

1,5

1,3

1,2

2,0

1,7

1,4

1,2

2,5

2,0

1,7

1,4

3,0

2,5

2,0

1,7

3,5

3,0

2,3

2,0

Для визначення часу удару можна користуватися даними таблиці 11.5, яка складена

для зв’язних ґрунтів оптимальної вологості.

Таблиця 11.5. Час удару, с

Питомий ім-

пульс, i, кПа

Коефіцієнт ущільнення K

0,80

0,85

0,90

0,95

0,98

0,040

0,030

0,020

0,015

0,010

0,070

0,050

0,030

0,020

0,015

0,090

0,065

0,040

0,025

0,015

0,110

0,080

0,050

0,030

0,015

0,130

0,095

0,060

0,035

0,020

Для гладкобарабанних котків максимальний контактний тиск визначають із виразу

max

, кПа, (11.37)

де g – лінійний тиск, кН/см; R – радіус котка, см; E – модуль деформації, кПа.

Для кулачкових котків максимальний контактний тиск розраховують за формулою

max

, кПа, (11.38)

де G

– вага котка, кН; A

– площа опорної поверхні кулачка, см

; n – кількість кулачків у

одному ряду.

Для визначення максимальних контактних тисків, що виникають у ґрунті при проході

ущільнювачів на пневматиках, користуються формулою

( )

VVR

mmax

, кПа, (11.39)

де K

– поправковий коефіцієнт, що враховує тиск у шині (для тиску 40÷70 кПа K

=1); g –

лінійний тиск, кН/см; R – зовнішній радіус шини, см; V

, V

– коефіцієнти пружності відпові-

дно ґрунтової поверхні і шини, кПа

-1

, кПа, (11.40)

де E

– модуль деформації у кінці ущільнення (для суглинків E

≈20·10

кПа).

293

BDP

DBN

, кПа

1−

, (11.41)

де P

– тиск повітря в шині, кПа; N – навантаження на колесо, кН; D – зовнішній діаметр

шини, см; B – ширина профілю шини, см.

Взаємний зв’язок між результатами виробничого та лабораторного ущільнення базу-

ється на пропорційному призначенні ударного навантаження в лабораторних умовах згідно з

параметрами механізму для ущільнення ґрунтів.

Дослідним шляхом установлені значення коефіцієнтів пропорційності між максима-

льними контактними тисками у лабораторних і польових умовах, які забезпечують збіжність

значень оптимальної вологості і максимальної щільності сухого ґрунту. Коефіцієнти пропор-

ційності K

приймають рівними: 7 – для механізмів на пневматичних шинах, 5 – для гладко-

барабанних і 0,5 – для кулачкових котків.

Визначення оптимальних характеристик ущільнення з урахуванням параметрів меха-

нізмів для ущільнення виконують у такій послідовності:

1. Визначають максимальний контактний тиск для виробничого ущільнення σ

max

, ви-

користовуючи формули 11.37÷11.39.

2. Визначають пропорційний максимальний контактний тиск у лабораторних умовах

max ℓ

·σ

max

, який забезпечить збіжність результатів виробничого і лабораторного ущіль-

нення.

3. Використовуючи вираз 11.36, розраховують параметри ударного навантаження в

лабораторних умовах, які забезпечать потрібний максимальний контактний тиск σ

max ℓ

4. Виконують лабораторні дослідження методом динамічного ущільнення й визна-

чають оптимальну вологість та максимальну щільність сухого ґрунту.

Як відомо, оптимальну вологість і максимальну щільність сухого ґрунту відповідно

до нормативних документів у лабораторних умовах визначають за методом стандартного

ущільнення. Але результати ущільнення, отримані за цим методом, є окремими випадками

залежностей між максимальними контактними тисками і характеристиками ущільнення. То-

му для використання результатів стандартного ущільнення стосовно конкретного ущільню-

вача необхідно ввести поправки на фактичну величину максимальних контактних тисків у

кінці ущільнення.

Наближене значення оптимальної вологості можна визначити з виразу

( )

stmaxmaxСconLstoptopt

KlgWW,WW



σσ

−−≈ 330

, (11.42)

де W

opt st

– значення оптимальної вологості за результатами стандартного ущільнення; K

–

коефіцієнт пропорційності між максимальними контактними тисками у лабораторних і

польових умовах; σ

max

та σ

max ℓ st

– відповідно значення максимальних контактних тисків у

польових умовах і для характеристик стандартного ущільнення (для суглинків σ

max ℓ st

=2,67

МПа).

Орієнтовне значення максимальної щільності сухого ґрунту можна розрахувати за

формулою

( )

stmax

maxС

sconwsLw

acs

stmaxd

maxd



ρρρρ













−

+≈

, (11.43)

де V

– відносний вміст затисненого повітря у кінці ущільнення (V

=0,03÷0,05); ρ

d max st

– ма-

ксимальна щільність сухого ґрунту, отримана за результатами стандартного ущільнення.

Одним із важливих питань при проектуванні процесу ущільнення є визначення зага-

льної кількості роботи, яка потрібна для досягнення необхідних характеристик ущільненого

ґрунту. Розглянемо вплив роботи й характеристик ущільнюючого навантаження на кінцеві

результати ущільнення.

Рівновага будь-яких сил можлива лише у тому випадку, коли фізичні причини здатні

викликати рух, компенсують одна одну при сумісній дії. Оцінюючи ці причини за результа-

том дії, можна характеризувати їх як зовнішні сили. Таке розуміння відповідає основним по-

294

ложенням механіки (перший закон Ньютона).

У якості реактивних сил діють сили опору переміщенню частинок при ущільненні.

Робота зовнішніх сил пропорційна величині загальної деформації. Величиною, що встанов-

лює пропорційну залежність між зовнішніми силами і відносною деформацією, може бути

використаний модуль деформації

εσ

, (11.44)

де σ – величина ущільнюючого навантаження на одиницю площі; ε – величина відносної де-

формації.

У процесі ущільнення модуль деформації є змінною величиною, яка зростає із збіль-

шенням загальної деформації. Під час збільшення загальної деформації у процесі ущільнення

зменшується швидкість її накопичення протягом одного циклу дії ущільнюючого наванта-

ження. Приріст загальної деформації зворотно пропорційний модулю деформації.

dEKdS

, (11.45)

де K

– коефіцієнт, що враховує властивості ґрунту.

Після інтегрування при початкових умовах S=0 і E=E

отримаємо

EElnKS

iAi

. (11.46)

Тоді зміна модуля деформації під час ущільнення може бути визначена з виразу

eEE

. (11.47)

Коефіцієнт K

характеризує приріст деформації при зміні модуля деформації у проце-

сі ущільнення ґрунту:

( )

iiA

lnSSK

−=

. (11.48)

Визначимо роботу, яку виконують внутрішні сили у процесі ущільнення шару ґрунту

товщиною h

під впливом зовнішніх дій. Елементарна робота прямо пропорційна величині

зовнішніх сил і зміні об’єму ґрунту:

dVdA

. (11.49)

При обмеженій можливості розширення ґрунту зміна об’єму ґрунту головним чином

іде за рахунок зміни висоти шару. Тоді вираз (11.49) набуває вигляду

AdhdA

. (11.50)

Використовуючи залежність (11.44), знаходимо

AdhEdA

. (11.51)

Приймаючи

( )

hhh

−=

і розглядаючи елементарну роботу для одиничного стовпа

ґрунту площею A=1см

, отримаємо

( )

[ ]

dhEhhhdA

iiw

−=

. (11.52)

Використовуючи експоненціальний закон зміни модуля деформації (11.47), знаходи-

мо

( )

[ ]

( )

eEhhhdA

Khh

−

−=

000

. (11.53)

Повну роботу на одиницю площі ущільненого шару визначимо, інтегруючи залеж-

ність (11.53). Після підстановки меж інтегрування отримаємо

( )













−+−−=

−

0000

hKhKhheKEA

AAi

. (11.54)

Від’ємний знак у виразі (11.54) означає, що робота ущільнення виконується під дією

стискуючих зовнішніх сил.

Звичайно при виконанні робіт із ущільнення відомі початкова товщина шару, почат-

кова і кінцева щільність сухого ґрунту. Для визначення деформації ущільнення шару можна

використати формулу

( )

ddii

hS ρρ

−=

. (11.55)

295

Величина K

у формулі (11.54) залежить від величини деформації ущільнення і почат-

кової товщини шару. При використанні методу динамічного ущільнення замість зміни висо-

ти шару зручніше використовувати зміну питомого об’єму сухого ґрунту. Для графічного

оформлення результатів ущільнення зручніше взамін натуральних використовувати десятко-

ві логарифми. З урахуванням цих умов одержимо

( )

13032

EElg,

did

ρρ

⋅

−

. (11.56)

За допомогою формули (11.54) можливо визначити загальну роботу ущільнення для

досягнення заданого ступеня щільності. Ця умова виконується при вологостях, близьких до

оптимальної для використаного ущільнювача.

Робота одного удару при динамічному ущільненні, віднесена до одиниці початкового

об’єму зразка, складає

VPgHA

′

, (11.57)

де P – маса вантажу, кг; H – висота падіння, см; V

– початковий об’єм зразка, см

; g – прис-

корення сили тяжіння, що дорівнює 9,807 м·с

-2

Роботу, яка потрібна для ущільнення ударним навантаженням одиниці об’єму ґрунту

до максимальної щільності, можна визначити з виразу

nAA

lwlw

⋅

′

, (11.58)

де n – кількість ударів, необхідна для ущільнення до максимальної щільності сухого ґрунту

при оптимальній вологості.

У польових умовах загальну величину роботи можливо визначити за формулою

(11.54) або з використанням залежності (11.58). Роботу ущільнення на протягом одного цик-

лу можна визначити за величиною тягового зусилля, якщо відомі характеристики котка і то-

вщина ущільненого шару. Питома робота ущільнювача впродовж циклу становить

TLA

′

, (11.59)

де T – тягове зусилля, Н; L – шлях, пройдений котком, см; V – початковий об’єм ущільненого

ґрунту, см

Тягове зусилля, потрібне для ущільнення ґрунту, можна визначити з виразу

PgfT

, (11.60)

де P – маса котка, кг; g – прискорення сили тяжіння; f – коефіцієнт опору перекочуванню.

Для механізмів на пневматичних шинах f=0,06÷0,20, f

=0,12; для гладкобарабанних

котків f=0,05÷0,20, f

=0,11; для кулачкових котків f=0,25÷0,30, f

=0,12.

Якщо вважати, що шлях котка дорівнює одиниці, вираз для визначення середньої пи-

томої роботи протягом циклу буде мати вигляд

BhfPgA

mmw

′

, (11.61)

де B – ширина ущільненої смуги ґрунту.

Після визначення потрібної загальної роботи ущільнення і середньої питомої роботи

протягом циклу можна визначити потрібну кількість проходів котка у польових умовах:

mwlwc

AAN

′′

. (11.62)

Найбільш вдалим є такий вибір початкової висоти зразка h

для лабораторного ущіль-

нення, коли питома робота удару буде дорівнювати середній питомій роботі ущільнювача

протягом циклу. У такому випадку кількість дій при лабораторному та польовому ущільнен-

ні буде збігатися.

AAHgPh

′

⋅⋅⋅=

, (11.63)

де A – площа зразка, см

Між кількістю ущільнюючих дій у польових і лабораторних умовах можна встанови-

ти таку залежність:

lwmwc

AAnN

′′

. (11.64)

На основі формул (11.54÷11.62) можливо виконати розрахунок потрібної кількості дій

296

ущільнювача у виробничих умовах як за даними лабораторних випробувань, так і розрахун-

ковим шляхом.

11.6. ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК УЩІЛЬНЕННЯ ЗА УМОВИ

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТРИВАЛОЇ МІЦНОСТІ ҐРУНТІВ

Одним із важливих питань при зведенні земляних споруд є забезпечення їх тривалої

міцності, тобто коли за довгий час експлуатації зберігаються отримані після ущільнення ме-

ханічні характеристики ґрунту і не виникає значних деформацій.

На поведінку ущільненого ґрунту в часі великий вплив має вологість, при якій було

проведено ущільнення й кількісне співвідношення окремих видів води в ущільненому ґрунті.

Розглянемо схему впливу кількісного вмісту різних видів води на поведінку ущільненого

ґрунту в часі (рис. 11.24). Якщо ущільнення ґрунту виконано при вологості меншій, ніж мак-

симальна кількість зв’язаної води W

con

(рис. 11.24, а), то електричний потенціал поверхні

твердих частинок не використаний і вони здатні збільшити товщину плівок зв’язаної води δ

до максимально можливого значення δ

max

при додатковому зволоженні ґрунту під час екс-

плуатації земляної споруди. Збільшення товщини плівок зв’язаної води приводить до збіль-

шення початкового об’єму ущільненого ґрунту і деформації споруди. Треба враховувати й

те, що, як правило, зволоження йде нерівномірно, що, у свою чергу, викликає нерівномірну

деформацію.

Якщо ущільнення ґрунту виконано при вологості, яка значно перевищує максимальну

кількість зв’язаної води (рис. 11.24, б), то електричний потенціал поверхні твердих частинок

повністю використаний, система має нейтральний заряд і товщина плівок зв’язаної води має

максимальне значення. Але наявність значної кількості вільної води приводить до того, що з

часом вільна вода під дією сил гравітації, власної ваги ґрунту і зовнішніх навантажень вити-

скається з пор ґрунту. У свою чергу це спричиняє додаткове ущільнення ґрунту за рахунок

більш компактного розташування твердих частинок. Міцність ґрунту при цьому збільшуєть-

ся, але виникають значні нерівномірні деформації.

δ<δ

max

Рис. 11.24. Схема деформацій ущільненого ґрунту з часом:

а – недозволожений ґрунт (W<W

con

); б –

перезволожений ґрунт

(W>W

con

); 1 – вільна вода; 2 – зв’язана вода; 3 –

тверда частинка;

4 – напрям руху води

297

Таким чином, найбільш сприятливою умовою для забезпечення тривалої міцності

ґрунтів і незначних деформацій під час експлуатації земляної споруди буде ущільнення ґрун-

ту при вологості, близькій до максимального вмісту зв’язаної води.

Для зв’язних ґрунтів максимальну кількість зв’язаної води орієнтовно можна визна-

чити з виразу

020

,WW

pcon

−≈

, (11.65)

де W

– вологість на межі пластичності.

Більш точно значення максимальної кількості зв’язаної води можна визначити мето-

дом вологомісткого середовища. Роботу виконують у такій послідовності.

Беруть 50–70 г повітряно-сухого ґрунту, розтирають у ступці і просіюють крізь сито з

розміром отворів 0,5 мм.

Ґрунт, що пройшов крізь сито 0,5 мм, замішують у чашці до м’яко-пластичного стану.

На шматок батисту (полотна) кладуть шаблон у вигляді пластинки товщиною 2 мм з

отвором діаметром 50 мм. Шаблон заповнюють ґрунтовим тістом, надлишок тіста зрізають

ножем. Шаблон акуратно знімають.

Приготовлений зразок покривають зверху тканиною і з обох боків кладуть пакети фі-

льтрувального паперу (по 20 аркушів). Зверху та знизу кладуть жорсткі пластинки, весь зра-

зок установлюють під гідравлічний прес, дають тиск 6,5 МПа, який витримують протягом 10

хвилин.

Після закінчення пресування зразок розбирають і визначають вологість звичайним

методом.

Різні види фізично зв’язаної води притиснуті до поверхні частинок різним тиском. Це

дозволяє припустити, що швидкість випаровування різних видів води теж буде різною. Віль-

на вода буде випаровуватися швидше, ніж фізично зв’язана вода. Різні види зв’язаної води

також будуть мати різну швидкість випаровування. На цих передумовах базується метод ви-

значення вмісту окремих видів води, котрий дістав назву “кінетика сушіння”.

Зразок ґрунту, підготовлений за допомогою шаблона для методу вологомісткого сере-

довища, встановлюють у напівавтоматичну сушильну шафу, яка дає змогу визначити зміну

його ваги в процесі сушіння і розраховувати швидкість зміни вологості dw/dt. За результата-

ми випробувань будують графік кінетики сушіння, що встановлює залежність між вологістю

ґрунту й швидкістю зміни вологості (рис. 11.25).

Із графіка видно, що процес сушіння складається з двох етапів: постійної швидкості

сушіння (ділянка ab) і швидкості сушіння, яка зменшується (ділянка bcd). Перший етап ви-

значений тим, що пружність водяної пари над поверхнею зразка дорівнює пружності насиче-

ної пари, що забезпечено посиленим надходженням вологи до поверхні випаровування. На

цьому етапі з ґрунту видаляється, головним чином, вільна вода, а також, можливо, деяка не-

значна частина зовнішнього шару слабкозв’язаної води.

Наступний етап сушіння характерний

зменшенням його швидкості. Це свідчить про

видалення спочатку слабкозв’язаної води (ді-

лянка bc), а потім міцнозв’язаної води (ділянка

cd). Початок видалення кожного виду води на

графіку має свою точку. Точка b відповідає

максимальному вмістові зв’язаної води W

con

, а

точка с – максимальному вмістові міц-

нозв’язаної води W

con s

Проектування процесу ущільнення, за

умови забезпечення тривалої міцності, ведуть

у такій послідовності:

1. За допомогою методу динамічного

ущільнення при різних значеннях ударного

навантаження будують графіки залежності

Швидкість зміни вологості

dW/dt, год

-1

Вологість ґрунту, W

con

con.s

Рис. 11.25. Графік кінетики сушіння

298

між максимальними контактними тисками й оптимальними характеристиками ущільнення

(оптимальною вологістю W

opt

і максимальною щільністю сухого ґрунту ρ

dmax

2. З допомогою методу “кінетики сушіння” або вологомісткого середовища визнача-

ють максимальний уміст зв’язаної води W

con

3. На графіку залежності між максимальними контактними тисками в лабораторних

умовах σ

max1

та оптимальною вологістю W

opt

знаходять тиск σ

max 1 c

, який відповідає значенню

оптимальної вологості W

opt

con

4. Знаходять потрібний максимальний контактний тиск, який повинен забезпечувати

у польових умовах ущільнювач σ

max c

·σ

max 1 c

для досягнення в кінці ущільнення максима-

льної щільності сухого ґрунту.

У п. 11.4 розглянуто взаємозв’язок між питомим опором пенетрації, який є узагальне-

ним показником міцності ґрунту, питомим об’ємом сухого ґрунту і вологістю. Як видно з

номограми пенетрації (рис. 11.23), зміна вологості або щільності сухого ґрунту суттєво змі-

нює показники міцності ґрунту. Тому для забезпечення тривалої міцності ущільненого ґрун-

ту, що необхідно для безпечної експлуатації земляних споруд, потрібно забезпечити умови

збереження в часі стабільної щільності сухого ґрунту й вологості. Такі умови виконуються

при ущільненні ґрунту до максимально можливої щільності при вологості, близькій до мак-

симального вмісту зв’язаної води. Ущільнений при таких умовах ґрунт зберігає стабільні у

часі щільність сухого ґрунту та вологість, що дає можливість забезпечити тривалу міцність.

Таким чином, проектування процесу ущільнення за умови тривалої міцності зводить-

ся до визначення параметрів, які дозволяють ущільнити ґрунт до максимально можливої

щільності при вологості, близькій до максимального вмісту зв’язаної води.

11.7. ОСОБЛИВОСТІ УТВОРЕННЯ В ҐРУНТІ УЩІЛЬНЕНИХ ЗОН

У попередніх розділах було розглянуто закономірності ущільнення ґрунтів порушеної

структури, які використовують для зведення земляних споруд. Однією з головних умов зве-

дення земляних споруд є досягнення рівномірної щільності сухого ґрунту, тому ущільнення,

як правило, виконують шарами, у межах котрих із незначними припущеннями можна вважа-

ти розподіл напруг та зміну щільності сухого ґрунту рівномірними за всією товщиною шару.

Раніше ущільнений шар ґрунту розглядався як нестислива основа, тому процес ущільнення

можливо було розглядати як компресійне стиснення (див. п. 8.6) з урахуванням багатократ-

ного впливу зовнішніх динамічних навантажень.

Практика зведення фундаментів, що виготовляють без виймання ґрунту, показала, що

їх влаштування супроводжується утворенням у ґрунті ущільнених зон, тобто таких зон, у

межах яких змінюються існуючі природні характеристики фізичних та механічних властиво-

стей ґрунту. Утворення ущільнених зон приводить до поліпшення умов роботи фундаментів і

дає змогу збільшити їх несучу здатність.

Розглянемо процес утворення ущільненої зони при зануренні у ґрунт непорушеної

структури тіла обертання довільної форми. Вихідна схема наведена на рис. 11.26.

Для спрощення задачі будемо вважати поверхню ґрунту завантаженою розподіленим

навантаженням q, яке запобігає випиранню ґрунту на поверхню. Під час занурення тіла на

поверхні контакту з ґрунтом виникає ударна хвиля, напрямок розповсюдження якої перпен-

дикулярний до поверхні контакту, потім з’являється хвиля напруг, пов’язана з опором ґрунту

проникненню тіла, і, нарешті, виникає хвиля деформацій, котра приводить до переміщення

частинок ґрунту.

Об’єм ґрунту, що знаходився на місці зануреного тіла, відповідає об’ємові зануреного

тіла, яке вважаємо абсолютно нестисливим. Під час витіснення зі свого первісного місця

ґрунт ущільнюється, тому об’єм витісненого ґрунту буде значно меншим, що врахуємо вве-

денням коефіцієнта ущільнення K

com

. Ущільнення ґрунтів і зміна початкових значень щіль-

ності сухого ґрунту ρ

можливі тільки у тому випадку, коли напруги перевищують межу

структурної міцності σ

str

. Менші значення напруг викликають тільки пружні деформації, які

299

відновлюються після проходження хви-

лі напруг. Таким чином, можливо зро-

бити висновок, що зона ущільнення об-

межена поверхнею, на котрій напруги

не перевищують структурної міцності.

Розглянемо, як змінюються на-

пруги та щільність сухого ґрунту в ме-

жах елементарного кільцевого перетину

1–1. Графіки зміни характеристик у зоні

ущільнення наведені на рис. 11.27.

Можна вважати, що на поверхні

контакту із зануреним тілом напруги

мають максимальне значення σ

max i

зменшуються по мірі віддалення від неї

(рис. 11.27, а). На деякій відстані напру-

ги зменшуються до величини структур-

ної міцності σ

=σ

str

, що визначає радіус

ущільненої зони r

com.i

. На рис. 11.27, б

показана схема зміни щільності сухого

ґрунту в межах ущільненої зони у випа-

дку, коли занурення тіла виконано за

один цикл зовнішніх дій.

У межах деякої відстані від пове-

рхні контакту напруги достатні для до-

сягнення ґрунтом стану “ґрунтової ма-

си”, коли в одиниці об’єму буде відсутнє

вільне повітря. Зміна щільності сухого

ґрунту порівняно з природним значен-

ням має максимальне значення Δρ

dmax

При наближенні до межі зони ущільнен-

ня r

com.i

щільність сухого ґрунту змен-

шується. У практичних розрахунках час-

то радіус зони ущільнення r

com.lim

визна-

чають, задаючи потрібне граничне зна-

чення зміни щільності сухого ґрунту на

межі ущільнення Δρ

d.lim

. На рис. 11.27, в

показана схема зміни щільності сухого

ґрунту в межах ущільненої зони у випа-

дку, коли занурення тіла й утворення

зони ущільнення є результатом декіль-

кох циклів зовнішніх дій. Після першого

циклу формується зона подібно до попе-

реднього випадку (лінія 1 на рис.

11.27, в). Під час наступного циклу зона

максимальної зміни щільності сухого

ґрунту буде збільшуватись, тому що по-

передньо створена “сорочка з ґрунтової

маси” практично нестислива, що приво-

дить до додаткового ущільнення вже за

її межами. Розмір зони максимального

ущільнення та радіус ущільненої зони у

цьому випадку залежать від кількості

com.i

max.i

str

=f(x)

com.i

com.lim

Δρ

dmax

Δρ

dlim

Δρ

dmax

Δρ

=f(n)

r=f(n)

com

=f(n)

Рис. 11.27. Зміна характеристик у зоні

ущільнення: а – графік внутрішніх на-

пруг; б – зміна щільності сухого ґрунту за

один цикл; в – зміна щільності сухого

ґрунту за декілька циклів

Δh

d.0

>ρ

d.0

str

Природний

ґрунт

Зона

ущільнення

Рис. 11.26. Схема утворення зони ущільнення