shkolaput.ru 1

УДК 624.138; 624.131.23

В.Р. Мустакимов – кандидат  технических наук, доцент
Р.И.  Шафигуллин  –  бакалавр
Казанский  государственный  архитектурно-строительный  университет  (КазГАСУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ НДС АРМИРОВАННОГО ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
ПЕСЧАНОГО ГРУНТА, ПРОЯВЛЯЮЩЕГО ПРОСАДОЧНЫЕ СВОЙСТВА
В ОБЪЕМНОМ ЛОТКЕ
АННОТАЦИЯ

В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного
состояния искусственно созданной в объемном лотке модели грунта, выполненной при помощи отсыпки мелкого
песка  без  уплотнения,  способного  проявлять  просадочные  свойства  при  его  увлажнении.  Проведен  цикл
лабораторных  исследований  деформативности  модели  песчаного  грунта,  армированного  различными
вертикальными элементами в объемном лотке.
V.R.  Mustakimov  
  candidate  of  technical  science,  associate  professor
R.I.  Shafigullin  –  bachelor
Kazan  State  University  of  Architecture  and  Engineering  (KSUAE)
RESEARCH OF TENSELY-DEFORMED CONDITION REINFORCED WITH VERTICAL
ELEMENTS OF THE SANDY GROUND, WHICH DISPLAYS DEPOSIT PROPERTIES IN
A VOLUMETRIC TRAY

ABSTRACT

The results of experimental research of tensely-deformed condition of artificially created ground model in a volumetric
tray. The model is designed by providing of fine sand without condensation, capable to show deposit properties during
its humidifying. The cycle of laboratory investigations on deformability of the sandy ground model reinforced with
various vertical elements in a volumetric tray is carried out.
Напряженно-деформированное  состояние
размером 1,0х1,0х1,0 м не представляется возможным
грунтового массива, армированного вертикальными
и  является  проблемой  многих  исследователей.  В
элементами,  при  приложении  внешней  нагрузки,

настоящей  работе  приводится  использованная

отличается  от  НДС  грунтового  массива  без
авторами методика подготовки и проведения лотковых
армирования и массива грунта с погруженными в него
испытаний. Приведены результаты экспериментальных
сваями [1].
исследований  напряженно-деформированного
Исследованиям  армированных  оснований
состояния искусственно созданной в объемном лотке
посвящены труды: В.И. Крутова, И.К. Попсуенко,
модели  грунта,  выполненной  при  помощи  отсыпки
С.П. Клепикова, А.И. Маркова, В.Г. Федоровского,
мелкого песка без уплотнения, способного проявлять
Л.М. Тимофеевой, Т. Yamanuchi, Д.К. Джоунса и др.
просадочные свойства при его увлажнении.
Вопросы прочности и деформативности грунтов,
Авторами  проведен  цикл  лабораторных
армированных вертикальными элементами, изучены
исследований  деформативности  модели  песчаного
недостаточно. Отсутствует единая теория и методика
грунта, 
армированного 
различными 
по
расчета грунтов, проявляющих просадочные свойства,
геометрическим параметрам, материалу и жесткости
армированных  вертикальными  элементами  при
вертикальными  элементами-моделями  в  объемном
природной влажности и после увлажнения. Изучение
лотке  (рис.  1а).  Исследовались  качественные  и
состояния вопроса позволило обосновать направление
количественные  характеристики  деформативности
дальнейшего развития исследований.
рыхлого  песка,  не  армированного  и  армированного
Маломасштабное  моделирование  процесса
вертикальными  элементами.  Испытаниям  был
просадки грунта, армированного массива в стесненных
подвергнут  мелкий  песок  в  рыхлом  состоянии
условиях одометра рассмотрено в [2]. Отбор монолита
плотностью  ρ =1,41  г/см3;  с  коэффициентом
м
просадочного грунта с ненарушенной структурой, для
пористости е=0,86; модулем деформации Е=7,0 МПа;

проведения штамповых испытаний в объемном лотке

Известия КазГАСУ,  2008,  №1 (9)
89






а)
б)
Рис. 1. Объемные лотки размером 1,0х1,0х1,0 м с системой двухрычажных загрузочных устройств (а)
и реперная система с размещением приборов ИЧ (б)
степенью влажности =0,4; при различном проценте
Статическое  закрепление  измерительных  приборов
r
поперечного армирования грунта  µ,%; диаметре  и
производилось  на  реперную  систему,  выполненную
аэ
длине  армоэлементов.
из деревянных брусьев сечением 30х50 мм с жестким
аэ
При  испытаниях  были  использованы  стальные
креплением  к стенкам  лотка. Реперная  конструкция
жесткие  круглые  штампы  диаметром  d
=280мм,
располагалась над рабочей областью объемного лотка.
шт.1
площадью А
= 615см2 и d
=130мм, площадью А
=
Размещение, крепление  и фиксация  измерительных
шт.1
шт.2
шт.2
132см2  расположенные  по  центру  лотка  (рис.  1б).
приборов производилась к реперной конструкции, в
Нагружение  штампов  осуществлялось  посредством
соответствии с рис. 1б.
стального  штока  через  раму,  при  помощи  системы
В  качестве  армирующих  элементов-моделей
двухрычажных загрузочных устройств (рис. 1а).  Для
использовались  цементогрунтовые  армоэлементы
измерения  вертикальных  деформаций  осадки  S  (до
сечением 40х40 мм, длиной  =400 мм и стальные
арм
замачивания  грунта  =0,4)  и  просадки    (после
диаметром d=6 мм длиной  =350 мм в пластиковой
r
sl
арм

замачивания грунта до полного водонасыщения S >0,8)

оболочке, создающей шероховатость по длине (рис. 2).
r
использовались  поверхностные  «МП»  и  глубинные
Программа исследований НДС грунта в объемном
«МГ»  марки.  Глубинные  и  поверхностные  марки
лотке  включала  испытание  деформативности
располагались  системно  в  левой  или  правой,  по
армированного грунта в зависимости: от принятой схемы
отношению  к  центральной  оси  симметрии,  области
вертикального  армирования, включая  расположение
объема  массива  исследуемого  грунта  с  шагом  по
армоэлементов-моделей под контуром штампа (рис. 3) и
высоте и в плане, равным 100 мм (рис. 2). Перемещение
за его пределами (рис. 4); от схемы передачи давления
марок  «МП»  и  «МГ»  совместно  с  массивом
штампа на вертикально расположенные армоэлементы,
исследуемого  грунта  в  лотке  фиксировалось  при
включая, передачу давления непосредственно на обрез
помощи  установленных  на  обрез  каждой  из  марок
сжимаемого армоэлемента-модели, изготовленного из
индикаторов  часового  типа  с  соответствующим
цементогрунта,  а  также  через  распределительную
диапазоном измерений. Ожидаемые деформации до
гравийно-песчаную  подушку,  армированную  слоем
10  мм  фиксировались  при  помощи  индикаторов
нерастяжимой геоткани,  на несжимаемые  (стальные)
часового типа ИЧ10МН.000ПС по ГОСТ 577-68 с ценой
армоэлементы-модели.
деления 0,01 мм, диапазоном измерения 0-10 мм. Для
Нагружение штампов производилось статической
измерения деформаций  грунта вместе  маркой более
нагрузкой,  прикладываемой  ступенями  по  1,0 кг  на
10мм  при  испытаниях  использовались  индикаторы
каждый  из  секторных  рычагов  системы
часового  типа  ИЧ50000ПС  по    ТУ2-034-611-84  с
двухрычажного  загрузочного  устройства.  Каждая
диапазоном  измерения  0-50  мм  (рис.3,  рис.6).

последующая  ступень  нагружения  прикладывалась

а)
б)
Рис.  2. Полость лотка с расположением армоэлементов и «МП»«МГ»:
а – армирование только под штампом, б – армирование под штампом и за его контуром
90
Известия КазГАСУ,  2008,  №1 (9)








 
а)
б)
в)
Рис. 3. Схемы к испытанию армированного вертикальными элементами рыхлого песка в лотке,
при армировании только под штампом: а – план лотка, б и в – сечения 1-1 и 2-2
после  полной  стабилизации  деформации
производилось замачивание массива армированного
армированного  грунта  от  предыдущей  ступени
грунта, до полного его водонасыщения (=1), по схеме
r
нагружения. При испытаниях армированного рыхлого
сверху-вниз, из локального источника замачивания. Из
песка опытная стабилизация деформации достигалась
графиков  (рис.  5)  видно,  что  при  увлажнении
и  фиксировалась  в  течение  первых  двух  суток.
квазипросадочного грунта происходит скачкообразная
Контактное  давление  «Р»  под  подошвой  штампа
деформация грунта, аналогичная реальному процессу
площадью  А
=  615  см2  перед  замачиванием
стесненной деформации просадки, происходящему в
шт.1
составляло 0,02 кг/см2, а под штампом площадью А
=
просадочных  грунтах  при  их  замачивании  [1].
шт.2
132см2 – Р=0,09 кг/см2. Это позволило более достоверно
Следовательно,  искусственно  созданная  в
моделировать  работу  квазипросадочного  (якобы
лабораторных  условиях  модель  грунта  из  рыхлого
просадочного)  грунта  с  проявлением  деформации
мелкозернистого  песка,  с  определенными

просадки при незначительных давлениях, сопоставимых

допущениями, может  быть использована  в качестве
с  начальным  просадочным  давлением  Р .  Графики
массива  при  лабораторных  исследованиях
sl
зависимости изменения осадки-просадки от давления
просадочных грунтов в лотке, с заданной величиной
штампа  на  грунт  в  условиях  объемного  лотка
коэффициента  относительной  просадочности 
  и
sl
приведены на рис. 5. На графиках участки а-б и в-г
начальным просадочным давлением Р .
отображают
sl 
  процесс  осадки  армированного  грунта
В  результате  проведенных  экспериментов  были
S=f(P),  а  участок  б- в  –  стесненную  просадку
получены  данные  о  деформации  моделируемого
армированного массива [1].
массива,  армированного  вертикальными  и
При ступени нагружения = 12,50 кг на жесткие
горизонтальными  элементами  квазипросадочного
круглые штампы площадью А = 615 см2 и А = 132 см2,
шт
грунта,  составлены  таблицы  значений  осадки  и
 
шт
а)
б)
в)
Рис. 4. Схемы к испытанию армированного вертикальными и горизонтальными элементами рыхлого песка в объемном
лотке при армировании под штампом и за его контуром: а – план лотка с размещением штампа, глубинных марок,
б и в – сечения 1-1 и 2-2
Известия КазГАСУ,  2008,  №1 (9)
91







при нагрузке на штамп N=12,5 кг
при нагрузке на штамп N=12,5 кг
а)
б)
Рис. 5. Зависимости осадки S=f(P) и просадки S =f(P) от давления Р:
sl

а) S=f(P) и S =f(P) при испытании массива рыхлого песчаного грунта, проявляющего просадочные свойства,

sl
армированного только под штампом; б)  то же - армированного вертикальными и горизонтальными элементами под
штампом и за его контуром
просадки, по которым построены изолинии осадки до
= 6,0 кг (а), = 12,5 кг и = 0,4 (б) до увлажнения и

замачивания  (рис.  6)  и  стесненной  просадки  после
при = 12,5 кг после замачивания сверху, до полного
замачивания (рис. 7) армированного массива.
водонасыщения = 1 (в),  приведены на рис. 8 и 9.

Экспериментально полученные значения вертикальных
Анализ  построенных  линий  равных  напряжений
деформаций осадки и стесненной просадки массива
позволяет  представить  пространственную  работу
армированного  грунта  в  характерных  точках,
модели  грунта,  армированного  вертикальными
расположенных с принятым шагом 100х100х100 мм в
армоэлементами-моделями.
пределах объема лотка 1000х1000х1000 мм, позволили
При вертикальном армировании грунта по схеме
построить  объемные  линии  равных  нормальных
«армоэлемент-трения» только под подошвой штампа,
напряжений  σ   [3].  Схемы  развития  линий  равных
без промежуточной подушки, с увеличением нагрузки
z
вертикальных  напряжений  σ ,  построенных по
на штамп происходит деформация осадки-стесненной
z
 
результатам  эксперимента,  в  массиве  рыхлого
просадки.  По  внешнему  контуру,  на  боковой
песчаного  грунта,  проявляющего  просадочные
поверхности 
вертикально 
расположенных
свойства, армированного вертикальными элементами
армоэлементов трения, за счет сил трения-сцепления
только  под  штампом,  а  также  армированного
окружающего  их  массива  грунта,  вовлекаясь  в
вертикальными и горизонтальными элементами под

совместную  работу,  формируется  симметричный

штампом и за его контуром, при нагрузках на штамп
пирамидально-конусообразный  усеченный  массив
при нагрузке на штамп
при нагрузке на штамп
при нагрузке на штамп
= 6,0 кг
= 12,5 кг
= 12,5 кг
а)
б)
в)
Рис. 6. Изолинии вертикальных деформаций осадки S поверхностных и глубинных марок № 1-14, до увлажнения грунта
массива при нагрузках на штамп N=6,0 кг (а), N=12,5 кг, =0,4 (б) и просадки  после замачивания сверху рыхлого
r
sl
массива песчаного грунта, проявляющего просадочные свойства, при N=12,5 кг и степени влажности =1 (в)
r
92
Известия КазГАСУ,  2008,  №1 (9)







при нагрузке на штамп N=12,5 кг
при нагрузке на штамп N=12,5 кг
а)
б)
Рис. 7. Изолинии вертикальных деформаций осадки S поверхностных и глубинных марок № 1-14, до увлажнения грунта
массива армированного вертикальными и горизонтальными элементами под штампом и за его контуром, при нагрузке на
штамп = 12,5 кг= 0,4 (а) и просадки  после замачивания сверху рыхлого массива песчаного грунта, проявляющего

sl
просадочные свойства, при = 12,5 кг и степени влажности = 1 (б)

(рис.  8).  Экспериментально  установлено,  что
переходящую  от  бочкообразного  вида  сверху,  к
геометрическая  форма  развития  линий  равных
усеченному  конусу  в  основании  армированного
напряжений  σ в  массиве  армированного  грунта  не
массива (рис. 8а). Это можно объяснить сжимаемостью

постоянна,  а  изменяется  в  зависимости  от  уровня

вертикальных моделей армоэлементов, изготовленных
нагружения и изменения физико-механических свойств
из  цементно-песчаного  раствора.  С  дальнейшим
массива грунта в процессе его обжатия, вызванного
увеличением нагрузки на штамп (при = 12,5 кг
увлажнением и следующими за этим процессами. В
и = 0,4) и завершением сжатия армоэлементов, в

формировании линий равных напряжений, кроме сил
совместную  работу  с  моделями  армирования
трения-сцепления, участвует сопротивление сжатию
включается окружающий массив грунта за счет сил
массива грунта, расположенного ниже армированной
трения-сцепления на боковой поверхности. При этом
по высоте зоны. На начальных стадиях нагружения (при
происходит  смыкание  двух  зон  (бочкообразной  и
= 6,0 кг и = 0,4) линии равных напряжений имеют
конусной)  в  единую  по  форме  конусно-

переменную  по  высоте  армирования  форму,
цилиндрическую  (рис.  8б).    После  увлажнения
при нагрузке на штамп
при нагрузке на штамп
при нагрузке на штамп
= 6,0 кг
= 12,5 кг
= 12,5 кг
а)
б)
в)
Рис. 8. Схемы развития экспериментальных линий равных напряжений σ , в массиве песчаного грунта, армированного

вертикальными элементами только под штампом: а и б – до увлажнения, в – после замачивания сверху
Известия КазГАСУ,  2008,  №1 (9)
93




при нагрузке на штамп N=12,5 кг
при нагрузке на штамп N=12,5 кг
а)
б)
Рис. 9. Схемы развития экспериментальных линий равных напряжений σ , в массиве рыхлого песчаного грунта,
z

армированного вертикальными и горизонтальными элементами под штампом и за его контуром: а и б – до увлажнения,

в – после замачивания
армированного массива грунта (= 12,5 кг и = 1),
армированной нерастяжимой геотканью толщиной

при  всех  прочих  условиях  происходит
0,7 мм.  Распределительный   эффект    вовлечения   в
перераспределение  напряжений  в  массиве
совместную    работу    грунта    и    вертикальных
армированного грунта. Концентрация напряжений в
армоэлементов возрастает в зависимости от уровня и
нижней  зоне  армированного  массива  после
времени  включения  в  работу  горизонтально
увлажнения вызывает деформацию просадки  под
армированной  геотканью  распределительной
sl
подошвой  армированного  массива  и  стесненную
подушки.
Вертикальные напряжения σ  в каждой исследуемой
просадку  S
i
sl ,а   в   пр еделах   зоны  а рмиров ания.
i
точке массива грунта объемного лотка рассчитывались
Увеличение деформативности массива  грунта после
по  формулам  (1)  и  (2)  с  использованием
его замачивания приводит к некоторому развитию по
экспериментально полученных значений деформаций
глубине  зоны  распространения    напряжений  с
глубинных марок. Исследовались деформации осадки
формированием  линий  равных  напряжений,
  при  природной  влажности  насыпного  песка,
а
изображенных
,i
  на рис. 8в. Это объясняется  тем,  что
проявляющего просадочные свойства и просадки S
замачивание
sl,аi
 производилось сверху вниз из локального
при  замачивании  массива  грунта  до  полного
источника, расположенного по оси симметрии штампа.
водонасыщения по схеме сверху вниз.
Следовательно, форма линий равных напряжений после
увлажнения
,

 соответствует закономерности фильтрации


i

i

σ =
и
,                               (1)
  распространения  воды  замачивания    в  песчаном
i
β ⋅ h
грунте
i
  и  имеет  вытянутую  по  высоте  «грушу
увлажнения
где
».
 – экспериментально полученные деформации
а,i 
Несколько
осадки
  иная  картина  наблюдается  при
 рыхлого песка, армированного вертикальными
испытании
элементами
 модели песчаного грунта, армированного
, от ступенчато прикладываемой к штампу
вертикальными
статической
 и горизонтальными элементами под
  нагрузки  в  объемном  лотке  до
штампом
замачивания
  и  за  его  контуром,  при  маловлажном
Е – эквивалентный модуль деформации
а,i 
состоянии песка = 0,4 и после замачивания сверху от
2

1 − 2µ
локального источника = 1 (рис. 9). Здесь наблюдается
грунта  в  основании  штампа  [1];  β  = 
0 –

эффект перераспределения контактных напряжений от
1 − µ0
штампа  на  большую  часть  вертикальных
коэффициент, характеризующий боковое расширение
армоэлементов, расположенных как под штампом, а
грунта; µ
также
0 – коэффициент относительной поперечной
  и  за  его  контуром  за  счет  имеющейся  под
деформации, принимаемый по опытным данным (для
подошвой  штампа  распределительной  песчано-
песков  µ
гравийной
0  =  0,20-0,25,  глин  и  суглинков  твердых  и
 подушки толщиной 50 мм, горизонтально
полутвердых µ0 = 0,10-0,15, тугопластичных µ0 = 0,20 - 0,25,
94
Известия КазГАСУ,  2008,  №1 (9)


пластичных и текучепластичных µ0 = 0,30-0,40, текучих
«МП»  и  глубинных  «МГ»  марок,  расположенных  в
µ
массиве
0 = 0,45-0,50, супеси µ0 = 0,15-0,30) [3]; = толщина

  грунта  по  регулярной  схеме  с  расчетным


слоя грунта.
шагом  100  мм  в  объемном  лотке  размером
1000х1000х1000  мм,  позволяет  с  достаточной
, ⋅ E
sl
а
а i
i
σ =
достоверностью определить вертикальные напряжения
,                            (2)
i
β ⋅ h
в любой точке исследуемого массива грунта методом
i
расчета по формулам (1, 2 из [3] и 3 из [1]) на любой
где  S
ступени нагружения штампа.
sl ,а –  э кспер им ент а л ь но  пол уч енная
i
3.  При  комбинированном  армировании  массива
деформация стесненной просадки массива рыхлого,
грунта вертикальными и горизонтальными элементами
армированного  вертикальными  элементами  песка,
под штампом и за его контуром наблюдается эффект
проявляющего  просадочные  свойства  при
перераспределения  контактных  напряжений  на
замачивании, или рассчитываемая по [1].
большую часть вертикальных армоэлементов, за счет
(σ σ
δ
имеющейся под подошвой штампа распределительной
zg +
zp ) 
1 α 

1
t
o
песчано-гравийной  подушки,  горизонтально
n
I
 +

E
1 α
армированной
o

− o

 
нерастяжимой 
геотканью.
S

⋅ h k

sl ,а =
sl ,,      (3)
i
Распределительный эффект вовлечения в совместную
i=1
 E
1 
аэ

+
µ
работу  грунта  и  вертикальных  армоэлементов
I

 E
µ
o

возрастает  в  зависимости  от  уровня  и  времени
В
включения
  результате  проведенных  экспериментов  по

  в  работу  горизонтально  армированной

исследованию
распределительной
  изменения  НДС  армированного
 подушки (рис. 9).
вертикальными  элементами  песчаного  грунта,
проявляющего  просадочные  свойства  в  объемном
Литература
лотке, можно сделать следующие выводы:
1. Мустакимов  В.Р.  Прочность  и  деформативность
1. Экспериментально апробировано и установлено,
просадочных  грунтов  оснований,  армированных
что  мелкий  песок  в  рыхлом  состоянии,  как
вертикальными  армоэлементами.  Автореферат
экспериментальная модель грунта, способен проявлять
диссертации на соискание ученой степени кандидата
просадочные  свойства  при  его  замачивании,
технических наук. – М.: МГСУ, 2004. – 24 c.
адекватные  просадке  грунта  природного
2. Мустакимов В.Р., Шафигуллин Р.И., Иванова Е.В.
происхождения.  Использование  песка  в  рыхлом
Экспериментальные  исследования  стесненной
состоянии  позволяет  моделировать  работу
просадки  квазипросадочного  и  сжимаемости
просадочного  грунта,  при  испытании  в  объемном
рыхлого  песчаного  грунтов,  армированных
лотке большого размера.
вертикальными элементами. // Известия КГАСУ, 2007,
2.  Исследование  деформированного  состояния
№1(7). – С. 29-34.
модели  массива  рыхлого  песчаного  грунта,
3.  Цытович Н.А. Механика грунтов. – 4-е изд., перераб.
армированного  вертикальными  и  горизонтальными
и доп. – М.: Высшая школа, 1983. – 177 с.
элементами с использованием системы поверхностных
Известия КазГАСУ,  2008,  №1 (9)
95