Экспериментальные исследования предельного сопротивления усиленного основания

Для проведения экспериментальных исследований по определению предельного сопротивления оснований был изготовлен лоток из металлических уголков, со стенками из стекла толщиной 8 мм. Стенки лотка были сделаны из стекла для возможности визуального наблюдения за развитиями процесса деформации до и после усиления оснований. Также была изготовлена специальная установка для нагружения (рис. 4) Конструкция лотка предусматривала две вертикальные пластиковые трубки с отверстиями, через которые происходило водонасыщение песка. Для наблюдения за деформациями к станине был прикреплён индикатор часового типа с точностью измерений до 0,01 мм.

Рис. 4. Общий вид установки. 1 – индикатор часового типа, 2 – пригрузка, 3 – штамп 15 х 4 см., 4 – стеклянный лоток.

Для проведения опытов использовался пылеватый песок, насыщенный водой. Причина выбора для испытаний пылеватого песка заключается в том, что данный грунт чаще всего служит основанием под зданиями на естественных основаниях в Санкт-Петербурге. Для песка был проведен ряд исследований: определены физические свойства песка, проведены консолидировано-дренированные испытания при постоянном всестороннем давлении в камере стабилометра. Песок в лоток укладывался в воздушно сухом состоянии с послойным уплотнением (3 см). После полной укладки песка происходило его водонасыщение. Водонасыщение осуществлялось постепенно до степени влажности S_r > 0,8.

Используемые штампы имели прямоугольную и квадратную форму. Один из штампов, при помощи которого велось наблюдение за развитиями поверхностей скольжения до и после усиления оснований, имел размер в плане 0,15х0,04м. Стороны штампа практически вплотную соприкасались со стеклянными стенками лотка. При использовании данного штампа песок в лоток укладывался послойно с горизонтальными прослойками из подкрашенного песка. Для визуального восприятия отклонений горизонтальных линий из подкрашенного песка на передней стенки лотка была выполнена разметка в виде горизонтальных линий через 3 см (рис. 5). Для масштабного восприятия на стенку лотка была прикреплена линейка. Все деформационные развития основания фиксировались цифровой фотокамерой.

Нагрузка на штамп передавалась центрировано, ступенями. Результаты отсчёта по индикатору снимались через 15 мин и заносились в журнал. Ступени нагружения были выбраны по 1 кг, каждая последующая ступень нагружения прикладывалась после условной стабилизации деформации штампа. При приближении нагрузки к предельной период стабилизации деформаций возрастал. При достижении предельного давления происходило резкое возрастание деформации.

Исследования несущей способности модели фундамента производились как на естественном основании (рис. 5, 6), так и на основании, закрепленном микросваями (рис. 7, 8). Микросваи устанавливались под углами 0⁰, 30⁰, 45⁰ к вертикали. Из приведённых фотоматериалов видно, что в основаниях, незакреплённых микросваями, деформационная картина основания проявляется в большей степени, чем в закреплённых грунтах. Отмечено, что после выполнения микросвай развитие зон пластических деформаций происходит медленнее по сравнению с незакреплённым основанием. Это условие сохраняется до момента потери устойчивости свай (начало поворота относительно точки О).

После проведения серии опытов модельных испытаний со штампом 0,15 х 0,04м, было принято решение провести исследования со штампом размером в плане 0,04 х 0,053м. Выбор такого размера объясняется двумя причинами: – полностью исключить влияние стенок лотка на основание; – выполнить модель в масштабе 1:15 натурного фундамента, испытанного ранее.

Испытания также проводились для незакреплённого основания и основания, усиленного микросваями, с разными углами погружения. На основании проведённых испытаний строились графики (давление – осадка). На рис. 9 приведён график для штампа 0,04 х 0,053 м, без закрепления и с закреплением микросвай под углом 45⁰ к вертикали. Значения предельных давлений на основание определялись отношением силы предельного сопротивления N к площади штампа F.

Рис. 9. Графики штамповых испытаний. Р_расч. – предельное давление для незакрепленного основания, полученное с использованием формулы (1); Р_оп1 – предельное давление, полученное по результатам штампового испытания; Р_N1 – предельное давление, полученное с использованием формулы (6); Р_N2 – предельное давление, с использованием формулы (13) Р_оп2 – предельное давление, полученное по результатам штампового испытания (закрепленное основание).

Результаты эксперимента и расчёта показали, что расхождения между значениями Р_расч. и Р_оп1 составило порядка 23%. Все расчётные значения вычислялись на основании геометрического подобия, в виде отношения линейных размеров в соответствующих элементах натуры и модели. Предельные давления, полученные с использованием формул 6 и 13 (влияние свай), добавлялись к значению Р_оп1, определенному на основе эксперимента. В случае отсутствия штамповых испытаний расчётные значения Р_N1 и Р_N2 (влияние свай) следует прибавлять к Р_расч..

Из графика видно, что предельное давление Р_N1 (212 кПа), рассчитанное с использованием формулы 6 (момент предельного равновесия относительно т. О), значительно превышает значения Р_N2 (183 кПа), рассчитанное с учётом потери устойчивости микросваи.

Поскольку давление Р_N1 при нагружении усиленного микросваями основания, возникает раньше по сравнению с Р_N2, то второй этап работы усиленного основания (см. ранее) будет сопровождаться резким возрастанием осадок (см. пунктир на рис. 4) и потому не применим к расчёту.

Таким образом, количество микросвай, необходимых для усиления оснований, следует определять из условий предельного равновесия N_u(ус.1.).