Задачі дослідження:

- визначити опір горизонтально армованих основ, характер та динаміку розвитку їх деформацій та виявити ефективні схеми армування;

- проведення випробувань при ефективному розташуванні арматури в одношарових та двошарових основах;

- встановлення впливу факторів влаштування горизонтально армованих основ на збільшення їх розподільчої здатності;

- отримати залежності для визначення зусиль розтягу в арматурних елементах, визначення вертикальної відстані між ними і деформаційних характеристик армованого ґрунту через параметри армування;

- розробка способу розрахунку деформацій армованих основ з врахуванням анізотропії армоґрунту.

Автор захищає:

Армований ґрунт - це композитний матеріал, у якого арматурний компонент володіє значною в порівнянні з другим компонентом (ґрунтом) жорсткістю і міцністю. До матеріалу арматури висувають вимоги корозійної стійкості і мінімальної вартості, міцності і опору ковзання, довговічності і легкості вкладання, високої шорсткості. Цим вимогам відповідають: оцинкована сталь, скловолокно, пластик, полімерні волокна, алюмінієві сплави, резина та ін. Арматурні елементи вкладають у вигляді стрічок, стержнів, сіток, волокон, просторових систем. Для армування можуть бути використані ґрунтові палі, бетонні і залізобетонні конструкції. В якості засипок застосовують як зв'язні так і не зв'язні ґрунти.

Підвищення стійкості ґрунтового масиву досягається за рахунок: активного впливу арматурного прошарку на напружено-деформований стан масиву ґрунту, створення сприятливих умов для роботи масиву чи окремих його частин, покращення умов взаємодії ґрунту з водою і його стійкості по відношенню до гідродинамічних впливів. Основними факторами впливу на ефективну роботу армованої основи є: орієнтація арматури в ґрунтовому масиві, вимоги до матеріалу арматури, геометричні параметри армування, конструктивні особливості, ступінь ущільнення ґрунту.

Розвиток дослідження армованих основ і впровадження в будівництво нових і удосконалених конструкцій стало можливим завдяки наполегливій праці науковців та інженерів серед яких потрібно виділити А.П.Аксьонова, М.Н.Волохову, В.Ю.Гладкова, О.М.Резнікова, Н.М.Смурова, Ю.В.Феофілова, В.Д.Казарновського, А.Ф. Кіма, А.А.Цернанта, В.А.Барвашова, Ю.Р.Перкова, А.П.Фоміна, Л.М.Тімофеєву, О.А.Рубана, Г.І.Черного, М.Л. Зоценка, В.С. Шокарєва М.Ф. Друкованого, І.В. Степуру і багатьох інших, а також зарубіжних вчених А. Відаля, М.Аль-Хусаїні, К.З.Андравеса, Р.Х.Басета, К.Д.Джоунса, Т.С.Інгольда, Н.Т.Лонга, Д.Нараяна, І.Рісе, Ф.Шлосера, З.Янга і багатьох інших.

Армування ґрунту застосовується при зведенні насипів, підпірних стінок, дамб, доріг та ін. Використання горизонтальної арматури для влаштування основ будівель та споруд знаходиться на стадії наукових розробок. Показано, що даним методом можна значно підвищити характеристики міцності і зменшити деформації основи, скоротити витрати матеріалів на влаштування фундаментів.

З проведеного аналізу можна зробити висновки, що: більшість досліджень горизонтально армованих ґрунтів проводились стосовно зведення підпірних споруд і шляхових насипів; дослідження, проведені в аспекті підвищення несучої здатності основ фундаментів за допомогою армування виконувались в основному на невеликих моделях фундаментів і без комплексного підходу до врахування впливу всіх параметрів арматурного матеріалу на несучу здатність основи; випробування виконувались в основному на одношарових піщаних основах, в той час коли при зведені фундаментів в реальних умовах отримують двошарову основу, верхній шар якої зміцнена армуванням піщана подушка, а нижній - підстильний шар слабкого природного ґрунту; відсутні узагальнення експериментальних даних з метою встановлення оптимальних схем армування в конкретних інженерно-геологічних умовах; відомі способи оцінки стійкості споруд з армованого ґрунту в основному виходять з традиційних методів механіки ґрунтів і не враховують механічну анізотропію армоґрунту. Дана дисертаційна робота присвячена обґрунтуванню раціональних параметрів горизонтального армування основ під фундаменти будівель та споруд.

У другому розділі описана методика проведення досліджень при визначенні раціональних параметрів армування на моделях горизонтально армованих основ, приведені результати досліджень деформацій армованих основ при дії вертикального навантаження, а також зміну модуля деформації основи в залежності від параметрів армування.

Випробування проводились в металевому лотку з розмірами в плані 1250Ч1200мм та глибиною 1200мм. Для забезпечення необхідної жорсткості останні підсилені вертикальними ребрами жорсткості. Фізико - механічні характеристики ґрунту основи: однорідний пісок середньої крупності з коефіцієнтом неоднорідності гранулометричного складу С_u=2,7; осереднена величина показника ущільнення при виготовленні моделей складала 1,0, що відповідало величині ступеня щільності I_D = 0,8; щільність г = 1,7...1,72 г / см³; пористість n = 0,3; вологість W= 6,2 %; кут внутрішнього тертя ц = 33°, модуль деформації Е = 21 МПа. При випробуванні двошарових основ в якості підстильного шару був використаний суглинок напівтвердий фізико - механічні характеристики якого наступні: щільність г = 1,73 г / см³; вологість W = 20,7 %; показник текучості _L = 0,24; число пластичності _р = 0,11; коефіцієнт пористості е = 0,887; кут внутрішнього тертя ц = 14°; питоме зчеплення с = 15 кПа; модуль деформації Е = 16 МПа.

Так як експерименти проводяться на моделях армованих основ, то при цьому обов'язково потрібно враховувати масштабний фактор. З цією метою було використано метод наближеного моделювання, що дозволяє визначати деформації фундаменту на армованій основі натурних розмірів по результатам малорозмірних випробувань . Для того, щоб отримати величину деформації вертикально завантаженого стрічкового фундаменту з шириною підошви В = 2,0м, який влаштований на армованій основі, було проведено випробування трьох моделей з наступними співвідношеннями лінійних розмірів натури і моделі (С_L): а) С_L = 20 (В = 0,1м); б) С_L = 8 (В = 0,25м); в) С_L = 4 (В = 0,5м).

Шляхом осереднення трьох значень були отримані абсолютні значення залежності “навантаження-переміщення” для натурного стрічкового фундаменту (В=2,0м) на армованій основі рис.1.

Рис.1. Графік залежності “навантаження-переміщення” в абсолютних величинах для натурного стрічкового фундаменту на армованій основі.

Для визначення параметрів армування, як модель фундаменту був використаний абсолютно жорсткий металевий штамп з розмірами по підошві 100Ч250мм. Навантаження прикладались ступенями, кожна з яких витримувалась до умовної стабілізації осадки, прийнятої рівною 0,01мм за 60 хвилин. Вертикальні переміщення моделей вимірялися прогиномірами ПАО-6 з точністю 0,01мм.

Для виключення впливу стінок лотку на характер деформування основи, його стінки змащувались технічним маслом, а відношення розміру лотку до визначального розміру штампу приймалось не менше 1:5. Основні параметри армованих основ, які встановлювались експериментальними випробуваннями: довжина арматурних шарів L_арм, глибина закладання першого шару h_зак, максимальна кількість n і відстань між арматурними шарами h_арм, щільність ґрунту с і довжина зони ущільнення за межами армування L_ущ (рис.2), просторове армування оболонками.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Схема основ при визначенні параметрів армування

У результаті проведених експериментів було встановлено, що при відносній довжині арматурних шарів L_арм = 2,0 В (де В=100мм) досягається найбільший ефект армування, а подальше збільшення довжини не дає істотних результатів. При використанні більш коротких шарів L_арм = 0,5-1,0 В проходить зменшення поверхні “робочого” контакту ґрунт-арматура в заданому об'ємі армованого ґрунту, що приводить до ковзання арматурних елементів відносно ґрунту основи. Втрата стійкості основи проходить супроводжуючись втисненням штампу в основу. Найбільш раціональною глибиною закладання арматурного шару при одноярусному армуванні є h_зак = 0,25В. Зменшення глибини закладання до h_зак = 0,15В приводить до руйнування основи через розрив арматурного елементу, тобто мінімальна товщина ґрунтового прошарку між арматурою і штампом повинна бути не менша 0,15 ширини прикладення навантаження. Збільшення глибини закладання до h_зак = 0,75В приводить до того, що руйнування основи проходить шляхом витиснення ґрунту між штампом і арматурним шаром. Тобто арматурний прошарок ще не включився повністю в роботу, а основа вже втратила стійкість. Збільшення шарів армування не знаходиться в прямо пропорційній залежності до значення осадки армованої основи. Тобто настає насичення масиву ґрунту арматурним матеріалом, арматурні шари виходять за зону максимальних напружень і їх вплив зменшується. Можна говорити про те, що для практичного застосування достатньо трьохшарового армування при глибині закладання першого шару h_зак = 0,25 В і вертикальній відстані між шарами (крок армування) h_арм = 0,25 В.

Дослідження показали, що збільшення зони ущільнення за межами армування в проміжку від 1,0 В до 2,0 В несуттєво впливає на зменшення величини осадки, тому довжину зони ущільнення доцільно прийняти 1,0 В від обрізу фундаменту по обидва його боки. Вплив ущільнення за межами армування на величину осадки основи пов'язано з підвищенням розподільчої здатності армомасиву в горизонтальному напрямку.

З врахуванням отриманих даних можна вивести залежність осадки від довжини ущільненої зони ( L_ущ ) за межами армування:

, (1)

Армування досягає своєї мети тільки тоді, коли ґрунт ущільнений до стану середньої щільності. Чим щільніший ґрунт, тим вищий ефект армування. Це обумовлюється збільшенням сил взаємодії (сил тертя) між арматурними елементами і ґрунтом, внаслідок цього більш високою розподільчою здатністю армованого ґрунту.

При армуванні основ оболонками їх можна розглядати, як підошву фіктивного фундаменту більш жорсткого в порівнянні з горизонтальним двошаровим армуванням.

Влаштування оболонки (рис.3): на підготовлений піщаний шар на розрахунковій відстані від осі штампу встановлюються бокові блоки 3. Зверху настилається геосітка 2 розрахункової довжини з вільно розташованими краями. На геосітку 2 встановлюються привантаження 4. Геосітка 2 повинна щільно прилягати до основи і внутрішніх граней бокових блоків 3, щоб виключити утворення складок. Потім вільні краї загортаються всередину з утворенням петель, що охоплюють привантаження 4, і вкладаються на дно центральної частини внапуск і прошиваються. Потім в центральну частину оболонки відсипається пісок товщиною 25мм і ущільнюється. Жорсткі бокові блоки 3 і привантаження 4 виготовляються стендовим способом із ґрунтоцементну. Кути нахилу граней бокових елементів 3 приймаються рівними б = 60є.

Послідовне включення в роботу фундаменту, від ущільненого піску до привантажень, дозволяє трансформувати сумарну епюру напружень з переміщенням її максимальних значень з крайових областей в центральну, тобто перетворити з сідлоподібної в параболічну, що дозволить віддалити появу зсувних деформацій під крайовими зонами підошви фундаментів.

Найбільш раціональним з точки зору зменшення деформацій і збільшення модуля деформації основи виявився варіант армування оболонкою і двома горизонтальними шарами сіток з закріпленими кінцями. Закріплення кінців виконувалось за допомогою їх анкерування в ґрунтовому масиві. На рис.4 представлені узагальнені результати випробування основ армованих оболонкою і двома горизонтальними шарами сіток. На рис.5 представлена зміна модуля деформації в залежності від схеми армування.

Рис.4. Графік залежностей навантаження-осадка при наступних схемах армування:

1 - армування трьома горизонтальними шарами сіток при раціональних параметрах армування; 2 - армування оболонкою і двома горизонтальними шарами сіток; 3 - теж саме з закріпленими кінцями.

Рис.5. Характер впливу схеми армування на модуль деформації основи

При армуванні двошарових основ за раціональною схемою армування проходить зменшення осадки основи майже в 2 рази в порівнянні з неармованою. Це можна пояснити тим, що оболонка і горизонтальні шари арматури сприймаючи вертикальне навантаження концентрують його по своїй поверхні, тим самим переводять якусь частину в горизонтальну площину включаючи в роботу більший масив ґрунту. Це приводить до збільшення ширини стиснутої зони, тим самим зменшується тиск на нижні шари основи.

Напівнатурні випробування фундаменту на армованій основі дозволили встановити, що деформації двошарових основ можуть бути в 1,5 - 2 рази менші при влаштуванні в верхньому шарі арматурних елементів. Тобто можна стверджувати, що проходить збільшення жорсткості основи і збільшення критичного навантаження.

У третьому розділі викладені методика і результати досліджень зміни меж стиснутої зони під фундаментом при введені в ґрунт арматурних сіток, зміни вертикальних напружень при армуванні основ, взаємодії арматурних сіток з піщаним ґрунтом.

Для вимірювання пошарових деформацій армованої основи в процесі виконання моделей на ущільнений шар піску вкладали спеціальні дерев'яні марки з розмірами 0,02Ч0,02м. Перед початком вкладання марки до неї кріпилась металева струна, яка пропускалась через металеву трубку діаметром 2 мм, що призначалась для захисту струни. Між трубкою і маркою залишався зазор, що забезпечував незалежне переміщення марки відносно трубки.

При влаштуванні арматурних шарів в масиві ґрунту проходить трансформація зони деформування, нижня межа її зменшується, одночасно деформована зона витягується в плані, тобто армування сприяє включенню в роботу більшого масиву ґрунту (рис.6).