Способ определения деформируемости основания из армированного вертикальными элементами слабого грунта Российский патент 2024 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к области строительства, в частности к технологиям испытания грунта, армированного вертикальными элементами, с целью преобразования свойств слабого грунта для строительства зданий и сооружений.

Известен способ контроля деформационных характеристик армированного грунта путем проведения штамповых испытаний (Свод Правил 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты», п. 18.1, с. 111-112), в соответствии с ГОСТ 20276, включающий нагружение грунта вертикальной нагрузкой в массиве грунта с помощью штампа и измерение параметров грунта, по которым определяют модуль деформации массива грунта.

Недостатком указанного способа является то, что штамповые испытания, согласно ГОСТ 20276.1-2020 «Грунты. Метод испытания штампом», проводятся с использованием ограниченного набора круглых плоских штампов, с площадями подошвы штампов от 600 до 5000 см² или с соответствующими значениями диаметров от 27,7 до 79,8 см, что при отклонении зоны воздействия армирующего элемента от размера штампа вызывает погрешность при определении значения модуля деформации основания.

Наиболее близким способом, выбранным в качестве прототипа является способ определения деформируемости основания из армированного щебеночными вертикальными элементами слабого грунта (см. патент РФ №2631617, МПК G01N 33/24, опубл. 25.09.2017. Бюл. №27), включающий компрессионное сжатие штампом образца грунта с армирующим элементом и измерение параметров грунта, по которым оценивают деформируемость основания, причем компрессионное сжатие образца производят после погружения в грунт массива основания соосно армирующему щебеночному элементу металлической трубы, длиной, равной длине армирующего элемента, диаметром, равным их шагу в массиве грунта основания, с образованием образца из армирующего щебеночного элемента, окруженного слоем уплотненного грунта и слоем естественного грунта, ограниченного стенкой трубы, а компрессионное сжатие осуществляют путем воздействия штампа на образец с одновременным измерением параметров грунта образца, и определением модуля деформации грунта, по которому оценивают сжимаемость всего массива основания.

Недостатком указанного способа является наличие погрешности при определении деформации всего массива основания, армированного вертикальными армирующими элементами слабого грунта.

Так как достижение деформационных характеристик усиленного массива в грунтовом основании здания достигается определенным соотношением объема армирующих элементов к объему всего усиленного массива под фундаментом, то при штамповом испытании на опытном участке должны обеспечиваться аналогичные условия работы фрагмента массива (зоны, воспринимающей нагрузки от штампа), как для всего усиленного массива, воспринимающего нагрузки всего здания.

Технической задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение достоверности и точности контроля деформационных характеристик грунтового массива основания, армированного вертикальными армирующими элементами слабого грунта.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе определения деформируемости основания из армированного вертикальными элементами слабого грунта, включающем нагружение образца грунта с центральным армирующим элементом вертикальной нагрузкой с помощью штампа и измерение параметров грунта, по которым определяют деформируемость основания, осуществляют одноосное сжатие штампом образца грунта с центральным армирующим элементом окружающими армирующими элементами по одному ряду с каждой стороны, определяют площадь зоны воздействия центрального армирующего элемента ограниченного участка массива армированного грунта, площадь штампа подбирают приближенной к этой площади, а достоверное значение модуля деформации усиленного массива определяют с учетом корректирующего коэффициента к результатам штампового испытания, который определяют по формуле:

k=А_е/А_ш,

где А_е - площадь зоны воздействия центрального армирующего элемента (см²), А_ш - площадь штампа при штамповом испытании (см²), при этом площадь зоны воздействия центрального армирующего элемента участка массива армированного грунта определяется по формуле:

d_e - диаметр зоны воздействия центрального армирующего элемента участка массива армированного грунта (см), определяемый по формуле d_e=1,05⋅s, где s - среднее арифметическое значение шага армирования участка массива армированного грунта (см).

Техническим результатом является повышение эффективности определения деформационных характеристик армированного грунта с возможностью получения значения модуля деформации всего армированного грунтового массива, исходя из модуля деформации армированного грунта по результатам штампового испытания образца грунта с центральным армирующим элементом, при котором площадь штампа назначается приближенно к площади зоны воздействия центрального армирующего элемента.

Заявляемое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен фрагмент схемы расположения вертикальных армирующих элементов, расположенных в шахматном порядке, включающий центральный армирующий элемент с окружающими армирующими элементами по одному ряду с каждой стороны, на фиг. 2 - разрез фрагмента армированного грунта вертикальными армирующими элементами, совмещенный с инженерно-геологическим разрезом участка испытаний, на фиг. 3 - общая схема установки, при выполнении испытания плоским штампом круглой формы.

Позициями на чертежах обозначено:

1 - вертикальные армирующие элементы;

2 - шаг вертикальных армирующих элементов;

3 - граница зоны воздействия центрального армирующего элемента

4 - супесь песчанистая с включением строительного мусора;

5 - супесь песчанистая пластичная непросадочная с прослоями песка;

6 - щебеночная подушка;

7 - круглый жесткий штамп;

8 - прогибомер;

9 - домкрат;

10 - упорная балка;

11 - реперная система;

12 - маслостанция с манометром. Способ реализуется следующим образом.

Для проведения штампового испытания ограничивается участок массива армированного грунта, включающий центральный армирующий элемент с окружающими армирующими элементами по одному ряду с каждой стороны.

Затем измеряется шаг армирующих элементов участка массива армированного грунта и определяется среднее арифметическое значение шага армирования (s).

Далее определяется диаметр зоны воздействия центрального армирующего элемента участка массива армированного грунта (для шахматной сетки армирующих элементов) (см. Balaam N. P., Booker, J. R. «Analysis of rigid rafts supported by granular piles». International journal for numerical and analytical methods in geomechanics, 1981, том 5, №4, с. 379-403) по формуле:

где s - среднее арифметическое значение шага армирования участка массива армированного грунта (см). Затем вычисляется площадь зоны воздействия центрального армирующего элемента участка массива армированного грунта по формуле:

Для проведения штампового испытания подбирают штамп, площадь (А_ш) которого приближена к площади зоны воздействия центрального армирующего элемента участка массива армированного грунта (А_е).

Далее вокруг центрального армирующего элемента проводят выемку массива грунта, на глубину не менее 50 см и диаметром, соответствующим диаметру принятого штампа, в пределах глубины выемки подрезают армирующий элемент и горизонтально выравнивают срез армирующего элемента. После этого в выемке устраивают щебеночную подушку толщиной не менее 40 см из щебня фракции 5-20 мм для перераспределения нагрузки от штампа между армирующим элементом и окружающим грунтом. Далее осуществляют одноосное сжатие штампом образца грунта с центральным армирующим элементом. Испытания ведут согласно ГОСТ 20276.1-2020 «Грунты. Метод испытания штампом». Обработку результатов производят как для компрессионного сжатия грунта с определением значения модуля деформации усиленного массива (Е_ш) по формуле (в соответствии с п. 5.5.2 формула где v - коэффициент поперечного расширения (Пуассона), принимаемый равным 0,3 при армировании песков и супесей, 0,35 - при армировании суглинков, 0,42 - при армировании глин; K₁ - коэффициент, принимаемый равным 0,79; D - диаметр штампа, см; ΔР - приращение давления на штамп (МПа), равное P_n - Р₀; ΔS - приращение осадки штампа, соответствующее ΔР (см).

Затем определяют корректирующий коэффициент (k) к результатам штамповых испытаний, необходимый ввиду несоблюдения площади принятого штампа (А_ш) к площади зоны воздействия центрального армирующего элемента типового участка массива армированного грунта (А_е) по формуле:

где А_ш - площадь штампа при штамповом испытании (см²), А_е - площадь зоны воздействия центрального армирующего элемента типового участка массива армированного грунта (см²).

После этого определяют достоверное значение модуля деформации усиленного массива (E_{ф ар}), определяемое по результатам штамповых испытаний по формуле:

где k - корректирующий коэффициент, определяемый по формуле (3), Е_ш -значение модуля деформации усиленного массива, полученное по результатам штампового испытания (МПа).

Пример

На строительной площадке в Октябрьском районе города Новосибирска, армированной вертикальными грунтоцементными элементами глубиной 8 м, расположенными в шахматном порядке, изготовленными по технологии глубинного перемешивания, определяли деформируемость основания.

Участок массива армированного грунта, выбранный для штампового испытания представлен на фиг. 1. Измерили шаг расстановки армирующих элементов в границах участка, который составил 175 см или 2,5d.

Инженерно-геологический разрез на опытной площадке, совмещенный с армирующими элементами (грунтоцементными колоннами), представлен на фиг. 2. Основание опытной площадки в пределах исследуемой глубины сложено двумя инженерно-геологическими элементами (ИГЭ):

ИГЭ-1 - техногенный грунт. Супесь песчанистая с включением строительного мусора. Мощность слоя в среднем составляет 80 см.

ИГЭ-2 - супесь песчанистая пластичная непросадочная с прослоями песка. Грунты ИГЭ-2 имеют следующие физико-механические характеристики: плотность - 2,02 г/см³; модуль деформации 9,8 МПа; удельное сцепление 12,1 кПа, угол внутреннего трения 26°, коэффициент Пуассона 0,27. Мощность слоя составляет более 8 м.

Определили диаметр зоны воздействия центральной сваи участка массива армированного грунта по формуле 1.

d_e=1,05⋅2,5⋅70 см=183,75 см

Затем вычислили площадь зоны воздействия центрального армирующего элемента участка массива армированного грунта по формуле 2.

Для проведения штамповых испытаний выбрали жесткий штамп круглой формы с плоской подошвой площадью равной 38000 см² или с соответствующим значением диаметра 220 см. Нагрузку передавали сверху на образец с помощью штампа 7. Испытание проводили согласно ГОСТ 20276.1-2020 «Грунты. Метод испытания штампом». Штамп нагружали с помощью домкрата 9 центрировано ступенями давления по 0,1 МПа с соблюдением постоянства давления на каждой ступени нагружения. Осадка штампа измерялась прогибомером 8, закрепленным на реперной системе 11. Прогибомер соединен с штампом нитью из стальной проволоки диаметром 0,4 мм. Осадку штампа определяли, как среднее арифметическое значение показаний трех прогибомеров, фиксирующих осадку штампа в трех точках, расположенных под углом 120° от оси штампа в горизонтальной плоскости. Приращение осадки штампа на ступень давления составило 0,577 см. Погрешность измерения осадки штампа составила не более 0,1 мм.

Значение модуля деформации усиленного массива, полученное по результатам штампового испытания, определили в соответствии с ГОСТ 20276.1-2020 п. 5.5.2 формула 1.

Затем вычислили корректирующий коэффициент к результатам штамповых испытаний по формуле 3.

k=26522,03 см²/ 38000 см²=0,698

После этого вычислили достоверное значение модуля деформации усиленного массива по формуле 4.

E_{ф ар}=0,698⋅27,93 МПа=19,49 МПа

Для проверки достоверности значение модуля деформации усиленного массива, полученного по формуле 4, проведен вычислительный эксперимент методом конечных элементов на электронной вычислительной машине в сертифицированной программе «Plaxis 3D» версии 22.01.00.452. Для верификации численной модели использовались данные штампового испытания, армированного в шахматном порядке массива с диаметром грунтоцементных свай 70 см и шагом 3d (см. ЛОМОВ П.О., ЛАНИС А.Л., ГРЕБЕННИКОВ И.О. «Оценка деформационных характеристик грунтовых массивов, армированных вертикальными элементами», ж. «Известия высших учебных заведений», 2023, №3, с. 22-37).

Модуль деформации по результатам цифрового штампового испытания составил 27,97 МПа, что не превышает 10% расхождения с натурным штамповым испытанием. С использованием верифицированной модели проведена оценка достоверности значения модуля деформации усиленного массива, полученного по формуле 4.

По результатам цифрового расчета модели опытной площадки с штампом площадью 38000 см² осадка штампа на ступень давления составила 0,585 см, значение модуля деформации усиленного массива, полученное по результатам моделирования штампового испытания, составило

По результатам цифрового расчета модели опытной площадки с штампом площадью равной площади зоны воздействия центрального армирующего элемента участка массива армированного грунта А_ш=А_е=26522,03 см² осадка штампа на ступень давления составила 0,675 см, значение модуля деформации усиленного массива, полученное по результатам моделирования штампового испытания составило

Разница вычисленного достоверного значения модуля деформации усиленного массива E_{ф ар} по формуле 4 и значение модуля деформации усиленного массива полученного по результатам моделирования штампового испытания Е_ш составила менее 3%.

Предлагаемый способ доказывает свою эффективность. С помощью него повышается достоверность и точность контроля деформационных характеристик армированных грунтов вертикальными армирующими элементами для всего армированного грунтового массива.

Изобретение относится к области строительства. Раскрыт способ определения деформируемости основания из армированного вертикальными элементами слабого грунта, включающий нагружение образца грунта с центральным армирующим элементом вертикальной нагрузкой с помощью штампа и измерение параметров грунта, по которым определяют деформируемость основания, где осуществляют одноосное сжатие штампом образца грунта с центральным армирующим элементом и окружающими армирующими элементами по одному ряду с каждой стороны, определяют площадь зоны воздействия центрального армирующего элемента ограниченного участка массива армированного грунта, площадь штампа подбирают приближенной к этой площади, а достоверное значение модуля деформации усиленного массива определяют с учетом корректирующего коэффициента к результатам штамповых испытаний. Изобретение обеспечивает повышение эффективности определения деформационных характеристик армированного грунта с возможностью получения значения модуля деформации всего армированного грунтового массива, исходя из модуля деформации армированного грунта по результатам штампового испытания образца грунта с центральным армирующим элементом, при котором площадь штампа назначается приближенно к площади зоны воздействия центрального армирующего элемента. 3 ил., 1 пр.

Способ определения деформируемости основания из армированного вертикальными элементами слабого грунта, включающий нагружение образца грунта с центральным армирующим элементом вертикальной нагрузкой с помощью штампа и измерение параметров грунта, по которым определяют деформируемость основания, отличающийся тем, что осуществляют одноосное сжатие штампом образца грунта с центральным армирующим элементом и окружающими армирующими элементами по одному ряду с каждой стороны, определяют площадь зоны воздействия центрального армирующего элемента ограниченного участка массива армированного грунта, площадь штампа подбирают приближенной к этой площади, а достоверное значение модуля деформации усиленного массива определяют с учетом корректирующего коэффициента к результатам штамповых испытаний, который определяют по формуле

k=A_е/А_ш,

где А_е - площадь зоны воздействия центрального армирующего элемента типового участка массива армированного грунта (см²);

А_ш - площадь штампа при штамповом испытании (см²);

при этом А_е определяется по формуле

d_e - диаметр зоны воздействия центрального армирующего элемента участка массива армированного грунта (см), равный 1,05×s,

где s - среднее арифметическое значение шага армирования участка массива армированного грунта (см),

при этом достоверное значение модуля деформации усиленного массива определяют с учетом корректирующего коэффициента по формуле

где k - корректирующий коэффициент,

Е_ш - значение модуля деформации усиленного массива, полученное по результатам штампового испытания (МПа).