Штамповые испытания
Испытания грунтов штампом производятся в соотвествие с ГОСТ 20276-2002 "Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости".
Для чего это нужно?
Как известно, в дорожном строительстве одним из определяющих параметров, влияющих на сметную стоимость объекта, является толщина конструктивных слоев искусственного основания и покрытия. Очевидно, что толщина каждого слоя определяется аналитическими методами расчета, в котором учитываются деформационные характеристики материала как отдельно взятого слоя (песок, щебень, асфальтобетон), так и эквивалента двух и более слоев по мере отсыпки. Расчет дорожной одежды (конструкции пола) позволяет определить конкретные значения деформационных характеристик на каждом этапе отсыпки. Недоуплотнение слоев дорожной одежды приведет к снижению требуемых значений деформационных характеристик, и, соответственно, к снижению требуемой несущей способности грунтового сооружения.
Штамповые испытания позволяют контролировать деформационные характеристики конструктивных слоев (качество уплотнения) на всех этапах отсыпки и гарантировать факт достижения требуемой несущей способности.
Таким образом, надзор за строительством дорог (полов) при помощи штамповых испытаний, гарантировано обеспечит Заказчику качество строительных работ и дальнейшую безотказную работу грунтового сооружения.
Многолетние наблюдения за дорожными объектами свидетельствуют о том, что основной причиной преждевременного разрушения покрытий дорог (полов), является некачественное уплотнение нижележащих слоев (песка, щебня) - 80% от общего количества разрушений. И только лишь 20% - другие причины (климатические факторы, превышение расчетной интенсивности движения и т.д.).
Основными деформационными характеристиками, подлежащими контролю при уплотнении, являются модуль деформации, модуль упругости и коэффициент постели.
Немного науки!
Бетонные (фибробетонные, железобетонные) покрытия промышленных полов и дорог рассчитываются как плиты на упругом основании. Определение реактивного давления грунтового основания на нижнюю поверхность плиты в нормативных методах расчета таких покрытий производится на основе использования трех наиболее простых моделей деформирования основания:
- модели коэффициента постели (Фусса-Винклера);
- модели упругого полупространства;
- модели линейно-деформируемого полупространства.
Для наиболее наглядного отображения основных свойств каждой модели рассмотрено их поведение при вдавливании круглого жесткого штампа, установленного на горизонтальной поверхности модели.
Модель коэффициента постели
Штамп, приложенный к поверхности модели Фусса-Винклера, вдавливается на глубину, пропорциональную среднему удельному давлению, а при снятии нагрузки возвращается в исходное положение. Поверхность модели за пределами штампа не деформируется.
Механические свойства материала модели характеризуются коэффициентом упругой осадки Св, который принято также называть коэффициентом постели. Коэффициент постели одинаков при нагружении и снятии нагрузки:
где SB - восстанавливающаяся (упругая) осадка, м; СВ - коэффициент постели (восстанавливающейся осадки), Н/м3; p - среднее удельное давление под штампом, МПа.
Модель основания Винклера: а - график вдавливания штампа; б - исходное положение штампа и поверхности модели; в - деформация поверхности модели при нагружении штампа; г - положение поверхности модели после разгрузки, штампа (р - среднее удельное давление; SВ - восстанавливающаяся осадка штампа)
Основной недостаток этой модели состоит в том, что она не учитывает сцепление в реальном грунте и его некоторую работу за пределами нагруженной части, т. е. не обладает свойством распределять нагрузку за пределы нагруженной части.
Модель упругого полупространства
Материал модели обладает следующими свойствами:
а) он сплошной, и развитие местных деформаций разрывного характера в нем невозможно;
б) деформации вполне упруги, линейно связаны с напряжениями и полностью исчезают после снятия нагрузки;
в) продольные деформации сопровождаются поперечными, определяющимися коэффициентом Пуассона, который всегда больше нуля.
Штамп, приложенный к поверхности упругого полупространства, под действием нагрузки опускается на глубину, пропорциональную среднему удельному давлению. Поверхность полупространства следует за перемещением штампа, причем ее осадки постепенно затухают по мере удаления от штампа, распространяясь в стороны безгранично. После снятия нагрузки со штампа деформируемая поверхность модели возвращается в исходное положение.
Однородное упругое полупространство: а - график вдавливания штампа; б - исходное положение штампа и поверхности модели; в - деформация поверхности при нагружении штампа; г - положение поверхности модели после разгрузки штампа (р - среднее удельное давление; SВ - восстанавливающаяся осадка штампа)
Механические свойства материала модели характеризуются двумя параметрами: модулем упругости ЕВ и коэффициентом Пуассона µВ.
Глубина погружения круглого штампа определяется по формуле:
где D - диаметр штампа, м.
Упругое полупространство коренным образом отличается от модели Н.И.Фусса-Винклера тем, что его деформации вполне упруги и имеют общий характер.
Модель линейно-деформируемого полупространства.
Крупный недостаток упругого полупространства, как модели грунтового основания, заключается в полном игнорировании остаточных деформаций, в то время как большинству естественных грунтов свойственно одновременное развитие как восстанавливающихся, так и остаточных деформаций.
С целью преодоления этого противоречия Н.Н.Иванов предложил применять обобщенный параметр - коэффициент оседания, учитывающий как упругие, так и остаточные деформации грунта, а Н.М.Герсеванов вместо модуля упругости и коэффициента Пуассона при расчетах грунтовых оснований методами теории упругости предложил использовать другие параметры, также отражающие и упругие и остаточные деформации, а именно: модуль полной деформации Еп и коэффициент Пуассона для полной деформации µП. Он обосновывал такую замену тем, что при небольших изменениях напряжений в грунте, которые получаются при возведении сооружений, полные деформации, являясь не вполне упругими, связаны с напряжениями линейной зависимостью.
Наблюдения за движениями штампа при снятии нагрузки показали, что механические свойства грунтовых оснований при нагружении и снятии нагрузки, вообще говоря, различны. В связи с этим были сделаны предложения о необходимости введения дополнительных параметров к модели линейно-деформируемого полупространства, характеризующих его поведение при снятии нагрузки, а именно: модуля упругости ЕВ и коэффициента Пуассона µВ.
Однородное линейно-деформируемое полупространство: а - график вдавливания штампа; б - исходное положение штампа и поверхности модели; в - деформация поверхности модели при нагружении штампа; г - положение поверхности модели после разгрузки штампа (р - среднее удельное давление; SП - полная осадка штампа; S0 - остаточная осадка штампа; SB - восстанавливающаяся осадка штампа)
При нагружении штампом модель ведет себя так же, как и упругое полупространство. Штамп погружается на глубину, пропорциональную среднему удельному давлению, а окружающая поверхность грунта следует за ним, причем ее осадки затухают по мере удаления от штампа. Отличие проявляется при снятии нагрузки, после которой штамп и окружающая поверхность грунта модели в исходное положение не возвращаются, а образуют своеобразную остаточную воронку вдавливания с пологими криволинейными бортами, уходящими в бесконечность.
Модель характеризуется четырьмя параметрами. При нагружении в расчет вводится модуль полной деформации ЕВ и коэффициент Пуассона для полной деформации µП, а при снятии нагрузки - модуль упругости и коэффициент Пуассона µВ. Формулы для осадки штампа и окружающей поверхности грунта аналогичны формулам и, отличаясь от них только параметрами. Так, осадка круглого жесткого штампа при нагружении определяется формулой:
Осадка поверхности грунта за пределами штампа - по формуле:
где S0-остаточная осадка, см.
Модель линейно-деформируемого полупространства получила весьма широкое применение в отечественной инженерной практике, чему способствовали труды М. И. Горбунова-Посадова, Б. Н. Жемочкина, Н. Н. Иванова, А. П. Синицына, Н. А. Цытовича и ряда других.
Надо сказать, что применение модели линейно-деформируемого полупространства к расчетам фундаментов, дорожных и аэродромных покрытий сопровождалось весьма резкой критикой моделей Фусса и Винклера, причем сторонники новой модели ссылались главным образом на два экспериментально установленных факта, противоречащих свойствам моделей, учитывающих только местные деформации основания.
Необходимо отметить, что названные модели являются простейшими, идеальными и не учитывают нелинейный характер деформирования реальных грунтов и материалов под нагрузкой. Учет нелинейности и остаточности деформаций при многократных нагружениях реальных оснований производится с помощью соответствующих дополнительных коэффициентов, устанавливаемых на основе экспериментальных исследований.
Смотрите также:
