„ G E O T E C H N IK A W O Ś R O D K U G L I W IC K IM ”
Z E S Z Y T Y N A U K O W E PO LITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ________________________________ 1995
Sena: B U D O W N IC T W O z. 80 Nr kol. 1288
M arian B EL A K atedra G eotechniki Politechnika Śląska
Z M IA N Y ST A N U Z A G Ę S Z C Z E N IA G R U N T Ó W N IE S P O IS T Y C H P O D W P Ł Y W E M O B C IĄ Ż E Ń
S treszczen ie. W pracy niniejszej przedstawiono wyniki badań zm ian zagęszczenia piasku pod w pływ em obciążeń. Badania wykonano przy użyciu standardow ych edom etrów . Obciążenie pow oduje znaczny przyrost zagęszczenia piasku, największy przy małym zagęszczeniu początkow ym . N a podstawie uzyskanych w yników badań opracow ano zależności analityczne pozw alające na prognozow anie zmian zagęszczenia piasku pod w pływ em obciążenia. Przedstaw ione rozwiązanie m oże być przydatne do projektow ania podsypki piaskow ej, stosow anej przy posadowieniu obiektów na terenach górniczych.
LO A D IN D U C ED C H A N G ES OF D EN SITY OF G RA NU LAR SOILS
S u m m a ry . In the paper changes o f sand density induced by loads are presented. The investigations w ere carried out using the standard oedom eters. A considerable increasing o f sand density under loading is extremal one for the case o f loose initial state. On the base o f results obtained analytical relations have been derived which can be used for predictions o f sand density changes induced by loading. The presented solution can be useful for design o f sand cushions under building structures in the mining areas.
96 M. Bela
M3MEHEHMB nJlOTHOCTH HECBH3HLIX rPYHTOB n O i BJTMBHMEM HAEPY30K
Pe-.iK»ie. B
HacTOfluiefi pa6oTe npeacTaBJieHbi p e s y j m a ™ HecaeaoBaHMH n3M6HeHHH njioTHOCTM necica noa iuihhmhcm narpy30K. McGnejoBaHHH SbutH nbirioiineubi tipn iiomoujm CTaHnapTHbix oiioMeTpoB. Harpy3Ka Bbi3biBaeT 3HaHHTejibHoe noBbiweHne njiOTHOCTH necKa, caMoe Gojibwoe - npw HeGoJibtnoH nanaiibnoH n n o m o c m Ha ochob3hhh nojiyMeHHbix pe3yjibTaTOB 6btnn ycraHOBJieHbi aHajiHTHHecKHe 3aBnc.nMOCTH, no3BOJtmouiMe nporH03npoBaTb H3MeHeHHfl njiOTHOCTH necKa n o j BJiHBHHeM Harpy3Kn. ElpeacTaBJieHHoe peLueiiMC MoaceT GbiTb ripuroaiibiM ajia npoeKTHpoBaHwi necoiH oro ocHOBanna, npn,MenaeMoro npH B03BeiieHWM o6i>eKTOB Ha TeppHTopHH ropnoń 3Kcn.nyaTaunn.1. W STĘP
G runty m ają budow ę trójfazow ą. Pod wpływem przyrostu obciążenia zm ienia się objętość gruntu i zm niejsza się jeg o porow atość. Z tych pow odów zm ianie ulegają rów nież inne w łaściwości gruntu, w tym w ytrzym ałość i ściśliwość.
W przypadku m odernizacji, przebudow y i nadbudowy istniejących obiektów następuje przyrost obciążeń przekazyw anych na fundamenty. Jest możliwość przeniesienia tego dodatko
w ego obciążenia p o przez istniejące fundam enty obiektu, a więc zw iększenia jednostkow ego obciążenia podłoża. N ależałoby w ów czas jednak określić zakres zaistniałych zm ian w łaściw oś
ci g ru n tó w pod obciążeniem i określić przyrost nośności podłoża.
W terenach górniczych, w przypadku sztywnego podłoża gruntow ego w ykonuje się poduszki piaskow e, m iędzy innymi w celu osłabienia podłoża w strefie posadow ienia fundam entów . Zagęszczenie poduszki piaskowej winno być jak najmniejsze, [1], najczęściej nie w iększe niż Id= 0 ,3 0 . M ałe zagęszczenie poduszki piaskowej daje korzystniejsze w arunki pracy konstrukcji obiektu przy w ystąpieniu deformacji górniczej terenu. O bciążenie gruntu podsypki pow oduje w zrost jej zagęszczenia. Przew idyw anie stopnia zm ian zagęszczenia pozw oli na zaprojektow anie poduszki piaskowej o wymaganym zagęszczeniu oraz dokładniej
szą ocenę jej właściwości.
W niniejszej pracy p rzed staw iono wyniki badań zmian wartości w skaźnika porow atości (e ) i stopnia za g ęszczen ia (Id) piasku średniego pod w p ływ em obciążeń.
D la uzyskanych w yników opracow ano zależności analityczne pozw alające na p ro g nozow anie zm ian zagęszczenia.
2. O PIS W Y K O N A N Y C H BADAŃ
D o badań użyto piasku średniego, skład uziam ienia przedstaw iony je st na wykresie uziam ienia (ry s.l).
Roóaj P i o s e k ś r e a m 9 *
* 6 0 Q.40 mm
0.30 mm
dfo 0 .1Q mm
U 2 ,2 2
c 1.65
Qs - 2 ,55 gem 3 71 - 2 6 kN m 3
*
■o'
5100
1 70
■sfl
60
o
? Oj 50
<0
40 30
20 'to 0 a
I
Nłto 1
F R A K C J E Pytona
dto'Rso I
m 'ł- >o ts rr
o Ó O Q 9
es 3 es <a os
a o o ’ a
ery sj- * 0 „
3 <50 O K
a cs o ° <si m -ł-Tł o. a Średnica zastępcza d. m m
Udziat danej fra k c ji w % 0.09 99 .3 2 0.59
Rys. 1. Wykres uziamienia piasku użytego do badań Fig. 1. Granuiar composition of sand used in tests
B adania w ykonano na próbkach piasku w stanie pow ietrznosuchym o następujących w artościach param etrów początkow ych:
- gęstość objętościow a - porow atość
- w skaźnik porow atości
- w skaźnik porow atości maksymalnej - w skaźnik porow atości minimalnej - stopień zagęszczenia
p = 1,56- 1.8Ig- cm~
n = 0 ,3 1 7 - 0,412, e - 0 ,4 6 4 - 0,700,
‘ m„ = 0,700,
«m» = 0,431, I D = 0 ,0 - 0,878.
B adania w ykonano przy użyciu edom etrów standardow ych (d=65m m , h=20mm), stosując następujące stopnie obciążenia: 12,5; 25, 50; 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400 kPa.
Celem badań [1] była rów nież ocena w artości m odułów ściśliwości (M ,) i wskaźników
98 M. Bela
skonsolidow ania ( / ? ) w w arunkach pracy podsypki piaskowej w porów naniu do w artości zestaw ianych w norm ie [2].
W ykonano 10 badań pełnych, z odciążeniem do w artości 12,5 k P a i obciążeniem w tórnym do 400 kPa. W ykonano ponadto 4 badania, w których realizow ane były tylko obciążenia pierw otne. N a rys.2 przedstaw iono jeden z w ykresów ściśliwości, dla próbki piasku luźnego, przy I D°=0,0.
20000
, 19, 900 19,600I p - 0 . 0 e - 0,700
19.300 -
±
T19.200 - 19,100 -
¡01)00 l i ' i________l________i________i_______ i---1---1---1—
• 0 I 25 50 100 150 200 250 300 350 W
12.5
Rys.2. Krzywa ściśliwości pierwotnej i wtórnej piasku luźnego, ID°=0.0 Fig.2. Curve o f primary and secondary compressibility o f loose sand, ID°=0.0
p , kPO
3. D Y S K U S JA W Y N IK Ó W B A D A N I W N IO SK I
B adania przeprow adzono na tych samych próbkach piasku przy zm iennych wartościach p oczątkow ego stanu zagęszczenia.
Zm iany w skaźnika porow atości określono w zależności:
e = - £ s - - l , [-]
P*t gdzie:
Pd = y , L g - c w 3]
K = ^ £ . M e m 3]
Piasek zagęszczano w edometrze, początkow y stan zagęszczenia wyznaczono każdorazow o n a podstaw ie masy próbki - m,.
N a rys. 3 i 4 przedstaw iono wykresy zależności pom iędzy obciążeniem a wskaźnikiem porow atości i stopniem zagęszczenia dla piasku w stanie luźnym (Id° = 0,0).
Rys. 3. Zmiany wskaźnika porowatości piasku luźnego, Id°=0,0 Fig. 3. Changes o f void ratio o f loose sand, Id°=0,0
Rys.4. Zmiany stopnia zagęszczenia piasku luźnego, ID°=0.0 Fig.4. Changes of index of density of loose sand, Io°=0,0
Z agęszczenie zw iększa się z przyrostem obciążenia, najwięcej ju ż przy m ałych obciążeniach. D la obciążenia 12.5 kPa przyrost A ID stanowi ju ż 61% przyrostu całkow itego (do 400 kPa), dla obciążenia 50kP a-72% , całkowity przyrost stopnia zagęszczenia U D = 0,227. N a rys. 5 przedstaw iono uzyskane zależności pom iędzy obciążeniem a zm ianą stopnia zagęszczenia dla badanych próbek o różnej w artości początkow ej stopnia zagęszczenia. P rzyrosty sto p n ia zagęszczenia są znaczne, tym większe, im m niejsze zagęszcze
nie p o czątk o w e ID° (rys.6). Piasek o I D° = 0,2 3 2 , przy obciążeniu o w artości 150 kPa uzyskał zagęszczenie I D - 0 ,3 3 9 . Przy w iększych zagęszczeniach początkow ych przyrosty
A I D są coraz m niejsze, zanikające do zera dla I D° = 1.
Rvs.5. Z m iany stopnia zagęszczenia piasku przy różnym zagęszczeniu początkowym. I°D Fig.5. C hanges o f index o f density of sand for various initial densities, I°D
Rys.6. Z m iany przyrostów stopnia zagęszczenia piasku przy różnym zagęszczeniu początkowym, I°D Fig.6. C hanges o f increm ents o f index of sand density for various initial densities, I
o Q
102 M. Bela
Przebieg uzyskanych zależności m ożna bardzo dobrze opisać funkcją:
I D = I°D + a- p b
D la każdego badania w yliczono wielkości a i b m etodą przyrów nania logarytm icznego;
dokładność odw zorow ania była bardzo dobra.
Z m ienność wielkości w spółczynników a i b określono jak o funkcje Id°. U zyskano zależność:
J D = I p + [o ,2 5 ó ( l- I°d ) ~ 0,03- s in 2 ^ ] - p (o'14f0l331^ ) gdzie: p - obciążenie gruntu w M Pa.
F unkcja ta dobrze opisuje przebieg zależności otrzym anych z badań.
Posługując się podanym w zorem , m ożna wyliczyć, jakie będą zmiany stanu zagęszczenia piasku poddanego obciążeniu, jaki więc będzie rzeczywisty stan zagęszczenia gruntu stanow iącego p o d ło że budowli.
LITERATURA
[1] Bela M ., Soczaw a A.: Zasady stosow ania podsypki piaskowej pod fundam entam i budowli na terenach górniczych, Praca ITB, N o 1-2/77-78/1991, 27-39.
[2] P N -8 1/ B -03020 - G runty budow lane. Posadow ienie bezpośrednie budowli.
Recenzent: P rof.dr hab.inż. K rystyna Skarżyńska
W płynęło do Redakcji 5.05.1995 r.
A b s tr a c t
T he paper presents the findings o f load - induced density changes o f sand. Standard oedo- m eters w ere used fo r the sam e sam ples o f sand by different values o f th e initial density state and the initial density ratio am ounts to Id° = 0,0 - 0,878.
T he initiat density state has been determ inated on the basis o f the sam ple mass. T he load will couse a significantt increase in the density o f sand, the biggest at the smallest initial density
ratio. F o r higher initial density ratio the increase bocom es smaller, oven tending to 0 for Id° = 1. The density is increasing according to the gain in load, which is m ost significant by small loads (Fig.6). O n the basis o f th e findings some analytic relations were elaborated w hich allow to forecast the load- induced density changes in sand. The presented solution m ay be useful in designing o f sand- filling in areas damaged by mining activity.
