 |
Определение механических характеристик
|
|
|
|
В ходе исследования для определения механических параметров песков и фибропесков были проведены серии испытаний на сертифицированном приборе трехосного сжатия с камерой типа А (Рис. 2.6, Рис.2.7). Данные исследования необходимы для оценки влияния внедрения волокон полипропилена на прочностные характеристики грунта.
Рис. 2.6 Прибор трехосного сжатия Рис. 2.7 Панель управления
Для проведения исследования производилось моделирование статического нагружения образцов грунта методом трехосного сжатия в стабилометре с камерой типа А. Трехосное нагружение образцов достаточно правдиво моделирует напряженно-деформированное состояние в грунте и дает наиболее близкие к реальности результаты, чем в случае проведения испытаний на срез и одноосное сжатие [19]. Испытания проводились консолидированно-дренированные с целью определения сдвиговых параметров прочности: удельного сцепления с, Мпа и угла внутреннего трения φ,°. В процессе исследования были проведены серии испытаний на определение вертикальной разрушающей нагрузки при боковом давлении 100, 200 и 300 кПа. Боковое давление задавалось по ГОСТ 12248-2010. Программа испытаний была определена в соответствии с методикой, указанной в ГОСТ. Приложение вертикальной нагрузки начиналось после ожидания условной стабилизации образца.
В процессе исследования были подготовлены следующие образцы: неармированный песчаный грунт, грунт с содержанием фибры 0,5%, 1,0% и грунт с содержанием фибры 1,5 %. Подготовка образцов осуществлялась вручную. Образцы имели цилиндрическую форму диаметром 38мм и высотой 76 мм. Испытания проводились при определенной ранее оптимальной влажности песчаного грунта, которая составила 8,5%. Послойное уплотнение образцов песчаного и фибропесчаного грунта производилось вручную.
|
|
|
За окончание испытания принималось возникновение в образце относительной вертикальной деформации ε, равной 15% [12].
Консолидированно-дренированные испытания, выполненные в приборе трехосного сжатия, позволили определить угол внутреннего трения и удельное сцепление образцов. Прочностные характеристики были рассчитаны в соответствии с методикой ГОСТ 12248-2010. На основании полученных результатов были составлены графики (Рис. 2.8, Рис. 2.9) зависимостей угла внутреннего трения и удельного сцепления от процента армирования грунта полипропиленовыми волокнами.
Рис. 2.8 График зависимости угла внутреннего трения от процента армирования грунта фиброй
Рис. 2.9 График зависимости удельного сцепления от процента армирования грунта фиброй
Для визуализации изменения прочностных характеристик приведена Табл.2.3. В таблицу сведены численные значения удельного сцепления, угла внутреннего трения и разницы между показателями армированного и неармированного образцов.
Табл. 2.3
Сравнение результатов, полученных в ходе испытаний на трехосное сжатие
| Характеристика | Песок с содержанием фибры: | Δ (0,5%/0%) | Δ (1%/0%) | Δ (1,5%/0%) | |||
| 0% | 0,5% | 1,0% | 1,5% | ||||
| С, МПа | 0,02 | 0,067 | 0,075 | 0,037 | 3,35 | 3,75 | 1,85 |
| φ,° | 35,03 | 39,27 | 42,62 | 49,41 | 1,12 | 1,22 | 1,41 |
По таблице видно, что внедрение дискретных волокон пропилена в грунт увеличивает удельное сцепление в пределах 1,85-3,75 раз, что является доказательством эффективности применения данного геоматериала. Угол внутреннего трения при этом возрастает в 1,12-1,41 раз.
Для наглядного подтверждения результатов приведены критерии Мора-Кулона для неармированного образца и образца с содержанием фибры в количестве 0,5%, 1,0% и 1,5%. Критерий Мора-Кулона также известен как теория внутреннего трения (Рис. 2.10-2.12). При нагружении грунты работают преимущественно на сдвиг по поверхности с наименьшей несущей способностью [11]. Поэтому сдвиговая прочность является определяющей прочностной характеристикой для грунтов. На графиках отчетливо видно, что армированный образец имеет более высокие прочностные характеристики, чем образец, не содержащий полипропиленовые волокна. Это объясняется тем, что с увеличением процентного содержания полипропиленовых волокон, увеличивается и внутренняя адгезия, которая образуется путем контакта песка и дискретных волокон [12].
|
|
|
Рис. 2.10 Критерий Мора-Кулона для неармированного образца и образца с содержанием фибры 0,5%
Рис. 2.11 Критерий Мора-Кулона для неармированного образца и образца с содержанием фибры 1,0%
Рис. 2.12 Критерий Мора-Кулона для неармированного образца и образца с содержанием фибры 1,5%
Внедрение дискретных полипропиленовых волокон в песчаный грунт увеличивает значения удельного сцепления и угла внутреннего трения, что увеличивает способность грунта сопротивляться вертикальным нагрузкам. Результаты испытаний, проведенных методом трехосного сжатия, по определению разрушающей вертикальной нагрузки для образцов песчаных и фибропесчаных грунтов при боковом давлении 100, 200 и 300 кПа представлены в Табл. 2.4.
Табл. 2.4
Разрушающая вертикальная нагрузка
| Образец | Разрушающая нагрузка при боковом давлении, кПа: | ||
| 100 кПа | 200 кПа | 300 кПа | |
| Неармированный песок | |||
| Песок с фиброй 0,5% | |||
| Песок с фиброй 1,0% | |||
| Песок с фиброй 1,5% |
Можно отметить, что в случае образца с содержанием фибры в количестве 1,0%, разрушающая нагрузка была отмечена в среднем в 1,5-1,6 выше, чем в случае неармированного образца. Наиболее сильное увеличение разрушающей вертикальной нагрузки выявлено при боковом давлении 100 кПа.
Разрушение неармированного образца можно классифицировать как хрупкое разрушение - «скол» с характерной плоскостью среза (Рис. 2.13, а). Армированные образцы при разрушении имели «бочкообразную» форму (Рис. 2.13, б). Изменение формы образца при разрушении связано с тем, что полипропиленовые волокна способствуют устранению локализации деформаций, позволяя накапливать их постепенно. Фиброармирование смягчает возникающие деформации.
|
|
|
а) 
б) 
Рис.2.13 а) Разрушение неармированного образца; б) Разрушение армированного образца
Отсутствие конкретной локализации деформаций в случае армированного образца свидетельствует о том, что сдвиговые параметры изменились по сравнению с неармированным грунтом. Внедрение полипропиленовых волокон наделяет песчаный грунт высоким удельным сцеплением [11].
При 1,5% армирования отмечено снижение характеристик по сравнению с меньшим процентом армирования, что объясняется тем, что фибра комкуется и неравномерно распределяется в грунте, образуя поверхности проскальзывания. Оптимальным вариантом армирования является внедрение полипропиленовых волокон в количестве 0,5%. При 1,0% расход материала увеличивается в 2 раза, а характеристики грунта меняются незначительно.
По результатам испытаний составлены графики зависимости относительных вертикальных деформаций образцов от разрушающей нагрузки при боковых давлениях 100, 200 и 300 кПа (Рис. 2.14-2.16).
Рис. 2.14 График зависимости относительных вертикальных деформаций от вертикальной нагрузки при боковом давлении 100кПа
Рис. 2.15 График зависимости относительных вертикальных деформаций от вертикальной нагрузки при боковом давлении 200кПа
Рис. 2.16 График зависимости относительных вертикальных деформаций от вертикальной нагрузки при боковом давлении 300кПа
С увеличением процента содержания полипропиленовых волокон в грунте возрастает разрушающая нагрузка и несущая способность материала. Также отмечено увеличение участка линейной деформируемости грунта на графике зависимости относительных вертикальных деформаций от вертикальной нагрузки.
Выводы по главе
Таким образом, на основании лабораторных исследований можно сделать выводы, что внедрение полипропиленовых волокон в грунтовый массив в качестве армирующих элементов снижает способность грунта к уплотняемости, что доказывают эксперименты по определению оптимальной влажности. Внедрение полипропиленовых волокон снижает плотность сухого грунта в среднем на 8-10%.
|
|
|
Армирование песчаного грунта полипропиленовой фиброй положительно влияет на механические свойства грунта, а именно: повышает сопротивление грунта сдвигу, частично придавая песку свойства связных грунтов. Это достигается за счёт значительного увеличения сдвиговых критериев прочности: удельного сцепления и угла внутреннего трения. Удельное сцепление увеличивается в пределах 1,85-3,75 раз, угол внутреннего трения в 1,12-1,41 раз. Песок приобретает дополнительную внутреннюю адгезию, благодаря которой становится менее хрупким, что способствует снижению локализованности деформаций, возникающих от действия вертикальной нагрузки. Плавное и постепенное накопление деформаций характеризуется изменением структуры грунтового массива ввиду внедрения полипропиленовых волокон.
Оптимальный процент армирования грунта составляет 0,5%. При расходе фибры в количестве 1,0% характеристики меняются незначительно, а в случае армирования 1,5 % фибры прочностные характеристики ухудшаются по сравнению с меньшим процентом армирования в виду невозможности равномерного распределения армирующих элементов в массиве грунта.
|
|
|
