Пылеватые пески: Строим фундаменты на века в Москве и Ярославле.

Строим фундаменты на века в Москве и Ярославле.

Устройство фундамента под деревянный дом, баню является одной из самых ответственных задач в процессе строительства. Прежде чем приступить к строительству, необходимо задуматься о конструкции его фундамента. Ведь фундамент в значительной степени определяет прочность, надежность и долговечность строения.

Многие уверены, что надежность фундамента напрямую зависит от его массивности. Это не всегда так, и выбор оптимального фундамента для конкретного строения и участка — дело весьма тонкое.

Определяющими факторами при выборе типа фундамента и глубины его заложения должны стать: вид грунта, глубина промерзания грунта, уровень грунтовых вод, рельеф поверхности, нагрузки на фундамент.

Виды грунтов.

Скалистые грунты — массивные горные породы с жесткими связями между частицами грунта, залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива.

Такие грунты имеют значительную прочность на сжатие и не промерзают.

Крупнообломочные (хрящеватые) грунты — состоят из валунов, обломков камней, крупных фракций щебня и гравия в объеме более 50%, не сцементированных между собой. Они практически не сжимаются и являются надежными основаниями. При наличии в крупнообломочном грунте более 40% песчаного заполнителя или более 30% пылевато-глинистого заполнителя от общей массы сухого грунта в наименовании грунта учитывается только мелкая составляющая грунта, т.к. именно она будет определять несущую способность грунта. Подобный грунт будет пучинистым, если мелкая составляющая — глина или мелкий пылеватый песок.

Песчаные грунты — сыпучая смесь зерен кварца и других минералов (образовавшихся в результате выветривания горных пород), содержащая глины менее 3%. Песок по своему зерновому составу, по размеру фракций классифицируется на следующие виды:

гравелистые пески — если преобладают частицы размером 0,25… 5 мм;

крупный песок — если преобладают частицы размером 0,25…2 мм;

песок средней крупности — если преобладают частицы размером 0,1…1 мм;

мелкие пески — если преобладающие размеры частиц меньше 1 …0,1 мм;

пылеватые пески — если в основной массе частицы крупностью 0,05…0,005 мм.

Чем крупнее фракции песка, тем большую нагрузку он может воспринимать.

Гравелистые, крупные и средней крупности пески значительно уплотняются под нагрузкой, незначительно промерзают. Песок мелкий и пылеватый имеет невысокую прочность, хорошо задерживает влагу, основание из такого песка может испытывать просадку, продолжающуюся многие годы.

Глинистые грунты состоят из очень мелких частиц — меньше 0,005 мм, имеющих обычно чешуйчатую форму. В отличие от песчаных грунтов, глины имеют большую поверхность частиц, вбирающих влагу.

Глинистые грунты способны сжиматься, размываться, а замерзая — вспучиваться, увеличиваясь в объеме. Степень пучения сильно зависит от влажности грунта, а следовательно, от степени её пористости. Толщина слоя неуплотненной влажной глины при промерзании может увеличиваться на 10…15%.

В зависимости от количества песка глинистые грунты делятся на глину, суглинок и супесь.

Кроме состава глинистых грунтов следует оценить их пористость и влажность, оказывающих влияние на несущую способность глины. Пористый увлажненный грунт — пластичный, с низкой несущей способностью. Плотный же грунт, в объеме которого влаги мало, способен воспринимать достаточно большие нагрузки.

Пылевато-глинистые грунты способны испытывать деформации, продолжающиеся многие годы. В этом классе грунтов следует особо выделить наносные, осадочные, илистые, просадочные и набухающие.

Наносные и осадочные грунты образовались там, где в далеком прошлом были реки, озера или моря. Этот тип грунтов, кроме грунтов лёссовых (илистых), может быть использован в качестве основания.

Илистые грунты, возникшие как осадок микробиологических процессов и иных наслоений, весьма непредсказуемы, и их использование в качестве оснований под фундамент требует специального рассмотрения из-за невысокой прочности.

Просадочные грунты — под действием внешних нагрузок или собственного веса дают значительную осадку (просадку). Этим свойством обладают лёссы и лёссовидные грунты. Такие грунты содержат более 50% пылевидных частиц и незначительное количество глинистых и известковых частиц. В необводненном состоянии имеют высокую пористость (до 40%) и прочность, обусловленную сильными структурными связями. При увлажнении структурные связи ослабевают, происходит значительная просадка с уменьшением пористости и изменением структуры грунта. На лёсс вообще нельзя ставить фундамент, т.к. при попадании влаги он размокает и превращается в жижу, полностью теряя прочность.

Набухающие грунты (пористая глина) впитывают в себя влагу и разбухают, а при замерзании еще более увеличиваются в объеме. При снижении влажности их объем уменьшается. Примерами подобных грунтов могут служить такыры — фрагменты поверхности пустыни, придающие ей изрезанную трещинами структуру. Основания, сложенные такими грунтами, рассчитывают по специальной методике, а сами фундаменты выполняются с определенными конструктивными особенностями.

Торфянистые грунты и пылеватые пески

во влажном состоянии превращаются в плывун. Для создания основания под фундамент используют различные приемы. Например, грунт вынимают на глубину пористого слоя и закладывают дренирующие подушки из крупного песка, гравия высотой 0,5 ….1 м, а на них уже опирают фундамент. Иногда применяют сваи, погружая их в твердый подстилающий слой грунта. Существуют и иные методы создания основания на подобных грунтах.

Насыпные грунты возникают в результате перемещения почвы или на месте бывших построек. Слежавшиеся в течение более 3-х лет грунты, особенно пески, перемешанные со щебнем, гравием и другими включениями (кроме древесных отходов и бытового мусора) могут служить основанием под фундамент без специальной подготовки. Грунты, насыпанные менее чем 3 года назад, следует пролить водой, уплотнить, втрамбовывая в них камень или щебень. Насыпные грунты имеют большую степень неоднородности. Наличие в грунте различных органических и неорганических материалов существенно усложняет использование насыпного грунта в качестве основания.

Это следует учитывать и при подготовке основания и при выборе той или иной конструкции фундамента.

Вечномерзлые грунты занимают большие площади северных территорий России. Вечномерзлые грунты характеризуются наличием в порах воды, которая находится в замерзшем состоянии. Прогрев почвы вызывает его оттаивание, приводящее к разупрочнению и осадке грунта. Фундамент на них сооружают, как на лёссовых и торфяных грунтах, например, в виде набивных свай, с защитой грунта от его прогрева и оттаивания. Подобные сваи, вмороженные в грунт, способны выдерживать большие нагрузки.

Засоленные грунты включают солевые фракции. При длительной фильтрации воды в результате выщелачивания солевые фракции уходят, уменьшая объем грунта и вызывая его просадку. Кроме того, возникшая химически агрессивная среда может оказать вредное влияние на подземные конструкции, сооружения, вызвать химическое разрушение бетонных конструкций.

Глубина промерзания грунта.

Расчетная глубина промерзания принимается для наиболее холодного зимнего периода года в регионе, при максимальной влажности грунта и отсутствии снегового покрова.

Пучинистые явления – это не только большие деформации грунта, но и огромные усилия – в десятки тонн, способные привести к большим разрушениям.

Морозное пучение грунта — это явление связано с тем, что в процессе замерзания влажного грунта он увеличивается в объеме: сильнопучинистые грунты – почти на 10%; слабопучинистые – меньше, чем на 5%. Происходит это из-за того, что вода увеличивается в объеме при замерзании до 10%. Поэтому, чем больше воды в грунте, тем он более пучинистый. Степень пучинистости грунта определяется составом грунта, его пористостью, а также уровнем грунтовых вод. Так, глинистые грунты, мелкие и пылеватые пески относятся к пучинистым грунтам, а крупнозернистые песчаные и гравийные грунты – к непучинистым.

Фундамент.

Фундамент является основой здания и воспринимает на себя все нагрузки от конструктивных элементов строения с последующей передачей их на грунт.

При расчете фундамента учитываются временные и постоянные нагрузки.

  • Постоянные нагрузки — вес строительных конструкций (фундамент, стены, перекрытия и кровля), эксплуатационные нагрузки (вес мебели, оборудования и проживающих людей и т. д.).
  • Временные — снеговая нагрузка (вес снежного покрова, присущего для данного региона),
  • ветровая нагрузка (характеризует среднюю скорость и давление ветра).

После изучения свойств грунта и оценки гидрогеологических условий на участке определяются с конструкцией фундамента и с глубиной его заложения.

Если говорить о конструкции, то в малоэтажном индивидуальном строительстве применяют столбчатые, столбчато-ленточные, ленточные, сплошные и свайные фундаменты.

По глубине заложения фундаменты разделяются на:

  • заглубленные – подошва фундамента располагается на глубине промерзания или ниже ;
  • мелкозаглубленные – подошва фундамента располагается выше глубины промерзания ;
  • незаглубленные — подошва фундамента располагается на поверхности грунта или выше.

Столбчатые фундаменты устраивают в тех случаях, когда применение ленточных фундаментов нецелесообразно. Столбы могут быть каменные, кирпичные, бетонные, бутобетонные, железобетонные и металлические. Глубина заложения таких столбов может быть как минимальная, так и заложенная на глубину промерзания.

Столбчато-ленточные фундаменты включают столбы, заложенные на глубину промерзания и ленту-ростверк, соединяющую в единую конструкцию. Такой фундамент прост в изготовлении и оптимален для пучинистых грунтов.

Ленточные фундаменты представляют собой монолитную или сборную ленту, заложенную на глубину, превышающую расчетную глубину промерзания грунта. Существуют монолитные ленточные фундаменты, которые изготавливают непосредственно на строительной площадке из бетона или бутобетона, и сборные фундаменты, возводимые с применением готовых железобетонных блоков. Такой фундамент делают под тяжелыми каменными домами. Под более легким домом (из дерева или ячеистых бетонных блоков) на пучинистом грунте такой фундамент может повести себя не лучшим образом: вес дома может оказаться недостаточным для его устойчивости.

Мелко заглубленный ленточный фундамент представляет собой монолитную ленту, заложенную выше расчетной глубины промерзания грунта. Подходит для легких зданий (деревянных домов, бань и зданий из легких бетонов). Основные его достоинства — сравнительно низкая себестоимость и достаточно высокая надежность. Основной принцип такого фундамента — ленточные фундаменты всех стен здания, включая капитальные перегородки, объединяются в единую систему и образуют жесткую горизонтальную раму, перераспределяющую неравномерные деформации основания. Дом и фундамент, таким образом, объединяются в единое целое и сообща сопротивляются подвижкам грунта.

Сплошной фундамент в виде монолитной железобетонной плиты или решетки позволяет существенно снизить удельные нагрузки на основание. Он часто применяется на слабых водонасыщенных или просадочных грунтах, при строительстве на насыпных грунтах.

Фундаментная плита «работает» с запасом, её расчет намного проще, чем расчет ленточного или столбчатого фундамента, однако материалоемкость и стоимость выше.

Свайный фундамент применяется на слабых грунтах, а также при поверхностных слабых грунтах. Сваи могут быть забивными, выполненными из готовых железобетонных свай, забиваемых в грунт ударными механизмами и набивными, изготавливаемыми непосредственно в грунте, с заполнением скважины бетоном. По своей работе в грунте, по тому, как передается нагрузка на основание, сваи делятся на висячие, которые передают основную часть нагрузки за счет трения по боковым поверхностям сваи, и на сваи-стойки, передающие основную нагрузку нижней своей частью, опираясь на прочные слои грунта. Эта категория фундаментов сооружается с использованием специальных механизированных средств.

Ошибки, допущенные при строительстве фундамента, приводят ко многим проблемам и, в конечном итоге, к разрушению дома.

Еще раз о фундаменте

Как выбрать землю под строительства дома? Можно ли что-то сделать, если купил неудачный участок в плане геологии?

В любом случае придется приглашать геологов и в зависимости от типа грунта будет соответствующий ценник на работы. Наиболее часто встречающиеся типы грунтов:

Скальный грунт
Самый прочный – скальный грунт. Скальные грунты представляют собой сцементированные и спаянные, залегающие в виде сплошного массива или трещиноватого слоя породы. Скальные грунты характеризуются высоким показателем прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии. Это могут быть массивы изверженных пород с кристаллической структурой, характеризующейся значительной плотностью и малой влагоемкостью, или слоистые структуры, представляющие собой осадочные породы, сложенные из песчаников, известняков, доломитов и глинистых сланцев. Он не деформируется, не размывается, не промерзает, но и для проведения строительных работ очень тяжел. Поэтому траншеи в таком грунте можно и не делать, а заложить фундамент прямо на поверхности предварительно выровненной площадки.

Гравий
Следующие по прочности – гравий и хрящ. Гравий – природный или искусственный материал, представляющий собой окатанные зерна размером 5–70 мм с гладкой поверхностью. Они так же, как и скальный грунт, не деформируются и не размываются, незначительно промерзают. В этих грунтах глубина закладки фундамента должна быть не менее 0,5 метра. Расчетное сопротивление таких грунтов составляет 6,0 кг/см2 (для плотных грунтов) и 5,0 кг/см2 (для грунтов средней плотности).

Глина
Еще менее прочным грунтом является глина. Глинистые грунты состоят из очень мелких (размером менее 0,005 мм) частиц, имеющих в основном чешуйчатую форму. Глинистые грунты делятся на глины (с содержанием глинистых частиц более 30%), суглинки (10–30%) и супеси (3–10%). Глина деформируется (сжимается), а при промерзании значительно расширяется, сдавливая фундамент, при этом давление грунта может достигать 10 т/м2. Глины имеют большое количество тонких капилляров и большую удельную поверхность касания между частицами. Через капилляры вода заполняет все поры глины, образуя тонкие водно-коллоидные пленки, которые обволакивают частицы остова грунта. Созданное взаимное притяжение обеспечивает вязкость глинистого грунта.
Поскольку поры глины в большинстве случаев заполнены водой, то при промерзании ее объем увеличивается, и начинается процесс пучения. Глинистые грунты подвержены большему сжатию, чем песчаные, но под действием нагрузок скорость уплотнения у глин значительно меньше, чем у песков. Вследствие этого осадка зданий, основанием которых является глина, продолжается длительное время.
Несущая способность глинистого основания в основном зависит от его влажности. Так, несущая способность глины в пластичном и разжиженном состоянии очень мала, сухая же глина способна выдерживать значительную нагрузку. В местах с высокой влажностью грунта глубина закладки фундамента должна соответствовать расчетной глубине промерзания. Это правило распространяется и на другие влажные грунты. Расчетное сопротивление таких грунтов составляет 3,0 кг/см2 (для плотных грунтов) и 1,0 кг/см2 (для грунтов средней плотности).

Песчаные грунты
Состоят из частиц размером 0,1–2 мм. В зависимости от соотношения в их составе частиц различного размера пески разделяют на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. Песчаные грунты очень легки в работе. Чем крупнее и чище песок, тем большую нагрузку он может воспринять. Вследствие значительной водопроницаемости увлажнение гравелистых, крупных и средней крупности песков практически не сказывается на их механических свойствах, а мелкие и пылеватые пески, насыщенные водой, приобретают подвижность (плывуны). Это ведет к существенному снижению несущей способности основания. Крупные и чистые пески при промерзании не вспучиваются, дают быструю окончательную осадку под нагрузкой и служат хорошим основанием. Глубина закладки фундамента на таких грунтах определяется расчетной глубиной промерзания.

ГЕО ПРОЕКТ | Типы грунтов для коттеджа

Типы грунтов для строительства коттеджа

Возведение фундамента самый ответственный и важный этап строительства любого дома. Как выполнить строительство фундамента правильно с учетом местных условий Москвы и Московской области?

Первое, что надо учитывать — это величину и характер осадки будущего фундамента на грунте, на который он будет опираться. При строительстве дома и в первые годы его эксплуатации грунты под действием нагрузки сжимаются. Фундамент, следуя за основанием, опускается относительно своего первоначального положения. Величина опускания фундаментов называется осадкой.

Большие, а главное, неравномерные осадки являются основной причиной деформаций, трещин и других разрушений.

Несущая способность основания определяется величиной нагрузки, при которой получается установленная нормативами осадка.

Теория грунтов

По определению фундаменты предназначены для передачи нагрузки от расположенных выше частей здания на грунт основания.

Основанием, в свою очередь, называют массив грунта, расположенный под фундаментами и воспринимающий нагрузку от всего здания.

Грунты подразделяются на:
  • скальные,
  • крупнообломочные,
  • песчаные,
  • глинистые,
  • органогенные.

Скальные грунты широко распространены в Уральском регионе и представляют собой залежи естественных горных пород: гранитов, песчаников, кварцитов и т. д. Скальные массивы значительной мощности при отсутствии трещин и пустот являются наиболее прочным естественным основанием. Но Но они, обычно, залегают на существенной глубине под слоями нескольких пород и редко служат основанием для фундаментов малоэтажных жилых зданий.

Крупнообломочные грунты – это продукты распада скальных пород. Они малосжимаемые, дают небольшие и, как правило, равномерные осадки и не пучинистые. По своим природным крупнообломочные грунты свойствам они являются хорошим основанием, и также широко распространены в Свердловской области. Тем не менее, довольно часто поверх твердых горных пород у нас располагаются песчаные и глинистые грунты.

Песчаные грунты состоят из жестких частиц, имеющих форму зерен. По размеру частиц (крупности) различают:

— гравелистые пески,
— крупные пески,
— средние пески,
— мелкие пески,
— пылеватые пески.

Величина осадки фундамента, а, следовательно, и допускаемое давление на песок зависит от крупности, плотности, содержания глинистых частиц и насыщенности пор водой. Чем крупнее песок, тем лучше. Плотные равномерно залегающие пески крупные или средней крупности, не подверженные размыванию водой, являются хорошим, практически не подверженным пучению основанием.

Опасны с точки зрения неравномерной осадки водонасыщенные пылевато-песчаные грунты с примесью мелких глинистых частиц, называемые плывунами. Из-за большой подвижности и очень низкой несущей способности они не могут служить основанием.

Глинистые грунты состоят из мелких чешуйчатых связанных между собой частиц. Промежуточными видами этих грунтов между песками и глинами являются супеси (содержат от 3 до 10% глинистых частиц) и суглинки (от 10 до 30%). Свойства глинистых грунтов во многом зависят от происхождения, состава и влажности. Большое количество воды приводит к их текучести, то есть практически к разжиженному состоянию.

Органогенные грунты это:

— культурный растительный слой,
— органический ил,
— торфяные и болотные грунты.

Как правило, органогенные грунты при строительстве прорезаются, а основание располагают на подстилающих слоях. Химический состав грунтовых вод в органогенных грунтах должен быть тщательно обследован, так как в них часто бывают растворены соли, разрушающие материалы фундамента. При капитальном строительстве они считаются непригодными для непосредственного возведения на них фундаментов.

На свойства грунтов оказывают влияние сезонные изменения температур. Промерзание грунта может вызвать силы пучения, достигающие значительной величины. Природа этого явления заключается в том, что вода, содержащаяся в порах грунта, при замерзании расширяется и выпучивает грунт кверху, а при оттаивании вызывает его просадку. Предельная глубина, на которой появляется пучение, называется глубиной промерзания. Правда, не все глинистые грунты испытывают пучение. Пучинистыми считаются пылевато-глинистые грунты, а также мелкие и пылеватые пески. Не проявляют пучения глины и суглинки в твердом и полутвердом состоянии, а супеси в твердом, то есть глинистые грунты низкой влажности.

Определить строительные свойства грунтов можно только путем инженерно-геологических изысканий, которые выполняет наша компания. Для этого на месте предполагаемого строительства бурятся скважины, из которых отбираются пробы грунта. Количество и глубина скважин зависит от геологических условий участка, конфигурации и размеров будущего здания. Однако при геологии участка под жилые дома (коттеджного строительства) обычно достаточно 2-4 скважин глубиной 8-10 метров. Лабораторный анализ отобранных проб позволяет определить физико-механические и химические свойства залегающих в основании грунтов, а порядок их напластования устанавливается при составлении геологических разрезов. Заключение по результатам изысканий является важнейшим документом при проектировании фундаментов.

Более того, заказать инженерно-геологические исследования лучше еще до покупки участка, особенно если есть признаки, что на нем залегают слабонесущие грунты (заболоченность прилегающей местности, понижение рельефа и т.д.). Подчас разумнее поискать вариант в другом более благоприятном в геологическом отношении месте.

пески, глины и фундамент дома

 

Движения грунта и пучинистость

Пучинистость грунта, вызывания способностью грунта удерживать воду в своей структуре,  является серьезным врагом ленточных фундаментов. Особенно критична неравномерная пучинистость подлежащих грунтов, приводящая к неравномерным нагрузкам на фундамент.  Чаще всего неравномерная пучинистость может быть вызвана наличием разнородных подлежащих грунтов под малозаглубленным ленточным фундаментом. Также неравномерная пучинистость может быть вызвана неравномерным прогревом почвы от солнца, разницей в утеплении грунта (в том числе при неравномерном укрытии грунта рядом с домом снегом), наличием отапливаемых и неотапливаемых помещений на одном фундаменте. Кроме глинистых грунтов, к пучинистым грунтам относятся пылеватые и мелкие пески, а также крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, имеющие к началу сезона промерзания влажность выше определенного уровня. Перечень пучинистых грунтов по ГОСТ 25100-95 приведен в таблице: 

Таблица №2. Пучинистость грунтов.


Степень пучинистости грунта   (ГОСТ 25100-95) / % расширения

Пример грунта   (требует исследований для принятия решения о классификации)

Практически непучинистые грунты < 1%

Твердые глинистые грунты, мало водонасыщенные гравелистые, крупные и средние пески, мелкие и пылеватые пески, а также пески мелкие и пылеватые, содержащие менее 15 % по массе частиц мельче 0,05 мм. Крупнообломочные грунты с заполнителем до 10 %

Слабопучинистые грунты <1-3,5 %

Полутвердые глинистые грунты, средне водонасыщенные  пылеватые и мелкие пески, крупнообломочные грунты с заполнителем (глинистым, песком мелким и пылеватым) от 10 до 30 % по массе

Среднепучинистые грунты <  3,5-7 %

Тугопластичные глинистые грунты. Насыщенные водой  пылеватые и мелкие пески. Крупнообломочные грунты с заполнителем (глинистым, песком пылеватым и мелким) более 30 % по массе

Сильнопучинистые и чрезмернопучинистые грунты > 7%

Мягкопластичные глинистые грунты.
Насыщенные водой пылеватые и мелкие пески.

Для обзора важнейших свойств грунтов и их пригодности для строительства мы предлагаем обратиться  к сводной таблице: 

Таблица №3 Характеристики грунтов*


Грунт

Дренажные возможности грунтов

Потенциал подъема уровня грунта при замерзании. (Вертикальные и касательные составляющие сил морозного пучения)

Потенциал расширения грунта при замерзании.   (Горизонтальные  составляющие сил морозного пучения)

Валунный, галечниковый, щебенистый, гравийный, дресвяный. Песок гравелистый и крупный.

Хорошие

Незначительный

Незначительный

Илистый гравий, илистые пески

Хорошие

Средний

Незначительный

Глинистый гравий,  песчано-глинистая гравийная смесь,  глинистые пески

Средние

Средний

Незначительный

Пылеватый и мелкий песок, мелкий глинистый песок,  неорганический ил, глинистый суглинок с умеренной пластичностью

Средние

Высокий

Незначительный

Низко-  и средне пластичные глины, гравелистые глины, илистые глины, песчанистые  глины, тощие глины

Средние

Средний

От незначительного к среднему

Пластичные и жирные глины

Плохие

Средний

Высокий

Неорганические илистые грунты, мелкие слюдянистые пески

Плохие

Высокий

Высокий

Органические непластичные илистые грунты, илистая тугопластичная глина

Плохие

Средние

Средние

Глина и илистая глина средней и высокой пластичности, пластичные илистые грунты, торф, сапропель.

Неудовлетворительные

Средние

Высокие

* Таблица адаптирована из раздела R406.1 Международного строительного кода для жилых домов InternationalResidentialCode — 2006

Пучинистость грунта определяется его составом, пористостью, а также уров­нем грунтовых вод (УГВ). Чем выше стоят грунтовые воды, тем больше будет расширяться грунт при замерзании. Способность удерживать и «подсасывать» воду из нижележащих слоев обеспечивается наличием в структуре грунта капилляр и подсосом ими воды. Грунт при расширении замерзающей водой (льдом) начинает увеличиваться в объеме.
Происходит это из-за того, что вода увеличивается в объеме при замерзании на 9-12%. Поэтому, чем больше воды в грунте, тем он бо­лее пучинистый. Также выше пучинстость у грунтов с плохими дренажными характеристиками. При промерзании грунта сверху (от уровня земли или планировки) еще незамерзшая вода отжимается льдом в нижележащие слои грунта.
Если дренажные свойства грунта недостаточные, то вода задерживается и быстро промерзает, вызывая дополнительное расширение грунта. На границе раздела положительных и отрицательных температур могут намораживаться линзы льда, вызывая дополнительных подъем грунта.  Чем больше плотность грунта, тем меньше в нем капилляров и пустот (пор) где может задерживаться вода и, следовательно, меньше потенциал расширения при замерзании.
Малозаглубленный ленточный фундамент по определению закладывается на глубины сезоннопромерзающего слоя грунта. При замерзании грунта и начале его движения на фундамент начинает действовать сила, вектор которой приложен перпендикулярно к подошве фундамента (при условии, что подошва лежит в горизонте).
Под действием этой силы, приложение которой зачастую бывает  неравномерным по длине фундамента, фундамент и само здание может подвергаться также неравномерным перемещениям.   Кроме давления вверх, пучинистый грунт при замерзании может оказывать давление и по горизонтали, и по касательной к вертикальной плоскости ленты фундамента.

Таблица №4. Значения касательной силы морозного пучения.


Грунты и степень водонасыщения

Значение расчетной удельной касательной силы пучения кгс/см2, при глубине сезонного промерзания грунта, м

до 1,5

2,5

3 и более

 

гладкий бетон

негладкий бетон

гладкий бетон

негладкий бетон

гладкий бетон

негладкий бетон

 Мягкопластичные, текучепластичиые и текучие  супеси, суглинки, глины; крупнообломочные с пылевато-глинистым заполнителем, насыщенные водой мелкие и пылеватые пески.

1,1

1,65

0,9

1,35

0,7

1,05

Тугопластичные супеси, суглинки и глины; крупнообломочные с пылевато-глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые значительного водонасыщения.

0,9

1,35

0,7

1,05

0,5

0,75

Полутвердые и твердые супеси, суглинки и глины; крупнообломочные с пылевато-глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые средней степени водонасыщения

0,7

1,05

0,5

0,75

0,4

0,6

Основания под фундаменты зданий и сооружений

Навигация:
Главная → Все категории → Фундаменты

Основания под фундаменты зданий и сооружений Основания под фундаменты зданий и сооружений

Естественными основаниями служат грунты, способные в своем природном состоянии выдерживать нагрузку от возводимого здания или сооружения. К ним относятся скальные, обломочные, песчаные, глинистые, суглинистые, супесчаные и лёссовые грунты.

Скальные грунты — это каменные породы, залегающие обычно в виде сплошного массива. К ним относятся: известняк, песчаник, гранит. Скальные грунты являются наиболее надежными основаниями, так как в большей степени отвечают всем предъявляемым к ним требованиям. Эти грунты имеют наибольшую прочность, являются практически несжимаемыми, обладают достаточной водоустойчивостью. Скальные грунты являются связными грунтами.

Обломочные грунты (щебень, гравий) в основном состоят из обломков различных скальных пород крупностью более 2 мм. (свыше 50% по массе). Обломочные грунты также обладают высокими строительными свойствами с точки зрения использования их в качестве естественного основания, хотя и уступают скальным. Эти грунты являются несвязными, поэтому при использовании их в основаниям они не должны подвергаться размыванию.

Песчаные грунты состоят из частиц крупностью от 0,щ до 2 мм округленной формы. В зависимости от крупности частиц разе личают пески гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие щ пылеватые. Пылеватыми называются пески, содержащие в своем соИ ставе от 15 до 50% пылеватых частиц размером от 0,05 до 0,005 ммЯ Частицы песка не впитывают воду, а пески гравелистые, крупные средней крупности имеют значительную водопроницаемость. Поэтому оНи, как и обломочные грунты, не обладают свойством пучения при замерзании и просадок при оттаивании. Песчаный грунт может служить хорошим естественным основанием при возведении различных зданий и сооружений. Однако этот грунт является несвязным (сыпучим), поэтому в основаниях зданий и сооружений он не должен подвергаться размыванию.

Глинистые грунты состоят из очень мелких частиц плоской (чешуйчатой) формы размером меньше 0,005 мм. В отличие от песчаных глинистые грунты обладают свой- л ством впитывать и удерживать воду. Поэтому при промерзании влажная глина пучится, а при оттаивании дает просадку. Глинистые грунты являются связными. Сухая глина может выдерживать большие нагрузки и служить основанием различных зданий и сооружений. При возведении зданий и сооружений на глинистых грунтах под подошвой фундаментов, как правило, устраивается песчаная подсыпка, которая способствует пропусканию воды с глинистого основания.

Суглинистые грунты (суглинки) представляют собой смесь песка глины и пылеватых частиц с содержанием глины от 10 до 30%.

Супесчаные грунты (супеси) — это смесь песка, глины и пылеватых частиц, содержащая в своем составе глины от 3 до 10%. Супеси, разжиженные водой, называются плывунами. Вследствие своей подвижности и незначительной несущей способности плывуны для использования в качестве основания являются мало пригодными.

Рис. 1. Виды искусственных оснований: а—устройство гравийных или песчаных подушек; б — физико-химическое закрепление грунта; в — термохимическое закрепление просадочных грунтов: 1 — слой песка, гравия, щебня; 2 — перфорированные трубы для нагнетания закрепляющих растворов; 3— массив закрепленного грунта; 4 — грунт с просадочными свойствами; 5 — грунтовый столб, упрочненный обжигом; 6 — скважина для сжигания высококалорийных смесей

По своим свойствам суглинки и супеси занимают промежуточное положение между глиной и песком.

Лёсс по своим свойствам относится к группе пылеватых суглинков. В сухом состоянии лёсс может служить основанием, но при замачивании водой он размокает, сильно уплотняется, образуя просадки. Поэтому лёссовые грунты называют просадочными. При использовании лёсса в качестве основания необходимо принимать меры, устраняющие возможность его замачивания.

Несущая способность грунтов характеризуется величиной нормативного давления на грунт, выраженная в кН/см2. Величина нормативного давления различных грунтов (в кГ/см2) указана в строительных нормах и правилах (СНиП Н-Б. 1—62).

Искусственные основания устраивают путем укрепления слабых грунтов различными способами (рис. 1). К слабым грунтам относятся грунты с органическими примесями и насыпные грунты.

Грунты с органическими примесями включают: растительный грунт, ил, торф, болотный грунт. Насыпные грунты образуются искусственно при засыпке оврагов, прудов, мест свалки. Перечисленные грунты неоднородны по своему составу, рыхлые, обладают значительной и неравномерной сжимаемостью. Поэтому в качестве оснований их используют только после укрепления уплотнением, цементацией, силикатизацией, битумизацией или термическим способом.

Уплотнение грунтов производят трамбовочными плитами, пневматическими трамбовками, катками, вибраторами (поверхностное уплотнение), а также путем устройства так называемых грунтовых свай (глубинное уплотнение). Этот способ применяют при недостаточно плотных грунтах, в том числе насыпных.

Цементация грунтов состоит в нагнетании в них с помощью специальных труб жидкого цементного раствора или цементного молока, которые после затвердевания придают им камневидное состояние. Цементацию применяют для укрепления слабых песчаных грунтов, кроме мелкозернистых и пылеватых.

Силикатизация грунтов заключается в нагнетании в них силикатных растворов, в результате химической реакции которых происходит окаменение грунта. В качестве силикатных растворов обычно используют жидкое стекло и хлористый кальций. Способ силикатизации применяют для закрепления слабых песчаных грунтов, плывунов, лёсса.

Битумизация состоит в нагнетании в грунт разогретого битума.

Этот способ применяют для закрепления крупнозернистых песчаных грунтов, обломочных и трещиноватых скальных.

Термический способ заключается в том, что производят разными способами нагрев грунта до спекания, в результате чего слабый грунт превращается в камневидный. Этот способ используют для укрепления лёссовых проезд очных грунтов.

Искусственные основания удорожают стоимость строительства зданий и сооружений, поэтому их устраивают в необходимых случаях с обязательным технико-экономическим обоснованием.


Похожие статьи:
Фундаменты глубокого заложения

Навигация:
Главная → Все категории → Фундаменты

Статьи по теме:

Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум

Рыхлые пески

Вернуться на страницу «Основания фундаментов»

Рыхлые пески в основании зданий и сооружений

Естественная структура рыхлых песков малой степени водонасыщения (0<Sr<=0,5) легко нарушается при динамических воздействиях (сотрясениях, взрывах, вибрациях и т.д.). Ускорение, которым измеряется уровень динамического воздействия и при котором рыхлый песок начинает уплотняться, называют критическим. При уровне динамического воздействия больше критического, происходит резкое уплотнение песка, это вызывает провальную вертикальную деформацию, т.е. проседание основания.

Чем больше плотность строения песка, тем при большем значении критического ускорения начинается его уплотнение.

Очень неустойчивыми системами, которые даже при незначительных динамических воздействиях могут разряжаться, есть рыхлые пески средней степени водонасыщения, насыщенные водой. Особенно сильно подвержены разрежению мелкие и пылеватые пески, в которых преобладают тонкозернистые (0,1 … 0,05 мм) и мелкозернистые (0,25 … 0,1 мм) фракции. Кроме того, для этих песков характерно повышенное, а также высокое содержание пылевидных фракций (0,05 … 0,005 мм) и обязательное наличие некоторого количества глинистых частиц (<0,005 мм) и глинистых частиц коллоидной фракции.

Разряжение рыхлых песков происходит вследствие перезаключения их зерен, взвешенных в воде. Разрежение может быть поверхностным и внутренним.Поверхностное охватывает сравнительно небольшие объемы и возникает при перемещении людей и механизмов по поверхности песков, при разработке котлованов, траншей и каналов, откачке воды из них и тому подобное. Внутреннее разряжение приводит к взвешиванию больших толщ грунта и начинается с глубины массива. Его механизм можно объяснить следующим образом. Под влиянием динамического воздействия теряются контакты между частицами определенного глубинного слоя или прослойки грунта. Если от динамического воздействия, давление внешней нагрузки и собственного веса вышерасположенного грунта передается в большей степени на скелет грунта и меньшей на воду в порах, то после нарушения структуры, в результате этого, давление внезапно передается только на воду в порах, образуя в ней напор и вызывая ее фильтрацию с гидравлическими градиентами, превышающими критические значения.

Почти мгновенно образуется восходящий фильтрационный поток, в котором теряют прочность все выше расположенные грунты, превращаясь в разреженную плывунную массу. Эта разреженная грунтовая масса может лавинообразно вытеснятся из под фундамента, вызывая проседание основания.

Если вытеснения песчаной массы грунта не произошло, то дальше идет процесс уменьшения давления воды в результате ее стока и возникновения новых, более устойчивых контактов между твердыми частицами. При динамическом воздействии, что превышает начальный, может произойти новое разрежение песка с последующим, еще более плотным уплотнением. Так песок можно постепенно довести до такого состояния плотности строения, когда динамические воздействия уже не вызывают его разрежения. Это свидетельствует о том, что до начала строительства, насыщенные водой пески в основании, которые могут подвергаться воздействию фильтрационного потока, необходимо уплотнять до состояния средней плотности, а при возможности сильных динамических воздействий — до плотного состояния.

границ | SWCC известкового илистого песка с различным содержанием мелочи и сухой плотностью

Highlights

Были измерены характеристические кривые «почва-вода» известковых илистых песков в различных условиях.

Проанализирована применимость классических моделей к известковистому илистому песку.

Предложена модель, пригодная для моделирования SWCC известкового илистого песка.

Введение

Когда коралловые полипы умирают, их органические остатки постепенно кальцифицируются, в конечном итоге формируя коралловые рифы, которые могут частично выступать над уровнем моря.Известковый песок — это уникальный геоматериал, образованный органическими остатками герматипных кораллов и других морских организмов, таких как водоросли и ракушки, в результате физических, химических и биологических процессов (Chen and Hu, 2020; Shen JH et al., 2020, Shen et al., 2020 J; Wang et al., 2021; He and Ye, 2021). Как правило, содержание карбоната кальция в известковом песке превышает 50%, а известковый песок широко распространен вдоль континентальных шельфов и береговых линий в пределах 30–30 ° широты (Anggraini et al., 2017; Нурул и др., 2019). Известняковый песок обнаружен на коралловых рифах в Южно-Китайском море (Shen et al., 2017; Ye et al., 2019; Yu et al., 2020). Недавно была проведена широкомасштабная рекультивация островных рифов с использованием известковых песков в качестве заполняющего материала (Wang et al., 2019a; 2019b). Геологические бедствия, такие как оползни, камнепады, ливни и землетрясения, часто происходят на островах и вокруг них в Южно-Китайском море. Эти геологические опасности тесно связаны с энергией и количеством воды в известковом песке (или водоудерживающей способностью известкового песка).Характеристическая кривая почва-вода (SWCC) иллюстрирует взаимосвязь между энергией (т. Е. Всасыванием материала) и количеством (т. Е. Содержанием воды) воды в геоматериалах. Следовательно, исследование SWCC известкового песка имеет жизненно важное значение для понимания и предотвращения геологических катастроф, а также для поддержания устойчивости фундамента островных рифов с гидравлическим наполнением.

К настоящему времени проведены многочисленные исследования SWCC геоматериалов. С точки зрения теоретических исследований, были предложены эмпирические формулы для моделирования SWCC геоматериалов на основе различных гипотез Гарднером (1957), Бруксом и Кори (1964), Ван Генученом (1980), Уильямсом и др.(1983), Фредлунд и Син (1994), Хьюстон и др. (1994), Kawai et al. (2000), Pham (2005), Stange and Hom (2005), Zhou et al. (2012) и Zhou et al. (2014). Эти формулы широко применялись в инженерных проектах; однако ни один из них не может быть использован для прогнозирования SWCC различных геотехнических материалов при любых возможных условиях. Следовательно, чтобы установить эмпирическую формулу, подходящую для моделирования SWCC известкового песка, необходимо провести тесты SWCC на известковом песке и теоретически проанализировать данные испытаний.Кроме того, предшественники давно осознали важность изучения SWCC геоматериалов с помощью экспериментов. Например, Ng и Pang (2000) использовали обычный объемный экстрактор с нажимной пластиной для исследования влияния начальной плотности сухого вещества и содержания воды, истории высыхания и увлажнения, структуры почвы и напряженного состояния на свойства SWCC вулканического пепла и обнаружили, что при При одинаковой начальной плотности в сухом состоянии и содержании воды скорости десорбции и адсорбции природных образцов были меньше, чем у повторно сжатых образцов.Vanapalli et al. (2001) провели испытания характеристик почвенно-водной среды на ненасыщенной почве и пришли к выводу, что исходное содержание воды оказывает значительное влияние на структуру ненасыщенной почвы, а затем влияет на характеристики почвенно-водной среды. Галлаж и Учимура (2010) измерили SWCC песчаного грунта с разной плотностью в сухом состоянии и распределением частиц по размерам, а также указали, что образцы с более высокой плотностью обычно имеют более высокие значения входа воздуха и что SWCC образцов с более равномерным распределением частиц по размерам имеют тенденцию иметь меньший гистерезис.Сонг (2014) проверил всасывающее напряжение в кварцевом песке с различной относительной плотностью, используя автоматическое устройство SWCC, и определил, что величина поступления воздуха в кварцевый песок уменьшается с увеличением относительной плотности, что аналогично выводам Галладжа и Учимура (2010). Чжоу и др. (2016) использовали различные методы компьютерных вычислений для определения объемного содержания воды в геоматериалах и оценили точность различных эмпирических моделей при моделировании SWCC геоматериалов.Jiang et al. (2020) провели испытания характеристик воды и грунта на десяти группах образцов ненасыщенной почвы с различным содержанием мелких частиц с использованием устройства с мембраной под давлением и обнаружили, что водоудерживающая способность почвы постепенно снижается по мере увеличения содержания мелких частиц, когда содержание мелких частиц находится между 10 и 60%; в противном случае водоудерживающая способность почвы увеличивалась.

Были проведены многочисленные исследования SWCC геоматериалов с использованием различных методов тестирования; однако большинство исследований сосредоточено на терригенных отложениях, таких как кварцевый песок, ил и глина.Исследования SWCC известкового песка редки. Из-за особого морского биогенеза, физико-механические свойства известкового песка значительно отличаются от свойств терригенных отложений, включая высокий коэффициент пустотности (Shen JH et al., 2020; Wang et al., 2020a), неправильную форму частиц (Wei et al., 2019; Wang et al., 2020b), восприимчивость к разрушению частиц (Xiao et al., 2017; Wu et al., 2020) и цементированию (Xiao et al., 2019; Li et al., 2021 ). Таким образом, характеристики воды и почвы известкового песка можно отличить от характеристик терригенных отложений, и все еще необходимо их углубленное изучение.

Во время гидравлической рекультивации крупнозернистая известняковая почва имеет тенденцию накапливаться в непосредственной близости от устья гидравлической рекультивации из-за гидравлического просеивания и веса частиц, в то время как мелкозернистая известняковая почва уносится вниз по течению и откладывается проточной водой. Между этапами гидравлической рекультивации крупнозернистая известняковая почва, накопившаяся вблизи устья гидравлической рекультивации, выталкивается вниз по течению, и следующий этап гидравлической рекультивации проводится после выравнивания участка (Wang et al., 2020c). Следовательно, гранулометрический состав известкового песка в восстановленных слоях крайне неоднороден. Кроме того, из-за сложности морской среды осадконакопления плотность известкового песка в поверхностных слоях также значительно варьируется от одного места к другому. В связи с этим была проведена серия испытаний характеристик воды и почвы для изучения влияния содержания мелких частиц и плотности в сухом состоянии на характеристики известкового илистого песка почва-вода. Подбирая SWCC известкового илистого песка с использованием модели Фредлунда-Синга (Fredlund, Xing, 1994), модели Ван Генутчена (Van Genutchen, 1980) и модели Чжун Фанцзе (Zhong, 2007), эти модели могут оценивать проанализированы водно-почвенные характеристики известкового илистого песка.Предложена аналитическая модель, пригодная для моделирования SWCC известкового илистого песка. Результаты этого исследования предоставляют некоторую справочную информацию для оценки водоудерживающей способности известкового илистого песка на островных рифах с гидравлическим наполнением.

Обзор испытаний

Материалы для испытаний

Известковый песок, использованный в этом исследовании, был собран на рекультивированном острове-рифе в Южно-Китайском море (рис. 1). Известковые крупные и мелкие частицы смешиваются вместе в месте отбора проб, и гранулометрический состав крайне неоднороден (рис. 1C).

РИСУНОК 1 . Местоположение изучаемого района (A) : местоположение островов Наньша; (Б) — участок гидроемелирования; (C) : место отбора проб).

Учитывая слабую водоудерживающую способность крупнозернистого известкового песка (Hu et al., 2019), в данном исследовании для наблюдения явления десорбции воды использовался только известковый песок с размером частиц менее 0,25 мм. Известковые частицы почвы в образце классифицируются как крупные или мелкие частицы.В данной работе скелетом образца служили частицы размером 0,075–0,25 мм, которые называются крупными частицами; частицы размером менее 0,075 называются мелкими частицами. Для изучения влияния содержания мелочи на водно-почвенные характеристики известкового песка были подготовлены образцы известкового песка с содержанием мелочи ( C F ) 0, 10, 20, 30, 40 и 50%. регулировка массового процента мелочи. Согласно китайскому национальному стандарту для метода испытаний почвы (SL237, 2019), образцы, в которых масса крупных частиц превышает 0.Размер 075 мм составляет не менее 50% от общего объема пробы, определяемой как илистый песок. Таким образом, все образцы, использованные в данном исследовании, с содержанием мелких частиц 0, 10, 20, 30, 40 и 50%, были известковистым илистым песком. Для удобства образцы известкового илистого песка с содержанием мелких частиц 0, 10, 20, 30, 40 и 50% были названы CSS1, CSS2, CSS3, CSS4, CSS5 и CSS6 соответственно. В соответствии с Китайским национальным стандартом метода испытаний почвы (SL237, 2019), метод ареометра использовался для измерения распределения частиц по размерам менее 0.Размер 075 мм. Гранулометрический состав образцов показан на Рисунке 2, а физические параметры известкового илистого песка с различным содержанием мелких фракций перечислены в Таблице 1.

РИСУНОК 2 . Кривые гранулометрического состава известковистого илистого песка.

ТАБЛИЦА 1 . Физические параметры известковистого илистого песка.

Согласно рисунку 2 и таблице 1 установлено, что 1) Только коэффициент неоднородности ( C u ) и коэффициент кривизны ( C c ) CSS5 могут одновременно удовлетворять С u > 5.0 и 1,0 < C c <3,0; поэтому распределение частиц CSS5 по размеру хорошее, тогда как распределение частиц других образцов по размеру плохое. 2) Удельный вес образцов известковистого илистого песка равен 2,73. Образцы были отобраны из одной и той же морской среды с идентичным минеральным составом и пропорциями; следовательно, они имеют одинаковый удельный вес.

Испытательное оборудование и принцип измерения

A 1500F1 Аппарат с прижимной пластиной с диафрагмой 15 бар производства Soilmoisture Equipment Corp., был использован в этом исследовании для измерения изменения объемного содержания воды в образце с матрицей всасывания в диапазоне от 0 до 1500 кПа (Tao et al., 2018). Устройство с прижимной пластиной в основном состоит из шести частей: баллона с азотом, редукционного клапана, регулирующего клапана, напорной камеры, пористой керамической пластины и емкости для воды (рис. 3). Баллон с азотом используется для непрерывного создания напряжения сжатия воздуха в камере давления, а редукционный клапан и регулирующий клапан используются для регулирования напряжения сжатия воздуха до расчетного значения.Размер напорной камеры составляет 10 см по внутренней глубине и 30 см в диаметре. Внутри напорной камеры находится пористая керамическая пластина, на которую помещается образец во время испытания. На керамических пластинах плотно распределены мелкие поры. После того, как керамическая пластина погружена в воду и пропитана, на поверхности мелких пор появляется слой усадочной пленки из-за поверхностного натяжения, позволяющий проходить воде, но предотвращая попадание воздуха в мелкие поры. Между внутренней и внешней стороной термоусадочной пленки возникает разница напряжений, и вода в образце проникает в поры керамической пластины и собирается в емкость для воды.Когда масса воды, слитой из образца, изменяется со скоростью менее 0,1 г / 24 ч (Pham, 2005), всасывание матрицы в образце и напряжение сжатия воздуха в напорной камере достигают состояния равновесия, и матрица отсос в образце равен напряжению сжатия воздуха. Это означает, что в условиях равновесия изменение степени всасывания образца во время десорбции воды можно оценить посредством мониторинга в реальном времени напряжения сжатия воздуха в напорной камере.В этом исследовании известковые илистые пески с разным содержанием мелких фракций потребовалось 4–5 дней для достижения равновесного состояния при различных напряжениях сжатия воздуха. Во время испытания вода, слитая из образца, полностью собирается контейнером для воды, и предполагается, что объем образца остается постоянным во время испытания. Контролируя количество воды в контейнере при каждом уровне напряжения сжатия воздуха в режиме реального времени, в этом исследовании была получена взаимосвязь между объемным содержанием воды и всасыванием материала, т.е.е., SWCC.

РИСУНОК 3 . Принципиальная схема аппарата с прижимной пластиной.

Программа испытаний

Испытания на десорбцию воды проводились на образцах с различным содержанием мелких частиц. В общем, прочность соединения известковых илистых песков низкая, и при низкой плотности в сухом состоянии образцам трудно принимать форму при насыщении. В этом исследовании образцы с различным содержанием мелочи были испытаны при плотности в сухом состоянии 1,52 г / см 3 (как показано в таблице 2).Чтобы прояснить влияние сухой плотности на SWCC известкового илистого песка, известковые илистые пески с сухой плотностью 1,44 г / см 3 , 1,57 г / см 3 и 1,63 г / см 3 были испытаны с помощью содержание мелочи составляло 20%, и образцы были названы CSS7, CSS8 и CSS9 соответственно (как показано в таблице 2).

ТАБЛИЦА 2 . Экспериментальная схема испытаний десорбции воды.

Известковый песок, собранный с места отбора проб, сначала сушили при 105 ° C, а затем охлаждали до комнатной температуры (т.е.е., 25 ° С). Просеивание проводили для получения мелких частиц ( d 0,075 мм) и крупных частиц ( d = 0,075–0,25 мм). Масса образца определялась на основе плотности в сухом состоянии и размера образца (т.е. диаметр 61,8 мм, высота 20 мм). В сочетании с массой образца и содержанием мелких частиц ( C F ) масса крупных частиц ( d = 0,075–0,25 мм) и мелких частиц ( d < 0,075 мм) в образце составляла определяется соответственно.Грубые и мелкие частицы в образце были равномерно смешаны, и образцу придавали форму режущего кольца путем сжатия. Были приготовлены образцы с различным содержанием мелких частиц ( C, F ) и плотностью в сухом состоянии ( ρ d ), и отдельные образцы имели диаметр 61,8 мм на высоту 20 мм. Образцы фиксировали на сатураторе и пропитывали иммерсионным насыщением и вакуумным насыщением (т.е. степень насыщения ≥95%). Каждый насыщенный образец взвешивали.Массовое содержание воды ( ω ) и объемное содержание воды ( θ ) в насыщенном образце можно рассчитать с помощью уравнений 1, 2:

, где м ω — масса воды в насыщенном образец; m d и m s — масса сухого и насыщенного образца соответственно; ρ d и ρ ω — сухая плотность образца и плотность воды при 4 ° C.

Пористую керамическую пластину погружали в дистиллированную воду и оставляли в вакууме не менее чем на 3 часа. Затем пластину горизонтально помещали в напорную камеру после того, как вода на поверхности была высушена, и была подключена дренажная линия. Затем насыщенный образец помещался на пористую керамическую пластину, и камера давления герметизировалась после того, как образец был помещен в тесный контакт с пористой керамической пластиной.

Во время испытаний напряжение сжатия воздуха в напорной камере регулировалось на 0, 5, 10, 20, 35, 70, 120, 300 и 750 кПа с использованием техники осевого перемещения (Li et al., 2016). Из-за напряжения сжатия воздуха вода из насыщенного образца была слита в емкость для воды, и масса воды в емкости для воды была измерена с помощью весов с точностью до 0,001 г от трех до пяти раз в день. Когда суточное изменение массы слитой воды было менее 0,1 г, было определено, что образец достиг равновесного состояния под действием текущего напряжения сжатия воздуха. Напряжение давления воздуха постепенно прикладывалось к образцу до тех пор, пока образец не достиг равновесия при напряжении давления воздуха 750 кПа.

После испытания образец вынимали из напорной камеры и измеряли содержание воды в образце, чтобы определить массу воды в образце. Массу воды, слитой из образца при каждом уровне напряжения сжатия воздуха, вычитают из массы воды в насыщенном образце перед испытанием ( м ω ). Рассчитанное значение массы воды в образце после испытания получается и сравнивается с соответствующим измеренным значением, и снова проверяется правильность данных испытания.Масса насыщенного образца перед испытанием ( м s ) и масса воды, слитой из образца при каждом уровне напряжения сжатия воздуха, были использованы для расчета общей массы образца при каждом уровне напряжения сжатия воздуха. ( м л ). Объемное содержание воды в образце при каждом уровне напряжения сжатия воздуха ( θ l ) можно рассчитать с помощью уравнения. 3:

θl = ml − mdmd × ρdρω.(3)

Классические модели характеристической кривой почвы и воды

Многие модели SWCC были предложены на основе экспериментальных результатов и различных гипотез. Среди них модель Фредлунда-Синга, модель Ван Генучена и модель Чжун Фанцзе широко применяются в геотехнической инженерии. Модель Фредлунда-Синга (Fredlund and Xing, 1994) была разработана на основе взаимосвязи между SWCC, капиллярной моделью и функцией распределения пор, которая выражается следующим образом:

θ = θs {ln [exp + (ψa) b] } c, (4)

, где θ s — объемное содержание насыщенной воды; ψ — матричный отсос; exp — константа со значением 2.718; a , b и c — параметры подгонки, где a связаны со значением входа воздуха, и чем больше значение a , тем больше значение входа воздуха; b — параметр, связанный с крутизной SWCC на стадии перехода. По мере увеличения b поворот около точки, соответствующей значению входа воздуха на SWCC, также увеличивается. c — это параметр, связанный с всасыванием матрикса на остаточной стадии, и чем меньше значение c , тем мягче SWCC на остаточной стадии (Fredlund and Xing, 1994).

Модель SWCC, предложенная Ван Генученом (1980) на основе теории Муалема, выражается как:

θ = θr + θs − θr [1+ (a1ψ) b1] c1, (5)

где θ r — остаточное объемное содержание воды; a 1 , b 1 и c 1 являются подгоночными параметрами.

Чжун (2007) предложил модель SWCC, основанную на результатах испытаний характеристик грунта и воды на кварцевом песке, выраженных следующим образом:

, где a 2 , b 2 , c 2 и d являются подгоночными параметрами.

В этом исследовании SWCC известкового илистого песка был подогнан с использованием этих классических теорий для проверки их применимости для описания характеристик известкового песка «почва-вода».

Результаты и обсуждение

Влияние содержания мелких частиц

Как показано на рисунке 4, SWCC известковых илистых песков с различным содержанием мелких частиц демонстрируют ту же тенденцию, что и SWCC терригенного ненасыщенного мелкозернистого грунта (Rao and Singh, 2010 ; Ma et al., 2015; Han et al., 2017).В зависимости от величины поступления воздуха и остаточного объемного содержания воды SWCC можно разделить на три стадии: стадию граничного эффекта ( ψ ≈ 0–5 кПа), переходную стадию ( ψ ≈ 5–10 кПа). , и остаточная стадия ( ψ ≈ 10–750 кПа) (рис. 5).

РИСУНОК 4 . Объемное содержание воды в сравнении с матричным всасыванием для известковых илистых песков с различным содержанием мелких частиц.

РИСУНОК 5 . Принципиальная схема SWCC.

SWCC известковистых илистых песков с различным содержанием мелких фракций существенно различались на стадии граничного эффекта ( ψ ≈ 0–5 кПа).Статистическая величина δ ij была определена для характеристики уменьшения амплитуды объемного содержания воды в известковистом илистом песке во время постепенного увеличения всасывания матрикса с i до j , как выражено ниже:

δi− j = θi − θjj − iPa × 100%, (7)

где θ i и θ j — объемное содержание воды, соответствующее основным всасывающим патрубкам i и j , соответственно.Стоит отметить, что объемное содержание воды ( θ i или θ j ) и статистическая величина ( δ i-j ) безразмерны. Чтобы реализовать безразмерную формулу, матрица всасывания ( i или j ) делится на стандартное напряжение атмосферного давления. P a — стандартное напряжение атмосферного давления, то есть 101,3 кПа. Путем статистического анализа δ 0-5 образцов с различным содержанием мелких частиц (CSS1, CSS2, CSS3, CSS4, CSS5 и CSS6) на стадии граничного эффекта, δ 0-5 образцов было определено 122.13, 107,12, 96,33, 71,42, 37,05 и 19,63% соответственно. δi − j образца уменьшалось с увеличением содержания мелочи. На стадии граничного эффекта уменьшение объемного содержания воды в известковистом илистом песке с увеличением всасывания матрикса дополнительно уменьшалось с увеличением содержания мелочи. Стадия граничного эффекта соответствовала состоянию низкого всасывания матрикса, и количество и характеристики распределения больших пор, содержащих свободную воду, были основными факторами, контролирующими водоудерживающую способность образца на этой стадии.Большие поры с более высоким содержанием мелких частиц были эффективно заполнены мелкими частицами, что привело к уменьшению δi-j образца.

На переходной стадии ( ψ ≈ 5–10 кПа) объемная обводненность известковых илистых песков с различным содержанием мелочи резко снижалась с увеличением всасывания матрикса, показывая высокую чувствительность. Когда SWCC в переходном состоянии был продлен вверх до пересечения с горизонтальной линией, соответствующей начальному объемному содержанию воды, абсцисса (т.е.е., матричное всасывание) точки пересечения представляет собой величину входа воздуха в образец (рисунок 5). Таким образом были получены значения входящего воздуха для образцов: 7,42, 7,80, 7,74, 7,85, 7,87 и 7,97 кПа соответственно. Величина поступления воздуха известкового илистого песка увеличивалась с увеличением содержания мелочи, за исключением некоторых отдельных точек. Для образцов с содержанием мелких частиц не более 50% значения на входе воздуха находились в диапазоне от 7,42 до 7,97 кПа. Поскольку величина входа воздуха характеризует всасывание матрицы, взятой для перехода образца из квазинасыщенного состояния в ненасыщенное (Pasha et al., 2015), более высокое значение входа воздуха для образцов с более высоким содержанием мелочи предполагает, что водоудерживающая способность образцов улучшается за счет увеличения содержания мелких частиц, что затрудняет переход образца из квазинасыщенного состояния в ненасыщенное состояние. . Однако разница в значениях поступления воздуха в образцы ограничена, и вклад более высокого содержания мелких частиц в улучшение водоудерживающей способности ограничен.

На ранней остаточной стадии ( ψ ≈ 10–70 кПа) SWCC образцов значительно отличались друг от друга, и чем выше содержание мелких частиц, тем выше объемное содержание воды в образце.Например, при матричном всасывании 20 кПа объемное содержание воды CSS1 и CSS6 составляло 13,25 и 24,27% соответственно. На остаточной стадии образцы уже были переведены из ненасыщенного состояния в квазисухое состояние, а вода, слитая образцом, была капиллярной водой и связанной водой (Wu et al., 2020). Мелкие частицы в образцах улучшили водоудерживающую способность, особенно способность адсорбировать капиллярную воду (или слабосвязанную воду) в известковом илистом песке.Во время ранней остаточной стадии вода, слитая из образца, была преимущественно капиллярной; однако пористая структура образцов может обеспечить достаточное пространство для адсорбции связанной воды даже в отсутствие мелких частиц, так что связанная вода может прочно адсорбироваться на поверхности частиц (Wu et al., 2020). Таким образом, на поздней остаточной стадии SWCC образцов примерно перекрывались друг с другом ( ψ ≈ 70–750 кПа). Остаточное объемное содержание воды в CSS1, CSS2, CSS3, CSS4, CSS5 и CSS6 было 16.80, 17,83, 17,96, 18,19, 18,22 и 16,48% соответственно. За исключением некоторых отдельных точек, остаточное объемное содержание воды в известковистом илистом песке увеличивалось с увеличением содержания мелких частиц, указывая на то, что количество мелких пор, содержащих капиллярную воду и связанную воду внутри образцов, увеличивалось с увеличением содержания мелких частиц и водоудерживающей способности известково-алевритовый песок увеличился. Однако при содержании мелких частиц не более 50% различия в объемном остаточном содержании воды между образцами были чрезвычайно малы, и максимальное отклонение между ними составляет 1.74%, что указывает на то, что увеличение содержания мелких частиц может улучшить водоудерживающую способность известкового илистого песка лишь в ограниченной степени, что согласуется с выводами существующих исследований (Al-Badran and Schanz, 2009; Dolinar, 2015; Jiang et al. ., 2020). Кроме того, небольшая разница в размере между крупными и мелкими частицами также может быть основной причиной этого явления.

Рисунок 4 также показывает, что начальные объемные содержания воды в известковых илистых песках с различным содержанием мелких фракций мало отличаются; однако с увеличением содержания мелких частиц начальное объемное содержание воды в известковом илистом песке имеет тенденцию к снижению.Это экспериментальное явление можно объяснить микроскопической структурой известковистого илистого песка. Почва состоит из твердого вещества, жидкости и газа. Когда известковый илистый песок находится в насыщенном состоянии, внутри находятся только твердый и жидкий двухфазный материал. В это время поровая вода существует в порах известковых илистых песков в виде связанной воды, капиллярной воды и свободной воды. Среди них свободная вода составляет большую долю в порах воды и в основном существует в больших порах; доля связанной воды и капиллярной воды в пористой воде мала, и она в основном находится в небольших порах (Wu et al., 2020). С увеличением содержания мелких частиц в известково-алевритовом песке крупные поры уменьшаются, а мелкие — увеличиваются. Соответственно, содержание свободной воды уменьшается, в то время как общее содержание воды и капиллярной воды увеличивается. С увеличением содержания мелких частиц уменьшение содержания свободной воды больше, чем увеличение содержания связанной воды и капиллярной воды, в результате чего объемное содержание воды в известковистом илистом песке в насыщенном состоянии (т.е. исходное объемное содержание воды) не возрастают с увеличением содержания штрафов.

Влияние начальной плотности в сухом состоянии

На рисунке 6 показаны SWCC известкового илистого песка с содержанием мелочи 20% при различной плотности в сухом состоянии (CSS3, CSS7, CSS8 и CSS9). SWCC образцов отличаются друг от друга, прежде всего, стадией граничного эффекта ( ψ ≈ 0–5 кПа) и остаточной стадией ( ψ ≈ 10–750 кПа). Напротив, на переходной стадии ( ψ ≈ 5–10 кПа) КЗК образцов примерно перекрывались друг с другом.

РИСУНОК 6 .Объемное содержание воды в сравнении с показателем всасывания для известковых илистых песков с различной плотностью в сухом состоянии.

На стадии граничного эффекта ( ψ ≈ 0–5 кПа) значения δ 0-5 CSS7, CSS3, CSS8 и CSS9 составили 145,79%, 96,33, 48,28 и 36,15%, соответственно. δ ij известкового илистого песка с таким же содержанием мелких фракций уменьшалось с увеличением сухой плотности, предполагая, что уменьшение амплитуды объемного содержания воды в известковистом илистом песке с увеличением всасывания матрикса дополнительно уменьшалось с увеличением сухой плотности из-за количество крупных пор, содержащих свободную воду, уменьшается с увеличением плотности в сухом состоянии.

На переходной стадии ( ψ ≈ 5–10 кПа) значения входящего воздуха CSS7, CSS3, CSS8 и CSS9 составляли 7,43, 7,74, 7,86 и 7,92 кПа соответственно. Чем выше сухая плотность известковистого илистого песка, тем больше воздухозаборник. Образцам с более высокой плотностью в сухом состоянии труднее перейти из квазинасыщенного состояния в ненасыщенное. Количество более крупных пор, содержащих свободную воду, в образцах с более высокой плотностью в сухом состоянии меньше, и связь с водой хуже; следовательно, воде труднее стекать из образца.В результате для перехода образца из квазинасыщенного состояния в ненасыщенное состояние потребуется большее всасывание матрикса.

На остаточной стадии ( ψ ≈ 10–750 кПа) остаточное объемное содержание воды в образцах составляло 16,19, 17,96, 17,82 и 19,89% соответственно, что указывает на то, что остаточное объемное содержание воды в образце увеличивается с увеличением увеличение сухой плотности. Как обсуждалось выше, вода, слитая из образца на остаточной стадии, была капиллярной водой и связанной водой.В образцах с более высокой плотностью в сухом состоянии больше частиц почвы, что может обеспечить большее пространство для адсорбции (например, поры на поверхности частиц и небольшие поры между частицами) для капиллярной воды и связанной воды (Wu et al., 2020).

Применимость классических моделей

SWCC известкового илистого песка в различных условиях испытаний была подобрана с использованием моделей, описанных выше. Установлено, что все эти модели применимы для описания SWCC известкового илистого песка с точки зрения общего тренда.Среди них наилучший результат подгонки модели Фредлунда-Ксинга к SWCC образцов. Когда модель Чжун Фанцзе использовалась для соответствия экспериментальным результатам образцов, SWCC был приблизительно горизонтальным на остаточной стадии, что противоречит измеренному результату, согласно которому объемное содержание воды в известковистом илистом песке имеет тенденцию к снижению с увеличением всасывания матрикса. в остаточной стадии (рисунок 7). Тенденция развития SWCC связана с размером и количеством пор в образце (Alves et al., 2020; Данешян и др., 2021). Модель Чжун Фанцзе (Zhong, 2007) предложена на основе результатов измерения характеристик воды и почвы для кварцевого песка. В частицах кварцевого песка почти нет внутренних пор, а на поверхности частиц кварцевого песка лишь несколько внешних пор, поэтому изменение SWCC кварцевого песка на остаточной стадии зависит от пор между частицами. Напротив, для известкового песка как внешние поры, распределенные на поверхности частиц, так и внутренние поры внутри частиц многочисленны, и эти поры, в которых могла бы находиться вода, улучшают водоудерживающую способность известкового песка.Кроме того, из-за разложения карбоната кальция известковый песок также несет определенное количество минеральных ионов, которые обладают сильной способностью адсорбировать воду в образце на остаточной стадии (Wu et al., 2020). Следовательно, характеристики воды и почвы известкового песка отличаются от характеристик кварцевого песка на остаточной стадии, и результат аппроксимации модели Чжун Фанцзе (Zhong, 2007) неудовлетворителен по сравнению с другими моделями.

РИСУНОК 7 . Результаты подгонки SWCC CSS5 по разным моделям.

В таблице 3 приведены значения параметров аппроксимации модели Фредлунда-Синга для SWCC известковых илистых песков с различным содержанием мелочи. Согласно Таблице 3, 1) и увеличиваются с увеличением содержания мелочи, что согласуется с измеренными выше значениями поступления воздуха для известковых илистых песков с различным содержанием мелочи. 2) b резко уменьшается с увеличением содержания мелочи, указывая на то, что с увеличением содержания мелочи наклон SWCC известкового илистого песка постепенно снижается, и SWCC становится более пологим на переходной стадии.Диапазон всасывания матрицы, соответствующий SWCC переходной стадии, расширился из-за увеличения содержания мелких частиц, что указывает на увеличение всасывания матрицы для перехода пробы на остаточную стадию. 3) c увеличивались с увеличением содержания мелочи, и SWCC образцов на остаточной стадии становились более крутыми, что соответствует изменению SWCC образцов на ранней остаточной стадии (Рисунок 4). Количество мелких пор и водоудерживающая способность образца увеличивается с увеличением содержания мелких частиц; следовательно, это затрудняет достижение абсолютно сухого состояния известковистому илистому песку.4) На переходной стадии и поздней остаточной стадии SWCC образцов приблизительно перекрывались друг с другом, что позволяет предположить, что значения b и c были очень чувствительны к вариациям SWCC (рис. 4). Диапазон изменения трех параметров также показал, что b более чувствителен к изменению содержания мелких частиц.

ТАБЛИЦА 3 . Параметры модели Fredlund-Xing, соответствующие SWCC известковых илистых песков с различным содержанием мелочи.

В таблице 4 показаны значения параметров модели Фредлунда-Синга при использовании для подбора SWCC известковых илистых песков с различной плотностью в сухом состоянии. Было обнаружено, что 1) a увеличивались с увеличением плотности в сухом состоянии, что согласуется с приведенным выше результатом измерений, согласно которому величина поступления воздуха известкового илистого песка увеличивалась с увеличением плотности в сухом состоянии. 2) b не обнаружил явной закономерности с увеличением плотности в сухом состоянии. Однако среди трех параметров b наиболее существенно изменились с увеличением плотности в сухом состоянии.3) c изменились лишь незначительно с изменением сухой плотности, что согласуется с наблюдением, что SWCC известковых илистых песков с различной сухой плотностью были примерно параллельны на остаточной стадии (Рисунок 6).

ТАБЛИЦА 4 . Параметры модели Fredlund-Xing, соответствующие SWCC известковых илистых песков с различной сухой плотностью.

Модель характеристической кривой почва-вода для известковистого илистого песка

Путем анализа данных в таблице 3 связь между a, b и c и содержанием мелких частиц ( C F ) показана на рисунке 8 и может быть выражено следующим образом:

, где y 1 , A 1 и B 1 являются подгоночными параметрами.

РИСУНОК 8 . Связь между параметрами моделирования SWCC и содержанием штрафов: (A) a по сравнению с C F ; (B) b по сравнению с C F ; (C) c по сравнению с C F .

На рисунке 9 показано соотношение между плотностью в сухом состоянии ( ρ d ) и параметром a , которое выражается следующим образом:

, где y 2 , A 2 , и B 2 — параметры подгонки.

РИСУНОК 9 . Связь между параметром моделирования SWCC (A) и сухой плотностью.

Комбинируя уравнения 8, 9, получают следующие формулы расчета параметров для модели Фредлунда-Синга, которая подходит для оценки характеристик воды и почвы известковых илистых песков с различным содержанием мелких частиц и плотностью в сухом состоянии:

a = [( 4,968 + 0,00146exp0,152CF) × (21,96−24,67ρd ​​+ 8,88ρd2)] 0,5, (10) b = −4,322 + 76,777exp − 0,05CF, (11) c = 0,325 + 0,00145exp0.112CF. (12)

Путем подбора объемного содержания насыщенной воды ( θ с ) и содержания мелких частиц ( C F ) известковых илистых песков с различным содержанием мелких частиц (рис. 10A), Следующее уравнение получено для расчета объемного содержания насыщенной воды ( θ s ) известкового илистого песка на основе содержания мелких частиц:

θs = 0,48−0,00855expCF24,37. (13)

РИСУНОК 10 .Соотношение между объемным содержанием насыщенной воды, содержанием мелких частиц и плотностью в сухом состоянии: (A) объемное содержание насыщенной воды в зависимости от содержания мелких частиц; (B) объемное содержание насыщенной воды в зависимости от плотности в сухом состоянии.

Аналогичным образом, аппроксимируя объемное содержание насыщенной воды ( θ с ) и сухую плотность ( ρ d ) известковых илистых песков с различной сухой плотностью (рис. 10B), следующее уравнение получается для расчета объемного содержания насыщенной воды ( θ s ) известкового илистого песка на основе сухой плотности:

θs = 0.956−0,328ρd. (14)

Объединение уравнений 13, 14 дает соотношение между объемным содержанием насыщенной воды ( θ s ), содержанием мелких частиц ( C F ) и сухой плотностью. ( ρ d ):

θs = [(0,956–0,328ρd) × (0,48–0,00855expCF24,37)] 0,5. (15)

Подставляя уравнения 10–12, 15 в уравнение. 5, получена следующая формула для расчета объемного содержания воды ( θ ) в известковистых илистых песках с различными матрицами всасывания ( ψ ) на основе содержания мелких частиц и плотности в сухом состоянии:

θ = θs (ρd, CF) {ln [exp + (ψa (ρd, CF)) b (CF)]} c (CF), (16)

где θs (ρd, CF) и a (ρd, CF) — выражения, содержащие плотность в сухом состоянии ( ρ d ) и мелкого содержания ( C F ) соответственно.b (CF) и c (CF) — выражения, содержащие мелкодисперсный состав ( C F ), соответственно.

Предложенная модель SWCC была использована для расчета объемного содержания воды в известковых илистых песках с различным содержанием мелких частиц и плотностью в сухом состоянии при различных матрицах, а применимость модели для характеристики SWCC известкового илистого песка была оценена с использованием соотношения между расчетные и измеренные значения (таблица 5). Значения, рассчитанные по формуле.16 были близки к результатам измерений, а соотношение между расчетными и измеренными результатами находится в диапазоне от 0,43 до 1,22, что указывает на то, что предложенная модель может соответствовать SWCC известкового песка. Форма частиц, режим нагружения давлением и многие другие факторы также влияют на характеристики известкового илистого песка «почва-вода». Что касается математической основы, на которой разрабатываются уравнения для расчета объемного содержания воды в известковистом илистом песке, необходимо также изучить законы его изменения с различными параметрами, а также их математические корреляции.Необходимо провести соответствующие исследования, чтобы заложить прочную теоретическую основу для разработки эмпирической формулы, универсально применимой для оценки SWCC для различных типов известковых песков.

ТАБЛИЦА 5 . Сравнение расчетных и измеренных значений объемного содержания воды.

Заключение

Для изучения влияния содержания мелких частиц и плотности в сухом состоянии на характеристики известкового илистого песка была проведена серия испытаний характеристик грунта и воды.Была подтверждена применимость трех моделей SWCC для известкового илистого песка, и на основе результатов измерений была предложена модель SWCC для известково-алевритового песка с учетом содержания мелких частиц и плотности в сухом состоянии.

На стадии граничного эффекта количество крупных пор в известковистом илистом песке значительно уменьшается с увеличением содержания мелких частиц; поэтому SWCC образцов значительно различаются. Для образцов с содержанием мелких частиц не более 50% значения на входе воздуха находились в диапазоне от 7.От 42 до 7,97 кПа. На ранней остаточной стадии, чем выше содержание мелких частиц, тем больше объемное содержание воды в образцах, поскольку количество мелких пор в известковистом илистом песке увеличивается. Однако на поздней остаточной стадии разница в SWCC образцов незначительна, что в первую очередь может быть связано с пористой мезоструктурой известково-алевритового песка.

Количество крупных пор в известковистом илистом песке значительно уменьшилось с увеличением сухой плотности.Следовательно, уменьшающаяся амплитуда объемного содержания воды в известковистом илистом песке высокой сухой плотности с увеличением всасывания матрикса упала на стадии граничного эффекта. Для известкового илистого песка с плотностью в сухом состоянии 1,44–1,63 г / см 3 значения поступления воздуха увеличивались с увеличением плотности в сухом состоянии и составляли от 7,43 до 7,92 кПа. Адсорбционные пространства для капиллярной воды и связанной воды в образце увеличивались с увеличением плотности в сухом состоянии, в результате чего водоудерживающая способность образца на остаточной стадии улучшалась.

Среди трех классических моделей SWCC модель Fredlund-Xing лучше всего подходит для SWCC известкового илистого песка. В модели Fredlund-Xing параметр b наиболее чувствителен к изменениям содержания мелких частиц и плотности в сухом состоянии.

На основе модели Fredlund-Xing и результатов измерений была предложена модель SWCC, учитывающая влияние содержания мелких частиц и плотности в сухом состоянии. Эта новая модель может быть использована для описания характеристик воды и почвы известковых илистых песков с различным содержанием мелких частиц и плотностью в сухом состоянии.

Заявление о доступности данных

Оригинальный вклад, представленный в исследовании, включен в статью / дополнительный материал, дальнейшие запросы могут быть направлены соответствующим авторам.

Вклад авторов

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее для публикации.

Финансирование

Эта работа финансировалась Национальным фондом естественных наук Китая (№41772336 и 41877271), а также Программу стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук (№ XDA13010301). Вся их поддержка признательна.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все претензии, выраженные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно относятся к их аффилированным организациям или заявлению издателя, редакторов и рецензентов.Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или заявление, которое может быть сделано его производителем, не подлежат гарантии или одобрению со стороны издателя.

Источники

Аль-Бадран Ю. и Шанц Т. (2009). «Характеристика почвенных вод и уплотнение мелкозернистых почв», в материалах 4-й Азиатско-Тихоокеанской конференции по ненасыщенным почвам, Ньюкасл, Австралия, 23–25 ноября.

Google Scholar

Алвес, Р. Д., Гитирана, Г. Д. Н. и Ванапалли, С. К.(2020). Достижения в моделировании характеристической кривой почва-вода с использованием анализа масштабов пор. Comput. Геотех. 127, 103788. doi: 10.1016 / j.compgeo.2020.103766

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Anggraini, V., Asadi, A., Syamsir, A., and Huat, B. B. K. (2017). Прочность на изгиб при трехточечном изгибе тропической морской почвы, обработанной цементом, армированной обработанным известью натуральным волокном. Измерение 111, 158–166. doi: 10.1016 / j.measurement.2017.07.045

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Brooks, R.и Кори А. (1964). Гидравлические свойства пористых сред. Hydrol. Пап. №3. Гидрол. Пап. 3, 892–898.

Google Scholar

Chen, B., and Hu, J.-M. (2020). Фрактальное поведение кораллового песка во время ползучести. Фронт. Науки о Земле. 8, 134. doi: 10.3389 / feart.2020.00134

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Данешян Б., Хабибагахи Г. и Никоои Э. (2021 г.). Определение ненасыщенной гидравлической проводимости песчаных грунтов: новый подход к сети пор. Acta Geotech. 16, 449–466. doi: 10.1007 / s11440-020-01088-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Долинар, Б. (2015). Прогноз характеристической кривой почва-вода по удельной поверхности мелкозернистых почв. Бык. Англ. Геол. Environ. 74, 697–703. doi: 10.1007 / s10064-014-0664-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Fredlund, D. G., and Xing, A. (1994). Уравнения характеристической кривой почва-вода. Кан.Геотех. J. 31, 521–532. doi: 10.1139 / t94-061

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gallage, C.PK, and Uchimura, T. (2010). Влияние плотности сухого вещества и гранулометрического состава на характеристические кривые почва-вода песчаных почв. Грунты и фундаменты 50, 161–172. doi: 10.3208 / sandf.50.161

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гарднер, В. Р. (1957). Некоторые стационарные решения уравнения потока ненасыщенной влаги применительно к эвапотранспирации из грунтовых вод. Почвоведение. 85, 228–232.

Google Scholar

Хан, З., Ванапалли, С. К., и Цзоу, В.-л. (2017). Комплексные подходы к прогнозированию характеристической кривой грунт-вода и модуля упругости уплотненных мелкозернистых грунтов земляного полотна. Кан. Геотех. J. 54, 646–663. doi: 10.1139 / cgj-2016-0349

CrossRef Полный текст | Google Scholar

He, K., and Ye, J. (2021). Физическое моделирование динамики волнореза, построенного на основе восстановленного кораллового известнякового песка в Южно-Китайском море — волна цунами. Бык. Англ. Геол. Environ. 80, 3315–3330. doi: 10.1007 / s10064-021-02122-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Houston, S., Houston, W., and Wagner, A. (1994). Лабораторные измерения всасывания фильтровальной бумаги. Geotech. Тестовое задание. J. 17, 185–194.

Google Scholar

Ху, М. Дж., Чжан, К. Ю., Цуй, X., Ли, К. Ю. и Тан, Дж. Дж. (2019). Экспериментальное исследование капиллярного подъема и влияющих факторов в известковых песках. Rock Soil Mech. 40, 4157–4164. doi: 10.16285 / j.rsm.2018.1473

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jiang, X., Wu, L., and Wei, Y. (2020). Влияние содержания мелкозернистых частиц на характеристическую кривую «почва-вода» ненасыщенных почв. Geotech. Геол. Англ. 38, 1371–1378. doi: 10.1007 / s10706-019-01096-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kawai, K., Kato, S., and Karube, D. (2000). «Модель кривой водоудержания, учитывающая влияние коэффициента пустотности», в материалах Азиатской конференции по ненасыщенным почвам, 329–334.

Google Scholar

Ли, С. К., Цзя, Х. Дж., Ван, X. X. и Цуй, К. (2016). Ограничение и анализ ошибок метода перемещения оси для измерения и контроля всасывания в матрице. Rock Soil Mech. 37, 3089–3095. doi: 10.16285 / j.rsm.2016.11.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Li, Y.J., Guo, Z., Wang, L.Z., Ye, Z., Shen, C.F. и Zhou, W.J. (2021). Поведение при сдвиге на границе раздела между известковистым песком, обработанным MICP, и сталью. Дж.Матер. Civil Eng. 33, 04020455. doi: 10.1061 / (asce) mt.1943-5533.0003549

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ma, T. T., Wei, C. F., Chen, P., and Xia, X. L. (2015). Экспериментальное исследование влияния раствора NaCl на характеристики почвенных вод. Rock Soil Mech. 36, 2831–2836. doi: 10.16285 / j.rsm.2015.10.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ng, C. W. и Pang, Y. W. (2000). Экспериментальные исследования водно-грунтовых характеристик вулканической почвы. Кан. Геотех. J. 37, 1252–1264. doi: 10.1139 / t00-056

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нурул, З., Мохд, Я. Н. З., Мохаммед, А. Б. М., Аминатон, М., Хамонанган, Х. И. С., Сафуан, А. Р. А. (2019). Измерение технических свойств морской глины, обработанной с гранитными отходами. Измерение 131, 50–60.

Google Scholar

Паша А. Ю., Хошгалб А. и Халили Н. (2015). «Распространенные ошибки в определении значения поступления воздуха на основе характеристической кривой почва-вода на основе гравиметрического содержания воды», в материалах 6-й Азиатско-Тихоокеанской конференции по ненасыщенным почвам, Гуйлинь, Китай, 23–26 октября.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pham, Q.H. (2005). Объемно-массовая конститутивная модель ненасыщенных почв . Кандидатская диссертация (Саскатун: Университет Саскачевана).

Рао Б. Х., Сингх Д. Н. (2010). Построение характеристической кривой грунт-вода для мелкозернистого грунта на основе электрических измерений. J. Geotech. Geoenviron. Англ. 136, 751–754. doi: 10.1061 / (asce) gt.1943-5606.0000267

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шен, Дж.Х., Ван, X., Лю, В. Б., Чжан, П. Ю., Чжу, К. К., и Ван, X. Z. (2020a). Экспериментальное исследование поведения известкового песка при мезоскопическом сдвиге с использованием метода цифровой визуализации. Adv. Civ. Англ. 2020, 8881264. doi: 10.1155 / 2020/8881264

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шэнь, Дж., Ву, Х. и Чжан, Ю. (2017). Оценка оседания волнолома, построенного на рыхлом песчаном основании морского дна: упругая модель или упруго-пластическая модель. Внутр. J. Военно-морская архитектура Ocean Eng. 9, 418–428. doi: 10.1016 / j.ijnaoe.2016.11.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шэнь, Дж., Сюй, Д., Лю, З., и Вэй, Х. (2020b). Влияние напряжения характеристик частиц на механические свойства цементного раствора с коралловым песком. Construction Building Mater. 260, 119836. doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2020.119836

CrossRef Полный текст | Google Scholar

SL237–2019 (2019 г.). Спецификация испытаний почвы . Национальный стандарт Китайской Народной Республики.(на китайском языке).

Песня, Ю.-С. (2014). Напряжение всасывания в ненасыщенном песке при различной относительной плотности. Eng. Геология. 176, 1–10. doi: 10.1016 / j.enggeo.2014.04.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Stange, C.F., and Horn, R. (2005). Моделирование кривой влагоудержания почвы для условий переменной пористости. Зона Вадоза J. 4, 602–613. doi: 10.2136 / vzj2004.0150

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tao, G., Chen, Y., Конг, Л., Сяо, Х., Чен, К., и Ся, Ю. (2018). Простая фрактальная модель характеристических кривых почва-вода, учитывающая влияние начальных соотношений пустот. Energies 11, 1419. doi: 10.3390 / en11061419

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Van Genutchen, M. T. (1980). Уравнение близкой формы для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных почв. Почвоведение. Soc. Являюсь. J. 44, 892–898.

Google Scholar

Vanapalli, S.К., Фредлунд, Д. Г., и Пуфаль, Д. Э. (2001). Влияние структуры почвы и истории напряжений на водно-грунтовые характеристики уплотненной почвы. Géotechnique 51, 573–576. doi: 10.1680 / geot.51.6.573.40456

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, X., Cui, J., Wu, Y., Zhu, C., and Wang, X. (2020c). Механические свойства известковых илов гидрозаполненного острова-рифа. Мар. Георесурсы Геотехнология 39, 1–14. doi: 10.1080 / 1064119X.2020.1748775

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, X., Цуй, Дж., Чжу, К.-К., Ву, Ю. и Ван, X.-Z. (2021 г.). Экспериментальное исследование механического поведения известковых песков при многократных нагружениях-разгрузках. Бык. Англ. Геол. Environ. 80, 3097–3113. doi: 10.1007 / s10064-021-02119-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, X., Wang, X.-Z., Zhu, C.-Q., and Meng, Q.-S. (2019b). Испытания на сдвиг границ раздела между известковым песком и сталью. Мар. Георесурсы Геотехнология 37, 1095–1104. DOI: 10.1080 / 1064119x.2018.1529845

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, X., Wu, Y., Cui, J., Zhu, C.-Q., and Wang, X.-Z. (2020b). Характеристики формы кораллового песка Южно-Китайского моря. Jmse 8, 803. doi: 10.3390 / jmse8100803

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, X., Zhu, C.-Q., and Wang, X.-Z. (2020a). Экспериментальное исследование коэффициента бокового давления покоя для известняковых почв. Мар. Георесурсы Геотехнология 38, 989–1001.doi: 10.1080 / 1064119x.2019.1646361

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, X., Zhu, C.-Q., Wang, X.-Z., and Qin, Y. (2019a). Исследование поведения дилатансии известковых почв в трехосном тесте. Мар. Георесурсы Геотехнология 37, 1057–1070. doi: 10.1080 / 1064119x.2018.1526236

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wei, H. Z., Zhao, T., Meng, Q.S, Wang, X. Z., and Zhang, B. (2019). Количественная оценка морфологии известковых песков с помощью анализа динамических изображений. Внутр. J. Geomech. 20, 04020020.

Google Scholar

Уильямс Дж., Прибл Р. Э. и Уильямс У. Т. (1983). Влияние текстуры, структуры и минералогии глин на влажностные характеристики почв. Aust. J. Soil Res. 21, 15–32.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, Y., Wang, X., Shen, J.-H., Cui, J., Zhu, C.-Q., and Wang, X.-Z. (2020). Экспериментальное исследование влияния содержания воды на прочностные характеристики кораллового гравийного песка. Jmse 8, 634. doi: 10.3390 / jmse80

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xiao, P., Liu, H. L., Xiao, Y., Stuedlein, A. W., and Matthew Evans, T. (2019). Стойкость биоцементированного известкового песка к разжижению. Soil Dyn. Earthq. Англ. 107, 9–19.

Google Scholar

Сяо, Ю., Лю, Х., Чен, К., Ма, К., Сян, Ю., и Чжэн, Ю. (2017). Разрушение и деформация карбонатных песков с широким диапазоном плотностей в процессе нагружения сжатием. Acta Geotech. 12, 1177–1184. doi: 10.1007 / s11440-017-0580-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ye, J., Zhang, Z., and Shan, J. (2019). Статистический метод определения коэффициента сопротивления нелинейному пористому течению в известково-песчаных грунтах. Бык. Англ. Геол. Environ. 78, 3663–3670. doi: 10.1007 / s10064-018-1330-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yu, D., Ye, J., and Yao, L. (2020). Прогнозирование долговременного оседания сооружений, построенных на мелиорированном острове кораллового рифа: взлетно-посадочная полоса для самолетов. Бык. Англ. Геол. Environ. 79, 4549–4564. doi: 10.1007 / s10064-020-01866-z

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжун, Ф. Дж. (2007). Исследование напорных характеристик газового коллектора и механического воздействия траектории напряжений для неглубокого газового песка . Магистерская диссертация (Ухань: Институт механики горных пород и грунтов Китайской академии наук, 2007). (на китайском языке).

Чжоу, А.-Н., Шэн, Д., и Картер, Дж. П. (2012). Моделирование влияния начальной плотности на характеристические кривые почва-вода. Géotechnique 62, 669–680. doi: 10.1680 / geot.10.p.120

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhou, A.-N., Sheng, D., and Li, J. (2014). Моделирование водоудержания и изменения объема ненасыщенных почв в неизотермических условиях. Comput. Геотехника 55, 1–13. doi: 10.1016 / j.compgeo.2013.07.011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhou, W.-H., Garg, A., and Garg, A. (2016). Исследование объемного содержания воды на основе плотности, всасывания и начального содержания воды. Измерение 94, 531–537. doi: 10.1016 / j.measurement.2016.08.034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Влияние метода осаждения на недренированную реакцию илистого песка

Цитируется по

1. Комбинированное влияние содержания мелких частиц и коэффициента однородности на сопротивление циклическому ожижению илистых песков

2. Измерения скорости двунаправленной поперечной волны для анизотропии ткани гусеницы Эволюция измельченного кварцевого песка во время сдвига

5

3. Влияние метода подготовки образцов на поведение мелкозернистого песка после разжижения при циклическом нагружении

4. Влияние и механизм содержания мелких частиц на прочность известкового песка на сдвиг

5. Поведение обработанных илистых песков при трехосном испытании с агаровым биополимером

6. Siltli Kum Zeminlerin Drenajsız kayma Dayanımı Davranışı ve Duraan Durum Çizgizi Üzerinde İnce Dane Etkisi

7. Оценка образца 975 сжижения методом статического разжижения на основе 975 методов подготовки силиконовой обработки методом разжижения. Анализ свойств поверхностного перколированного биоцементированного песка

9. Энергетическая модель для прогнозирования потенциала разжижения песчаных почв с использованием метода эволюционной полиномиальной регрессии

10. Влияние мелких фракций на сопротивление песка разжижению

11 Обзор методов восстановления образцов песка и процедур для недренированного теста на простой сдвиг

12. Влияние подготовки образца на объемное поведение песков при циклическом разнонаправленном сдвиге

13. Метод осаждения суспензии низкопластичных промежуточных грунтов для лабораторных испытаний элементов

14. Влияние начальной плотности упаковки, уровня напряжений и соотношения размеров частиц на поведение бинарного гранулированного материала: микромеханический подход

15. Эффект непластичного ила на склонность морского песка к ожижению с помощью прозрачной ламинарной камеры сдвига на встряхивающем столе

16. Микроскопическое исследование свойств упаковки мягко-жестких смесей частиц с использованием метода дискретных элементов

17. Механическое поведение и измельчение хвостов под высоким ограничивающим давлением

19. Изучение проблем, связанных с доставкой на место микробно-индуцированного осаждения карбоната кальция (MICP) в мелкозернистых песках и илистом песке

20. Относительная плотность влияние на несущую способность ненасыщенного песка

21. Влияние исходной ткани на недренированный отклик чистого песка Chlef

22. Прочность и деформация хвостов с мелкозернистыми прослоями

23. DEM исследование микроскопических характеристик и внутренней стабильности бинарных смесей

24. Неосушенный циклический отклик илистых песков, улучшенный микробно-индуцированным осаждением карбоната кальция

25. Механическое поведение хвостов железа Паньчжихуа

26. Изучение влияния формы частиц и содержания мелких частиц на сдвиг смесей мелкозернистого песка с помощью DEM

27. Влияние всасывания на испытания под нагрузкой плиты на ненасыщенных илистых песках

28. Возможная упаковка сыпучих материалов при моделировании с использованием дискретных элементов при испытаниях на проникновение конуса

29. Отклик на недренированный монотонный сдвиг иловых песков, обработанных MICP

30. Влияние заделки на вертикальную емкость ковшового фундамента в рыхлом насыщенный песок: физическое моделирование

31. Экспериментальное исследование влияния режима осаждения на гранулометрический состав песка

34. Анализ деформации неглубокого газоносного грунта в результате контролируемого выброса газа в заливе Ханчжоу, Китай

35. Совместное влияние содержания, градации и характеристик формы илов на статическое разжижение рыхлых илистых песков

36. The Coupled Влияние относительной плотности, CSR, пластичности и содержания мелких частиц на сопротивление песков циклическому разжижению

37. Экспериментальная база данных циклических испытаний на простой сдвиг при кратковременных нагрузках

38. Экспериментальная база данных циклических простых испытаний на сдвиг при кратковременных нагрузках

39. Влияние ила на прочность на сдвиг песка после циклического сдвига

40. Факторы, влияющие на локус устойчивого состояния в трехосных испытаниях

41. Влияние коэффициент однородности и градации основного песка при статическом разжижении рыхлых песков с илом

42. Исследование с помощью рентгеновской микротомографии влияния горизонтальной вибрации на уплотнение песка

43. Влияние сортировки и характеристик частиц на свойства малых деформаций сыпучих материалов

44. Модуль упругости при малых деформациях вулканических сыпучих грунтов: экспериментальное исследование

46. Оценка потенциала разжижения сухих и насыщенных песчаных грунтов под осушаемый постоянный объем циклической простой сдвиговой нагрузки

47. Недренированный монотонный отклик и нестабильность песчаного грунта средней плотности

48. Влияние метода ткани на поведение нестабильности гранулированного материала

49. Прочность и дилатансия илистого песка

50. Влияние характеристик сортировки на прочность недренированного песка на сдвиг: обзор с новыми доказательствами

51. Лабораторная оценка влияния насыщения и формования образца на сопротивление сдвигу и механические характеристики песчаного грунта

52. Определение поведения песчаного грунта к статическому разжижению и микротомография

53. Роль измельчения частиц в механике непластичного илистого песка

54. Новый метод подготовки образца имитатора лунного грунта TJ-1 в аппарате с полым цилиндром

55. Прочность на сдвиг и поровая вода характеристики давления песчаного грунта, смешанного с пластичной мелкозернистой массой

56. Ответ на обсуждение Джеффриса, Бина и Оливеры «Оценка статического разжижения склонов илистого песка» 11 Появляется в Canadian Geotechnical Journal, 49 (6): 746–750 [DOI: 10.1139 / t2012-039].

57. О некоторых факторах, влияющих на роль мелочи в разжижении илистых песков

58. Статическое разжижение и «обратное» поведение илистого песка

59. Анализ тонких оползней подводных потоков Илистый песок

60. Влияние метода восстановления образца на недренированный отклик рыхлого зернистого грунта при статической нагрузке

61. Лабораторное исследование исходной структуры и эффектов переуплотнения на недренированное монотонное поведение песчаного грунта из региона Шлеф на севере Алжира

62. Влияние размера и содержания ила на разжижение песков

63. Статическое разжижение песчаного грунта: экспериментальное исследование эффектов насыщения и начального состояния

64. Оценка статического разжижения склонов илистых песчаных склонов

65. Подход к консолидации шлама для воссоздания образцов низкопластичного ила для лабораторных трехосных испытаний

66. Лабораторное исследование ненарушенного илистого песка со склона, склонного к оползням

67. Сжимаемость песка Чанги в K 0 консолидация

68. Идентификация поведения песка Chlef к статическому разжижению

69. Влияние метода осаждения на микроструктуру илистого песка

Сплоченность

Описание USCS Сплоченность [кПа] Номер ссылки
мин. макс. Конкретное значение
Гравий с хорошей сортировкой, песчаный гравий, с небольшими или нулевыми мелкими частицами GW 0 [1], [2], [3],
Гравий с плохой сортировкой, песчаный гравий с небольшими или нулевыми мелкими частицами GP 0 [1], [2], [3],
илистый гравий, илистый песчаный гравий GM 0 [1],
Глинистый гравий, глинистый песчаный гравий GC 20 [1],
Песок с хорошей сортировкой, гравийный песок, с небольшими или нулевыми мелкими частицами SW 0 [1], [2], [3],
Песок с плохой сортировкой, гравийный песок, с небольшими или нулевыми мелкими частицами СП 0 [1], [2], [3],
илистые пески СМ 22 [1],
Пески илистые — насыщенные уплотненные СМ 50 [3],
Пески илистые — уплотненные СМ 20 [3],
Пески глинистые SC 5 [1],
Пески глинистые — уплотненные SC 74 [3],
Пески глинистые — насыщенно уплотненные SC 11 [3],
Песок супесчаный, супесчаный Суглинок уплотненный SM, SC 50 75 [2],
Песок супесчаный, супесчаный Суглинок насыщенный SM, SC 10 20 [2],
Глина песчано-алевритовая со слабопластичными мелкими частицами — уплотненная SM, SC 50 [3],
Глина песчано-алевритовая со слабопластичными мелкими частицами — насыщенно-уплотненная SM, SC 14 [3],
Неорганические илы, илистые или глинистые мелкие пески, слабопластичные мл 7 [1],
Илы неорганические и глинистые — уплотненные мл 67 [3],
Илы неорганические и глинистые — насыщенные уплотненные мл 9 [3],
Глины неорганические, илистые, глины песчаные малопластичные CL 4 [1],
Глины неорганические, илистые, глины песчаные малопластичные — уплотненные CL 86 [3],
Глины неорганические, илистые, глины песчаные малопластичные — насыщенные уплотненные CL 13 [3],
Смесь неорганического ила и глины — уплотненная ML-CL 65 [3],
Смесь неорганического ила и глины — насыщенно уплотненная ML-CL 22 [3],
Илы органические и глины органические малопластичные ПР 5 [1],
Илы неорганические высокой пластичности — уплотненные MH 10 [1],
Илы неорганические высокой пластичности — насыщенные уплотненные MH 72 [3],
Илы неорганические высокой пластичности MH 20 [3],
Глины неорганические высокой пластичности СН 25 [1],
Глины неорганические высокой пластичности — уплотненные СН 103 [3],
Глины неорганические высокой пластичности — насыщенные уплотненные СН 11 [3],
Глины органические высокой пластичности OH 10 [1],
Суглинок уплотненный ML, OL, MH, OH 60 90 [2],
Суглинок насыщенный ML, OL, MH, OH 10 20 [2],
Илистый суглинок уплотненный ML, OL, MH, OH 60 90 [2],
Илистый суглинок — насыщенный ML, OL, MH, OH 10 20 [2],
Суглинок, илистый глинистый суглинок — Compaced ML, OL, CL, MH, OH, CH 60 105 [2],
Суглинок илистый суглинок — насыщенный ML, OL, CL, MH, OH, CH 10 20 [2],
Глина илистая, глина уплотненная OL, CL, OH, CH 90 105 [2],
Глина илистая, глина насыщенная OL, CL, OH, CH 10 20 [2],
Торф и другие высокоорганические почвы Pt

Внутренняя устойчивость песков от глинистых до илистых.

Реферат

При определенных условиях частицы глины и ила в песчанистых и илистых песках с прослойкой фракции могут выноситься из матрицы почвы под действием фильтрационного потока. Когда значительное количество этих частиц удаляется или теряется, проницаемость почвы может заметно увеличиваться. Этот процесс, который называется трубопроводом или «внешнее проникновение», потенциально опасен, когда почва является частью земляного гидротехнического сооружения или барьера. Трубопровод в этих грунтах обычно происходит в два этапа: (1) отделение частиц и (2) унос частиц.Факторы, способствующие отделению частиц, включают высокую скорость просачивания и все известные факторы, увеличивающие отталкивание двойного электрического слоя. Механизмы захвата, которые могут препятствовать уносу частиц в эти почвы, включают деформацию, закупоривание, осаждение, броуновскую диффузию и гидродинамическое воздействие. Существующие аналитические процедуры для прогнозирования внутренней стабильности несвязных грунтов в первую очередь основаны на гранулометрическом составе. Эти процедуры либо теоретически неадекватны, либо слишком консервативны, чтобы их можно было применять к глинистым и алевритам.Для оценки внутренней устойчивости последних предлагается альтернативный аналитический метод, основанный на учете контролирующего размера сужения грунта (D $ \\ sb {\\ rm c} \\ sp \\ * $), доли частиц мельче, чем D $ \\ sb {\\ rm c} \\ sp \\ * $ (т.е. F $ \\ sb {\\ rm c} \\ sp \\ * $), и средний размер частицы (d $ \\ sb {50} $) мобильной фракции. Затем внутреннюю устойчивость грунта можно оценить путем сравнения D $ \\ sb {\\ rm c} \\ sp \\ * / \\ sp {\\ rm d} \\ sb {50} $ и F $ \\ sb {\\ rm c} \\ sp \\ * $ до определенных экспериментально определенных пределов.Чтобы установить пределы, были проведены испытания на текучесть различных уплотненных смесей глинистых и алевритовых. Частицы глины, которые имеют низкий потенциал набухания, первоначально были диспергированы и увлечены просачивающимся потоком с использованием дистиллированной воды в качестве проникающего вещества. Режим потока, состоящий из изменения направления потока в сочетании с изменениями концентрации проникающего электролита, был разработан для различения внутренне стабильных и нестабильных грунтов. Почвы были классифицированы как внутренне нестабильные, когда проницаемость в конечном итоге превысила исходное значение.Описанные здесь анализы позволили получить полезные сведения о комбинированном влиянии гранулометрии почвы и химического состава поровой воды на явление внешнего суффузии. Они также предоставляют средства идентификации потенциально нестабильных глинистых или илистых песков на основе свойств градации почвы и связанных параметров.

Оценка коэффициента циклического сопротивления (CRR) в илистых песках с использованием искусственных нейронных сетей

Открытый журнал гражданского строительства
Vol.4 No 3 (2014), статья ID: 49314,12 страницы DOI: 10.4236 / ojce.2014.43019

Оценка коэффициента циклического сопротивления (CRR) в илистых песках с использованием искусственных нейронных сетей

Хасан Шарафи 1 * , Сахар Джалили 2

1 Школа инженерного факультета, Университет Рази, Керманшах, Иран

2 Кафедра гражданского строительства, Сельскохозяйственный колледж, Филиал Керманшаха, Исламский университет Азад, Керманшах, Иран

Электронная почта: * h_sharafi @ razi.ac.ir

Авторские права © 2014 авторов и Scientific Research Publishing Inc.

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Поступило 25.06.2014 г .; пересмотрена 30 июля 2014 г .; принята к печати 13 августа 2014 г.

РЕФЕРАТ

В этом исследовании был разработан алгоритм нейронной сети обратного распространения для прогнозирования коэффициента циклического сопротивления разжижению (CRR) песчано-иловых смесей.База данных, содержащая достаточное количество опубликованных данных о результатах лабораторных испытаний на циклический трехосный сдвиг, крутильный сдвиг и простой сдвиг, была собрана и использована в модели ИНС. Было разработано несколько моделей ИНС с различными наборами входных параметров, чтобы определить модель с наилучшими характеристиками и точностью. Было проиллюстрировано, что предложенная модель ИНС может с хорошей степенью точности предсказывать измеренный CRR различных наборов данных, которые не были включены в фазу разработки модели.Последующий анализ чувствительности был проведен для сравнения эффекта каждого параметра в модели с результатами лабораторных испытаний. В конце было получено участие или относительная важность каждого параметра в модели ИНС.

Ключевые слова: Разжижение, циклические тесты, нейронные сети, CRR, илистые пески

1. Введение

Коэффициент циклического сопротивления (CRR) является одним из фундаментальных параметров при прогнозировании явления разжижения, часто наблюдаемого в течение многих лет. землетрясения от умеренных до сильных в отложениях песчано-иловой смеси.Этот параметр можно определить с помощью циклических тестов на ненарушенных или восстановленных лабораторных образцах.

В последние годы применение искусственных нейронных сетей (ИНС) для решения различных инженерно-геологических задач было в центре внимания многих исследователей. Метод искусственных нейронных сетей по существу включает отображение сложного входного паттерна с другим сложным выходным паттерном с использованием моделей обработки данных, состоящих из широко связанных между собой нейронов [1].Искусственные нейронные сети (ИНС), мощный инструмент для обработки статистических данных, использовались во многих сложных инженерно-геологических задачах, таких как моделирование напряженно-деформированного состояния грунтов, несущая способность свай, осаждение неглубоких фундаментов, разжижение, вызванное землетрясениями и сейсмическое распространение [ 1] [2]. Учитывая высокую сложность и многопараметрическую зависимость отклика почвы, относительно простые, но надежные модели нейронных сетей с прямой связью, обученные с помощью алгоритмов обратного распространения, нашли широкое применение в области геотехнической инженерии [3] — [5].В последнее время многие исследователи [6] — [9] применили модель ИНС для оценки устойчивости песков к ожижению. Например, упрощенный метод, предложенный Juang et al. [10], основанный на данных испытаний на проникновение конуса (CPT), четко проиллюстрировал потенциальную применимость и пригодность ИНС для оценки сопротивления разжижению. Рахман и Вунг [11] также внесли свой вклад в эту область исследований, разработав модель нейронной сети, основанную на данных стандартных тестов на проникновение (SPT).Как указывалось ранее, данные лабораторных испытаний элементов предоставляют еще один способ фундаментального понимания реакции грунта на циклическую нагрузку [12] [13]. Young-Su и Byung-Tak [14] попытались использовать ограниченное количество результатов проверки элементов в модели ИНС для объяснения параметров, влияющих на CRR. Однако до сих пор не проводилось всестороннего исследования результатов широкомасштабных лабораторных испытаний коэффициента сопротивления разжижению (CRR) с использованием ИНС в качестве основы.

Основываясь на этих соображениях, в данном исследовании представлена ​​новая модель ИНС, разработанная для прогнозирования сопротивления разжижению смеси песка с илом с использованием опубликованных данных испытаний на циклическое трехосное, полое кручение и прямое простое сдвигание (DSS) для различных песков.По сути, модель представляет собой характерную взаимосвязь между коэффициентом циклического сопротивления (CRR) и параметрами, влияющими на запуск разжижения.

После исследования ряда моделей, основанных на различных комбинациях входных параметров почвы, была предложена окончательная модель ИНС с наилучшими возможностями прогнозирования и проведено параметрическое исследование для проверки достоверности модели.

2. База данных, использованная для разработки модели ИНС

Чтобы представить общую и хорошо построенную модель на основе ИНС для различных типов почв с различными начальными состояниями, была собрана обширная база данных из ранее опубликованных циклических тестов. .База данных, собранная Базиаром и Шарафи [15] — [17], содержит параметры по соотношению циклических напряжений и сопротивлению разжижению. Они провели обширные тесты для всей базы данных. В их экспериментах было исследовано влияние содержания мелких частиц на прочность разжижения и энергию разжижения. Они также показали влияние содержания мелких частиц на коэффициент циклического напряжения (CSR) и коэффициент циклического сопротивления (CRR). База данных содержит 540 циклических трехосных, 121 циклический сдвиг на кручение и 6 циклических испытаний на простой сдвиг [18] — [25].Критериями отказа (запуск разжижения) является начальное разжижение () или двойная амплитуда деформации 5% (), в зависимости от того, что произойдет раньше. Основная информация из тестов, необходимых для этого исследования, включает: начальное эффективное среднее ограничивающее давление (кПа), начальная относительная плотность после уплотнения (%), процент содержания мелких частиц, FC (%), коэффициент пустотности, e, количество циклов ожижения, Nl, и измеренный коэффициент сопротивления циклическим нагрузкам. для запуска сжижения, CRR. Диапазон параметров, используемых для этого исследования, представлен в Таблице 1. Из этой таблицы видно, что они варьируются от 50 до 400 кПа, а FC — от -44.От 5% до 105,1% и от 0% до 100% соответственно. Кроме того, е и N1 находятся в диапазоне от 0,25 до 1,77 и от 0,6 до 10 000 соответственно. Кроме того, набор данных, собранный в этом исследовании, содержит данные некоторых элементных тестов при случайной нагрузке (негармонической).

3. Разработка нейронной сети

База данных была случайным образом разделена на две отдельные группы, обозначенные как обучающие и тестовые наборы, состоящие примерно из 70% и 30% данных соответственно. Набор для тестирования использовался, чтобы определить, когда следует прекратить тренировку, чтобы избежать чрезмерной подгонки.Чтобы получить единообразное разделение данных, были испытаны несколько комбинаций наборов для обучения и тестирования. Вышеупомянутый выбор был таким, что максимальное, минимальное, среднее и стандартное отклонения параметров согласовывались в наборах данных обучения и тестирования (таблица 1).

Таблица 1. Статистические характеристики последовательной обучающей и тестовой выборок.

a Максимум; b Минимум; c Стандартное отклонение.

Сеть была обучена с использованием алгоритма обратного распространения.При поиске наиболее подходящей модели цель минимальной среднеквадратичной ошибки была установлена ​​на постоянное значение 0,01, а количество скрытых нейронов для каждой модели ИНС варьировалось. Модель с максимальным R2 и минимальной среднеквадратичной ошибкой (RMSE) рассматривалась как оптимальная модель ИНС. В настоящем исследовании был принят один скрытый слой, и количество скрытых нейронов, учитываемых для каждой модели ИНС, варьировалось от 10 до 15. Чтобы преодолеть сетевое «запоминание или чрезмерную подгонку», существует ряд подходов, включая случайную повторную выборку. , и перекрестная проверка.Подход перекрестной проверки был использован здесь, чтобы определить лучшую структуру сети в этом исследовании.

Архитектура модели была построена с одним скрытым слоем, скорость обучения 0,05 обновлялась с коэффициентом 1,05 после каждой эпохи и момент импульса 0,9 обновлялся с коэффициентом 0,9 после каждой эпохи. Входной вектор был полностью связан со скрытыми нейронами с помощью передаточной функции tan-sigmoid, а нейроны скрытого слоя были полностью подключены к выходному слою с помощью линейной функции.Входной вектор содержал начальные параметры грунта, а выходной (целевой вектор) — коэффициент циклического сопротивления, необходимый для запуска разжижения (CRR). Чтобы получить более эффективный процесс обучения, входные данные и цель были стандартизированы, чтобы иметь нулевое среднее значение и единичное стандартное отклонение. Перекрестная проверка или использование другого набора данных для дополнительного тестирования может использоваться для повышения универсальности моделей для будущих прогнозов. При прогнозировании CRR для этого исследования учитывались максимум пять входов с различной комбинацией.Фактически, для прогнозирования CRR было создано несколько моделей ИНС, использующих данные элементных тестов, и среди них была выбрана модель с лучшей производительностью (коэффициент корреляции R2, больший коэффициент детерминации и меньшие MSE и MAE) для набора данных проверки. Другими словами, модели ИНС были разработаны с наилучшей производительностью одновременно для обучения, тестирования и проверки наборов данных. Поскольку модели были сгенерированы только на основе данных испытаний элементов и подтверждены испытаниями на центрифугах, разумно ожидать, что модель будет достаточно обобщенной, чтобы спрогнозировать реальное инициирование разжижения, вызванного землетрясением.Было проведено обширное пробное исследование для выбора наиболее подходящих входных параметров для модели ИНС. Пять различных моделей ИНС были разработаны с использованием различных комбинаций входных параметров, как указано в таблице 2. Из этой таблицы видно, что, за исключением Модели 2, характеристики моделей обычно ухудшаются при уменьшении входных параметров.

4. Результаты и обсуждение

Согласно таблице 2 можно увидеть, что модели 1 и 2 являются наиболее подходящей моделью для оценки коэффициента циклического сопротивления (CRR).Как видно из этой таблицы, коэффициент корреляции (R2) в этих двух моделях больше, чем в других моделях, в отношении четырех категорий; данные обучения, данные тестирования, все данные и данные проверки. Следовательно, любая из этих двух моделей может быть выбрана в качестве модели для прогнозирования коэффициента циклического сопротивления (CRR). Модель 1 с пятью, а Модель 2 с четырьмя параметрами соответственно. В таблице 3 приведены две более подходящие модели ИНС с выбранными для них входными параметрами. Для этих двух моделей значения R2, ​​MSE и MAE для всего набора данных показаны в этой таблице.

Модель 2, однако, кажется более подходящей по следующим причинам:

1) Количество параметров в Модели 2 меньше, чем в Модели 1 2) Коэффициент корреляции (R2) в Модели 2 больше, чем в Модели 1 3) Два -параметры; относительная плотность (Dr) и коэффициент пустотности (e) в Модели 1 представляют почти одинаковые характеристики почвы.

Таблица 2. Модели искусственных нейронных сетей, использованные в этом исследовании.

Таблица 3. Сводка соответствующих двух моделей ИНС, разработанных для различных входных параметров.

На основе этой успешной работы была выбрана Модель 2 с 4 входными нейронами, 15 скрытыми нейронами и 1 выходным нейроном для окончательных прогнозов. Значения R2, ​​MSE и MAE, полученные из этой модели, составили 0,9, 0,58%, 5,24% соответственно для всех данных элементных тестов и 0,9%, 0,78%, 3,38% для данных валидационных тестов. На рисунках 1-3 показаны измеренные и прогнозируемые значения коэффициента циклического сопротивления (CRR) для данных обучения, тестирования и всех данных тестирования элементов, соответственно, для предлагаемой модели (Модель 2).

Для валидации модели использовались два набора данных: данные испытаний элементов и данные испытаний центрифуг. На рисунке 4 показана модель результатов для данных тестов элементов, которые не используются в разработанной модели. Как видно, прогноз предложенной модели, которая была разработана на основе только тестов элементов, очень хорошо подходит для тестов новых элементов. Диф [26] выполнил несколько испытаний на центрифугах на чистых песках Невады и Рейда Бедфорда и на илистом песке LSFD. Он обработал зарегистрированные ускорения и поперечные смещения сегментов ламинарного бокса, используя модели сосредоточенных масс, и оценил историю напряжения-деформации сдвига на разных глубинах в моделях центрифуг.Из-за недоступности информации для всех его тестов, только три теста с необходимой информацией, сообщенной им, были отобраны для валидации предложенной модели. Прогнозируемое соотношение циклического сопротивления (CRR) по модели ИНС по сравнению с измеренными значениями для набора данных проверки показано на рисунке 5. Как видно, прогноз предложенной модели, которая была разработана на основе только тестов элементов, очень хороша для центрифужные испытания. Плотность (Базиар, Шарафи, 2011).

5. Параметрическое исследование

Для дальнейшей проверки модели ИНС в этом исследовании был проведен анализ чувствительности.Основная цель состояла в том, чтобы найти влияние каждого параметра на значения коэффициента циклического сопротивления (CRR) при создании разжижения. Это параметрическое исследование было проведено также, чтобы найти вариации коэффициента циклического сопротивления (CRR) в диапазоне значений параметров почвы, указанных в таблице 1, при этом другие параметры оставались постоянными при их средних значениях. Аналогично лабораторным исследованиям, проведенным первопроходцами [27] — [31] по зависимости сопротивления песков разжижению от начальной относительной плотности и эффективного удерживающего напряжения, результаты параметрического исследования для предложенной модели

Рисунок 1.Прогнозируемый CRR с помощью модели ИНС в сравнении с измеренными значениями для обучающих данных.

Рисунок 2. Прогнозируемый CRR по модели ИНС в сравнении с измеренными значениями для данных тестирования.

подтвердил, что отношение циклических напряжений песков непрерывно увеличивалось с увеличением начальной относительной плотности или эффективного ограничивающего напряжения, в то время как другие параметры оставались постоянными. Были выполнены параметрические исследования для трех вариаций ограничивающего давления, относительной плотности и содержания мелких частиц с постоянными другими факторами.На рисунках 6-8 показаны результаты параметрического исследования удерживающего давления, относительной плотности и содержания мелких частиц. Влияние ограничивающего давления на циклическое сопротивление может быть упомянуто при увеличении ограничивающего давления, снижается сопротивление разжижению илистых песков (Рисунок 9) [25], а с увеличением относительной плотности коэффициент циклического сопротивления (CRR) увеличивался (Рисунок 10) [ 12] [35]. Влияние непластичного FC на разжижение песчано-иловых смесей более сложное, чем влияние других переменных.Несколько исследователей заявили, что

Рисунок 3. Прогнозируемый CRR с помощью модели ИНС в сравнении с измеренными значениями для всех данных элементов.

Рисунок 4. Прогнозируемый CRR с помощью модели ИНС в сравнении с измеренными значениями для проверки элементов данных.

отложения песков с содержанием ила гораздо более подвержены разжижению, чем чистый песок [15] [30] — [33]. Однако в литературе нет единого мнения о влиянии увеличения содержания ила на тенденцию сопротивления песков разжижению.Некоторые исследователи [16] [32] [33] показали, что при увеличении непластичного FC до 35% и 44%, соответственно, сопротивление разжижению песчано-иловых смесей с постоянным глобальным коэффициентом пустотности уменьшается по сравнению с чистым песком, тогда как если FC больше этих значений, сопротивление ожижению увеличивается. Полито и Мартин [33] [34] выполнили лабораторное параметрическое исследование с использованием циклических трехосных тестов для выяснения влияния непластичных мелких частиц на склонность песков к разжижению.Они обнаружили, что сопротивление ожижению для высоких FC обычно меньше, чем у материалов с низким FC для постоянной относительной плотности почвы, которая согласуется

Рисунок 5. Прогнозируемый CRR с помощью модели ANN в сравнении с измеренными значениями для проверки данных центрифужного теста.

Рис. 6. Вариации отношения циклических напряжений (CSR) по модели ИНС от ограничивающего давления, другие параметры оставались постоянными при их средних значениях.

Рисунок 7.Вариации отношения циклических напряжений (CSR) по модели ИНС в зависимости от относительной плотности (Dr%), другие параметры оставались постоянными при их средних значениях.

Рисунок 8. Вариации циклического потокового отношения (CSR) по модели ИНС по сравнению с FC, другие параметры оставались постоянными на их средних значениях.

Рис. 9. Влияние эффективного ограничивающего давления на циклическую прочность песка (Amini and Qi 2000).

Рис. 10. Влияние относительной плотности на циклическую прочность песка (Hazirbaba 2006).

с результатами исследования, сообщенного другими [31] — [34]. На рисунке 11 показан график зависимости устойчивости к циклическим воздействиям от содержания ила для образцов песка и ила Ятсвилля, представленный Полито и Мартином [34], а на рисунке 12 показано влияние содержания мелких частиц в зависимости от отношения циклического сопротивления (CRR) с постоянной относительной плотностью по Базиару и Шарафи [16 ]. Заметное падение циклического сопротивления происходит, когда содержание ила превышает 35% (почти 40%). Наибольшее количество ила, которое может быть размещено в пустотах, созданных песчаным каркасом, называется предельным содержанием ила и составляет от 25% до 45% для большинства песков [16] [35].В настоящем исследовании результаты анализа изменения FC показали, что сопротивление разжижению песчано-иловых отложений увеличивалось, когда FC увеличивалось примерно до 30%, а затем оно начало снижаться (Рисунок 8). Сравнение рисунков 8-12 показывает, что та же тенденция, о которой сообщили Полито и Мартин, Базиар и Шарафи с использованием циклических трехосных испытаний и циклических полых испытаний на кручение на образцах илистого песка [15] [16] [33] [34] и подготовлено Подход с влажной утрамбовкой, скорректированный до 30% относительной плотности, существует для предсказания модели ИНС.Согласие между результатами лабораторных испытаний и предсказанием модели ИНС повышает надежность предложенной модели ИНС.

6. Резюме и выводы

В этой статье база данных, включающая 667 лабораторных циклических испытаний на чистых и илистых песках, была использована для разработки модели ИНС для прогнозирования величины коэффициента циклического сопротивления. Для определения подходящих входных параметров были составлены пять отдельных моделей ИНС. Следовательно, две из лучших моделей были проверены с помощью тестов на центрифуге.Наконец, была выбрана модель с четырьмя входными параметрами (среднее σ ’, Dr, FC и N1) и одним скрытым слоем с 15 нейронами из-за ее хорошей степени точности и совместимости с базовым пониманием явления разжижения. В этом исследовании также было проведено параметрическое исследование с использованием предложенной модели ИНС. Оценена чувствительность коэффициента циклического сопротивления к изменению исходных параметров грунта. Результаты параметрического исследования показали, что коэффициент циклического сопротивления песчано-иловой смеси непрерывно снижался с увеличением σ ‘, среднее значение , а также с увеличением относительной плотности (Dr).Кроме того, оно немного увеличивалось, когда содержание мелочи (FC) увеличивалось примерно до 40%, затем непрерывно снижалось, в то время как скорость его уменьшения снижалась при увеличении содержания мелочи (FC). Результаты этого параметрического исследования были подтверждены результатами экспериментальных исследований, представленных другими исследователями. После анализа окончательной модели со всеми наборами данных, относительная важность каждой входной переменной была рассчитана с использованием подхода, предложенного Гарсоном [36]. Этот метод определяет относительную важность (или вклад) каждой входной переменной в весовые коэффициенты скрытых-выходных соединений каждого скрытого нейрона.Включая в этот подход веса соединений «вход-скрытый» и «скрытый-выход», были рассчитаны значения относительной важности входных параметров. В таблице 4 показаны веса соединений и относительная важность параметров для предлагаемой модели. Из этой таблицы было получено, что относительная важность начального среднего эффективного напряжения, относительной плотности, содержания мелких частиц (FC) и количества циклов (Nl) составила 17,93%, 30,36%, 32,76% и 18,95% соответственно. Основываясь на этом результате, можно легко отметить, что содержание мелких частиц (FC) имеет наиболее значительное влияние на прогнозируемый CRR.

Рис. 11. Влияние содержания мелких частиц на сопротивление разжижению смесей непластичных мелких частиц при постоянных значениях общего коэффициента пустотности и CSR = 0,23 (Xenaki and Athanasopoulos, 2003).

Рис. 12. Влияние содержания мелких частиц в зависимости от коэффициента циклического сопротивления (CRR) с постоянной относительной плотностью (Базиар и Шарафи, 2011).

Таблица 4. Веса соединений и относительная важность емкости почвы ИНС Модель 2, рассчитанная с помощью метода Гарсона (1991).

Прогнозируемые значения CRR с использованием новой модели для песков и илистых песков также хорошо согласуются с данными, полученными в результате испытаний физической модели, демонстрируя, что модель способна эффективно улавливать характеристики сопротивления разжижению. Модель ИНС дала коэффициенты детерминации (R2), равные 0,9 для всех данных элементных тестов, а также данных валидационных тестов.

Входные параметры модели были разделены на три группы: плотность межкристаллитного контакта (σ ‘, среднее значение , Dr), содержание мелких частиц (FC) и циклическое нагружение (Nl).Общие значения относительной важности для этих трех категорий составили 48,29%, 32,76% и 18,95% соответственно. Представленные здесь результаты показали приемлемую производительность модели ИНС в прогнозировании значений коэффициента циклической стойкости почвенной системы для возникновения разжижения. Таким образом, можно сделать вывод, что, хотя методы ИНС не имеют фундаментальной связи с откликом почвы с механистической точки зрения, результаты, представленные здесь, ясно продемонстрировали, что предложенные модели ИНС подходят для использования в качестве инструмента быстрой интерполяции / экстраполяции для понимания взаимосвязь между CRR и эффективными параметрами для оценки разжижения.

Ссылки

  1. Хайкин С. (1999) Нейронные сети: комплексное основание, Прентис-Холл, Энглвуд-Клиффс, 161-187.
  2. Али, Х. и Наджар, Ю. (1999) Подход на основе нейросетей для оценки потенциала разжижения почв. Отчет об исследованиях в области транспорта 1633, Совет по исследованиям в области транспорта, Вашингтон, округ Колумбия, 3-8.
  3. Габусси Дж. (1992) Возможные применения нейробиологических вычислительных моделей в геотехнической инженерии. В: Панде, Г. и Петрушезак, С., Редакторы, Численные модели в геотехнике, Роттердам, Нидерланды, 543-555.
  4. Goh, A.T.C. (1996) Нейросетевое моделирование данных сейсмического разжижения CPT. Журнал геотехнической инженерии, 122, 70-73. http: ///dx.doi.org/10.1061/ (ASCE) 0733-9410 (1996) 122: 1 (70)
  5. Kiefa, M.A.A. (1998) Нейронные сети общей регрессии для забивных свай в несвязных грунтах. Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии, 124, 1177-1185. http: ///dx.doi.org/10.1061/ (ASCE) 1090-0241 (1998) 124: 12 (1177)
  6. Куруп, П.У., Дудани Н.К. (2002) Нейронные сети для профилирования истории напряжений глин по данным PCPT. Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии, 128, 569-579. http: ///dx.doi.org/10.1061/ (ASCE) 1090-0241 (2002) 128: 7 (569)
  7. Baziar, M.H. и Нилипур, Н. (2003) Оценка потенциала разжижения с использованием нейронных сетей и результатов CPT. Динамика почвы и инженерия землетрясений, 23, 631-636. http: ///dx.doi.org/10.1016/S0267-7261 (03) 00068-X
  8. Baziar, M.H. и Горбани А.(2005) Оценка бокового распространения с использованием искусственных нейронных сетей. Динамика почвы и инженерия землетрясений, 25, 1-9. http: ///dx.doi.org/10.1016/j.soildyn.2004.09.001
  9. Baziar, M.H. и Джафариан Ю. (2007) Оценка срабатывания сжижения с использованием концепции энергии деформации и модели ИНС: Энергия мощности. Динамика почвы и инженерия землетрясений, 27, 1056-1072. http: ///dx.doi.org/10.1016/j.soildyn.2007.03.007
  10. Juang, C.H., Yuan, H., Lee, D.-H. и Лин, П.-С. (2003) Упрощенный метод испытаний на проникновение конуса для оценки сопротивления почв разжижению.Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии, 129, 66-80. http: ///dx.doi.org/10.1061/ (ASCE) 1090-0241 (2003) 129: 1 (66)
  11. Рахман, М.С. и Вунг Дж. (2001) Прогнозирование фракции сжижения с использованием модели нечеткой нейронной сети на основе SPT. Материалы 15-й Международной конференции по механике грунтов и инженерно-геологическому проектированию, Стамбул, 27-31 августа 2001 г.
  12. Seed, H.B. и Idriss, I.M. (1971) Упрощенная процедура оценки потенциала разжижения грунта. Журнал отдела механики грунтов и оснований, 97, 1249-1273.
  13. Лян, Л. (1995) Разработка энергетического метода для оценки потенциала разжижения почвенных отложений. Кандидат наук. Диссертация, факультет гражданского строительства, Западный резервный университет Кейс, Кливленд.
  14. Ким Ю.-С. и Ким Б.-Т. (2006) Использование искусственных нейронных сетей в прогнозировании устойчивости песков к разжижению. Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии, 132, 1502-1504. http: ///dx.doi.org/10.1061/ (ASCE) 1090-0241 (2006) 132: 11 (1502)
  15. Шарафи, Х.(2010) Оценка потенциала сжиженной фракции и вызванного землетрясением избыточного порового давления в илистых почвах с использованием энергетических мер. Кандидат наук. Диссертация, Школа гражданского строительства, Иранский университет науки и технологий, Тегеран.
  16. Базиар, М. и Шарафи, Х. (2011) Оценка потенциала разжижения илистого песка с использованием полых торсионных испытаний — энергетический подход. Динамика почвы и инженерия землетрясений, 31, 857-865. http: ///dx.doi.org/10.1016/j.soildyn.2010.12.014
  17. Базиар, М.Х., Шахназари Х. и Шарафи Х. (2011) Лабораторное исследование модели создания порового давления для илистых песков Фирузку с использованием полого теста на кручение. Международный журнал гражданского строительства, 9, 126-134.
  18. Грин, Р.А. (2001) Энергетическая оценка и восстановление сжиженных почв. Кандидат наук. Диссертация, Политехнический институт Вирджинии и Государственный университет, Блэксбург.
  19. Ксенаки, В. и Афанасопулос, Г.А. (2003) Сопротивление разжижению песчано-иловых смесей: экспериментальное исследование влияния мелких частиц.Динамика почвы и инженерия землетрясений, 23, 183-194. http: ///dx.doi.org/10.1016/S0267-7261 (02) 00210-5
  20. Канагалингам, Т. (2006) Устойчивость гранулированных смесей к сжижению на основе соображений контактной плотности и энергии. Кандидат наук. Диссертация, Государственный университет Нью-Йорка в Буффало, Буффало.
  21. Чжоу, Я.-Г. и Чен, Ю.-М. (2007) Лабораторные исследования по оценке стойкости песчаных грунтов к действию лития по скорости сдвиговой волны. J Soil Dyn Earthquake Eng, 21.
  22. Houng, Y.-Т., Хуанг, А.-Б., Куо, Ю.-Ч. и Цай, М.-Д. (2004) Лабораторное исследование недренированной прочности илистого песка из Центрально-Западного Тайваня. Динамика почвы и инженерия землетрясений, 24, 733-743. http: ///dx.doi.org/10.1016/j.soildyn.2004.06.013
  23. Silver, ML, Chan, CK, Ladd, RS, Lee, KL, Tiedemann, DA, Townsend, FC, Valera, JE и Уилсон, Дж. (1976) Циклическая трехосная прочность стандартного испытательного песка. Журнал инженерно-геологического отдела, 102, 511-523.
  24. Карраро, Дж.А.Х., Бандини, П. и Сальгадо, Р. (2003) Сопротивление разжижению чистых и непластичных илистых песков на основе сопротивления проникновению конуса. Журнал инженерно-геологического отдела, 129, 965-976. http: ///dx.doi.org/10.1061/ (ASCE) 1090-0241 (2003) 129: 11 (965)
  25. Амини, Ф. и Ци, Г.З. (2000) Испытания на разжижение слоистых илистых песков. Журнал инженерно-геологического отдела, 126, 208-217. http: ///dx.doi.org/10.1061/ (ASCE) 1090-0241 (2000) 126: 3 (208)
  26. Диф, Х.М. (2000) Оценка потенциала разжижения почв энергетическим методом в центрифуге. Кандидат наук. Диссертация, факультет гражданского строительства, Западный резервный университет Кейс, Кливленд.
  27. Исихара, К. и Ясуда, С. (1975) Разжижение песка при кручении полого цилиндра при нерегулярном возбуждении. Почвы и фундаменты, 15, 45-59. http: ///dx.doi.org/10.3208/sandf1972.15.45
  28. Лэйд, П.В. и Ямамуро, Дж. (1997) Влияние непластической мелочи на статическое разжижение песков.Канадский геотехнический журнал, 34, 918-928. http: ///dx.doi.org/10.1139/t97-052
  29. Теванаягам С., Равишанкар К. и Мохан С. (1997) Влияние мелких частиц на прочность на монотонный недренированный сдвиг песчаных грунтов. Журнал геотехнических испытаний, 20, 394-406. http: ///dx.doi.org/10.1520/GTJ10406J
  30. Теванаягам С. (1998) Влияние мелких частиц и ограничивающего напряжения на сопротивление недренированному сдвигу илистых песков. Журнал инженерно-геологического отдела, 124, 479-491. http: ///dx.doi.org/10.1061 / (ASCE) 1090-0241 (1998) 124: 6 (479)
  31. Кестер, Дж. П. (1994) Влияние мелкого типа и содержания на циклическую прочность. Наземные отказы в сейсмических условиях. Специальная геотехническая публикация, № 44, 330-345.
  32. Хазирбаба, К. (2005) Характеристики порового давления песков и илистых песков: деформационный подход. Кандидат наук. Диссертация, Техасский университет в Остине, Остин.
  33. Polito, C.P. (1999) Влияние непластичных и пластиковых мелких частиц на разжижение песчаных грунтов.Кандидат наук. Диссертация, Политехнический институт Вирджинии и Государственный университет, Блэксбург.
  34. Polito, C.P. и Мартин II, Дж. Р. (2001) Влияние непластической мелочи на сопротивление песков сжижению. Журнал инженерно-геологического отдела, 127, 408-415. http: ///dx.doi.org/10.1061/ (ASCE) 1090-0241 (2001) 127: 5 (408)
  35. Ли, К.Л. и Сид, H.B. (1967) Циклические стрессовые условия, вызывающие разжижение песка. Журнал отдела механики грунтов и оснований, 93, 47-70.
  36. Гарсон, Г.Д. (1991) Интерпретация весов соединений нейронных сетей. AI Expert, 6, 47-51.

ПРИМЕЧАНИЯ

* Автор, ответственный за переписку.

Влияние непластической мелочи на сопротивление конуса в илистых песках — Департамент гражданского, структурного и экологического проектирования

Аспирант: Цици Хуанг

Дата публикации: 2015

Советник: Sabanayagam

Реферат: Влияние непластической мелочи на конусообразную и циклическую стойкость песков и илистых песков остается нерешенной проблемой.В данном исследовании основное внимание уделяется: (а) экспериментальному исследованию конусного пенетрометра по сопротивлению проникновению песков и илистых песков при содержании ила 15 и 25%, (б) числовому исследованию влияния проницаемости и сжимаемости (представляющего влияние содержания ила), диаметр конуса (d c ) и скорость проникновения (v) на сопротивление конуса в песках и илистых песках, и (c) сравнительный анализ результатов (a) и (b) влияния содержания ила на сопротивление конуса через безразмерный параметр T o (= vd c / cv , где v — скорость проходки, d c — диаметр конуса и c v — коэффициент уплотнения) для всех грунтов на такое же эквивалентное соотношение межкристаллитных пустот [(e c ) eq ] или относительная плотность [(D rc ) eq ].

Как в экспериментальных, так и в численных исследованиях насыщенных песков и илистых песков нормированное сопротивление конуса (q c1N ) уменьшалось с увеличением содержания ила, при том же [(D rc ) eq ] от 0 до 25%. Однако это влияние содержания ила на сопротивление проникновению отсутствовало для сухих песков и илистых песков в том же [(D rc ) eq ]. Считается, что разница в сопротивлении конуса в насыщенных песках и илистых песках связана с частичным дренажом, происходящим в насыщенных илистых песках, тогда как процесс проникновения считается почти дренированным в насыщенных песках.В случае сухих грунтов это влияние порового давления отсутствует, и, следовательно, такое же сопротивление проникновению наблюдается в песках и илистых песках. Это указывает на важное влияние порового давления и скорости его рассеяния, в зависимости от содержания ила, на сопротивление конуса.

Как экспериментальные данные, так и численные результаты показывают, что для одного и того же (D rc ) eq q c1N уменьшается по мере увеличения T o , что подразумевает уменьшение cv (или увеличение содержания ила), поскольку перехода процесса пенетрации из дренированного в частично дренированное или даже недренированное состояние.Кроме того, численный анализ показывает, что v и d c также влияют на q c1N в илистых песках. q c1N уменьшается с увеличением v или d c увеличивается (T o увеличивается) в частично осушенном состоянии. Поскольку содержание мелких частиц не является единственным фактором, влияющим на сопротивление конуса, была предложена зависимость T o между коэффициентом циклического сопротивления (CRR) и q c1N для песков и илистых песков. Необходимы дальнейшие исследования для оценки и проверки такой процедуры с использованием полевых данных и испытаний физической модели.

Различные типы почв — песок, ил, глина и суглинок

🕑 Время чтения: 1 минута

Почву можно определить по-разному. В гражданском строительстве почва представляет собой естественные рыхлые / несцементированные / слабоцементированные / относительно неконсолидированные минеральные частицы, органические или неорганические по своему характеру, лежащие над коренной породой, образованной в результате выветривания горных пород. Почва состоит из различных частиц, таких как гравий, камень, песок, ил, глина, суглинок и перегной.

Рис. 1: Песок ил и глина.

В этой статье мы обсуждаем свойства, характеристики, размер, форму и составные части почв наименьшего размера, а именно песок, ил, глина и суглинок.

1. Песок Это наиболее широко используемый строительный материал. Он состоит из частиц породы и твердых минералов, таких как диоксид кремния. Это самый крупный тип частиц почвы, каждая частица которого видна невооруженным глазом. Большой, относительно стабильный размер песчинок увеличивает аэрацию почвы, улучшает дренаж плотных почв и создает свойства, способствующие росту растений, или наклон.

Рис.2: Песок

Размер частиц конечно песка колеблется от 2 до 4,75 мм, среднего песка от 0,425 до 2 мм и мелкого песка от 0,075 до 0,425 мм. Более крупный размер частиц песка придает влажной или сухой песчаной почве зернистую текстуру, когда вы растираете ее между пальцами, и делает почву легкой и рассыпчатой, даже когда вы пытаетесь склеить ее в руке. Форма частиц бывает угловатой, субугловой, округлой, плоской или удлиненной. Текстура шероховатая, гладкая или полированная.

2.Ил Ил — это осадочный материал с промежуточным размером между песком и глиной. Уносится водой во время паводков, образует плодородные отложения на дне долин. Размер частиц ила колеблется от 0,002 до 0,06 мм.

Рис. 3: Ил во влажном состоянии

Ил — непластичный материал или материал с низкой пластичностью из-за его крупности. Из-за своей тонкости во влажном состоянии он превращается в гладкую грязь, которую вы можете легко формовать в шарики или другую форму в руке, а когда ил очень влажный, он легко смешивается с водой, образуя мелкие жидкие лужи грязи.

3. Глина Частицы глины — самые мелкие из всех частиц почвы, их размер меньше 0,002 мм. Он состоит из микроскопических и субмикроскопических частиц, полученных в результате химического разложения горных пород. Глина — это мелкозернистый связный грунт. Они легко склеиваются и образуют липкую или липкую консистенцию, когда они влажные или сухие.

Рис. 4: Глина при смешивании с водой

Глина состоит из более чем 25 процентов глины, и из-за зазоров между частицами глины глинистые почвы содержат большое количество воды.Глина расширяется при контакте с водой и дает усадку при высыхании. По сравнению с частицами песка, которые обычно имеют круглую форму, частицы глины тонкие, плоские и покрыты крошечными пластинками. Органическая глина хорошо сжимается, а ее прочность в сухом состоянии очень высока, поэтому ее используют в строительстве в качестве раствора для грязи.

4. Суглинок Суглинок представляет собой смесь глины, песка и ила и обладает свойствами этих трех различных текстур, способствуя удержанию воды, циркуляции воздуха, дренажу и плодородию.Эти почвы плодородны, с ними легко работать, и они обеспечивают хороший дренаж. В зависимости от преобладающего состава они могут быть супесчаными или супесчаными.

About Author


alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *