РАБОТА 11

Определение прочностных характеристик пылевато-глинистого грунта в срезном приборе (ГОСТ 12248-96)

Характеристики прочности грунта используются для расчетов как по первой (I) группе предельных состояний (т.е. по несущей способности), так и по второй (II) группе предельных состояний (т.е. по деформациям). В расчетах по деформациям прочностные характеристики используют для определения, так называемого расчетного сопротивления грунта основания R, т.е. такого вертикального давления на него, при котором грунт еще можно рассматривать в качестве линейно-деформируемой среды, а значит применять для вычисления деформаций модели Фусса-Винклера или Гука (см. работу 10).

В расчетах по несущей способности прочностные характеристики грунтов используются для определения предельного сопротивления грунта основания , давления грунтов на ограждения и подземные сооружения, а также для исследования устойчивости откосов.

Ниже на примере графика з(см. рис. 12) зависимости осадки фундамента от действующего на грунт среднего по подошве фундамента давления поясняется различие между величинами R и .

давление

осадка

Рис. 12. График зависимости осадки фундамента от действующего на грунт среднего по подошве фундамента давления

Здесь

R – расчетное сопротивление грунта основания (предел линейной его деформации);

– предельное сопротивление грунта основания.

Одной из наиболее простых и, в то же время, достаточно точной, а потому наиболее часто используемой моделью разрушения грунта (моделью прочности) является модель Мора -Кулона. В соответствии с теорией прочности Мора разрушение образца любого материала наступает в результате незатухающего сдвига частиц материала относительно друг друга по так называемым площадкам сдвига. Это смещение возникает только при достижении определенного соотношения между сдвигающими усилиями (касательными напряжениями τ) и вертикальным давлением (нормальными напряжениями р) на указанных площадках.

В 1773 г. Ш. Кулон сформулировал для песков эту зависимость следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов срезу есть сопротивление трению, пропорциональное давлению:

, (38)

где tgφ – коэффициент пропорциональности;

φ – угол внутреннего трения грунта.

Обобщая эту зависимость на глинистые (связные) грунты, сопротивление сдвигающим усилиям рассматривается как линейная функция от нормального давления, т.е. как сумма сопротивления трению, пропорционального нормальному к плоскости сдвига давлению р, и сопротивления сцеплению, не зависящего от давления:

, (39)

где с – удельное сцепление грунта.

В действительности сопротивление грунта срезу является сложным процессом и разграничение его на трение и на сцепление является довольно условным. Параметры tgφ и с зависимостей (38) и (39) аналогичны математическим параметрам а и b линейных функций y=ax; y=ax+b. На рис. 13 приведены графики зависимостей (38) и (39).

а) б)

Рис. 13. Графики предельного сопротивления срезу несвязного (а) и связного (б) грунтов

В лабораторных условиях испытания грунтов на срез проводятся методом среза по фиксированной плоскости в срезных приборах или методом раздавливания при трехосном напряженном состоянии в стабилометрах.

При испытаниях в лабораторном срезном приборе сдвиг частиц грунта происходит по фиксированной плоскости. Несколько образцов одного и того же грунта загружается различными по величине вертикальными давлениями р и сдвигаются плавным приложением горизонтальных сдвигающих усилий τ. Определение предельных значений τ_u производится не менее чем при трех различных значениях р по схеме, изображенной на рис. 14.

а) б) в)

1-я серия образцов

2-я серия образцов

3-я серия образцов

Рис. 14. Схема испытания грунта на срез в срезном приборе

Прибор одноплоскостного среза состоит из срезывающего устройства, пресса для создания вертикального давления и тягового устройства для создания горизонтального сдвигающего усилия.

На рис. 15 изображено срезывающее устройство срезного прибора. Вертикальное давление р передается на образец с подвески рычага пресса. Нагрузка на рычаг рассчитывается по формуле:

, кН (1,0 кгс=0,01 кН) (40)

где р – требуемое вертикальное давление на образец, кПа (1,0кгс/см²= 100 кПа)

А – площадь горизонтального сечения образца, м²;

k – передаточное число рычагов пресса.

Горизонтальное сдвигающее усилие передается на образец ступенями через тяговое рычажное устройство. Величина ступеней нагрузки на рычаг тягового устройства рассчитывается по формуле:

, кН (1кН=100кгс) (41)

где – величина ступени касательного усилия в плоскости среза образца, кПа (1кПа=100кгс);

А – площадь горизонтального сечения образца, м²;

k – передаточное число рычагов тягового устройства.

Рис. 15. Срезывающее устройство срезного прибора

Определение предельного сопротивления грунтов срезу производится двумя методами:

консолидированного среза;

неконсолидированного среза.

Метод консолидированного среза применяется для определения предельного сопротивления срезу в условиях стабилизированного состояния песчаных грунтов, а также глинистых с показателем консистенции I_L≤ 1, и коэффициентом пористости для супесей и суглинков е≤ 1 и для глин е≤ 1.5.

Испытания проводятся: для песчаных грунтов – на подготовленных в лаборатории образцах с заданной плотностью сложения и влажности или в условиях полного водонасыщения, а для глинистых грунтов – на образцах ненарушенного (природного) сложения при природной влажности или при полном водонасыщении.

Подготовленные таким образом образцы грунта предварительно уплотняются в специальном приборе – уплотнителе при нормальных давлениях р, при которых в последующем будет определяться сопротивление образцов срезу, т.е. 100, 200, 300 кПа.

Схема нагружения образцов грунта в уплотнителе практически совпадает со схемой нагружения грунта в компрессионном приборе (см. работу 10). Каждая ступень вертикального давления при уплотнении выдерживается до условной стабилизации вертикальных деформаций, критерии которой почти совпадают с аналогичными при компрессионных испытаниях (см. работу 10). При этом уплотнение образца может происходить в течение нескольких суток.

После выдержки в уплотнителе образец разгружается и быстро переносится в рабочем кольце в срезную коробку срезного прибора и закрепляется в ней. Далее на него устанавливается перфорированный штамп, производится регулировка механизмов загрузки, устанавливается зазор величиной (0,5…1,0) мм между подвижной и неподвижной частями срезной коробки и с помощью рычажного пресса одной ступенью передается вертикальная нагрузка.

Время выдержки вертикальной (нормальной) нагрузки составляет не менее:

для песчаных грунтов – 5мин.;

для супесей – 15мин.;

для суглинков и глин – 30мин.

После передачи вертикальной нагрузки устанавливается индикатор перемещений среза образца грунта. Затем на образец передается касательная нагрузка ступенями, величина которых составляет 5% от величины вертикальной нагрузки, при которой производится срез. После достижения условной стабилизации перемещений среза при данной ступени нагрузки передается следующая ступень касательной (сдвигающей) нагрузки. За условную стабилизацию деформаций среза принимается скорость перемещений среза, не превышающая 0.01 мм/мин. Испытание считается законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общее перемещение среза (по индикатору) превысит 5,0 мм. По замеренным в процессе испытания величинам перемещений среза , соответствующим различным напряжениями τ строится график зависимости . За сопротивление образца грунта сдвигу τ_u принимается максимальное значение τ на графике на отрезке , не превышающем 5,0 мм (см. рис. 16).

Рис. 16. График испытания грунта на срез

Метод неконсолидированного среза применяется для определения сопротивления срезу в условиях нестабилизированного состояния водонасыщенных суглинков и глин (при степени влажности S_r ≥ 0.85), имеющих показатель текучести I_L≤ 0.5. Испытания проводятся на образцах ненарушенного сложения.

Рабочее кольцо с грунтом помещается в срезную коробку и закрепляется в ней. Затем на образец устанавливается сплошной штамп, производится регулировка механизмов нагрузки, устанавливается зазор величиной (0,5…1,0) мм между подвижной и неподвижной частями срезной коробки, устанавливается индикатор перемещения среза. Нормальное давление р, при котором будет производиться срез образца, передается сразу в одну ступень. Величины р зависят от вида и состояния грунта и принимаются для глинистых грунтов с 0,5 ≤ I_L ≤ 1,0 в 50, 100, 150 кПа, а для илов и глинистых грунтов с I_L ≤ 1,0 в 25, 75, 125 кПа. Срез образца грунта производится не более чем за 2 мин. с момента приложения нормальной нагрузки. Величина ступеней касательной нагрузки не должна превышать 10% величины нормального давления, приложенного к образцу. Испытание считается законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общее перемещение среза (по индикатору) превысит 5,0 мм. Сопротивление образца грунта срезу вычисляется по формуле:

, (42)

где – максимально допустимая касательная нагрузка в плоскости среза, кН;

А – площадь горизонтального сечения образца, м².

, (43)

где – максимальный вес на рычаге тягового устройства, кН;

k – передаточное число рычагов тягового устройства.

Как при консолидированном, так и неконсолидированном срезах по данным испытаний на образцах грунта, вырезанных из одного и того же монолита и проведенных при трех различных значениях р, строится график зависимости (см. рис. 12). По графику определяется прочностные характеристики грунта – угол внутреннего трения φ, град. и удельное сцепление с, кПа (см. рис. 13).

Однако, при проектировании сооружений используются более точные значения φ и с, а именно нормативные и расчетные параметры, которые определяются по статическим формулам ГОСТ 20522-75 на основе испытаний не одного, а многих образцов данного вида грунта (инженерно-геологического элемента – ИГЭ):

; (44)

; (45)

; (46)

²; (47)

где знак Σ – сумма i значений от 1 до n;

n – количество испытаний.

Содержание работы

(неконсолидированный срез)

1. Предварительно подготовленное разрезное рабочее кольцо с грунтом (нижняя и верхняя плоскости образца грунта должны быть ровными и покрыты увлажненными кружками фильтрованной бумаги) поместить в подвижную часть срезной обоймы.

2. На дно неподвижной части срезной обоймы уложить перфорированный диск (широкой плоскостью вверх).

3. Установить подвижную часть срезной обоймы с рабочим кольцом на не подвижную часть так, чтобы образец грунта своей нижней плоскостью опирался на перфорированный диск неподвижной части обоймы.

4. Уложить сверху на образец перфорированный диск (широкой плоскостью вниз).

5. На диск установить коромысло рычажного пресса и прикрепить его к рычагу пресса, создающего вертикальное давление на образец.

6. Вставить установочный винт и закрепить его на стойках верхней части срезной коробки.

7. Установочным винтом установить зазор величиной (0,5…1,0) мм между подвижной и неподвижной частями срезной обоймы.

8. С помощью противовеса уравновесить рычаг пресса вертикального давления в горизонтальном положении закрепить его стопором.

9. Прикрепить тросик к тяговому коромыслу подвижной части срезной коробки.

10. Закрепить рычаг горизонтальной нагрузки стопором.

11. Установить в держателе индикатор горизонтальных перемещений. Ножку индикатора в максимально сжатом состоянии упереть в упорный столик. Установить стрелки индикатора в нулевое положение.

12. Записать в журнал испытаний (форма 21) данные по грунту и параметры срезного прибора:

– наименование грунта (из работы 3);

– площадь поперечного сечения образца А =40см²;

– передаточное число рычагов пресса k =10.

13. Поместить на рычаг пресса вертикального давления плоскую гирю массой 2 кг, создавая тем самым (с учетом соотношения плеч рычага 1:10 и площади образца А = 40 см²) давление на образец 50 кПа (0,5 кг/см²). Освободить рычажное устройство от стопора.

14. Для создания первой ступени горизонтальной нагрузки поместить на рычаг пресса горизонтальной нагрузки гирю массой 200 г (10% от вертикальной нагрузки). Приложение последующих ступеней той же величины должно следовать через (10…15) с. В начале и в конце каждой ступени горизонтальной нагрузки показания индикатора горизонтальных перемещений записывать в журнал испытаний (форма 21).

Испытания образца следует, считать законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общая деформация среза превысит 5,0 мм.

15. Записать в журнал максимальное сдвигающую нагрузку и вычислить сопротивление образца грунта срезу по формуле (42).

16. Произвести испытание еще на двух образцах при вертикальных давлениях 100 кПа (1,0 кгс/см²) и 150 кПа (1,5 кгс/см²).

17. Заполнить ведомость испытаний (форма 22) и построить график испытаний (форма 23).

18. Определить угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с по формулам (44-47). 19. Результаты записать в ведомость испытаний (форма 22).

ПРИЛОЖЕНИЯ