Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Прочность и деформируемость грунтов

111

(ж)

Рис. 2.77. Результаты испытания переуплотненной глины (Lee, 1988):

а – кривая зависимости «нагрузка – перемещение»; б – зависимость роста длины трещины

от нагрузки; в – зависимость параметра податливости от длины трещины; г – скорость

изменения параметра податливости в зависимости от длины трещины; д – изменение

критического значения параметра высвобождения энергии в зависимости от длиной

трещины; е – схема нагружения плоского образца; ж – прибор для испытания образцов на

разрыв

Глава 2

112

разрушения наблюдается образование локальных трещин, соответствующих

первой моде разрушения. Возрастание глинистой фракции приводит к иному

характеру разрушения. На снимках четко видна ограниченная зона разA

рушения с соседними тонкими зонами повреждения, переходящими в

первоначальную структуру. Зона разрушения при возрастании глинистой

фракции значительно сужается. Однако общим является то, что в зоне

разрушения происходит переориентация частиц вследствие развития дефорA

маций сдвига и образование микротрещин (С. Вялов, 1978).

Таким образом, результаты исследований показывают на непpеpывный

характер разрушения глинистого грунта. Разрушение глины связано непоA

средственно с ростом дефектов (открытие и закрытие пор, образование

микротрещин и магистральных трещин), причем полное разрушение

наступает лишь при определенной степени их развития.

113

Глава 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ

С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ИХ ПРОЧНОСТНЫХ

И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

3.1. Выбор типа испытаний

Выбор типа лабораторных испытаний и их объема определяется в

основном опытом инженера геотехника. Следующие минимальные критерии

могут быть использованы при составлении программы лабораторных

испытаний:

Тип проекта (здание жилое или промышленное, мост, насыпь,

подпорная стенка и т.п., рис. 3.1, 3.2).

Размер проектируемого объекта.

Величина нагрузок, которые предполагается передать на основание.

Тип нагрузки: статическая, динамическая.

Ограничения по предельным состояниям: несущая способность и

деформация основания.

Точность построения профиля грунта с выделением отдельных

инженерноAгеологических элементов.

Особенности грунтов (лессовые, набухающие, вечномерзлые и т.п.).

Результаты полевых исследований и лабораторных испытаний должны

дать достаточно надежное представление о профиле грунтовой толщи и

параметрах, необходимых для проектирования зданий или сооружений.

Рис. 3.1. Глубина полевых исследований для оценки устойчивости откосов

Глава 3

114

Рис. 3.2. Глубина полевых исследований для проектирования фундаментов

В табл. 3.1, 3.2, 3.3 приведены основные типы механических и физических

испытаний образцов грунта в лабораторных условиях, которые рекоменA

дованы стандартами США и России.

Испытания грунтов в лабораторных условиях проводятся с целью опреA

деления их физических и механических характеристик. Методика проведения

большинства подобных испытаний регламентирована ГОСТ 121248A96

Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и

деформируемости». В некоторых случаях, для определенного класса моделей

грунтов, в действующих ГОСТ отсутствуют рекомендации по определению

параметров (механических характеристик) этих моделей. В частности, ГОСТ

12248A96,

который объединил в себе ранее действующие ГОСТ 12248A78,

17245A79,

приведена методика определения параметров прочности для

условия прочности Мора – Кулона (разделы 5.1, 5.3 и Мизеса – Боткина,

(

приложение И) и параметров деформируемости для расчета линейноA

упругого поведения грунта без рекомендаций по определению модуля

деформации при разгрузке или циклическом ее действии.

В табл. 3.4A3.8 приведены прочностные и деформационные характеA

ристики грунтов, рекомендуемые к определению ГОСТ 12248A96 для

немерзлых и мерзлых грунтов. Для каждого метода испытаний необходимы

соответствующие схемы, которые показаны в табл. 3.9, а реализуемые условия

нагружения образцов грунта – на рис. 3.5.

Механические испытания грунтов

115

Таблица 3.1

Методы испытания грунтов в лабораторных условиях

Тип испытания Наименование испытания AASHTO ASTM ГОСТ

1 2 3 4 5

Визуальная

идентификация

Руководство по описанию и иденA

тификации грунтов

D 2488 A

Руководство по описанию мерзлых грунтов A D 4083 A

КлассифиA

кационные

показатели

и физические

свойства

Метод определения влажности Т 265 D 2216 5180A84

Метод определения плотности частиц

грунт

T 100 D854,

D5550

5180A84

Метод определения гранулометрического

состав грунтов

T 88 D 242 12536A79

Метод классификации грунтов для

инженерных задач

M 145 D 2487,

D3282

25100A82

Метод определения количества частиц

грунта менее чем 75 мкр.

D 1140

Метод определения предела пластичности,

предела текучести и индексов

пластичности

T 89, T90 D 4318 5180A84

Метод лабораторного определения

максимальной плотности

22733A77

Cжимаемость Метод лабораторного определения хаA

рактеристик сжимаемости при давлении до

600 кПа

T 99 D 698 12248A96

Метод лабораторного определения харакA

теристик сжимаемости при давлении до

2700 кП

T 180 D 1557

Метод лабораторного определения

характеристик просадочности

23161A78

Метод лабораторного определения

характеристик набухания и усадки

24143A80

Прочностные

свойства

Метод определения прочности связных

грунтов при одноосном сжатии

T 208 D 2166 12248A96

Метод определения неконсолидированной,

недренированной прочности связных

грунтов в условиях трехосного сжатия

T 296 D 2850 12248A96

Метод определения консолидированной,

консолидированноAнедренированной

прочности связных грунтов в условиях

трехосного сжатия

T 297 D 4767 12248A96

Метод прямого среза грунтов в консоA

лидированноAдренированных условиях

T 236 D 3080 12248A96

Метод лабораторного испытания крыльA

чаткой водонасыщенных мелкозернистых

глинистых грунтов

A D 4648 A

Метод определения модулей упругости и

затухания грунтов с использованием метода

резонантной колонны

A D 4015 A

Метод определения модуля разгрузки Т 294 A A

Глава 3

116

Окончание табл. 3.1

1 2 3 4 5

Прочностные

свойства

Метод определения коэффициента

несущей способности (CBR) предваA

рительно уплотненных грунтов

A D 1883 A

Метод определения значения сопроA

тивления R и давления расширения

предварительно уплотненных грунтов

T 190 D 2844

Свойства при

консолидации и

разгрузке

Метод определения характеристик конA

солидации в условиях одномерной деA

формации при нагружении ступенями

T 216 D 2435 12248A96

Метод определения характеристик конA

солидации в условиях одномерной деA

формации при непрерывном нагруA

жении

A D 4186 A

Метод определения характеристик при

разгрузке или осадке связных грунтов

T 258 D 4546 A

Метод измерения потенциала

разрушения грунтов

A D 5333 A

ВодопрониA

цаемость

Метод определения фильтрационных

свойств сыпучих грунтов

T 215 D 2434 25584A83

Метод измерения гидравлической проA

водимости водонасыщенных пористых

материалов в приборе с гибкими и

жесткими стенками

A D 5084 A

Коррозионная

активность

Метод определения рН для торфа A D 2976 A

Метод определения рН для грунтов A D 4972 A

Метод определения рН грунтов для

использования в коррозионных испыA

таниях

T 289 G 51 A

Метод определения сульфатов T 290 D 4230 A

Метод определения удельного сопроA

тивления

T 288 D 1125,

G57

Метод определения содержания

хлоридов

T 291 D 512

Содержание

органики

Метод определения влажности,

зольности и органических остатков в

торфе и других органических грунтах

T 194 В 2974 7302A73

10650A72

11306A83

Отбор образцов Отбор, упаковка, транспортирование и

хранение образцов

12071A84

Механические испытания грунтов

117

Таблица 3.2

Методы определения физических

и классификационных характеристик грунтов

Испытания Процедура Вид грунтов

Определяемые

параметры и

свойства грунтов

Ограничения

Влажность Высушивание грунта

при температуре 100±5°С

Гравелистые,

песчаные,

глинистые,

торф

– коэффициент

пористости;

γ – удельный вес

грунт

Возможность

разрушения

органических

веществ

Пределы

пластичности

Определение весовым

методом влажности на

границе текучести w

влажности на границе

раскатывания w

Глинистые

грунты

КлассификаA

ционные

показатели

, I

Неприменим для

сыпучих грунтов.

Условность метоA

дики определения

Ситовый

анализ

Просеивание навески

грунта через набор сит с

разделением на соответA

ствующий диаметр

Гравелистые и

песчаные

грунты

Классификация

сыпучих грунтов

Неприменим для

глинистых грунA

тов

Отмучивание

в воде

Подготовка суспензии и

выделение фракций

через сито с отверстиями

0,1 мм

Глинистые

грунты

Классификация

глинистых грунтов

Сложность

выделения

фракции менее

0,1 мм

Ареометричес

кий

Измерение плотности

суспензии

Глинистые

грунты

Классификация

глинистых грунтов

Применим для

определения

фракции

диметром менее

0,25 мм

Метод

окрашивания

Окрашивание глинистых

грунтов органическими

красителями и определеA

ние цвета суспензии

Глинистые и

песчаноA

глинистые

грунты

Классификация

грунтов

Неприменим для

песчаных грунтов

Удельный вес

частиц

Вес сухой навески грунта

сравнивают с известным

объемом

воды в пикнометре

Песчаные и

глинистые

грунты, торф

Используется при

определении

коэффициента

пористости

Плотность

частиц

Определение веса едиA

ницы объема грунта

В грунтах, где

могут быть

отобраны

образцы

Используется при

вычислении e

, S

, γ

взв

Погрешность в

определении для

сыпучих грунтов

Содержание

органических

веществ

После определения

влажности при 110 °C

образец прокаливается в

муфельной печи при 440

°C и выполняется

измерение изменения

веса

Все типы

грунтов с

содержанием

органики

Не используется

при определении

параметров грунA

тов, но большое

содержание

органики

свидетельствует о

высокой сжимаеA

мости

Рекомендуется

для всех видов

грунтов с содерA

жанием органиA

ческих материаA

лов

Глава 3

118

Таблица 3.3

Методы определения механических характеристик грунтов

Испытания Процедура Вид грунтов

ХарактеA

ристики

грунтов

Ограничения

1 2 3 4 5

КомпресA

сионное

сжатие

Нагрузка прикладывается

ступенями к образцу грунта,

который находится в жестком

кольце; значения деформации

записываются во времени; наA

грузка обычно удваивается на

каждой ступени и сохраняется

до стабилизации или в течеA

ние 24 часов на каждой

ступени нагружения

В большинстве

случаев супеA

си, суглинки,

глины, в

меньшей стеA

пени песчаные

грунты

′

σ ,,,

OCR m

cck

ПреимущественAно

для мелкозернистых

грунтов.

Результаты могут

быть использованы

для определения

других характеристик

грунтов

Испытания в

компресA

сионном

приборе с

постоянной

скоростью

деформации

Нагрузка прикладывается

непрерывно таким образом,

чтобы

uΔ

находилось в

интервале между 3 и 30%

приложенного нормального

давления в течение

испытания

Глинистые

грунты. НеA

применим для

сыпучих

грунтов

′

σ ,,

Требуется специальA

ное оборудование, но

испытания

проводятся быстрее

Одноосное

сжатие

Торцы образца нагружаются

вертикальной нагрузкой при

ненагруженной боковой

поверхности

Глинистые

грунты в

тугопластичA

ном или

твердом

состоянии

Испытания позволяют

определить

недренированную

прочность. Влияние

скорости деформации,

дренирования,

наличие дефектов при

подготовке образцов

НеконсолиA

дированноA

недренироA

ванное

трехосное

сжатие

Образец нагружается быстро

при консолидации

(

всестороннее сжатие) и при

сдвиге (девиатор напряA

жений) при отсутствии

дренирования

Глинистые

грунты

Образцы должны быть

водонасыщены.

Скорость нагружения и

дефекты структуры

влияют на результаты

КонсолиA

дированоA

дренироA

ванное трехA

осное сжатие

Образец уплотняется при

всестороннем сжатии (дреA

нирование) и затем сдвиA

гается со скоростью, при

которой не возрастает

поровое давление

Песчаные и

глинистые

грунты

,,cE

Длительные испыA

тания. Проводятся

преимущественно для

определения деA

формационных

характеристик:

,,,EKG

Механические испытания грунтов

119

Окончание табл. 3.3

1 2 3 4 5

КонсолиA

дированноA

недренироA

ванное

трехосное

сжатие

Образец уплотняется при

всестороннем сжатии (дреA

нирование), затем сдвигается

без дренирования с

измерением порового

давления

Песчаные и

глинистые

грунты, торф

,,cE

′′

– в

эффективных

напряжениях

,,cE

– в

полных

напряA

жениях

Рекомендуется изA

мерение порового

давления в течение

опыта. Испытания

полезны для

определения параA

метров прочности в

эффективных наA

пряжениях (

,)c

′′

Не применяются

для определения

деформационных

свойств

Прямой

(

одноплоскос

тной

) срез

Образец сдвигается по

фиксированной плоскости с

постоянной скоростью,

которая является функцией

проницаемости грунта

Уплотненные

грунты: песок,

гравий и

глинистые

грунты

max

rest

Практически отA

сутствуют условия

дренирования.

Дешевые испытаA

ния

Образец сдвигается по

фиксированной плоскости с

нагружением ступенями и

дренированием

Глинистые

грунты

Применимы для

случая медленного

нагружения осноA

вания. Испытания

длительные

ФильтраA

ционные

испытания

Образец в резиновой обоA

лочке, консолидируется

всесторонним давлением,

прикладывается обратное

давление (градиент) и измеA

ряется количество проA

ходящей воды во времени

СлабопроA

ницаемые

глинистые

грунты (k≤1×10

см/с)

Рекомендуются для

пылевато глиA

нистых грунтов.

Требуется водонаA

сыщение под обратA

ным давлением.

Необходимо время

для начала

фильтрации

Образец находится в приборе

с жесткими стенками,

прикладывается вертикальное

давление и измеряется

количество проходящей воды

во времени при постоянном

напоре

Супеси

, пески,

гравелистые

грунты с отноA

сительной выA

сокой прониA

цаемостью

Необходимо

контролировать

градиент напора.

Неприменим для

суглинков и глин

Для определения всех характеристик согласно ГОСТ необходимо исA

пользовать несколько приборов: одноосного сжатия, одноплоскостного среза,

компрессионного сжатия и трехосного осесимметричного сжатия (стабиA

лометр). Однако все эти характеристики могут быть получены при провеA

дении испытаний в одном приборе – стабилометре – как для немерзлых, так

и мерзлых грунтов.

Глава 3

120

Таблица 3.4

Механические характеристики песчаных

и пылеватоAглинистых грунтов (ГОСТ 12248A96)

Метод

испытания

Наименование определяемых характеристик

деформационные прочностные

МПа

кПа

max

град.

Одноосное

сжатие

+ + +

ОдноплоскостA

ной срез

+ + + + +

КомпрессионA

ное сжатие

+ +

Трехосное

сжатие

+ + + + + + + + + + + +

КомпрессионA

ное сжатие с

измерением

боковых напряA

жений

+ + + + + +

Таблица 3.5

Механические характеристики мерзлых грунтов

(

ГОСТ 12248A96)

Метод

испытания

Наименование определяемых характеристик

кПа

, R

, кПа

A v E,

МПа

, m,

1/МПа

, R

кПа

Одноосное

сжатие

+ + + + +

ОдноплоскостA

ной срез

Компрессионное

сжатие

+ +

Шариковый

штамп

Трехосное сжатие + + +