Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Механические испытания грунтов

121

Таблица 3.6

Механические характеристики просадочных грунтов (ГОСТ 23161A78)

Метод

испытания

Наименование определяемых характеристик

относительная просадочность,

пр

начальное просадочное

давление

пр

Компресссионное

сжатие

+ +

Таблица 3.7

Механические характеристики набухающих грунтов (ГОСТ 12248A96)

Метод

испытания

Наименование определяемых характеристик

свободное набухание δ, мм

давление набухания

, кПа

Компресссионное

сжатие

+ +

Трехосное сжатие + +

Таблица 3.8

Механические характеристики засоленных грунтов (ГОСТ 25585)

Метод

испытания

Наименование определяемых характеристик

относительное

суффозионное сжатие

начальное давление

суффозионного сжатия

, кПа

Компресссионное

сжатие

+ +

Трехосное сжатие + +

3.2. Эффект нарушения структуры при отборе

образцов грунта

При проходке скважин, отборе кернов, их извлечении из грунтоноса и

последующем вырезании из монолита необходимых для испытаний образцов

грунта происходят частичное разрушение структурных связей, разуплотнение

грунта при снятии бытовой нагрузки, образование трещин или разрывов.

Эффективные напряжения в образце после его извлечения на поверхность

практически равны нулю и их вновь необходимо создать в образце перед

началом механических испытаний, в какомAлибо приборе. На рис. 3.3

показано как изменяются напряжения в образце грунта, по мере того как он

извлекается из массива грунта (дано точкой А при испытании по схеме К

) и

подготавливается к испытаниям. На точке F бытовые напряжения в образце

стали значительно меньше, по сравнению с начальными (точка А); при этом

коэффициент пористости грунта стал более начального. Так как лабораA

торные образцы после вырезания из монолитов имеют больший коэфA

Глава 3

122

фициент пористости (меньшую плотность), чем в полевых условиях, то

результаты лабораторных испытаний будут давать меньшие значения

прочности и более высокую сжимаемость по сравнению с теми же грунтами

при их природной плотности сложения.

Описанные выше эффекты, наблюдающиеся при отборе образцов,

показывают каким образом необходимо проводить лабораторное определение

прочности грунтов в условиях неконсолидированноAнедренированного сдвиA

га (НН) и консолидированноAнедренированного сдвига (КН). Следует

заметить, что в КНAиспытаниях имеет место некоторое восстановление

разрушенной структуры и первоначального напряженного состояния, в то

время как на результатах НН будет сказываться влияние разрушения

структуры и изменения коэффициента пористости, так как в опытах отA

сутствует этап консолидации образца.

Рис. 3.3. Схема изменения напряженного состояния при отборе образцов грунта

(Ladd and Lambe, 1963):

АР – идеальный отбор образцов; АВ – проходка скважин; ВС – отбор монолита

грунтоносом; СD – извлечение из грунтоноса; DE – кавитация и перераспределение

влажности; EF – вырезка образца из монолита и размещение в камере трехосного сжатия

На рис. 3.4 показаны две компрессионные кривые, построенные по

результатам полевых и лабораторных испытаний. Начальное значение

коэффициента пористости (в массиве) отмечено точкой А. В неконA

солидированноAнедренированных испытаниях образцов с нарушенной

структурой это же значение коэффициента пористости соответствует точке В,

так как образец был разгружен от бытовых напряжений (σ′) до нуля. В

консолидированноAнедренированных испытаниях образец грунта с наруA

шенной структурой первоначально уплотняется до бытовых напряжений и

Механические испытания грунтов

123

коэффициент пористости после этого будет соответствовать точке С. Так как

прочность грунта является функцией коэффициента пористости (плотности и

иных свойств), то неконсолидированноAнедренированная прочность

оказывается меньше, а консолидированноAнедренированная прочность и

прочность, полученная в полевых испытаниях, будет больше. Таким образом,

неконсолидированноAнедренированные и консолидированноAнедрениA

рованные испытания не могут дать истинного значения прочности или

жесткости (модуль деформации), если образец при отборе деформирован

значительным образом, а в опытах не удалось восстановить разрушенную

структуру и природные эффективные напряжения. Однако, консолидиA

рованноAнедренированные испытания лучше неконсолидированноAнедреA

нированных испытаний, так как в них образец грунта испытывается в

условиях, близких к природным.

Рис. 3.4. Лабораторная (1) и полевая (2) компрессионные кривые

(Sabatini et al. 2003)

Дополнительное влияние на результаты испытаний будут оказывать

направление сдвига и скорость сдвига. Например, скорость деформации

сдвига в неконсолидированноAнедренированных испытаниях намного выше

скорости деформации сдвига в основании проектируемых сооружений.

Поэтому многие инженерыAгеотехники полагают, что значение недрениA

рованной прочности, полученное при испытании образцов в неконсолиA

дированноAнедренированных условиях, оказывается меньше величины

недренированной прочности, наблюдаемой в полевых условиях. Таким

образом, неконсолидированноAнедренированные испытания дают заниженA

ные значения прочности, что, однако, идет в запас прочности проектиA

руемого основания.

Глава 3

124

3.3. Условия нагружения образцов грунта

Характер деформации образцов грунта зависит как от конструкции

приборов, так и от условий их нагружения. Из рис. 3.5, а видно существенное

различие, наблюдаемое при нагружении образцов грунта в зависимости от

вида напряженного состояния. Первая кривая соответствует случаю

одномерной деформации, имеющей место в основании протяженных в плане

сооружений плотин, насыпей, дамб, в засыпке подпорных стен и т.п.

Подобный характер деформации можно реализовать в условиях

компрессионного сжатия (рис. 3.5, б).

(а) (б) (в) (г)

Рис. 3.5. Кривые зависимости «деформация – напряжение» для трех видов испытаний (а) и

схемы нагружения (б, в, г):

1 – компрессия; 2 – трехосное сжатие; 3 – одноосное сжатие

Зависимость 2 на рис. 3.5, а и схема нагружения, изображенная на

рис. 3.5, в, соответствуют случаю осесимметричной деформации, которая

имеет место в основании круглых или кольцевых в плане фундаментов. СооруA

жений подобных градирням, дымовым трубам, водонапорным башням и т.п.

Третий случай соответствует условиям одноосного нагружения (рис. 3.5,

г). Данное напряженное состояние, возникающее в образце грунта, не имеет

места в основании реальных фундаментов, а результаты испытаний испольA

зуются при определении прочности строительных материалов, скальных

пород и только одной разновидности грунтов – тугопластичных и твердых

глин с целью определения прочности на одноосное сжатие, модуля упругости

и коэффициента Пуассона.

3.4. Классификация типов испытаний

При испытаниях образцов грунта различными методами, такими, как

трехосное сжатие или расширение, плоская деформация, истинное трехосное

сжатие, сжатие с кручением, компрессионное сжатие, прямой срез, простой

или чистый сдвиг и др., в случае статического нагружения выполняется

контроль нормальных напряжений, в случае непрерывного (кинематиA

ческого) нагружения с заданной скоростью производится контроль дефорA

Механические испытания грунтов

125

мации. В первом случае на грани образца грунта прикладываются напряA

жения и измеряется деформация. Во втором случае задается деформация, а

напряжения измеряются. Эти нормальные напряжения принимаются равA

ными главным напряжениям, несмотря на их различия изAза сил трения

между нагрузочными штампами и образцом грунта. В этих методах испыA

таний вращение главных напряжений возможно только скачком на 90

градусов. Например, наибольшее напряжение

σ обычно принимается

вертикальным, но может быть приложено к образцу грунта горизонтально,

когда

σ=σ

. Результаты испытаний будут различными. В связи с тем что

нагружение образца грунта возможно тремя главными напряжениями

123

,,σσσ на взаимно перепендикулярных сторонах кубического образца

грунта, напряженное состояние, возникающее внутри образца, представляет

собой точку в пространстве главных напряжений. Это представление о

напряженном состоянии принято в механике сплошной среды. Фактически,

уменьшая размеры образца грунта, мы приближаемся к идеализированной

схеме напряженного состояния в точке рассматриваемой среды. Однако, если

мы будем уменьшать размеры образца, перед нами возникнет несколько

проблем. Первая из них – как сделать конструкцию данного прибора и вторая

–

природная неоднородность грунтов, которая исчезает с уменьшением

размеров образца.

(а) (б) (в) (г)

Рис. 3.6. Нормальные и главные напряжения:

а – декартова система координат; б – компоненты напряжений на гранях кубического

элемента среды; в – пространство главных напряжений; г – главные напряжения на гранях

элемента среды

В общем случае хотелось бы иметь устройство для испытания грунтов,

которое реализовывало бы общий случай нагружения в пространстве главных

напряжений с вращением главных осей. Однако этого сделать пока не

удалось; поэтому используются различные типы приборов, в которых

образцы грунта нагружаются соответствующим образом и вращение главных

осей напряжений отсутствует. В то же время при испытаниях полых

Глава 3

126

цилиндрических образцов на кручение удается реализовать нагружение с

вращением главных осей напряжений или деформаций.

В табл. 3.9 приведены наиболее часто применяемые условия нагружения

образцов грунта, реализуемые в приборах различной конструкции. Образцы

грунта могут иметь форму: куба, параллелепипеда, сплошного цилиндра,

полого цилиндра, сплошной или полой катушки.

Для случая истинного трехосного сжатия:

123

0σ≠σ≠σ≠

113

0ε≠ε≠ε≠ .

Таблица 3.9

Классификация методов испытаний

НаимеA

нование

Схема нагружения

σ−σ

Определяемые

параметры

Стандарты

1 2 3 4 5

Одноосное

сжатие

,,,

RE c

ГОСТ 12248A96

ASTM

D 2166

КомпресA

сионное

сжатие

,,, ,

,,,,

vstr

fsfslsl

sw sw

Ec c p

εε

ГОСТ 12248A96

ASTM

D2435, D4186

Прямой срез

ГОСТ 12248A96

ASTM

D3080

Механические испытания грунтов

127

Продолжение табл. 3.9

1 2 3 4 5

Трехосное

(

осесимA

метричное)

сжатие

123

σ>σ=σ

,,,,,

,,,,

EE GK

ξϕψ

ГОСТ 12248A96

ASTM

D4767,

D2850

Трехосное

(

осесимA

метричное)

расширение

123

σ=σ>σ

,,,,,

,,,,

EE GK

ξϕψ

Плоская

деформация

123

,σ>σ σ

123

,0ε>ε ε=

,,,,,

,,,,

EE GK

ξϕψ

Истинное

трехосное

сжатие

123

σ≠σ ≠σ

0 – 1

,,,,,

,,,,

EE GK

ξϕψ

Истинное

трехосное

сжатие.

Полые циA

линдрические

образцы.

123

σ≠σ ≠σ

,,,,,

,,,,

EE GK

ξϕψ

Сдвиг

кручением.

Равное или

различное

давление

внутри и

вне полого

образца

123

σ≠σ ≠σ

′′

0A1

,,,,,

,,,,

EE GK

ξϕψ

Глава 3

128

Окончание табл. 3.9

1 2 3 4 5

Сдвиг с

контролем

касательных

и нормальA

ных напряA

жений

0ω≠



0A1,0

,,,,,

,,,,

EE GK

ξϕψ

Простой

сдвиг

132

,0σ=σ σ=

ccϕ

Растяжение

321

σ=σ>σ

З.Г.ТерA

Мартиросян

Для случая плоской деформации:

123 13 2

0, 0, 0σ≠σ≠σ≠ ε≠ε≠ ε= .

Для случая осесимметричной деформации сжатия:

123

,σ>σ=σ

123

ε>ε=επ.

Для случая одноосного сжатия:

123123

0, 0;σ≠ σ=σ= ε>ε=ε.

Для случая компрессионного сжатия:

1231 23

;0, 0σ>σ=σ ε≠ ε=ε=

Случай осесимметричной деформации является частным случаем

трехосного сжатия. В механике грунтов принято испытания в условиях

общего случая независимого действия главных напряжений

123

0σ≠σ≠σ≠ и

осесимметричной деформации при

123

,σ>σ=σ

123

ε>ε=ε называть одним и

тем же термином «испытания в условиях трехосного сжатия». В ГОСТ 12248A

приведен метод испытания грунтов в условиях трехосного сжатия, когда

цилиндрические образцы грунта подвергаются нагружению в условиях

осесимметричной деформации. Поэтому с целью различия в дальнейшем

будем называть прибор трехосного сжатия с реализацией условий

осесимметричной деформации – стабилометром, а прибор с кубическим

образом грунта и независимым действием главных напряжений – прибором

истинного трехосного сжатия.

Механические испытания грунтов

129

В отдельную группу можно выделить приборы, в которых срезающие

усилия прикладываются непосредственно к образцу грунта (табл. 3.10).

Нагрузочные штампы в этих приборах, как правило, жесткие, шероховатые и

могут вращаться. Поэтому направления между главными напряжениями и

деформациями могут не совпадать.

На практике для определения механических характеристик грунтов чаще

всего используются стабилометр, компрессионный прибор и прибор прямого

(

одноплоскостного) среза. Приборы истинного трехосного сжатия, плоской

деформации, чистого сдвига, кручения обычно применяются в

исследовательских лабораториях. Однако, как будет показано далее, для

определения параметров некоторых моделей грунта стандартных приборов

недостаточно.

Таблица 3.10

Испытания на срез

Наименование Схема нагружения Штампы

Прямой срез

Жесткие,

не вращаются

Простой сдвиг

Жесткие,

скашиваются

Срез с кручением

Жесткие,

вращаются

3.5. Траектории напряжений

Поведение природных грунтов, в отличие от многих других материалов,

является анизотропным, зависит от истории эффективных напряжений и

траектории напряжений. Изменения главных напряжений или деформаций при

нагружении как по величине, так и по направлению характеризуются

траекторией напряжений или деформаций.

Опыты показывают, что деформационные и, в большей степени, прочA

ностные свойства грунтов зависят от выбранной траектории напряжений или

Глава 3

130

деформаций. Механические свойства грунтов определяются при проведении

контролируемых испытаний в лаборатории при условии, что при нагружении

образца в нем возникает однородное поле напряжений и деформаций.

Соотношение между приращениями напряжений и деформаций при любом

напряженном состоянии может быть реализовано путем контролируемого

изменения приращения деформаций и регистрации возникших эффективных

напряжений или, наоборот, можно задавать приращения эффективных

напряжений и измеряя полученные приращения деформаций. Способность

средств испытаний создать заданную траекторию напряжений (деформаций)

зависит от способа управления нагрузкой (напряжениями) и деформациями

при изучении механического поведения образцов грунта.

Возможны два случая нагружения образцов грунта в условиях трехосного

сжатия – простое и сложное. Простое нагружение характеризуется тем, что

компоненты напряжения возрастают в течение опыта пропорционально

одному параметру; при этом форма тензора напряжений и его главные

направления все время сохраняются.

При сложном нагружении направлеA

ния главных осей и взаимоотношения

главных напряжений могут изменяться.

Нагружение образца грунта по заданA

ной траектории напряжений определяет

его поведение в пространстве главных

напряжений и деформаций. Так как

приборы истинного трехосного сжатия поA

зволяют независимо изменять главные наA

пряжения, то возможно изучение повеA

дения грунта в выбранном квадранте проA

странства главных напряжений

123

,,σσσ,

как показано на рис. 3.7.

На рис. 3.7 представлено изменение

девиатора напряжений в октаэдрической

плоскости; началу координат (т. А) соотA

ветствует определенный уровень гидроA

статического сжатия

123

сonst.σ+σ+σ=

Простое нагружение отображается пряA

мой линией (АС) на рис. 3.7, ломаная

линия представляет сложное нагружение.

Опыты с простым нагружением реA

ализуются в стабилометрах, а со сложA

ным – в приборе истинного трехосного

сжатия или в приборах с кручением

полых цилиндрических образцов.

Рис. 3.7. Пространство главных

напряжений:

ОАВ – траектория гидростатического

(

изотропного) сжатия; АС – траекA

тория девиаторного нагружения