Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

271

В некоторых случаях, например при предварительной оценке величины

осадки фундаментов, можно использовать известную зависимость коэффи

циентов компрессии от физических характеристик грунтов. Некоторые корре

ляционные зависимости между коэффициентами компрессии и естественной

влажностью или влажностью на границе текучести приведены на рис. 5.66.

Рис. 5.66. Зависимости коэффициентов компрессии от естественной влажности w

и влажности на границе текучести w

(Sabatini et al., 2002)

272

Глава 6. ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА В УСЛОВИЯХ

ПРЯМОГО СРЕЗА, ПРОСТОГО СДВИГА

И КОЛЬЦЕВОГО СРЕЗА

Оценка прочности грунтов выполняется в лабораторных условиях для

определения параметров прочности, которые далее используются при

проектировании оснований зданий и сооружений по несущей способности. В

России практически во всех геотехнических лабораториях определение пара

метров прочности выполняется с использованием приборов прямого (одно

плоскостного) среза, более редко испытания проводятся в приборах трехос

ного сжатия и практически не проводятся в условиях простого сдвига.

Испытания в условиях прямого среза в нашей стране выполняются с при

менением приборов одноплоскостного среза конструкции Н.Н.Масло

ва – Ю.Ю.Лурье (1949), позднее модифицированных в НИИ «Гидропроект» и

выпускавшихся до середины 1990х годов.

В Норвегии предпочтение отдается использованию приборов, в которых

реализуются условия простого сдвига и конструкция которых была пред

ложена Bjerrum and Landva (1966). Полагают, что вид разрушения грунта в

приборе простого сдвига подобен разрушению, возникающему в основании

гравитационных платформ и в массиве грунта при потере устойчивости

склонов.

В Англии приборы простого сдвига рекомендуется применять для оценки

остаточной прочности грунтов, которая используются затем в расчетах

устойчивости склонов (BS 1377).

В Японии используется прибор прямого среза, разработанный Mikasa в

1960

году и описанный Takada (1993).

Сравнение результатов испытаний, выполненных с использованием

приборов прямого среза и приборов простого сдвига, показывает на различия

в определяемых параметрах прочности. Например, для глин, предварительно

уплотненных бытовым давлением, испытания в приборе прямого среза дают

большие значение прочности ϕ, с и жесткости (модуль сдвига G), по

сравнению с испытаниями в приборе простого сдвига (Hanzawa et al., 2007).

Испытания в условиях кольцевого среза проводятся с целью определения

остаточных значений угла внутреннего трения и сил сцепления. Эти значения

используются при проектировании откосов или склонов исходя из

предположения существования поверхности скольжения, на которой

деформации сдвига имеют значения от нескольких десятков до сотен

процентов. Для определения остаточной прочности глинистых грунтов ГОСТ

1224896

рекомендует проводить повторный срез образца по фиксированной

плоскости, так называемый срез "плашка по плашке".

Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза

273

6.1. Прочность грунта, определяемая из испытаний

в условиях прямого среза и простого сдвига

Прочность грунтов оценивается их сопротивлением касательным напря

жениям. При определенной величине касательных напряжений начинается

сдвиг одной части грунта относительно другой, остающейся неподвижной

(

устойчивость оснований фундаментов, склонов, подпорных стен, ограж

дений котлованов).

Поверхность, отделяющая сдвигаемую часть грунта от неподвижной,

называется поверхностью скольжения. При расчете устойчивости откосов,

подпорных стен, при определении несущей способности оснований фун

даментов и т.п. предполагается, что в любой точке поверхности скольжения

сопротивление сдвигу грунта определяется условием прочности Кулона

σ=τ tg , (6.1)

где σ – нормальное напряжение на плоскости сдвига (скольжения);

tgϕ –

коэффициент трения; c – силы сцепления.

Известны и другие условия прочности, например Треска – Хилла,

Мизеса – Боткина, Мизеса – Шлейхера; Г.М.Ломизе – А.Л.Крыжановского,

Друкера – Прагера и др. (Ю.К.Зарецкий, 1989), но на практике чаще всего

используется условие прочности МораКулона, как правило изза простоты

определения параметров ϕ и c. Следует заметить, что в СП 501012004

приведены решения для расчета несущей способности оснований с

использованием условия прочности МораКулона.

Параметры уравнения (6.1) могут быть определены из испытаний образ

цов грунта на прямой срез. На рис. 6.1 показана схема нагружения образца

грунта в приборе прямого среза, а на рис. 6.2 схематично изображена кон

струкция прибора прямого среза.

Рис. 6.1. Схема нагружения образца грунта в приборе прямого среза

Глава 6

274

При нагружении образца сдвигающей силой при постоянной нормальной

силе (рис. 6.2) в образце грунта возникает напряженное состояние, показанное

на рис. 6.3. Если бы в опытах на прямой срез можно было измерить касательные

и нормальные σ

, σ

напряжения, то, используя их, можно было бы

построить круг напряжений Мора. В действительности же приборы прямого

среза не позволяют измерять касательные напряжения, и опыты проводятся в

предположении, что касательное напряжение в плоскости среза (см. рис. 6.1)

равно

AT /=τ

при нормальном напряжении

AN /=σ

, где

– сдвигающая

сила;

– нормальная сила; A

– площадь сдвига.

Рис. 6.2. Конструктивная схема прибора одноплоскостного среза

Рис. 6.3. Предельное напряженное состояние в условиях прямого среза и его

представление с использованием кругов Мора

Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза

275

В опытах на прямой срез прочность грунта зависит от его сопротивления

сдвигу при действии касательных напряжений и определяется таким со

стоянием грунта, при котором максимальное касательное напряжение оста

ется постоянным на плоскости сдвига, которая может быть горизонтальной

или наклонной. Различают три значения прочности: пиковое, критическое

(

или предельное) и остаточное.

Испытания грунтов при определении их прочности проводятся в

лабораторных условиях в приборах различной конструкции: прямого (одно

плоскостного) среза, простого сдвига, трехосного сжатия и кольцевого среза.

В табл. 6.1 приведены четыре наиболее часто применяемых на практике вида

испытаний песчаных и глинистых грунтов с целью определения их

прочности.

Схемы нагружения образцов грунта в приборах прямого среза, простого

сдвига и трехосного сжатия показаны на рис. 6.4, 6.5, а кольцевого среза – на

рис. 6.36.

Таблица 6.1

Вид испытания и параметры, используемые для анализа

Вид испытания Контролируемые величины Измеряемые параметры

Прямой срез

• касательное напряжение τ

• деформация сдвига δ

• нормальное напряжение σ

• объемная деформация ε

• коэффициент пористости e

• дренированные пиковый ϕ

max

критический ϕ

углы внутреннего

трения и силы сцепления

• угол дилатансии ψ

Простой сдвиг

• касательное напряжение τ

• деформация сдвига γ

• нормальное напряжение

• объемная деформация ε

• коэффициент пористости e

• дренированные пиковый ϕ

max

критический ϕ

углы внутреннего

трения и силы сцепления

• недренированная прочность c

;

угол дилатансии ψ

Трехосное сжатие

• девиатор напряжения σ

–σ

• деформация сдвига ε

–ε

• нормальные напряжения

, σ

=σ

• объемная деформация ε

• поровое давление u

• дренированные пиковый ϕ

max

критический ϕ

углы внутреннего

трения и силы сцепления

• недренированная прочность c

;

угол дилатансии ψ

Кольцевой срез

• касательное напряжение τ

• деформация сдвига δ

• нормальное напряжение σ

• объемная деформация ε

• коэффициент пористости e

• дренированные пиковый ϕ

max

критический ϕ

и остаточный ϕ

rest

углы внутреннего трения и силы

сцепления c и c

rest

• недренированная прочность c

;

В условиях прямого среза образец грунта подвергается действию по

степенно возрастающих касательных напряжений

при постоянном нор

мальном напряжении σ

′

. Рост касательных напряжений приводит к

Глава 6

276

возникновению двух деформаций – горизонтальной

и вертикальной

деформации

(рис. 6.4 а). Вертикальная деформация

может быть поло

жительной (сжатие) или отрицательной (расширение). В плотном песке и

переуплотненной глине при сдвиге наблюдается увеличение высоты образца

на величину

, а в рыхлом песке и нормально уплотненной глине имеет

место уменьшение высоты образца на величину

δ−

. В первом случае объем

образца грунта при сдвиге увеличивается, а во втором – уменьшается. Про

цесс увеличения объема образца грунта при сдвиге называется дилатанcией, а

процесс уменьшения объема при сдвиге – контракцией.

(а)

(б)

Рис. 6.4. Схемы нагружения образцов грунта в условиях:

а – прямого среза; б – простого сдвига

Дилатансия характеризуется ростом прочности грунта до пика и

последующим снижением до остаточного значения при больших дефор

мациях сдвига (рис. 6.4, б). Наличие «холмика» на графиках зависимости

)(

f δ=τ обусловлено возникновением эффекта дилатансии. Если в опытах

на прямой срез измерить изменение объема образца грунта, то можно

Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза

277

определить параметр, называемый углом дилатансии

, который вычис

ляется из выражений (2.32, 2.34).

(а) (б)

Рис. 6.5. Отображение зависимости предельного касательного напряжения

от нормального давления:

а – трехосное сжатие; б – прямой срез и простой сдвиг

Дилатансию можно «подавить», если при ее возникновении увеличить

нормальное давление, так, чтобы

было равно нулю. «Холмик» (см. рис. 6.4,

а,б) исчезает, и плотный песок ведет себя как рыхлый (пунктирная линия).

Подавление дилатансии сопровождается хрупким разрушением частиц песка

(

Бишоп, 1975).

Характеристики прочности

определяют по результатам испытаний

образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной

плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его

части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца

нагрузкой, нормальной к плоскости среза (рис. 6.2).

Как показано на рис. 6.6, площадь контакта (сдвига) между двумя

половинками образца изменяется с ростом перемещения

между верхним и

нижним кольцом срезной коробки. Площадь сдвига для квадратного образца

определяется из выражения

)( δ−= aaA

, (6.3)

а для цилиндрического образца – из выражения

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−θ= sin

, (6.4)

где

)/(cos

Dδ=θ

−

(в радианах).

Глава 6

278

Рис. 6.6. Изменение площади сдвига

при нагружении квадратного

и круглого образцов грунта

Нормальное и касательное напряжения, приложенные к образцу грунта,

необходимо корректировать с учетом изменения площади при сдвиге,

используя выражение (6.1) или (6.2). Для образца грунта с диаметром 6,3 см

ошибка в определении нормального и касательного напряжений может

достигать 20 %, когда 1=δ см (Bardet, 1997); поэтому в опытах необходимо

учитывать изменение площади сдвига, в особенности если определяемое

предельное касательное напряжение используется для вычисления значения

недренированной прочности

Испытания в условиях прямого (одноплоскостного) среза проводятся в

Англии (BS 1377) главным образом для определения остаточной прочности

грунтов в условиях недренированного и дренированного нагружения.

Полученные значения параметров остаточной прочности

исполь

зуются при оценке устойчивости откосов.

Образец грунта консолидируется в течение 24 часов в приборе прямого

среза при требуемом нормальном давлении (25, 50, 75, 100 кПа, BS 1377).

Затем между верхним и нижним кольцом делается зазор, достаточный для

пропускания проволоки, с помощью которой образец грунта разделяют на две

части. Разрезанные поверхности сглаживаются стеклянной пластинкой,

которая смачивается дистиллированной водой. Бумажные фильтры заме

няются, и две половинки образца возвращаются в срезной прибор. После

Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза

279

этого создается нормальное давление и прикладывается горизонтальная

нагрузка до достижения больших перемещений. Горизонтальная нагрузка

создается методом возвратнопоступательного движения срезной каретки

прибора. Максимальное значение касательного напряжения, полученное на

каждой ступени нагружения, наносится на график в зависимости от лога

рифма накапливаемого горизонтального перемещения, и сдвиг продолжается

до выравнивания кривой. Наименьшее значение касательного напряжения

(

на окончательной стадии каждого испытания) при действующем нормаль

ном напряжении используется для определения остаточных значений

параметров прочности

rest

(обычно малое) и

rest

Остаточное значение угла внутреннего трения

rest

зависит от эффек

тивного нормального напряжения

′

. Для некоторых глин значение

rest

уменьшается с ростом нормального давления (с 14

до 9

при нормальном

давлении 30 и 100 кПа, соответственно). Подобные изменения вынуждают

проводить испытания для определения

rest

в выбранном диапазоне значений

нормального давления.

Более совершенный метод определения параметров остаточной проч

ности основан на испытании полых кольцевых образцов. Однако, вследствие

значительной стоимости и сложности подобных приборов, они не находят

широкого применения в практике лабораторных испытаний. Простая форма

кольцевого сдвига, описанная Bromhead (1979), была применена при

разработке английского стандарта BS 1377 (1990). Главное преимущество

метода кольцевого среза заключается в том, что он позволяет создавать

большие деформации сдвига без возвратнопоступательного движения вдоль

поверхности сдвига, которое присутствует в приборе прямого среза.

6.2. Испытания грунтов с целью определения параметров

прочности в условиях прямого среза по методу

ГОСТ 12248'96

Цель испытаний

Испытание грунта методом одноплоскостного среза по ГОСТ 1224896

проводят для определения следующих характеристик прочности: угла

внутреннего трения

, удельного сцепления c для песков (кроме гравелистых

и крупных), глинистых и органоминеральных грунтов. В общем случае

определяются и иные параметры прочности, которые приведены в табл. 6.2,

но расчет которых не предусмотрен по ГОСТ 1224896.

Глава 6

280

Достоинства метода

−

быстрота и низкая стоимость испытаний для определения параметров

прочности песчаных, глинистых и гравелистых грунтов в нарушенном или

ненарушенном состоянии;

−

простота подготовки образцов грунта и использования приборов.

Недостатки метода

−

не измеряется поровое давление;

−

плоскость среза зафиксирована горизонтально;

−

не учитывается начальное напряженное состояние.

Таблица 6.2

Параметры, определяемые из испытаний

Тип нагружения Параметры прочности

Статическое нагружение

• критическое значение угла внутреннего трения

;

• критическое значение сил сцепления с

Кинематическое нагружение

• пиковое значение угла внутреннего трения

max

;

• критическое значение угла внутреннего трения,

;

• остаточное значение угла внутреннего трения

rest

;

• критическое значение сил сцепления с;

• остаточное значение сил сцепления

rest

;

• угол дилатансии

Испытания на прямой срез могут быть проведены в условиях контроля

напряжений (возрастание касательных напряжений ступенями и измерение

перемещения) или контроля деформации (срез при заданной скорости

деформации сдвига с измерением возникающих касательных напряжений).

Обычно проводятся испытания с контролем деформации, так как их легче

выполнить и в то же время можно определить как пиковую, критическую, так

и остаточную прочность грунта.

Рекомендуется испытания в условиях прямого среза проводить так, чтобы

образец грунта в ходе испытания был погружен в воду; это позволяет (кроме

условий полного водонасыщения) исключить эффект влияния напряжений,

возникающих в результате капиллярного всасывания. Однако следует

различать процедуру замачивания от процедуры водонасыщения. Зама

чивание образцов выполняется после создания заданной ступени нормаль

ного давления в приборе предварительного уплотнения, что позволяет

исключить эффект капиллярного всасывания и высыхание образца.