Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов
Подождите немного. Документ загружается.
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
281
Водонасыщение следует выполнять методом обратного давления (Бишоп и
Хенкель, 1961). В связи с тем, что конструктивно приборы прямого среза не
обеспечивают герметичность, водонасыщение образцов целесообразно
проводить в отдельных устройствах при фиксированном положении стальных
фильтров с обоих торцов образца. Следует также иметь в виду, что в приборе
прямого среза невозможно выполнить неконсолидированнонедренирован
ные испытания. Как правило, испытания проводятся для не полностью
водонасыщенных грунтов, в опытах измеряются два параметра прочности
ϕ
и
с. В условиях неконсолидированнонедренированного сдвига параметр ϕ
равен нулю.
Испытания на срез показывают зависимость прочности грунтов от
скорости сдвига. Gibson and Henkel (1954) и Head (1975) рекомендуют время
сдвига
f
t
, для дренированных испытаний определять как 12,7t
100
, где t
100
–
время, которое соответствуюет 100 %й первичной (фильтрационной)
консолидации и может быть получено экстраполяцией линейной части корня
квадратного из времени в фазе консолидации. Максимально возможная
скорость дренированного сдвига принимается менее
ff
t/δ
, где
f
δ
–
горизонтальное перемещение срезной каретки, соответствующее пиковой
прочности, но это значение не известно перед опытом и должно быть
предварительно оценено какимлибо образом.
Методика проведения испытаний
Параметры прочности (см. табл. 6.2) определяют по результатам испы
таний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксирован
ной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой
его части касательной нагрузкой, при одновременном нагружении образца
нагрузкой, нормальной к плоскости среза. Схема нагружения образца грунта
показана на рис. 6.1, 6.2.
Испытания образцов грунта проводят по двум режимам нагружения
сдвигающей нагрузкой. В первом случае применяется статическое
нагружение ступенями с выдержкой на каждой ступени до условной
стабилизации деформаций. Во втором – кинематическое нагружение,
осуществляемое непрерывно, с заданной скоростью движения срезной
коробки прибора. Эти условия нагружения реализуются в двух приборах
различной конструкции (рис. 6.7, 6.8).
Сопротивление грунта срезу определяют как предельное среднее
касательное напряжение, при котором образец грунта срезается по
фиксированной плоскости при заданном нормальном напряжении. Для
определения с и
ϕ
необходимо провести не менее трех испытаний при
различных значениях нормального напряжения.
Глава 6
282
Рис. 6.7. Прибор одноплоскостного среза с
деформацией среза до 25 мм (www.geoteck.ru)
Рис. 6.8. Прибор одноплоскостного
среза с деформацией среза 10–25 мм
(www.geoteck.ru)
Испытания проводят по следующим схемам:
•
консолидированнодренированное испытание – для песков и гли
нистых грунтов независимо от их степени влажности в стабилизированном
состоянии;
•
неконсолидированнонедренированное испытание – для водонасыщен
ных глинистых и органоминеральных грунтов в нестабилизированном
состоянии и просадочных грунтов, приведенных в водонасыщенное состо
яние замачиванием без приложения нагрузки.
Для испытаний используют или образцы грунта ненарушенного сложения с
природной влажностью либо в водонасыщенном состоянии, или образцы
нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности (в
т.ч. при полном водонасыщении), или образцы, отобранные из уплотненного
массива (для искусственно уплотненных грунтов). При этом образцы
просадочных грунтов испытывают в водонасыщенном состоянии, а набу
хающих – при природной влажности. К водонасыщенным относятся образцы
грунта со степенью водонасыщения не менее 95 %.
В статическом способе касательная нагрузка прикладывается ступенями по
5 %
от значения нормальной нагрузки, при которой производят срез.
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
283
Рис. 6.9. Срезной прибор с кинематическим нагружением (www.geoteck.ru)
При кинематическом способе создания касательной нагрузки скорость
среза должна быть постоянной и соответствовать указанной в табл. 6.3.
Деформации среза фиксируют не реже чем через 2 мин.
Таблица 6.3
Рекомендуемая скорость среза по ГОСТ 1224896
Грунты Скорость среза, мм/мин
Пески
≤
0,5
Супеси
≤
0,1
Суглинки
≤
0,05
Глины с I
p
> 30 %
≤
0,02
Глины с I
p
>30 %
≤
0,01
Консолидированно)дренированные испытания
H
а образец грунта передают то же нормальное давление, при котором
происходило предварительное уплотнение грунта, за исключением образцов
просадочного грунта, испытываемых в водонасыщенном состоянии. В этом
случае нормальное давление при срезе должно составлять 0,1; 0,2; 0,3 МПа.
H
ормальную нагрузку передают на образец в одну ступень и выдерживают
ее не менее:
•
5 мин – для песков;
•
15 мин – для супесей;
•
30 мин – для суглинков и глин.
Глава 6
284
При передаче касательной нагрузки ступенями её значение на каждой
ступени должно составлять 5 % от значения нормальной нагрузки, при
которой производят срез. Hа каждой ступени нагружения записывают
показания приборов, используемых для измерения деформаций среза через
каждые 2 мин, уменьшая интервал между измерениями до 1 мин в период
затухания деформации до ее условной стабилизации. За критерий условной
стабилизации деформации среза принимают скорость деформации, не
превышающую 0,01 мм/мин.
Испытание следует считать законченным, если при приложении
очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв)
одной части образца по отношению к другой или если общая деформация
среза превысит 5 мм.
При проведении среза с постоянной скоростью за окончание испытаний
принимают момент, когда срезающая нагрузка достигает максимального
значения (после чего наблюдается некоторое ее снижение или установление
постоянного значения) или когда общая деформация среза превышает 5 мм.
В зависимости от принятой скорости нагружения, испытания с контролем
деформации сдвига могут быть проведены в условиях дренированного и
недренированного сдвига. Если продолжительность опыта на стадии созда
ния касательной нагрузки не превышает 2 минут, то испытания следует
отнести к категории недренированного сдвига. В том случае, если скорость
сдвига будет меньше, возможно дренирование образца, и испытания следует
отнести к категории дренированного сдвига.
Неконсолидированно)недренированные испытания
Образцы грунта должны быть предварительно водонасыщены до значения
95,0≥
r
S
. Если испытания проводятся при меньшей степени водонасыщения,
следует ожидать зависимость прочности от всасывания воды и сцепления.
Однако подобные испытания нельзя использовать для оценки недрени
рованной прочности глинистых грунтов.
H
а образец грунта передают сразу в одну ступень нормальное давление σ,
при котором будет производиться срез образца. Значения σ
принимают по
табл. 6.4. Эти ступени нормального давления никоим образом не связаны с
бытовым давлением и приняты условно, исходя из ожидаемых нормальных
напряжений в основании сооружений. В главе 16 приведена процедура
SHANSEP,
в соответствии с которой рекомендуется первоначально вы
полнить рекомпрессию образцов, а после этого провести испытания на срез.
Если при давлениях 0,125 и 0,15 МПа происходит выдавливание грунта в
зазор между подвижной и неподвижной частями срезной коробки,
необходимо их уменьшить на 0,025 МПа.
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
285
Сразу после передачи нормальной нагрузки приводят в действие механизм
для создания касательной нагрузки и производят срез образца грунта не более
чем через 2 мин от момента приложения нормальной нагрузки.
При передаче касательной нагрузки ступенями их значения не должны
превышать 10 % от значения нормального давления, при котором произ
водится срез, и приложение ступеней должно следовать через каждые 10–15 с.
При передаче непрерывно возрастающей касательной нагрузки скорость
среза принимают в интервале 2–3 мм/мин, т.е. она должна быть такой, чтобы
срез был произведен в течение указанного времени.
Таблица 6.4
Рекомендуемые значения нормального давления по ГОСТ 1224896
Грунты Hормальное давление p, МПа
Глинистые и органоминеральные грунты
с показателем текучести:
<
L
I
0,5
0,1; 0,15; 0,2
0,5
<≤
L
I
1,0
0,05; 0,1; 0,15
≥
L
I
1,0 0,025; 0,075; 0,125
В качестве примера приведем результаты неконсолидированнонедре
нированных испытаний глинистого грунта нарушенной структуры.
Цель испытаний заключалась в оценке влияния условий нагружения
глинистого грунта при неконсолидированнонедренированном сдвиге на
параметры прочности Кулона: угол внутреннего трения
ϕ
и силы удельного
сцепления c.
Образцы грунта изготавливались из глины нарушенной структуры путем
предварительного водонасыщения перемятой глины до показателя степени
водонасыщения
r
S
= 0,88–0,90. Для создания примерно одинаковой
плотности образцов использовался метод СОЮЗДОРНИИ с уплотнением
образцов в приборе стандартного уплотнения конструкции ООО «Геотек»
(
рис. 6.10). Физические показатели образцов грунта приведены в табл. 6.5.
Таблица 6.5
Физические свойства глинистого грунта
w w
L
w
p
I
p
I
L
ρ,
г/см
3
ρ
d
,
г/см
3
ρ
s
,
г/см
3
n, % e
S
r
0,40 0,65 0,30 0,35 0,27 1,71 1,22 2,70 0,55 1,21 0,89
Глава 6
286
Испытания образцов грунта на срез
проводились при различных условиях нагру
жения деформацией сдвига.
В первой серии опытов деформация сдвига
прикладывалась статическим образом, т.е.
выполнялось нагружение касательными на
пряжениями ступенями вплоть до разрушения
образца грунта. В качестве приборов использо
вались два сдвиговых прибора конструкции
ООО «Геотек», различающихся тем, что в
первом приборе максимально возможное
перемещение срезной каретки равно 10 мм, а
во втором приборе – 25 мм.
Во второй серии опытов деформация
среза прикладывалась непрерывно с задан
ной скоростью деформации и составляла
3
мм/мин. Данная скорость деформации
сдвига была принята согласно продолжи
тельности испытания. По ГОСТ 1224896
она должна составлять не более 2 мин. В
первой серии опытов длительность испыта
ний на срез также ограничивалась 2 мину
тами.
В обеих сериях опытов нормальное
напряжение принималось равным 100, 200 и
300
кПа.
Результаты испытаний
На рис. 6.11, 6.12, 6.13 приведены графические зависимости, полученные
по результатам испытаний. Испытания были проведены при различном
нормальном напряжении, но с возможностью реализации перемещения
срезной каретки 10 мм (см.рис. 6.11) и 25 мм (см.рис. 6.12). В обоих случаях
предельное состояние возникает в диапазоне деформации сдвига от 1,8 % до
3,5 %,
после чего наблюдается резкое смещение срезной каретки. Дефор
мация сдвига, возникающая в предельном состоянии при пластическом
деформировании, происходит в первом приборе с упрочнением, а во вто
ром – с небольшим упрочнением или без него. Это говорит о том, что сопро
тивление сдвигу зависит от скорости сдвига и уменьшается с ее ростом.
Рис. 6.10. Прибор стандартного
уплотнения (www.geoteck.ru)
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
287
(а) (б)
Рис. 6.11. Зависимость абсолютной деформации сдвига от касательного
напряжения (а) и предельная прямая (б). Прибор с деформацией среза 10 мм
(а) (б)
Рис. 6.12. Зависимость абсолютной деформации сдвига от касательного напряжения (а) и
предельная прямая (б). Прибор с деформацией среза 25 мм
Глава 6
288
(а) (б)
Рис. 6.13. Зависимость абсолютной деформации сдвига от касательного напряжения (а) и
предельная прямая (б). Кинематическое нагружение со скоростью 3 мм/мин
Значения пика прочности (см. рис. 6.13) близки к значениям предельных
касательных напряжений при статическом нагружении, но получены при
больших значениях предельных деформаций сдвига (от 3 до 7 %). Де
формация сдвига почти в два раза больше статического нагружения.
На рис. 6.14, 6.15 приведены результаты испытания той же глины, но в
условиях трехосного неконсолидированнонедренированного сдвига в стаби
лометрах типа А и типа Б (см. главу 7). Результаты опытов показывают зна
чения параметров прочности, несколько отличающиеся от значений, полу
ченных при использовании приборов прямого среза.
(а) (б)
Рис. 6.14. Зависимость осевой деформации от девиатора напряжений (а)
и предельная прямая (б). Стабилометр типа А
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
289
(а) (б)
Рис. 6.15. Зависимость осевой деформации от девиатора напряжений (а)
и предельная прямая (б). Стабилометр типа Б
На рис. 6.16 приведены результаты испытания той же глины сдвиговым
прибором конструкции НИИ «Гидропроект». Результаты опытов показывают
практически те же значения параметров прочности.
(а) (б)
Рис. 6.16. Результаты испытаний на срез в приборе конструкции
НИИ «Гидропроект»
Полученные значения параметров прочности приведены в табл. 6.6. Из
табл. 6.6 видно, что параметры прочности, полученные в стабилометре,
отличаются от параметров, найденных условиях прямого среза. Низкое
значение угла внутреннего трения объясняется условиями неконсолиди
Глава 6
290
рованнонедренированного нагружения. Неконсолидированные условия –
это мгновенное приложение нормальной нагрузки заданной величины 100,
200
и 300 кПа и сразу же мгновенное создание касательной нагрузки с
интервалом 10 с (условие недренирования) при статическом нагружении и
непрерывно при кинематическом нагружении. При данных условиях
нагружения изменение объема водонасыщенного образца грунта от действия
нормальной нагрузки практически отсутствует (поровая жидкость несжи
маема, а отток ее незначителен) и не зависит, поэтому от величины нормаль
ного давления. При сдвиге изменение объема также незначительно. В связи с
тем, что при обработке результатов используются полные напряжения, так
как эффективные неизвестны (не измеряется поровое давление), значения
угла внутреннего трения получаются малыми.
Таблица 6.6
Параметры прочности глинистого грунта
Параметры
прочности
Прибор
типа А
(рис.6.12)
Прибор
типа Б
(рис.6.13)
Прибор
типа С
(рис.6.14)
Прибор трехосного
сжатия (рис.5)
Сдвиговой
прибор НИИ
«Гидропроект»
Тип А Тип Б
Сцепление с,
кПа
35 39 36 45 31 40
Угол внутрен
него трения ϕ,
град.
5 4 4 3 8 3
Выводы:
1.
В условиях неконсолидированнонедренированного сдвига глины угол
внутреннего трения получается малым по отношению к углу внутреннего
трения в условиях консолидированнодренированного сдвига. Теоретически
он должен быть равен нулю, и прочность грунта должна определяться только
силами сцепления. Наличие небольшого угла внутреннего трения объяс
няется неполным водонасыщением образца (
89,0=
r
S
) и возможностью час
тичного дренирования в процессе сдвига.
2.
Использование результатов испытаний в условиях неконсолиди
рованнонедренированного сдвига, например, при расчете расчетного сопро
тивления грунта приводит к консервативной оценке прочности грунта и
удорожанию конструктивного решения фундамента.
3.
Результаты испытаний в условиях неконсолидированнонедрени
рованного сдвига рекомендуется использовать в том случае, если нагружение
грунта производится быстрыми темпами; например, отсыпается земляная
насыпь, а естественное основание под насыпью сложено водонасыщенными
грунтами с OCR=1.