Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов
Подождите немного. Документ загружается.
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
291
6.3. Процедура представления результатов испытаний
Сопротивление грунта срезу, согласно ГОСТ 1224896, определяют как
предельное среднее касательное напряжение, при котором образец грунта
сдвигается по фиксированной плоскости при заданном нормальном напря
жении. Для определения с и ϕ необходимо провести не менее трех испытаний
при различных значениях нормального напряжения.
По измеренным в процессе испытания значениям касательной и нор
мальной нагрузок вычисляют касательные и нормальные напряжения τ и σ.
Определение τ необходимо проводить не менее чем при трех различных
значениях σ.
По измеренным в процессе испытания значениям деформаций среза
lΔ
соответствующим различным напряжениям τ, строят график зависимости
)(τ=Δ fl
(рис. 6.17).
За сопротивление грунта срезу принимают максимальное значение τ,
полученное по графику
)(τ=Δ fl
или диаграмме среза на отрезке Δl, не
превышающем 5 мм.
Если τ возрастает монотонно, то за сопротивление грунта срезу следует
принимать τ при Δl = 5 мм.
Угол внутреннего трения
ϕ
и удельное сцепление с определяют как
параметры линейной зависимости из уравнения (6.1).
Рис. 6.17. Графическое представление результатов испытаний
Глава 6
292
Угол внутреннего трения ϕ и удельное сцепление c, МПа, вычисляют по
формулам:
()
()
∑∑
∑
∑
∑
σ−σ
στ−στ
=ϕ
2
2
tg
ii
iiii
n
n
; (6.4)
()
()
∑∑
∑
∑
∑
∑
σ−σ
στσ−στ
=
2
2
2
ii
iiiii
n
c
,
где τ
i
– опытные значения сопротивления срезу, определенные при
различных значениях
i
σ
и относящиеся к одному инженерногеологическому
элементу или отдельному монолиту грунта (при 3≥n ); n – число испытаний.
В монографии М.А.Солодухина (1975) при обработке результатов
испытаний в условиях прямого среза рекомендуется следующая методика
многоточечного приложения нормальных напряжений.
Испытания на срез проводятся для образцов из отобранных монолитов
одного инженерногеологического элемента при различных нормальных
напряжениях независимо от того, из какого монолита был вырезан образец.
Желательно проводить испытания при возможно большем диапазоне
нормальных напряжений, тем более, что линейная зависимость наблюдается
в интервале нормальных напряжений от 100 до 300 кПа.
Из каждого монолита должно быть вырезано не менее трех образцов. На
рис. 6.18 приведены результаты испытаний 17 образцов озерноледниковых
суглинков. При обработке результатов исключены результаты опытов,
полученных для образцов 9, 12, 14, 16 и 17, у которых наблюдались включения
и пониженные значения влажности в плоскости сдвига. Остальные опыты по
зволяют получить угол внутреннего трения ϕ = 25
о
и удельное сцепление
c
= 10
кПа. Используя данные результаты, можно определить верхнюю и
нижнюю границы прочности исследованных грунтов. Для этого данные
измерений опытов 9, 12, 14, 16 и 17 применяем при построении верхней
границы и данные измерений опытов 3, 10, 15, 19 – при построении нижней
границы. Положение нижней границы совпадает с результатами М.А.Со
лодухина.
В.А.Ярошенко (1964) отмечал, что при малых нормальных напряжениях
огибающая предельных кругов Мора для песка криволинейна. Основываясь на
результатах испытаний песков различного состава и состояния на стабилометре
М2 (конструкция Е.И.Медкова), автор считает, что на прочность влияют
гранулометрический состав, плотность и влажность песка. Угол внутреннего
трения изменяется от 37 до 46
о
.
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
293
Рис. 6.18. Обработка результатов испытаний на сдвиг по М.А.Солодухину (1975):
1 – верхняя граница предела прочности; 2 – нижняя граница предела прочности
Н.Н.Сидоров (1967) в ходе своих опытов получил зависимость, которая
показана на рис. 6.19, а, б. На первом графике показаны значения двух
касательных и одной секущей к предельной огибающей прочности. Первая
касательная характеризуется углом внутреннего трения
0
ϕ
, вторая каса
тельная
р
ϕ
и секущая имеет значение
р
ψ
. Угол внутреннего трения песка
является величиной переменной, уменьшающейся с ростом нормального
напряжения (Сидоров, 1965, 1967). Особенно резко указанная зависимость
проявляется в интервале нормальных напряжений до 100 кПа. При более
высоких нормальных напряжениях (но не более 300400 кПа) величина
ϕ
практически постоянна.
Д.Е.Польшин и С.И.Синельщиков, основываясь на опытах с 12 видами
песков Московской области, предложили при нормальном напряжении в
интервале 100300 кПа применять следующее условие прочности:
0
tg τ+
ϕ
σ=τ
, (6.5)
где
0
τ – параметр линейного уравнения, величина которого изменяется от 0
до 50 кПа.
Глава 6
294
(а) (б)
Рис. 6.19. Предельная огибающая песка (Сидоров, 1967)
На участке до
a
σ
касательный угол внутреннего трения уменьшается (рис.
6.19,
б). На участке напряжений от
a
σ
до
b
σ
, равных 300–400 кПа, угол
внутреннего трения практически не изменяется. При нормальном давлении
менее 100 кПа следует использовать секущее значение угла внутреннего
трения
ψ
=
ϕ
, определяя его при заданном нормальном напряжении.
6.4. Влияние скорости деформации на результаты испытаний
Скорость сдвига в течение дренированных испытаний на срез должна
быть достаточно медленной, такой, чтобы не возникало избыточного
порового давления на плоскости сдвига. На практике обычно касательную
нагрузку прикладывают с такой скоростью, чтобы не возникало значи
тельного пика прочности. Время, необходимое для полного среза образца,
может быть определено из зависимости «время – осадка», полученной перед
началом стадии сдвига. Из этой же зависимости находим и коэффициент
консолидации грунта:
t
dT
с
v
v
2
=
, (6.6)
где
v
T
–
коэффициент времени, установленный для некоторого процента
консолидации; d – среднее значение длины дренирования образца; t – время,
выбранное для достижения установленного процента консолидации.
Для определения точки на графике компрессии, которая соответствует
времени консолидации в 90 %, может быть применен известный метод (Taylor
and Merchant, 1940; BS 1377,
часть 4). При 90 %й консолидации коэф
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
295
фициент времени
v
T
= 0,848. Gibson and Henkel (1954) предложили следующее
выражение для определения минимальной продолжительности стадии сдвига:
)1(2
2
cv
f
Uc
h
t
−
=
, (6.7)
где h – половина высоты образца;
v
c
–
коэффициент консолидации,
определенный (6.6);
c
U
–
коэффициент диссипации порового давления в
средней части образца. Минимальное значение коэффициента диссипации
принимают обычно равным 0,95 (т.е. 95 % диссипации порового давления) и
скорость деформации в опыте затем вычисляют, используя оценочное
значение деформации при разрушении, основываясь на опытах. Если в
последующем разрушение происходит раньше определенного минимального
времени разрушения, то результаты испытаний могут быть неправильными.
BS 1377
рекомендует, чтобы время разрушения было основано на
времени, необходимом для 100 %й консолидации (
100
t
):
100
7,12 tt
f
=
. (6.8)
В большинстве случаев испытания на срез выполняются при скорости
0,048 %/
мин (BS 1377, пункт 6.4.5.1).
6.5. Зависимость параметров прочности от условий
нагружения образцов грунта при одноплоскостном срезе
В ГОСТ 1224896 «Грунты. Методы лабораторного определения харак
теристик прочности и деформируемости» приведены рекомендации по
определению характеристик прочности: сопротивление срезу τ; угла внут
реннего трения ϕ и удельного сцепления с для песков, глинистых и орга
номинеральных грунтов.
Испытания грунтов проводятся в условиях одноплоскостного среза в
срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной
части образца относительно другой его части в результате приложения
касательной нагрузки при одновременном нагружении образца грунта
нагрузкой, нормальной к плоскости среза.
При проведении по схеме консолидированнодренированных испытаний
касательная нагрузка к образцу грунта прикладывается ступенями (стати
ческое нагружение), составляющими 5 % от значения нормальной нагрузки,
при которой производят срез с выдержкой до условной стабилизации,
характеризуемой скоростью деформации, не превышающей 0,01 мм/мин.
Во втором случае в испытаниях по схеме «консолидированнодрениро
ванные» касательная нагрузка прикладывается непрерывно (кинематическое
Глава 6
296
нагружение) с постоянной заданной скоростью среза. Величина скорости
среза зависит от вида грунта и изменяется в интервале от 0,01 до 0,5 мм/мин.
При статическом нагружении касательной нагрузкой испытания счи
таются законченными, если при приложении очередной ступени касательной
нагрузки происходит мгновенный срез или если общая деформация среза
превысила 5 мм.
При кинематическом нагружении касательной нагрузкой за предельную
касательную нагрузку принимают такое ее значение, после которого наблю
дается некоторое ее снижение или установление постоянного значения, или
общая деформация среза превысит 5 мм.
Для проведения подобных испытаний в ООО «Геотек» разработано два
типа срезных приборов со статическим (см. рис. 6.7, 6.8) и кинематическим
нагружением (см. рис. 6.9) касательной нагрузкой. В приборах первого типа
испытания проводятся до деформации среза, равной 10–25 мм. Скорость
среза при кинематическом нагружении касательной нагрузкой может
изменяться в интервале от 0,01 до 5 мм/мин. Эти приборы входят в состав
измерительновычислительного комплекса АСИС, что позволяет проводить
испытания в автоматическом режиме с обработкой результатов с помощью
программ GEOTEK ASIS, GEOTEK ASISGrad, GEOTEK ASISReport.
Предельное значение τ ГОСТ 1224896 рекомендует определять как макси
мальное при кинематическом нагружении и как значение, соответствующее де
формации среза, равной 5 мм, если касательная нагрузка возрастает монотонно
(
рис. 6.19). Кривая 1 характеризует сопротивление сдвигу для рыхлых песчаных
грунтов (е ≥ 0,7) или нормально уплотненного глинистого грунта, а кривая 2 –
сопротивление сдвигу для плотных песчаных грунтов (е ≤ 0,55 – 0,6) или
переуплотненных глинистых грунтов.
Из рис. 6.20 видно, что величина предельной касательной нагрузки и,
следовательно, параметры прочности ϕ и с зависят от величины деформации
среза для грунтов различного состояния. Для глинистых грунтов в
мягкопластичном состоянии (0,5 ≤
I
L
≤ 0,75) зависимость
)(δ=τ f
является
монотонно возрастающей, и максимальное значение касательной нагрузки
часто находится в интервале значений деформации сдвига, больших 5 мм и
может составлять 8–15 мм. Однако, согласно ГОСТ, испытания необходимо
прекратить при достижении деформации сдвига, равной 5 мм. Естественно,
при этом мы получаем заниженные значения параметров прочности ϕ и с. С
нашей точки зрения, испытания рыхлых песчаных грунтов и нормально
уплотненных глинистых грунтов следует проводить до достижения
максимального значения касательной нагрузки независимо от величины
деформации сдвига.
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
297
Рис. 6.20. Зависимость сопротивления сдвигу для различных грунтов:
1 – рыхлый песок и нормально уплотненная глина; 2 – плотный песок и переуплотненная
глина
Значения ϕ и с, полученные по методике консолидированного среза,
используются для определения расчетного сопротивления грунта оснований
фундаментов, а также для оценки несущей способности основания, нахо
дящегося в стабилизированном состоянии. Использование заниженных
значений ϕ и с, например, при определении расчетного сопротивления,
приводит к излишнему запасу прочности и, как следствие, к увеличению
стоимости фундаментов.
Рассматриваемый ГОСТ не дает рекомендаций, в каких случаях следует
проводить испытания на срез с использованием кинематической схемы на
гружения. Из него следует, что этот тип испытаний аналогичен консолиди
рованнодренированным, так как предполагается, что при медленной непре
рывной скорости нагружения поровое давление в образце грунта рассеива
ется, возникающие при этом напряжения являются эффективными, и
поэтому данные испытания подобны испытаниям со статической схемой
нагружения.
Однако в опытах при статической схеме нагружения невозможно обнару
жить падение касательных напряжений после достижения предельной
нагрузки, так как это состояние характеризуется непрерывным ростом
деформации сдвига (участок a b на рис. 6.20) при постоянном касательном
напряжении
max
τ
. При кинематическом нагружении задается деформация
среза, а касательное напряжение измеряяется датчиком силы; поэтому для
плотных песков и переуплотненных глин после достижения
max
τ фиксируется
падение касательных напряжений с ростом деформации сдвига. Зависимость
)(δ=τ f
имеет явно выраженный максимум, соответствующий
max
τ , и
Глава 6
298
минимум, соответствующий критической прочности грунта
min
τ
. Отсюда и
параметры прочности ϕ и c будут иметь различные значения из условия
прочности Мора при
max
τ
и
min
τ
.
В общем случае угол внутреннего трения и сцепление зависят от текущей
деформации среза. Это показано на рис. 6.21, а, б, в. Каждому значению
деформации (δ – абсолютная деформация среза, мм)
1
δ
,
2
δ
,
3
δ
,
i
δ
(см. рис.
6.21,
а) соответствуют касательные напряжения
i
ττττ ,,,
321
, среди которых
находятся
max
τ
и
min
τ
. Из условия прочности Кулона получаем различные
значения ϕ и c, как это показано на рис. 6.21, б, в. Учитывая это при расчете
несущей способности оснований зданий и сооружений, а также устойчивости
подпорных стен, свободно стоящих или пригруженных откосов, исполь
зуются различные значения углов внутреннего трения.
(а) (б)
(в)
Рис. 6.21. Зависимость параметров прочности ϕ и c от величины нормального напряжения
и деформации сдвига:
а – влияние нормального напряжения на прочность грунта; б – влияние нормального
напряжения на параметры прочности ϕ и c; в – зависимость параметров прочности ϕ и c от
деформации
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
299
1.
Мобилизационный угол внутреннего трения –
м
ϕ
, соответствует
изменению касательных напряжений на участке ) 0а (см. рис. 6.20) вплоть до
пикового значения.
2.
Пиковое значение –
max
ϕ
, соответствует
max
τ
.
3.
Критическое значение –
cr
ϕ
, соответствует
min
τ
для переуплотненных
глинистых грунтов или плотных песчаных грунтов и
max
τ
для нормально
уплотненных глинистых грунтов или рыхлых песчаных грунтов.
4.
Остаточное значение – ϕ
rest
, соответствует деформации сдвига в 30–50 %
и более.
На рис. 6.22 приведены результаты испытаний песчаного грунта при раз
личной плотности и кинематическом действии касательной нагрузки.
Три нижние кривые (см. рис. 6.22) – результаты испытаний рыхлого песка
(ρ=1,54
г/см
3
; е = 0,72) в воздушносухом состоянии, а три верхние кривые –
результаты испытаний песка средней плотности (ρ=1,67 г/см
3
; е = 0,66).
Скорость нагружения равна 1 мм/мин. Нормальное давление 0,1 МПа. Из
рис. 6.22 видно существенное влияние плотности песчаного грунта на
величину максимальной касательной нагрузки – 0,048 МПа (песок рыхлый) и
0,276
МПа (песок средней плотности). Различие в пять раз. Это при
относительной деформации среза, равной 0,08 (8 %). Рост деформации среза
приводит к падению измеряемой касательной нагрузки в песке средней
плотности, сопротивление срезу уменьшается, и при больших деформациях,
равных 0,40 (40 %), значения сопротивления сдвигу песка рыхлого и песка
плотного примерно одинаковы.
Рис.6.22. Испытания на срез при кинематическом нагружении
Глава 6
300
Рис. 6.23. Зависимость деформации сдвига от касательного напряжения
при статическом нагружении
Анализируя результаты рассматриваемых опытов, можно сделать еще
один вывод. Если использовать условие завершения опыта при достижении
деформации среза в 5 мм (относительная деформации, равна 0,071), то
получим почти такие же значения предельной нагрузки сдвига (см. рис. 6.23),
какие были отмечены выше, т.е. 0,048 и 0,23 МПа. Из условия прочности
Кулона при σ = 0,1 МПа имеем
°=ϕ
=
26
72,0
max
e
и
°=ϕ
=
67
66,0
max
e
. Если эти же
значения определить при деформации среза, равной 0,4, мы получим
°=ϕ
=
21
72,0e
cr
и
°=ϕ
=
21
66,0e
cr
. Отсюда следующий вывод.
1.
При использовании кинематического нагружения испытания на срез
следует проводить до больших деформаций, при которых измеряемое
касательное напряжение стабилизируется.
2.
Угол внутреннего трения надо определять при достижении критической
прочности грунтов.
На рис. 6.8, 6.9, 6.10 показаны различные типы приборов, пред
назначенных для одной и той же цели, а именно: для испытаний грунтов на
срез. Будут ли различаться значения предельного сопротивления срезу, если
провести опыты с одинаковыми образцами грунта, но при использовании
различных способов создания деформации сдвига? На рис. 6.25 представлены
результаты подобных испытаний с образцами глины в мягкопластичном
состоянии. Как видно из опытов, значение предельного сопротивления срезу