Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов
Подождите немного. Документ загружается.
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
301
для мягкопластичной глины практически не зависит от способа создания
касательной нагрузки.
В заключение следует отметить, что практическое применение определя
емых параметров прочности ϕ и c зависит от способа решения конкретных
задач проектирования. Например, решения СП 501012004 «Проектирование
и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений» требуют при
определении расчетного сопротивления грунта основания или несущей
способности использовать критические значения
cr
ϕ
и
cr
с
. В том случае если
рассчитывается напряженнодеформированное состояние оснований с уче
том упрочнения и разупрочнения грунта, то в зависимости от применяемой
модели грунта могут потребоваться как
cr
ϕ
и
cr
с
, так и
max
ϕ
,
max
с
. В то же
время, при расчете устойчивости склонов используют ϕ
rest
и c
rest
.
Влияние скорости деформации сдвига на прочность песчаного и
глинистого грунтов показано на рис. 6.24, 6.25. На рис. 6.24 приведены
результаты испытаний на срез при различной скорости деформации среза от
0,1
до 5 мм/мин. Как видно из результатов испытаний, прочность песчаного
грунта возрастает с уменьшением скорости среза, и, наоборот, прочность
глинистых грунтов снижается (см.рис. 6.25) с уменьшением скорости среза.
Результаты испытаний показывают различия в определении параметра
прочности
ϕ
в пиковом и критическом состояниях песка. Различие со
ставляет 19 – 15 = 4 градуса.
Рис. 6.24. Прочность песка при непрерывном сдвиге
Глава 6
302
Рис. 6.25. Прочность глины при непрерывном сдвиге
В институте «Фундаментпроект» в 1975 году был разработан прибор для
испытания образцов грунта на прямой срез с кинематическим нагружением,
который получил наименование СПФ2. Скорость среза здесь изменяется от
0,01
мм/мин до 5 мм/мин. Результаты испытаний можно использовать для
определения не только прочностных характеристик, но и деформационных,
полагая, что через модуль сдвига можно определить модуль сдвига, используя
следующие выражения:
G
k
H
τ
′
=
δ
, (6.9)
где δ – деформация сдвига образца; H – высота образца; G – модуль сдвига;
k
′
– коэффициент, которым учитывается конструкция прибора, а именно
отношение высоты образца H к его диаметру D и отношение высоты зазора
между кольцами к высоте кольца.
Используя выражение для вычисления модуля сдвига из механики
сплошной среды, модуль деформации из испытаний на прямой срез
определяем из выражения
δ
τ
ν
+
=
Dk
E
)1(2
, (6.10)
где k – коэффициент, в котором учтены постоянные для данного прибора
(
СПФ2) отношение
DH /
и высота зазора между кольцами, равная при всех
опытах 2 мм.
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
303
Для определения коэффициента k предлагается использовать следующее
выражение:
∑
∑
δΔ
τΔ
ν+
=
n
i
i
n
k
i
D
E
k
1
1
)1(2
, (6.11)
где
τΔ
и
δΔ
находим из линейного участка зависимости
),( στ=δ f
непосредственно перед пиком напряжений (рис. 6.27). Было проведено 230
опытов по определению
k
E
в компрессионных приборах,
τΔ
и
δΔ
. Испыты
вались четвертичные глины, суглинки и супеси с консистенцией от твердой
до мягкопластичной, в интервале нормальных давлений 0,1–0,5 МПа. По
формуле (6.11) на основании 230 опытов получено значение k= 2,12
(
коэффициент Пуассона принимался постоянным, равным 0,33).
Рис. 6.26. Графики зависимости сдвигающих усилий τ от деформации сдвига δ
при разных нормальных давлениях σ:
1 – 0,1 МПа; 2 – 0,2 МПа; 3 – 0,3 МПа
Результаты сопоставления модулей деформации, полученные по данным
компрессионных и сдвиговых испытаний, приведены на рис. 6.27, из
которого видно, что разброс значений незначителен.
Глава 6
304
Рис. 6.27. Графики зависимости модулей деформации, определенных по результатам
компрессионных E
к
и сдвиговых E
с
испытаний различных грунтов
(Трофименков и Добровольский, 1975)
Использовать выражения (6.10), (6.11) надо с осторожностью, так как
авторы, определяя упругий модуль сдвига, используют при сопоставлении
результатов не начальный участок, характеризующий упругое поведение
грунта, а участок, близкий к предельному состоянию. Такая же корре
ляционная зависимость (рис. 6.27), может быть получена и для начального
участка зависимости
),( στ=δ f
, но значение коэффициента k будет иным.
6.6. Испытания в условиях простого сдвига
Преимущество и ограничения, присущие испытаниям в условиях прос
того сдвига, по сравнению с другими типами лабораторных испытаний, были
описаны в работах М.Н.Гольдштейн (1979); Lucks et al., 1972; Shen et al., 1978;
Saada et al., 1982; Vucetic and Lacasse, 1982; Budhu, 1985; Bhania et al., 1985;
Armer et al., 1987; Airey and Wood, 1987; Budhu and Britto, 1987; Boulanger et al.,
1993
и др.
Условия простого сдвига реализуются в основании ряда соружений. На
пример, грунт, примыкающий к боковой поверхности сваи или находящийся
под фундаментами плавучих платформ либо в массиве откоса грунта, может
деформироваться в условиях простого сдвига. В условиях деформации
простого сдвига объем образца не изменяется и остается постоянным, изме
няется только форма образца, как показано на рис. 6.5, б. В процессе опыта
при постоянном нормальном давлении и возрастающем касательном
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
305
напряжении измеряется деформация сдвига,
0
/h
h
δ=
γ
, где
h
δ
– гори
зонтальное перемещение, а
0
h
– начальная высота образца.
В отличие от испытаний в условиях прямого среза, когда практически
невозможно выдержать условия отсутствия дренирования, при выполнении
испытаний в приборах прямого сдвига образец грунта находится в резиновой
оболочке, что позволяет проводить как дренированные, так и недре
нированные испытания, сохраняя в последнем случае неизменным объем
образца грунта. Вторым отличием является возможность измерения порового
давления при сдвиге образца.
Устройства для испытания образцов грунта в условиях простого сдвига
можно разделить на две категории: первая – это приборы конструкции
Норвежского института геотехники (Bjerrum, 1966) для испытания цилинд
рических образцов и вторая – приборы Кэмбриджского типа для испытания
прямоугольных или кубических образцов (Roscoe, 1953; Vucetic et al., 1998).
Эти устройства были разработаны с целью моделирования поведения грунтов
в условиях простого сдвига (см. рис. 6.5, б). Условия простого сдвига не могут
быть реализованы в приборе прямого среза или в стандартном стабилометре.
В России испытания в приборах простого сдвига часто называют испы
таниями на скашивание (М.Н.Гольдштейн, 1979; С.Р.Месчян, 1978). Схема
испытания в приборах простого сдвига различной конструкции показана на
рис. 6.28.
В конструкции приборов Кэмбриджского университета образец грунта
имеет размер в плане 100х100 мм и высоту 20 мм и находится между жесткими
границами. Деформация чистого сдвига реализуется поворотом боковых
граней относительно двух шарниров при смещении нижнего штампа гори
зонтально (рис. 6.28, а). Для уменьшения сил трения боковые грани
выполнены полированными. Однако в этом приборе невозможно реализовать
недренированные испытания грунта.
В другом типе приборов простого сдвига, первая конструкция которых
была предложена в 1951 году Kjellman, а затем модернизирована Bjerrum and
Landva (1966)
в Норвежском институте геотехники, используется цилинд
рический образец диаметром 80 мм и высотой 20 мм. Боковая деформация
образца ограничена армированной оболочкой, которая закреплена на
верхнем и нижнем штампах.
В приборе конструкции ДИИТа скашивание образца диаметром 6 см
осуществляется перемещением верхней плиты. Образец в резиновой
оболочке окружен металлическими плоскими кольцами, которые надеты на
образец и зазоры между которыми составляют 1–2 мм.
Испытания в условиях простого сдвига позволяют определить не только
параметры прочности, но и модуль сдвига G, характеризующий деформи
руемость грунта при сдвиге, что невозможно сделать в приборе прямого среза.
Глава 6
306
(а) (б)
(в)
Рис. 6.28. Схема деформирования образца грунта в конструкции приборов простого сдвига:
Cambrige University (а), Норвежского института геотехники (б) и Днепропетровского
института инженеров железнодорожного транспорта (в) (М.Н.Гольдштейн, 1979):
1,5 – фильтры; 2 – смещаемое кольцо; 3 – тонкие кольца; 4 – образец; 6 – неподвижное
кольцо; 7 – канал дренирования; 8 – резиновая оболочка, армированная проволокой; 9 –
шарнир; 10 – подвижная стенка; 11 – датчики силы
Сравнение результатов испытаний в условиях простого сдвига с
результатами испытаний в условиях трехосного сжатия или прямого среза,
свидетельствуют о том, что в условиях простого сдвига прочность и жесткость
получаются ниже.
Испытания песка (Stroud, 1971; Budhu, 1984) показали, что примерно
третья часть образца при монотонном нагружении деформируется однородно.
В опытах Airey (1984), который использовал модифицированный прибор
конструкции Норвежского института геотехники, наблюдалась большая
однородность деформации для глин, чем для песчаных грунтов. В любом
случае в приборе простого сдвига грунт деформируется более однородно, чем
в приборе прямого среза (Roscoe, 1953).
Различия в значениях прочности, полученных из испытаний в условиях
прямого среза и простого сдвига, побуждают исследователей проводить
сравнительные испытания с целью определения факторов, определяющих эти
различия. В работе Hanzawa et al. (2007) приведены результаты сравнительных
опытов с образцами глины различного происхождения. Опыты показывают
на то, что испытания глины в условиях простого сдвига, реализуемые в
приборе конструкции Норвежского института гидротехники (образец
диаметром 67 мм и высотой 16 мм), дают заниженные значения прочности и
деформируемости (жесткости) относительно расчетных значений, харак
терных для идеальных условий сдвига, в то время как из испытаний на
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
307
прямой срез эти же значения получаются завышенными. Различия между
простым сдвигом и прямым срезом могут быть объяснены разными
механизмами разрушения. В условиях прямого среза разрушение грунта
имеет место вдоль фиксированной горизонтальной плоскости сдвига. При
испытании в условиях простого сдвига возможно возникновение состояния
разрушения с деформацией вдоль серии горизонтальных (рис. 6.29, а) или
вертикальных плоскостей сдвига (рис. 6.29, б), т.е. может быть реализован
механизм разрушения первого или второго типа, но грунт выберет тот
механизм, который окажет наименьшее сопротивление сдвигу, т.е. второй.
(а) (б)
Рис. 6.29. Возможный механизм сдвига:
а – горизонтальные плоскости; б – вертикальные плоскости (Hanzawa et al., 2007)
На рис. 6.30 приведены результаты испытания глины ненарушенной струк
туры, отобранной с различной глубины. На этом рисунке показаны нор
мализованная зависимость пиковой прочности
)/(
max vo
σ
′
τ
, деформация в
момент разрушения
)(
max
γ
, нормализованная зависимость остаточной прочности
vorest
σ
′
τ /(
) и индекс жесткости
)/(
max50
τG
. Здесь
vo
σ
′
– эффективное бытовое
напряжение. Опыты ясно показывают на то, что пиковая прочность глины из
испытаний в условиях простого сдвига значительно ниже, чем пиковая
прочность в условиях прямого среза. В то же время различия в остаточной
прочности менее значительны. Учитывая эти различия, авторы рекомендуют
принимать значения пиковой прочности из опытов на прямой срез с коэффи
циентом 0,77–0,81, как это показано на рис. 6.32. Hanzawa (1992), изучая
прочность глинистых грунтов различного происхождения с целью использования
результатов при проектировании насыпей, выполняемых на мягкопластичных
глинистых грунтах, пришел к выводу, что для исключения совокупных эффектов
Глава 6
308
нарушения структуры при отборе монолитов, определении скорости сдвига и
анизотропии результаты опытов на прямой срез необходимо скорректировать с
использованием коэффициента, равного 0,85 (рис. 6.31).
Рис. 6.30. Прочность и деформируемость глины из испытаний в условиях прямого среза и
простого сдвига (Hanzawa et al., 2007)
При проектировании искусственных
насыпей важно знать, как изменяется
прочность грунта в зависимости от его
уплотнения при отсыпке тела насыпи.
Если насыпь отсыпается из связного
грунта, то грунт материала насыпи на
ходится в перемятом состоянии, с разру
шенной структурой. Оказывается, струк
тура связного грунта может быть восста
новлена, если его подвергнуть предва
рительному уплотнению. На рис. 6.32
приведены результаты испытания глины
с естественной и нарушенной струк
турой, которая была уплотнена давле
нием 400 кПа. Сравнение сделано для
образцов глины при различном значении
коэффициента переуплотнения OCR.
Для этих значений OCR нет различий в
прочности, деформируемости и поровом
давлении образцов глины с нарушенной
и ненарушенной структурой. Это говорит
Рис. 6.31. Корректировка результатов
испытаний (Hanzawa et al., 2007)
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
309
о том, что структура перемятого грунта была восстановлена давлением
предварительного уплотнения, равным 400 кПа. Сравнение значений
прочности, полученных из этих же опытов, но в условиях прямого среза и
простого сдвига, указывает на то, что между ними нет существенных
различий.
Рис. 6.32. Сравнение результатов испытания глины ненарушенной и нарушенной
структуры в условиях прямого среза (Hanzawa et al., 2007)
6.7. Приборы, применяемые при проведении испытаний
в условиях прямого среза и простого сдвига
До сих пор наиболее простым и широко применяемым в нашей стране
является прибор прямого среза (ПСГ) конструкции научноисследова
тельского института «Гидропроект». Этот прибор (рис. 6.33) выпускался
серийно с 1970 гг. по 2000 г. на экспериментальном ремонтномеханическом
заводе в г.Угличе.
Глава 6
310
Рис. 6.33. Прибор прямого среза конструкции института «Гидропроект»
Прибор для испытания грунтов на сдвиг ПСГ предназначен для
определения сопротивления сдвигу глинистых и песчаных грунтов как после
предварительного уплотнения под заданной нагрузкой, так и без
предварительного уплотнения. Площадь поперечного сечения образца равна
40
см
2
, а высота 34,5 мм. Нормальная и касательная нагрузка прикладывается
к образцу грунта с помощью двух рычагов. Конструкция данного прибора
аналогична конструкции, предложенной ранее Масловым – Лурье. В про
тотипе прибора конструкции МасловаЛурье была заложена возможность
сдвига с наклоном образца за счет отклонения касательной составляющей от
вертикальной нагрузки. Подобная схема нагружения позволяет поддерживать
в процессе опыта постоянную интенсивность деформации сдвига.
На рис. 6.34 показаны общий вид и детали конструкции прибора прямого
среза, особенностью которого является возможность создания деформации
сдвига с заданной скоростью. Испытания выполняются одновременно с
тремя образцами грунта при различном нормальном давлении и заданной
скорости деформации сдвига.
Приборы подобной конструкции, реализующие условия одноплос
костного среза, но с введением автоматического управления и контроля,
выпускаются как в России (www.geoteck.ru), так и за рубежом (www.ele.com,
www.geotestusa.com, www.geocomp.com
и др.)
Основным недостатком данных приборов является невозможность кон
троля порового давления при испытании в условиях неконсолидированно
недренированного сдвига. Конструкция срезной коробки не является
герметичной, что и не обеспечивает условия недренирования при сдвиге.