Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза

321

Рис. 6.43. Прибор кольцевого среза конструкции Bishop et al. (1971)

с модернизацией (Yoshimine et al., 1999):

1 – датчик вертикальной деформации; 2 – датчик контроля кольцевого зазора; 3 –

консоль; 4 – винт регулирования зазора; 5 – датчик крутящего усилия; 6 – нагрузочный

штамп; 7 – кольца; 8 – пористый фильтр; 9 – образец; 10,13 – пневмоцилиндры

циклической нагрузки; 14 – шкиф; 15 – гибкая нить; 16 – сервопривод; 17 – датчик

нормального напряжения; 18 – пневмоцилиндр вертикальной нагрузки; 19 – датчик

контроля угла поворота; 19 – давление воздуха для воздушной системы сцепления

Рис. 6.44. Конструкция прибора кольцевого среза (Yoshimine et al., 1999)

Глава 6

322

Этот прибор авторы использовали для исследования динамических свойств

песка при больших деформациях сдвига. Циклическая нагрузка прикладыва

лась после образования поверхности сдвига в остаточном состоянии. Исследо

валось влияние количества циклов и частоты на прочностные свойства грун

тов. Опыты показали, что параметры остаточной прочности можно связать с

индексными показателями глинистых грунтов, такими, как влажность на гра

нице текучести (w

), число пластичности (I

) и содержание глинистых частиц.

Рис. 6.45. Зависимость остаточной прочности от содержания глинистых частиц

(Yoshimine et al., 1999)

Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза

323

Опыты были проведены при скорости сдвига 0,01 мм/мин. Ранее Skempton

(1964), Voight (1973), Kanji (1974), Lupini et al. (1981), Skempton (1985),

Tika et al. (1999)

пришли к выводу, что остаточный угол внутреннего трения

глин уменьшается с ростом числа пластичности или глинистой фракции. На

рис. 6.45, а, б приведены результаты, которые также показывают подобную

зависимость, хотя остаточные углы внутреннего трения, измеренные

(Yoshimine et al. 1999),

оказались несколько больше, чем значения данного

параметра, полученные вышеперечисленными авторами. Stark and Eid (1994)

также обнаружили зависимость ϕ

от влажности на границе текучести,

содержания глинистых частиц и давления предварительного уплотнения.

Подобная зависимость показана на рис. 6.45, в, но с большим разбросом

данных измерений.

Из отечественных приборов кольцевого среза удалось найти в литератур

ных источниках только две конструкции, которые приведены на рис. 6.46

и 6.47.

В приборе, конструкция которого показана на рис. 6.47, сдвигающая сила

создается с помощью электрического маятникового прессасрезывателя, ко

торый позволяет автоматически регистрировать величину деформаций и

сдвигающей силы. Крутящий момент создается с помощью груза 9, подве

шенного на конце маятника 8. Маятник может поворачиваться вокруг

шарнира А, находящегося на каретке, которая может горизонтально

смещаться к редуктору со скоростью от 0,044 до 44 мм/мин. В точке В,

расположенной выше точки подвеса А, к маятнику присоединен трос 4,

вращающийся диск 5, надетый на срезную коробку 6 (рис. 6.46, а). С

помощью винтов 7 (рис. 6.46, б) диск соединен с верхней вращающейся

обоймой срезной коробки. При движении каретки и смещении вместе с ней

маятника сопротивление грунта будет удерживать на месте шарнир в точке В.

В результате маятник будет отклоняться, создавая момент

QlM =

(Q – вес

маятника и груза; l – отклонение центра масс этой системы от пер

воначального положения). Когда в образце начнется сдвиг, точка В станет

смещаться. Особенность этого процесса состоит в том, что сдвигающее

усилие автоматически изменяется с уменьшением сопротивления сдвигу.

На рис. 6.48 показан прибор кольцевого среза научноисследовательского

сектора института «Гидропроект». Высота образца 24 мм, наружный диаметр

101

мм и внутренний диаметр 50 мм.

Глава 6

324

(a)

(б)

Рис.6.46. Прибор кольцевого среза конструкции Когана – Тулупова

(Гольдштейн, 1979):

а – схема устройства нагружения: 1 – графорегистратор; 2 – крюк; 3 – каретка пера;

4 – трос; 5 – вращающийся диск; 6 – срезная коробка; 7 – основание пишущего пера;

8 – маятник; 9 – груз;

б – схема срезной коробки: 1 – основание; 2 – нижний зубчатый вкладыш; 3 – образец

грунта; 4 – верхняя вращающаяся обойма; 5 – верхний зубчатый вкладыш; 6 – поршень;

7 – винты для присоединения диска к поршню; 8 – трос; 9 – вращающийся диск

Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза

325

Рис. 6.47. Прибор кольцевого среза НИС «Гидропроект» конструкции Я.Л.Когана

(Месчян, 1978)

Глава 6

326

Срезная коробка, в которой осуществляются предварительное уплотнение

и срез образца грунта, состоит из нижней неподвижной 17 и верхней

подвижной 16 кольцевых обойм, в которых помещены рифленые дырчатые

неподвижное 18 и подвижное 15 кольцаштампы. Кольцо 15 вместе с опорой

перемещается только по вертикали, а шпильки не дают нижнему кольцу

крутиться. Нормальная нагрузка с помощью секторного рычага и троса 12

передается на образец грунта, который помещен между кольцами 15 и 18.

Сдвиг образца осуществляется кручением верхней обоймы с помощью

шпинделя 9 механизма кручения и кольца, закрепленного на обойме

винтами. Механизм кручения состоит из закрепленных на столе винтами

направляющей 19, шпинделя 9 и диска 8 с насаженной на хвосте шпинделя

гайкой. Кручение шпинделя осуществляется при помощи диска. Крутящий

момент создается парой тяг 7, помещенных в канавках диска, которые

перекинуты через ролики 23 кронштейнов 24 и закреплены на балке 5.

К последней при помощи тяги 4 и гайки 6 подвешен грузовой поддон 3 и

грузы 29.

327

Глава 7. ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА В УСЛОВИЯХ

ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ

7.1. Общие положения

Испытание грунта методом трехосного сжатия по ГОСТ 1224896, ASTM

D2850, ASTM D4767, BS 1377 (табл. 7.1) проводят для определения

следующих параметров прочности и деформируемости: угла внутреннего

трения ϕ, удельного сцепления с сопротивления недренированному сдвигу

, модулей деформации E, G, K и коэффициента поперечной деформации v

для песков, глинистых, органоминеральных и органических грунтов. В то же

время испытания методом трехосного сжатия позволяют не только

определить ряд дополнительных параметров, входящих в те или иные модели

грунта, но и проводить сами испытания по различным траекториям

напряжений.

Таблица 7.1

Стандарты трехосных испытаний

Метод испытания Россия Англия США Особенности

Неконсолидированно

недренированные (НН)

ГОСТ 1224896,

раздел 5.3

BS 1377, часть 7

ASTM

D2850

Без измерения

порового

давления

Консолидированно

недренированные (КН)

ГОСТ 1224896,

раздел 5.3

BS 1377, часть 8

ASTM

D4767

С измерением

порового

давления

Консолидированно

дренированные (КД)

ГОСТ 1224896,

раздел 5.3

BS 1377, часть 8

–

С измерением

изменения объема

Параметры прочности и деформируемости определяют по результатам

испытаний цилиндрических образцов грунта в камерах трехосного сжатия,

будем называть их далее камерами давления (рис. 7.1), в которых дефор

мирование цилиндрических образцов грунта происходит в условиях трехос

ного осесимметричного как статического, так и кинематического (непрерыв

ного, с заданной скоростью, мм/мин) нагружения при

321

σ=σ≥σ

. Здесь

–

наибольшее главное напряжение,

– промежуточное главное напряжение,

– наименьшее главное напряжение.

Образец грунта имеет отношение высоты (Н) к диаметру (D), как правило,

не менее 2. Обычно диаметр образцов принимается равным 38 или 50 мм,

значительно реже – диаметром 100 мм. Известны конструкции приборов для

испытания крупнообломочных грунтов с диаметром 200 мм (ЛИИЖТ, НИС

института «Гидропроект»).

Глава 7

328

Рис. 7.1. Конструкция камеры давления (а)

и траектории нагружения образца грунта (б) (Wood, 1990)

Совокупность камеры давления, средств измерения и устройства силового

нагружения называют прибором трехосного сжатия (triaxial device), как

принято за рубежом, или стабилометром, как его называют в России.

Подобное различие в наименовании существенно, если иметь в виду, что

имеются приборы, которые называются приборами истинного трехосного

сжатия (true triaxial device), где испытания проводят с кубическими образцами

грунта, но при независимом изменении всех трех главных напряжений

(

321

σ≠σ≠σ

). Конструкция этого типа приборов и методы испытания грунтов

будут рассмотрены в главе 8.

В отличие от приборов прямого среза, простого сдвига и одометров, в

стабилометре можно определить как прочностные, так и деформационные

параметры грунтов из одного испытания образца грунта. Как и все приборы,

стабилометры обладают как преимуществом по сравнению с другими

приборами, так и присущими им недостатками. В табл. 7.2 приведено

сравнение испытаний в условиях прямого среза и трехосного сжатия.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

329

Таблица 7.2

Сравнение испытаний в условиях прямого среза и трехосного сжатия

(Brenner et al., 1997)

Прямой срез Трехосное сжатие

Преимущества:

– относительно простые и быстрые

– можно провести до больших деформаций

– требуется меньше времени для дре

нирования образца

– возможность среза вдоль заданной

поверхности (например, плоскость ослаб

ления, трещины)

Преимущества:

– можно контролировать условия дрени

рования и измерять поровое давление

– распределение напряжений в образце

остается более или менее постоянным и

более однородным, чем при прямом срезе

– может быть определено изменение

объема при сдвиге

Недостатки/ограничения:

– сложно контролировать условия дре

нирования в течение опыта, особенно для

слабопроницаемых грунтов

– поровое давление не может быть из

мерено

– напряженное состояние при сдвиге не

может быть определено и траектория

напряжений не может быть установлена.

Напряжения в образце неоднородны. На

диаграмме зависимости «предельное каса

тельное напряжение – нормальное напря

жение» может быть отмечена только одна

точка, представляющая среднее каса

тельное напряжение на горизонтальной

плоскости сдвига. Круг Мора может быть

отображен только при предположении, что

горизонтальная плоскость сдвига является

теоретической плоскостью разрушения.

В течение деформирования направление

главного напряжения меняется

– касательное напряжение над поверх

ностью сдвига неоднородно, и может

развиваться прогрессивное разрушение

– невозможно водонасыщение мелкозер

нистых образцов (например, обратным

давлением)

– площадь среза изменяется непрерывно

Недостатки/ограничения:

– влияние главного промежуточного на

пряжения σ

не может быть определено. В

определенных задачах геотехники влияние

напряжения σ

может быть выше, чем

влияние σ

. Это влияет на параметры с, ϕ

– направление главного наибольшего на

пряжения σ

остается фиксированным;

условия, когда главное напряжение изме

няется непрерывно, реализовать сложно

– влияние концевых ограничений (штам

пы) на неоднородность напряженного

состояния, поровое давление и дефор

мации в образце и форму деформации в

виде «бочки» или семейства полос сдвига

– влияние отношения H/D на прочность

грунта

Глава 7

330

Испытания в стабилометре проводят по следующим трем схемам:

1) неконсолидированнонедренированное испытание – для определения

сопротивления недренированному сдвигу водонасыщенных глинистых,

органоминеральных и органических грунтов природной плотности;

2) консолидированнонедренированное испытание – для определения

характеристик прочности глинистых, органоминеральных и органических

грунтов в нестабилизированном состоянии;

3) консолидированнодренированное испытание – для определения

характеристик прочности и деформируемости любых дисперсных грунтов в

стабилизированном состоянии.

Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с

природной влажностью или образцы нарушенного сложения с заданными

значениями плотности и влажности.

В стабилометре можно реализовать различные траектории нагружения в

плоскости напряжений

321

, σ=σσ

(см. рис. 3.8). В частном случае, наиболее

часто реализуемом на практике, испытания проводят по траектории сжатия

СТС. В этом случае боковое давление, создаваемое воздухом или жидкостью в

рабочей камере, σ

=σ

(рис. 7.1, а) поддерживается постоянным, а вертикальное

напряжение

увеличивается ступенями

σΔ

. При определенной величине

разности (девиаторе) главных напряжений (

σ−σ

) наступает разрушение

образца по наклонной плоскости (рис. 7.2, б). В отличие от испытаний на

прямой срез, где плоскость среза определена конструктивно (горизонтальна), в

приборе трехосного сжатия положение плоскости сдвига зависит от условий

нагружения и может быть одна или несколько. Тот или иной вид полос сдвига,

наблюдаемых в образце грунта при определенной величине девиатора

напряжений, называется модой деформации.

Касательное τ и нормальное

напряжение на плоскости сдвига

(рис. 7.2, в) может быть найдено, если известно значение угла наклона

данной плоскости в предельном состоянии.

Из условий равновесия на наклонной плоскости находим

sin2

σ−σ

τ= θ;

313 13 13

()cos()()cos2

σ=σ+σ−σ θ= σ+σ + σ−σ θ. (7.1)