Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания на растяжение

491

Рис. 12.5. Зависимость растягивающего напряжения и деформации растяжения от

влажности глины (Nahlawi et al., 2004)

На рис. 12.6 показаны результаты испытаний раздробленной скальной

породы, закрепленной 3 % цемента различной мраки (GB и GP) со сроком

твердения 7 суток и более. При испытании закрепленной породы в отличие от

испытаний глинистого грунта (см. рис. 12.4) падения напряжений (разупроч

нение материала) с ростом деформации растяжения не наблюдается. Проч

ность закрепленной породы зависит от марки цемента и срока твердения.

Начальный модуль деформации существенно возрастает с течением времени.

Рис. 12.6. Зависимость растягивающего напряжения от деформации растяжения

для грунта, упрочненного цементом (Nahlawi et al., 2004)

Глава 12

492

12.2. Методы испытаний на растяжение

Испытания на растяжение проводятся с целью определения предела

прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона.

В большинстве случаев применяются два метода

испытаний: прямой и косвенный. Прямой метод

практически ничем не отличается от метода ис

пытаний образцов стали на разрыв. Различие лишь в

скорости нагружения.

Прямой метод испытания на растяжение яв

ляется трудоемким изза сложности изготовления

образцов специальной формы и необходимости

применения соответствующих захватов.

Косвенные методы испытания на растяжение

получили большее распространение. К косвенным

методам относятся так называемый «бразильский»

способ раздавливания образца по диаметру и

подобный ему метод испытания на растяжение при

раскалывании по ГОСТ 10180–90 (рис. 12.7).

Испытания по ГОСТ 10180–90 проводят, используя цилиндрические

образцы с высотой, равной их диаметру. Из решения теории упругости, для

случая сжатия цилиндра двумя линейнораспределенными нагрузками напря

жение

σ , действующее в направлении, нормальном к приложению нагрузки,

равно:

=σ , (12.1)

где p – нагрузка;

– радиус диска; L – высота цилиндра.

В 1971 году A. Bishop предложил проводить испытания на растяжение с

образцами грунта в виде галтели («шпульки»), что позволяет исключить

захваты на торцах, как принято при испытании скальных пород и бетонов.

Образец в армированной резиновой оболочке (рис. 12.8) размещается в камере

давления, что позволяет проводить испытания на растяжение, увеличивая

всестороннее давление в камере вплоть до разрыва образца.

Предельное значение растягивающего напряжения определяется из

выражения

⎛⎞

σ=−σ −

⎜⎟

⎝⎠

, (12.2)

где

– площадь торцевого сечения образца;

– площадь сечения цент

ральной части образца;

σ – всестороннее давление;

σ – осевое напряжение,

измеряемое динамометром.

Рис. 12.7. Схема испыта

ний на раздавливание

Испытания на растяжение

493

(а) (б)

Рис. 12.8. Метод испытания на растяжение A. Bishop:

1 – фиксированная опора; 2, 6 – шарниры Гука; 3 – индикатор перемещения; 4 – шток;

5 – тензометрический динамометр; 7 – штамп; 8 – гофрированная резиновая оболочка;

9 – трубопровод дренирования; 10 – стандартная резиновая мембрана; 11 – опора; 12 –

движущаяся плита разрывной машины; 13 – кабель динамометра; 14 – вода с пленкой

масла; 15 – образец; 16 – струбцина

Подобного вида прибор был разработан в лаборатории кафедры «Меха

ника грунтов, основания и фундаменты» МГСУ (рис. 12.9). В отличие от

прибора Бишопа, прибор данной конструкции позволяет проводить испы

тания как на сжатие, так и на растяжение. В первом случае применяются

образцы грунта в виде цилиндра, а во втором – в виде катушки. Если на

торцы образца приложить нормальное давление, то можно провести

испытания в условиях сложного напряженного состояния. При этом,

управляя давлением на торцах образца и внутри камеры, можно выполнять

как изотропную, так и анизотропную консолидацию образца, а затем,

увеличивая давление в камере, проводить испытание на растяжение. При

меняя различные схемы нагружения: от простого растяжения

(

12 3

0, 0σ=σ= σ<

)

до трехосного сжатия при

(

12 3

0, 0σ=σ≠ σ<

)

или

при 1

=+ (

12 3

0, 0σ=σ≠ σ> ), – можно определить параметры прочности,

отличные от определяемых при трехосном сжатии, когда 1

=− .

Глава 12

494

Рис. 12.9. Метод испытания на растяжение З.Г. ТерМартиросяна – Е.А. Воробьева:

1 – цилиндр с поршнем; 2 – манометр; 3, 10 – индикаторы часового типа; 4, 9 – вкла

дыши; 5 – кран для удаления воздуха; 6 – вода; 7 – резиновая оболочка; 8 – камера

давления; 11 – образец грунта; 12, 13 – краны; 14 – плавающий поршень; 15 – ртутный

волюмометр

Прибор конструкции З.Г. ТерМартиросяна – Е.А. Воробьева состоит из

камеры давления 8, цилиндра 1, стабилизатора давления с плавающим

поршнем 14, манометра 2, Uобразной трубки 15, заполненной ртутью, для

измерения изменения объема образца и индикаторов часового типа 3 для

измерения осевой деформации.

Испытания образцов грунта в условиях сложного напряженного со

стояния позволяют оценить прочность грунта в диапазоне от сжатия до пря

мого растяжения, что показано на рис. 12.10. Предельная огибающая имеет

криволинейное очертание; при этом прочность грунта при растяжении за

висит от соотношения компонент главных напряжений.

Рис. 12.10. Круги Мора при сжатии и растяжении:

1 – одноосное растяжение; 2, 3, 4 – сжатие и растяжение; 5 – сжатие

Испытания на растяжение

495

Испытания образцов грунта в условиях сложного напряженного состо

яния позволяют оценить прочность грунта в диапазоне от сжатия до прямого

растяжения, что показано на рис. 12.10. Предельная огибающая имеет

криволинейное очертание, при этом прочность грунта растяжению зависит от

соотношения компонент главных напряжений.

В ГОСТ 21153.385 «Методы определения предела прочности при одно

осном растяжении» приведен метод определения предела прочности породы

по слабейшему поперечному сечению образца при одноосном растяжении в

направлении его оси, заданном относительно сложения (слоистости) породы.

Сущность метода заключается в проведении испытаний цилиндрических

или призматических образцов. Испытание каждого образца заключается в

измерении разрушающей силы при продольном растяжении образца через

стальные обоймы загрузочного устройства.

Вторым методом, который рекомендован данным ГОСТом, является метод

разрушения образцов произвольной формы встречными сферическими

инденторами. Метод предназначен для исследовательских и массовых испы

таний горных пород в лабораторных и полевых условиях с целью определения

предела прочности при одноосном растяжении в направлении, перпенди

кулярном к слабейшему сечению, проходящему через ось нагружения образца.

Сущность метода заключается в измерении разрушающей силы, прило

женной к образцу через стальные встречно направленные сферические

инденторы.

Размеры образцов и места их нагружения встречными инденторами

должны быть такими, чтобы площадь поверхности разрыва (раскола) была не

менее 3 и не более 100 см

. При этом площади по поверхности раскола

образцов одной выборки не должны отличаться более чем в два раза.

Высота образцов (расстояние между точками приложения нагрузки)

должна быть не менее 10 мм.

Максимальные и минимальные линейные размеры образцов в пределах

поверхности разрыва должны отличаться не более чем в 5 раз.

Ось нагружения образца инденторами должна быть ориентирована отно

сительно строения (слоистости) породы в соответствии с заданным направ

лением растяжения породы и должна быть удалена от ближайшей боковой

поверхности образца на расстояние, не меньшее половины высоты образца.

Для устойчивого положения между инденторами образца неправильной

формы на двух противоположных его поверхностях непосредственно в местах

предполагаемого контакта с инденторами выбирают или подготавливают

любыми средствами примерно параллельные площадки размером не менее

10×10

мм.

Количество образцов правильной формы должно быть не менее 6, а

неправильной не менее 10, при условии обеспечения надежности α резуль

татов не ниже 80 % и относительной погрешности ε не более 30 %.

Глава 12

496

При проведении испытаний образец устанавливают между инденторами в

устройство нагружения, показанное на рис. 12.11, б. Наиболее рациональные

схемы установки образцов приведены на рис. 12.12.

(а) (б)

Рис. 12.11. Схема испытания (а) и конструкция устройства одноосного растяжения (б)

(www.geoteck.ru):

1 – корпус; 2 – нижний шток; 3 – вкладыш; 4 – индентор; 5 – верхний шток

(а) (б) (в) (г)

Рис. 12.12. Схема установки образцов под иденторы

Образец нагружают до разрушения равномерно со скоростью 0,1–0,5 кН/с.

Испытание признают действительным при разрыве образца на две части по

поверхности, проходящей через ось нагружения.

Испытания на растяжение

497

Предел прочности при одноосном растяжении σ

, МПа, для каждого

образца вычисляют по формуле

7,5

σ= , (12.3)

где Р – разрушающая сила, кН; S – площадь поверхности разрушения

образца, см

; K – безразмерный масштабный коэффициент, принимаемый

равным 1.00 при S=(15±3) см

. Для других значений S коэффициент К

устанавливается по табл. 12.1.

Таблица 12.1

S, см

3 4 5 8 10 15 20

К 0,67 0,72 0,76 0,85 0,90 1,00 1,08

S, см

30 35 40 45 50 80 100

К 1,19 1,24 1,28 1,32 1,35 1,52 1,61

498

Глава 13. ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА В УСЛОВИЯХ

ОДНООСНОГО СЖАТИЯ

13.1. Общие положения

Исследования показывают, что прочность, опреде

ленная при испытании на одноосное сжатие зависит

существенно от отношения длины к диаметру образца

и скорости деформирования. Обычно приемлемым

считается отношение длины к диаметру от 1,5 до 3,0;

на практике применяется отношение H/D = 2,0–2,5.

Также удовлетворительной считается скорость дефор

мации от 0,5 до 2,0 % в минуту. Для большинства

грунтов более часто используется интервал скорости

деформации от 0,5 до 1,0 % в минуту.

На рис. 13.1 показаны схема нагружения образца и

граничные условия.

Цель испытаний

Определение недренированной прочности,

с и

предела прочности на одноосное сжатие связных

грунтов в естественном или нарушенном (перемятом)

состоянии.

Ограничения

Испытания неприменимы для песчаных грунтов

или связных грунтов с включениями гравия.

Условия испытаний

Испытания проводятся в режиме быстрого нагружения с такой заданной

скоростью деформации, чтобы не происходило рассеивание порового

давления.

Применение результатов испытаний

При проектировании сооружений с быстрыми темпами нагружения

связных водонасыщенных оснований, например при строительстве земля

ного полотна дорог, дамб, подпорных стен, откосов, и оценке несущей

способности и устойчивости водонасыщенных связных оснований.

При определении показателя консистенции глинистых грунтов

(

табл. 13.1).

При определении недренированной прочности связных грунтов

с .

Рис. 13.1. Схема нагру

жения образца в усло

виях одноосного сжатия:

1 – контактная площадь

образца;

2 – ось симметрии

Испытания в условиях одноосного сжатия

499

Таблица 13.1

Классификация глинистых грунтов в зависимости

от предела прочности на одноосное сжатие

Консистенция

Предел прочности

R , кПа

Текучая 0–500

Мягкопластичная 500–1000

Тугопластичная 1000–2000

Полутвердая 2000–4000

Твердая 4000–8000

Оборудование

Форма для подготовки образцов грунта (рис. 13.8, 13.12,б).

Выталкиватель (рис. 13.8).

Прибор одноосного сжатия (рис. 13.9).

Весы.

13.2. Экспериментальные исследования глинистого грунта

в условиях одноосного сжатия

Вопрос определения сопротивления сдвигу глинистых грунтов методом

раздавливания стал активно изучаться с 1931 года (Г.В. Сорокина, 1953) во

Всесоюзном научноисследовательском институте гидротехники. Цель

исследований заключалась в разработке наиболее простой методики опре

деления сопротивления глинистого грунта сдвигу, исключающей неодно

родность напряженного состояния грунта, возникающего при испытании

грунтов в приборе одноплоскостного среза. При использовании этого метода

Г.В. Сорокина предложила определять величину удельного сопротивления

сдвигу глинистого грунта без подразделения ее на сцепление и трение.

Следует заметить, что действующий сегодня метод определения недрени

рованной прочности

рассмотренный ранее, совпадает с методом опре

деления сопротивления глинистого грунта сдвигу S. По всей видимости,

метод, рекомендованный в ГОСТах, основан на работах Г.В. Сорокиной и

других авторов.

На рис. 13.2 показаны результаты испытаний 150 образцов из глинистого

грунта нарушенной структуры, полученных уплотнением под давлением от 25

до 1500 кПа. Как видно на рис. 13.2, у образцов со смазанными тавотом тор

цами деформация происходит равномернее, бочкообразности не наблюдается

(

рис. 13.2, б). В некоторых случаях проиходит разрушение образцов с обра

зованием четко выраженной полосы сдвига, со сколом образца (рис. 13.3).

Глава 13

500

(а) (б)

Рис.13.2. Вид образцов глинистых грунтов при одноосном сжатии

(Сорокина, 1953):

а – образец бочкообразной формы; б – образец в виде перевернутого конуса

Твердая глина Полутвердая глина

Рис. 13.3. Разрушение образцов глины со сколом

Приведенные на рис. 13.4 данные указывают на зависимость прочности

образца от отношения его высоты к диаметру. При уменьшении отношения

H/D

от 2 до 1 прочность образца увеличивается почти в два раза. При большей

высоте образца грунта во время сжатия наблюдаются перекосы вследствие

продольного изгиба образца. Наиболее близкие результаты при повторных

определениях получаются при сохранении отношения высоты к диаметру от

0,75

до 1,0.