Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях одноосного сжатия

501

Рис. 13.4. Зависимость сопротивления сдвигу образцов кудиновской глины от величины

давления при различных соотношениях между высотой H и диаметром D образца

(Сорокина, 1953):

1 – при H/D=0,75–1,0; 2 – при H/D >1,0

При увеличении влажности глины (рис. 13.5) сопротивление сдвигу умень

шается. Эта же зависимость для различных глинистых грунтов, выраженная

через коэффициент пористости грунта, показана на рис. 13.6.

На рис. 13.7 приведено сравнение результатов определения сопротив

ления сдвигу глинистых грунтов методом одноплоскостного среза и методом

одноосного сжатия. Результаты испытаний различны. Испытания на одноос

ное сжатие показывают большие значения сопротивления сдвигу по

сравнению с испытаниями с использованием метода одноплоскостного среза.

Величина сопротивления сдвигу для образца, испытанного методом одноос

ного сжатия (точка С

), равна величине сопротивления сдвигу, полученной на

срезном приборе для образца, уплотненного той же нагрузкой (700 кПа), но

срезанного при нормальном давлении 525 кПа, т.е. при разгрузке.

Рис. 13.5. График зависимости

сопротивления сдвигу от влажности

кудиновской глины (Сорокина, 1953)

Глава 13

502

Рис. 13.6. Графики зависимости сопротивления образцов грунта сдвигу от коэффициента

пористости для различных глинистых грунтов (Сорокина, 1953):

1 – лессовидный суглинок; 2 – кудиновская глина; 3 – глина четвертичная черноморская;

4 – юрская глина

Рис. 13.7. Результаты опытов по определению сопротивления сдвигу глинистых грунтов

методом одноосного сжатия и методом сдвига в одноплоскостном приборе

(Сорокина, 1953)

13.3. Процедура испытаний

13.3.1. Грунты ненарушенной структуры

1. Используя режущий цилиндр (рис. 13.8) и устройство для вырезки

образцов из монолита, подготовить образец глинистого грунта с диаметром

мм и высотой 76 мм.

Измерить диаметр образца у верхнего торца штангециркулем в трех

точках через 120°. Сделать то же самое в нижней части образца. Записать в

журнал испытаний среднее значение диаметра.

Испытания в условиях одноосного сжатия

503

(а) (б)

Рис. 13.8. Устройства для выталкивания образца грунта из цилиндра (а)

и вырезания образцов из монолита (б) (www.geoteck.ru):

1 – режущий цилиндр; 2 – выталкиватель; 3 – штамп; 4 – пресс; 5 – опорная плита; 6,7,8 –

опорные кольца с режущими цилиндрами для вырезания из монолита образцов грунта,

используемых в последующих испытаниях на срез, трехосное сжатия и компрессию,

соответственно

Измерить высоту образца и записать в журнал испытаний.

Взвесить образец грунта и записать в журнал испытаний.

Осторожно поместить образец грунта на опорную плиту прибора

выровняв его относительно центра (рис. 13.9).

Установить нагрузочный штамп на верхний торец образца грунта и

привести в соприкосновение с ним шток нагрузочного устройства.

Закрепить датчик вертикальных перемещений и выставить начальное

значение, использовав программу GEOTEK ASIS.

Задать предельную деформацию сжатия 0,15ε= и выполнить на

гружение образца со скоростью приращения относительной вертикальной

деформации образца, равной 0,02 в 1 мин. При высоте образца 76 мм время

испытания не должно быть более 5 минут.

Недренированная прочность (сопротивление недренированному сдвигу)

связных грунтов определяется как половина предела прочности на одноосное

сжатие глинистых грунтов, вычисляемого согласно ГОСТ 12248–96 по

формуле

= , (13.1)

где F – нагрузка, при которой происходит разрушение, кН; А

– начальная

площадь поперечного сечения образца грунта, см

Глава 13

504

Таблица 13.2

Подготовка образца

Предел прочности глинистых грунтов при ε > 0,1 рассчитывают по формуле

(13.1),

где вместо А

принимают текущую площадь среднего поперечного

сечения образца A, см

, вычисленную следующим образом:

Если разрушению образца предшествуют значительные деформации, то

при расчете предела прочности на одноосное сжатие необходимо учитывать

увеличение площади образца.

Испытания в условиях одноосного сжатия

505

Рис. 13.9. Прибор для испытания образцов грунта на одноосное сжатие (www.geoteck.ru)

Площадь

определяют, непосредственно измеряя диаметр образца

штангенциркулем с погрешностью 0,1 мм и выполняя последующий расчет.

Если предположить, что объем грунта при испытании будет оставаться

постоянным ( const

== H

VV ), то отношение

A может быть опре

делено по относительной вертикальной деформации ε.

При сохранении цилиндрической формы

HAHA =

−ε

. (13.2)

Если образец после сжатия приобретает форму бочки, причем диаметр

торца бочки сохраняется равным начальному диаметру образца, то

⎛⎞

=−

⎜⎟

−ε

⎝⎠

. (13.3)

Сопротивление недренированному сдвигу c

, МПа, водонасыщенного

глинистого грунта, соответствующее сцеплению грунта при некон

солидированнонедренированном испытании, определяют в зависимости от

значения предела прочности по формуле

с =

. (13.4)

Глава 13

506

На основании полученного значения предела прочности можно опреде

лить ориентировочное значение показателя текучести глинистых грунтов,

используя табл. 13.1.

13.3.2. Грунты с нарушенной структурой

Испытания проводятся с предварительно подготовленными образцами

грунта при заданной влажности. Величина влажности определяется проектом

и, как правило, принимается равной оптимальному значению.

Оптимальная влажность определяется по методике ЦНИИС или

СоюздорНИИ, предусматривающей уплотнение грунта в устройствах

стандартного уплотнения (рис. 13.10, а, б) до максимальной плотности.

Влажность грунта, соответствующая максимальной плотности, называ

ется оптимальной

опт

W .

(а) (б)

Рис. 13.10. Приборы для стандартного уплотнения конструкции ЦНИИС (а)

и СоюздорНИИ (б):

1 – подстаканник; 2 – металлическая пластина; 3 – кольцо; 4 – зажим; 5 – насадка;

6 – штамп; 7 – гиря; 8 – стержень; 9 – ограничительное кольцо

Испытания в условиях одноосного сжатия

507

Таблица 13.3

Основные параметры приборов стандартного уплотнения

конструкции ЦНИИС и СоюздорНИИ

Основные характеристики приборов

и способы уплотнения

Значения

ЦНИИС СоюздорНИИ

Цилиндр или кольцо для размещения образцов

уплотняемого грунта:

диаметр, мм

высота, мм

100

127

Масса груза, кг 2,5 2,5

Высота падения груза, мм 300 300

Количество слоев, на которые разделяется образец

грунта при уплотнении ударами груза

2 2

Количество ударов на каждый слой при уплотнении:

песков и супесей

пылеватых супесей и суглинков и глин

жирных глин



Прибор ЦНИИС применяется для уплотнения грунтов с содержанием

частиц размером более 2 мм до 5 %, а прибор СоюздорНИИ – с содержанием

частиц размером более 5 мм до 5 %.

На основе этой методики в ООО «Геотек» была разработана автомати

зированная установка для уплотнения грунтов при заданном количестве уда

ров падающей части массы груза в 2,5 кг. Конструкция прибора стандартного

уплотнения ООО «НПП Геотек», приведена на рис. 13.11.

Рис. 13.11. Прибор предварительного уплотнения (www.geoteck.ru)

Глава 13

508

Таблица 13.4

Последовательность подготовки образца

Оборудование для проведения испытаний

Перемешивание грунта

Заполнение цилиндра грунтом

Уплотнение грунта

Уплотнение прекращено

Образец грунта

Процедура определения оптимальной влажности грунта

Образец грунта массой 3,5 кг в воздушносухом состоянии размель

чается и просеивается через сито с отверстиями диаметром 5 мм. Грунт, про

шедший через сито, увлажняется до требуемой влажности, перемешивается,

закладывается в цилиндр и уплотняется пестиком.

Испытания в условиях одноосного сжатия

509

После заполнения кольца пятью слоями грунта выполняется уп

лотнение грунта ударом груза массой 2,5 кг с высоты, равной 300 мм.

После уплотнения снимается насадка, а выступающий грунт срезается

ножом по верхней кромке кольца.

Кольцо с грунтом взвешивают с точностью до 1 г.

Для определения влажности из уплотненного грунта после взвешивания

отбираются пробы по 1520 г из верхней, средней и нижней частей образца.

Следующий опыт начинают с размельчения уплотненного в пре

дыдущем опыте образца грунта и увеличения его влажности на 0,020,03

путем добавления 5070 г воды на 3 кг грунта. Грунт тщательно перемешивают

и вновь подвергают уплотнению, но при более высокой влажности.

Испытания проводят до тех пор, пока плотность влажного грунта не

станет уменьшаться при увеличении его влажности.

Используя полученные значения плотности грунта и влажности строят

кривую стандартного уплотнения (рис. 3.12), а по ней определяют максималь

ную плотность скелета грунта и соответствующую ей оптимальную

влажность.

Рис. 13.12. Кривая стандартного уплотнения

Количество воды для получения требуемой влажности определяют по

формуле

тр н

()QgW W=−, (13.5)

где g – масса грунта, подлежащего уплотнению;

тр

W и

W – влажность

требуемая и начальная в долях единицы, соответственно.

Плотность грунта

=ρ

, (13.6)

где ρ, W – соответственно плотность, г/см

, и влажность по массе

уплотненного грунта.

Глава 13

510

Испытание грунта на одноосное сжатие проводится по методике,

рассмотренной в подразд.13.3.1.

13.4. Испытания на одноосное сжатие скальных пород

Скальные породы разрушаются различным образом, в зависимости от

температуры и давления. При низкой температуре и высокой скорости

деформирования скальные породы показывают хрупкоупругое поведение. Они

деформируются упруго до напряжений, составляющих около 70 % предела

прочности, затем микротрещины распространяются в большом объеме, и

скальная порода разрушается с образованием магистральной трещины или

поверхности скола. При малом всестороннем давлении, наблюдаемом на малой

глубине отложений или вблизи свободной поверхности, разрушение

сопровождается образованием вертикальной раскалывающей трещины (4а на

рис. 13.13). При высоком всестороннем давлении (на большей глубине) на

блюдается образование одной плоскости сдвига (4б на рис. 13.13) в нагружаемом

образце породы. При очень большом всестороннем давлении разрушение

сопровождается образованием сети наклонных полос сдвига (4в на рис. 13.13).

Рис. 13.13. Зависимость деформации от напряжения для скальных пород:

1 – хрупкие материала; 2 – пластичные материалы; 3, 4 – формы деформации пластичных

и хрупких материалов, соответственно

При низких скоростях деформирования, повышенных температурах и

очень высоком всестороннем давлении на графике зависимости «на

пряжение–деформация» невозможно обнаружить максимум напряжений,

соответствующий состоянию разрушения. Образцы показывают непрерывное

деформирование с упрочнением, характерное для вязкопластичных матери