Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Методы определения недренированной и дренированной прочности

621

(а) (б)

Рис. 16.14. Концепция нормализованной прочности сдвига (Ladd and Foott, 1974):

а – испытания в условиях стандартного трехосного сжатия; б – нормализованные

результаты испытания

Испытания нормально уплотненных грунтов

(1)OCR =

, являющиеся

первым этапом в трехосных испытаниях, позволяют определить, будут ли

грунты показывать нормализованное поведение или нет. В течение этого

этапа образцы консолидируются до стабилизации деформаций, а затем

подвергаются сдвигу. Если испытанный грунт показывает нормализованное

поведение, то данные недренированной прочности отображаются на гра"

фиках, как показано на рис. 16.15. Следующий шаг процедуры SHANSEP"ис"

пытания при различном коэффициенте переуплотнения и построение

зависимости (рис. 16.15,б) с использованием уравнения (16.4).

(а) (б)

Рис. 16.15. Зависимость нормализованной недренированной прочности от коэффициента

переуплотнения OCR (Ladd and Foote, 1974):

– недренированная прочность;

– историческое бытовое напряжение;

– те"

кущее бытовое напряжение

Глава 16

622

16.2.3.1. Метод рекомпрессии

Этот

метод применяется применяется с целью снижения эффекта раз"

уплотнения нормально уплотненных глинистых грунтов, который проявля"

ется при отборе монолитов в полевых условиях. Несмотря на то, что возни"

кающие при этом упругие деформации незначительны, они все"таки

оказывают влияние на последующую оценку прочности. Полагают, что

деформации разуплотнения исчезают, если образец реконсолидируется точно

тем же давлением, которое он испытывал в массиве грунта перед отбором.

Практика отбора образцов с использованием различных устройств пока"

зывает на зависимость прочности и деформируемости от метода отбора

образцов грунта. Твердые глинистые грунты более подвержены нарушению

структуры при отборе образцов, чем мягкопластичные, а уменьшение

влажности при хранении и отборе монолитов может привести к росту их проч"

ности. Наоборот, нарушение структуры при отборе будет снижать прочность и

увеличивать деформируемость реконсолидированных образцов.

Преимущества и недостатки метода рекомпрессии.

Метод более соответствует полутвердым и твердым глинам, сцемен"

тированным грунтам, выветрелым поверхностным и сильно переуплот"

ненным отложениям.

Его не рекомендуется использовать для нормально уплотненных отло"

жений, потому что при реконсолидации в условиях

0vp

′′

σ=σ

можно получить

(

по сравнению с полевыми испытаниями) завышенные значения недре"

нированной прочности

Испытания должны всегда сопровождаться определением истории

напряженного состояния грунта и сравнением полученных значений

со

значениями, установленными в ходе полевых испытаний, например, методом

лопастного среза.

16.2.3.2. SHANSEP(метод

Этот

метод применяется во многих лабораториях также для снижения

влияния эффекта нарушения структуры образцов грунта, наблюдаемого при

их отборе, на прочность и деформируемость.

Метод основан на процедуре испытаний, когда в лаборатории пытаются

воспроизвести условия, существующие в полевых условиях, в большей сте"

пени, чем при проведении обычных испытаний на прочность. Учитывается

влияние предыдущей истории формирования грунтов на напряженное состо"

яние переуплотненных грунтов. Это влияние хорошо видно из результатов

испытаний глинистых грунтов. Испытания по определению недренирован"

ной прочности связных грунтов показывают, что между нормализованным

Методы определения недренированной и дренированной прочности

623

значением прочности

(/ )

uvc

′

и коэффициентом переуплотнения (OCR)

уществует явно выраженная зависимость.

Поэтому определяющим параметром в данном методе является коэффи"

циент переуплотнения. Давление предварительного уплотнения (

′

σ )

может

быть определено из тщательных компрессионных испытаний или из испытаний

при невозможности бокового расширения образцов в стабилометре. Испытания

в стабилометре без возможности бокового расширения называются

"кон"

солидационными испытаниями. Более упрощенно –

"испытаниями.

Давление предварительного уплотнения, под действием которого уплот"

нялся грунт в природных условиях, определяется из компрессионных

испытаний с постоянной скоростью деформации (CRS) или нагружением

ступенями. Трехосные образцы консолидируются при

"условиях до напря"

жений, которые выше, чем давление предварительного уплотнения, затем

разгружаются до заданного

ОСR

, и далее испытания проводятся до разру"

шения. Полученные данные используются для построения зависимости (16.3)

методом аппроксимации.

Процедура испытаний методом SHANSEP включает следующие этапы.

Выполнить компрессионные испытания с целью определения давления

предварительного уплотнения

′

σ .

Использование компрессионного прибора

более предпочтительно по сравнению со стабилометром, так как в первом

поведение образца грунта менее чувствительно к дефектам структуры, обра"

зовавшимся при отборе образцов. Значения

′

зависят в большей степени от

памяти (предыстория изменения напряженного состояния) грунта, чем от

влажности грунта и эффективных напряжений при консолидации.

Консолидировать образец в стабилометре при

"условиях до значения

всестороннего давления, равного (1,5 4, 0)

′

−σ.

Разгрузить образец грунта до значения вертикального эффективного

напряжения (

′

) для достижения необходимого ОСR .

Провести испытания по траектории стандартного трехосного сжатия.

Глинистые грунты, показывающее нормализованное поведение, дают для

определенных

ОСR

постоянное значение

uvc

′

. Если этого нет, то метод

SHANSEP

использовать нельзя.

Повторить шаги 2–4 для получения

uvc

′

σ при требуемых

ОСR

Преимущество метода SHANSEP

1. Этот метод дает более надежные значения прочностных и деформаци"

онных параметров с учетом особенностей поведения грунтов в полевых усло"

виях.

Глава 16

624

Механические свойства грунтов могут быть определены при любых зна"

чениях напряжений, соответствующих реальным в основании проектируемых

сооружений.

Метод позволяет получить ясную картину профиля грунтов посредством

корреляции между историей напряжений и изменением прочности с глубиной.

Метод дает несколько заниженную оценку прочности, по сравнению с

методом рекомпрессии.

Метод хорошо показал себя при проектировании насыпей и оснований

фундаментов для многих глинистых отложений.

Влияние эффекта нарушения структуры образца при отборе на резуль"

таты испытаний несущественен.

Требуется небольшое количество испытаний для определения нормали"

зованного значения прочности

uvc

′

вследствие незначительного разброса

результатов испытаний.

Метод дает больше данных, чем традиционные испытания, правда не"

сколько дороже, но эти данные могут быть использованы для получения допол"

нительной информации при построении профиля недренированной прочности.

Метод дает более точное значение недренированной прочности глинис"

тых грунтов при проектировании заглубленных сооружений, так как в этом

случае имеет место разгрузка грунта, как и при испытании образцов грунта.

Недостатки метода SHANSEP

1. Метод может быть применен только для испытания однородных грун"

товых отложений и не подходит для неоднородных отложений, в особенности

для тех, у которых характерно изменение структуры при деформации, таких,

как твердые и сцементированные глины.

Метод полностью зависит от знания истории напряжений и оценки

давления предварительного уплотнения.

Процедура проведения испытаний методом SHANSEP является более

сложной по сравнению с традиционной.

Образцы должны быть подвергнуты значительно большим давлениям,

чем они испытывают в обычной практике испытаний.

Оборудование для испытаний

Для проведения испытаний используются компрессионные приборы и

стабилометры, конструкция которых была рассмотрена ранее.

Подготовка образца и водонасыщение

Перед установкой образца на основание стабилометра все трубопроводы

давления прокачиваются дегазированной дистиллированной водой для обес"

Методы определения недренированной и дренированной прочности

625

печения водонасыщения системы полостей и каналов прибора. Пористые

фильтры очищают, используя ультразвуковой очиститель, и погружают в

дистиллированную дегазированную воду перед их установкой в штампы. Торцы

образца грунта покрываются бумажными фильтрами. Для испытаний по

траектории сжатия до 4"8 полосок шириной 8,5 мм из фильтрующей бумаги

располагаются вертикально вокруг образца на равном расстоянии. При

испытании по траектории расширения 4 полоски бумажного фильтра шириной

8,5

мм наворачиваются спирально вокруг образца примерно под углом 45

вертикали. Эти фильтры покрывают только 50% образца. Оба конца бумажных

полос продлеваются до пористых фильтров для облегчения условий дренажа.

Образец помещается в резиновую оболочку, которая прижимается двумя

уплотнительными кольцами на каждом конце. Паз в основании (под

цилиндр) смазывается силиконовой смазкой для предохранения от утечек

воды. Прозрачный цилиндр устанавливается на основание, надевается крыш"

ка, и производится их крепление винтами к основанию. Камера заполняется

дегазированной дистиллированной водой.

Даже если образец полностью водонасыщен, существует вероятность на"

личия воздуха между оболочкой и образцом и возможно в ранее водона"

сыщенных керамических и бумажных фильтрах. Обратное давление в 200 кПа

прикладывается для гарантии того, что образец будет полностью водона"

сыщен. Давление в камере и обратное давление постепенно увеличиваются

приращениями по 25 кПа. В течение этапа создания давления консолидации

давление в камере должно быть выше, чем обратное давление на величину,

равную начальному значению эффективного напряжения в образце (15–18

кПа). Когда обратное давление достигнет 200 кПа, образец выдерживается в

покое не менее 24 часов. После 24"часового водонасыщения степень

водонасыщения контролируется по поведению порового давления. Для

большинства грунтов параметр В (см. подразд. 7.6.3) должен достичь

значения не менее 98 % не более чем за 1 минуту.

Процедура консолидации

1. Метод рекомпрессии

1.1.

При применении метода рекомпрессии необходимо вначале найти

природное эффективное вертикальное напряжение (

′

), которое затем со"

здается в испытываемых образцах. Определение

′

выполняется с использо"

ванием данных, связанных с глубиной отбора образца, объемной плотностью,

мощностью вышележащих слоев грунта и гидрогеологическими условиями.

После того как водонасыщение завершено, образец консолидируется

при

К "условиях. Вначале приращение вертикального напряжения

′

Δσ

принимается равным 0,2

′

(здесь

′

– начальное эффективное напряжение).

Глава 16

626

Когда первичная консолидация завершена (т.е. когда выполнено ус"

ловие

100

tt=

), вычисляют приращение осевой деформации (Δε

) и приращение

объемной деформации (

Δε

), используя датчик вертикальных перемещений и

бюретку контроля изменения объема. В том случае, если полная консолидация

не может быть достигнута, степень консолидации можно оценивать, закрывая и

открывая периодически кран дренирования, контролируя при этом изменение

объема образца.

Для каждого приращения нагрузки значение ξ

принимается таким,

чтобы Δε

=Δε

Шаги 2"4 повторяются до достижения условия

′′

σ=σ

После консолидации грунта образец подвергается недренированному

сдвигу.

Метод SHANSEP

Выполняются шаги 1 – 5, как в методе рекомпрессии.

Образец консолидируется до максимального вертикального напря"

жения (

′

), которое в 1,5–2 раза больше давления предварительного уплот"

нения (

′

), при этом полагают, что грунт ведет себя подобно нормально

уплотненным грунтам.

Если требуемый коэффициент переуплотнения (

ОСR

) больше 1, то

образец разгружается до требуемого вертикального напряжения.

Когда в образце достигается требуемое значение

ОСR

, стабилизация

деформации происходит в течение времени до момента

100

, после чего

образец подвергается недренированному сдвигу.

Процедура девиаторного нагружения

В большинстве случаев на практике используются два метода деви"

аторного нагружения: сжатие и расширение. В случае испытаний по тра"

ектории стандартного трехосного сжатия боковое давление в камере сохра"

няется постоянным (

constσ=σ= ), а осевая нагрузка (напряжение

σ )

увеличивается постепенно. В случае расширения боковое давление остается

также постоянным, но вертикальное напряжение уменьшается.

Процедура сдвига следующая.

После завершения процесса консолидации кран дренирования закрыва"

ется, шток нагрузочного устройства приводится в соприкосновение со штампом.

Выбирается траектория девиаторного нагружения: стандартное трех"

осное сжатие (СТС) или стандартное трехосное расширение (СТР).

Осевая деформация прикладывается со скоростью 0,4%/h, где h –

высота образца.

Методы определения недренированной и дренированной прочности

627

Образец деформируется до разрушения или до заданной величины

осевого перемещения (деформации).

После испытания определяется влажность образца.

16.2.3.3. Результаты типичных испытаний

Поведение

глинистого грунта при консолидации

Рассмотрим результаты испытаний, которые опубликованы в работе (Seah

and Lai, 2004).

В первой серии опытов авторы исследовали поведение

глинистого грунта с применением метода SHANSEP. Образцы были

уплотнены (консолидированы) до давления, в 1,5 – 2 раза превышающего

давление предварительного уплотнения. Это было сделано с целью снижения

влияния нарушения структуры образцов при отборе. На рис. 16.16 приведено

сравнение результатов испытаний, выполненных методом SHANSEP, с

данными, которые получены из обычных компрессионных испытаний по

стандартной методике. Образцы были отобраны с одной и той же глубины;

поэтому давление предварительного уплотнения и параметры консолидации,

полученные из этих испытаний, могут быть сравнены друг с другом.

Результаты, приведенные на рис. 16.16, показывают незначительный разброс

в значениях давления предварительного уплотнения и коэффициента ком"

прессии. Исходя из этого, можно сделать вывод, что процедура консоли"

дации, примененная в трехосных опытах, достоверна, так как ее результаты

совпадают с результатами стандартных компрессионных испытаний.

(а) (б)

Рис. 16.16. Кривые консолидации, полученные методом SHANSEP

и стандартным методом (Seah and Lai, 2004)

Глава 16

628

Используя этот метод, можно также получить зависимость между ξ

ОСR

(рис. 16.17), если допустить разгрузку образца до различных значений

ОСR

. При аппроксимации результатов испытаний используются

зависимости:

предложенная Ladd et al. (1977),

() ()( )

oOC oNC

OCR

ξ=ξ

(16.10)

и Mayne and Kulhawy (1982)

sin

(1 sin )

OCR

ξ= − ϕ . (16.11)

На рис. 16.17 пунктирные кривые получены из стандартных компрес"

сионных испытаний, а сплошные кривые, получены методом SHANSEP.

Рис. 16.17. Зависимость между коэффициентом бокового давления

и коэффициентом переуплотнения:

NC –

нормально уплотненная глина; ОС – переуплотненная глина (Seah and Lai, 2004)

На рис. 16.18 приведены компрессионные кривые, полученные методом

рекомпрессии, для образцов, консолидированных до значения бытового

эффективного напряжения. Величина объемной деформации, полученная

при нагружении бытовым эффективным напряжением, может служить

индикатором степени нарушения структуры образца при отборе. Полагают,

что если объемная деформация не превышает 1–2%, то разрушение структуры

было минимальным. Величина объемной деформации уменьшается с ростом

OCR (

рис. 16.19), поскольку нормально уплотненные глины более чувстви"

тельны к нарушению структуры при отборе образцов.

Методы определения недренированной и дренированной прочности

629

(а) (б)

Рис. 16.18. Кривые консолидации, полученные методом рекомпрессии

(Seah and Lai, 2004)

Рис. 16.19. Зависимость объемной деформации от OCR (Seah and Lai, 2004)

Поведение глины при сдвиге

В трехосных испытаниях сопротивление резиновой оболочки оказывает

значительное влияние на осевое напряжение образцов текучепластичных и

мягкопластичных глин; поэтому необходимо выполнить соответствующую

коррекцию.

Другое влияние на осевое напряжение оказывает изменение площади

поперечного сечения образца. Осевое напряжение определяется делением

усилия (с коррекцией сил трения, противодавления на шток и сопротивления

резиновой оболочки) на эффективную площадь. В течение К

"консолидации

образец сохраняет форму правильного цилиндра. В процессе сдвига форма

образца изменяется в зависимости от величины осевой деформации, при"

нимая бочкообразную форму. Полагают, что если «бочка» симметрична отно"

Глава 16

630

сительно вертикальной оси, то ее можно удовлетворительно аппроксими"

ровать параболой.

Метод SНANSEP

Результаты испытаний, приведенные на рис. 16.20, показывают зави"

симость пиковой прочности и деформации от степени переуплотнения грун"

та. Пиковая прочность уменьшается с ростом OCR, и наоборот, осевая дефор"

мация, соответствующая моменту разрушения, увеличивается с ростом OCR.

Все нормализованные кривые показывают деформационное поведение с

упрочнением"разупрочнением при сжатии и только упрочнением при

расширении. Нормализованный модуль сдвига G/σ′

возрастает с ростом OCR

(

рис. 16.21). Различие более выражено в условиях нагружения при сжатии,

чем при расширении образцов грунта.

Рис. 16.20. Зависимость нормализованного девиатора напряжения от осевой деформации

при различных OCR и условиях нагружения: сжатие и расширение

(Seah and Lai, 2004)

(а) (б)

Рис. 16.21. Зависимость нормализованного модуля сдвига от деформации сдвига при

различных OCR (Seah and Lai, 2004)