Физико-механические свойства грунтов. Определение характеристик прочности и деформируемости: Учебно-методическое пособие к лабораторным занятиям по дисциплине ''Инженерная геология''

Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Геолого-географический факультет

В.Н. Волков, Е.В. Нариманянц

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ Определение характеристик прочности и деформируемости

Учебно-методическое пособие к лабораторным занятиям по дисциплине «Инженерная геология» для студентов, обучающихся по направлению 020300 «Геология»

Ростов-на-Дону 2008

Авторы: канд. геол.-мин. н., доц. Волков В.Н., канд. геол.-мин. н., ст. преп. Нариманянц Е.В. Рецензент – доктор геол.-мин. н., профессор Коробкин В.И. Печатается в соответствии с решением кафедры гидрогеологии и инженерной геологии, протокол № 9 от 25 марта 2008 г.

2

Методическая записка Физико-механические предметом

свойства

инженерно-геологических

грунтов

являются

исследований

и

важнейшим

прогнозов.

Они

необходимы для расчетов прочности (устойчивости) и деформируемости массивов грунтов, в том числе слагающих основания инженерных сооружений. Целью данного учебно-методического пособия является выработка у студентов навыков исследования основных показателей деформационных и прочностных свойств грунтов, численной обработки и интерпретации получаемых результатов. Учебно-методическое

пособие

предназначено

для

аудиторной

и

самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению 020300 «Геология».

Оно

включает

основные

понятия,

общие

методические

рекомендации по определению характеристик прочности и деформируемости грунтов, а также варианты задач для индивидуального решения и указания о последовательности расчётов и интерпретации данных. Задачи могут быть предложены студентам на лабораторных и практических занятиях, при контроле успеваемости в семестре, приеме зачетов.

3

1 Основные термины и понятия Физико-механические деформируемости

и

свойства

прочности,

грунтов

отражающие

–

характеристики

механические

процессы,

происходящие в грунтах вследствие силовых воздействий (внешних и внутренних, естественных и антропогенных). Абсолютное суффозионное сжатие – уменьшение первоначальной высоты образца грунта в результате сжатия при постоянном вертикальном давлении и непрерывной фильтрации жидкости, вызывающей химическую суффозию [2]. Вертикальное давление на образец грунта – отношение вертикальной нагрузки, приложенной к образцу, к площади его поперечного сечения. Деформационные свойства

характеризуют изменение формы и (или)

объема грунта при нагрузках ниже критических, т. е. не приводящих к разрушению. Деформация

объемная относительная ( ε ) – отношение абсолютной v

деформации объема к первоначальному объему грунта. Деформация грунта – реакция грунта на внешнее силовое воздействие путем изменения взаимного расположения частиц грунта, приводящее к перемене его объема или (и) формы. Абсолютная деформация выражается в единицах объема (объемная, ∆V ), длины (линейная, ∆h ), градусах угла (сдвиг). Относительная деформация – отношение величины абсолютной деформации к характеристике (объему, длине, величине угла) грунта до силового воздействия. Деформация линейная относительная ( ε ) – отношение значения величины абсолютной линейной деформации к первоначальной длине. Деформация упругая (обратимая) – деформация, которую испытывает идеально упругое тело (грунт) в соответствии с линейным законом упругости. Деформация

упруго-пластичная

(необратимая)

–

деформация,

характерная для реальных грунтов, нелинейно зависящая от напряжения. 4

Консолидированно-дренированное испытание – испытание грунта для определения характеристик прочности и деформируемости с предварительным уплотнением образца и отжатием из него воды в процессе всего испытания. Консолидированно-недренированное испытание – испытание грунта для определения характеристик прочности с предварительным уплотнением образца и отжатием из него воды только в процессе уплотнения. Коэффициент поперечного расширения – показатель деформируемости, характеризующий отношение поперечных и продольных деформаций грунта. Коэффициент сжимаемости ( a , МПа-1) – отношение относительной вертикальной деформации (изменения коэффициента пористости) к давлению, вызвавшему эту деформацию. Kоэффициент фильтрационной c

V

и вторичной c

α

консолидации –

показатели, характеризующие скорость деформации грунта при постоянном давлении за счет фильтрации воды ( c ) и ползучести грунта c [1]. α

V

Модуль деформации ( E , МПа, кПа) – величина, отражающая способность грунта сопротивляться деформированию или коэффициент пропорциональности линейной связи между приращениями давления на образец и его деформацией [2]. Модуль сдвига – характеристика деформируемости, определяемая отношением

интенсивности

касательных

напряжений

к

интенсивности

деформаций сдвига. Нагрузка (кН, кПа, МПа) – значение величины силы веса или давления, отражающие степень силового воздействия инженерного сооружения на грунты. Напряжение

грунта (МПа, кПа) – совокупность внутренних усилий,

возникаюших в грунте вследствие силовых воздействий. Напряжение касательное (τ ) – действует в пределах площадок. 5

Напряжение нейтральное ( σ ) – напряжение, возникающее в поровом υ

растворе грунта. Напряжение нормальное ( σ ) – действующее по нормали к площадкам, произвольно выделяемым в грунте. Напряжение

эффективное

(σ ) э

–

напряжение,

действующее

в

минеральном скелете грунта. Начальное давление суффозионного сжатия ( p ) – минимальное sf

давление, при котором проявляется суффозионное сжатие грунта. Неконсолидированно-недренированное испытание – испытание грунта для определения характеристик прочности без предварительного уплотнения образца при отсутствии отжатия из него воды в процессе всего испытания. Нестабилизированное

состояние

грунта

–

состояние

грунта,

характеризуемое незавершенностью деформаций уплотнения под определенной нагрузкой и наличием избыточного давления в поровой жидкости. Относительное суффозионное сжатие ( ε ) – отношение абсолютного sf

суффозионного сжатия к высоте образца грунта природной влажности при природном давлении. Ползучесть – развитие деформаций грунта во времени при неизменном напряжении [1]. Предел прочности на одноосное сжатие ( R , МПа) – отношение c

вертикальной нагрузки на образец грунта, при которой происходит его разрушение, к площади поперечного сечения образца [2]. Прочностные

показатели

–

устанавливаемые

экспериментально

численные значения сопротивления грунтов разрушению: при сдвиге – сцепление и угол внутреннего трения ( c , ϕ ); при раздавливании –

6

сопротивление грунта одноосному сжатию; при разрыве – сопротивление грунта разрыву и т. д. Прочностные

свойства

проявляются

в

грунтах

при

нагрузках,

превышающих критические, т. е. при разрушении грунта. Прочность грунта – свойство, отражающее способность грунта сопротивляться силовым воздействиям, не теряя при этом сплошности (не разрушаясь). Синонимы – устойчивость, несущая способность. Сопротивление грунта срезу – характеристика прочности грунта, определяемая значением касательного напряжения, при котором происходит разрушение (срез). Стабилизация деформации – приращение деформации во времени, характеризующее практическое затухание деформации при определенной нагрузке. Стабилизированное

состояние

грунта

–

состояние

грунта,

характеризуемое окончанием деформаций уплотнения под определенной нагрузкой и отсутствием избыточного давления в поровой жидкости. Стадия незатухающей ползучести – процесс деформирования грунта с постоянной или увеличивающейся скоростью при неизменном напряжении [1]. Структурная прочность – вертикальное напряжение в образце грунта, соответствующее началу перехода от упругих к пластическим деформациям сжатия [2]. Угол внутреннего трения ( ϕ ,0) – параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как угол наклона этой прямой к оси абсцисс. Удельное сцепление грунта ( c , МПа) – параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат.

7

2

Методы

определения

характеристик

прочности

и

деформируемости грунтов 2.1 Метод одноплоскостного среза Испытание грунта методом одноплоскостного среза проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивления грунта срезу

τ , угла внутреннего трения ϕ , удельного сцепления c для песков (кроме гравелистых и крупных), глинистых и органо-минеральных грунтов [1]. Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза. Для глинистых грунтов по специальному заданию может быть проведен повторный срез образца по фиксированной плоскости – срез "плашка по плашке". Примечание: не допускается испытывать грунты, выдавливаемые в процессе испытания в зазор между подвижной и неподвижной частями срезной коробки. Сопротивление грунта срезу определяют как предельное среднее касательное

напряжение,

при

котором

образец

грунта

срезается

по

фиксированной плоскости при заданном нормальном напряжении. Для определения c и ϕ необходимо провести не менее трех испытаний при различных значениях нормального напряжения. Испытания проводят по следующим схемам:

8

−

консолидированно-дренированное испытание – для песков и глинистых грунтов независимо от их степени влажности в стабилизированном состоянии;

−

неконсолидированно-недренированное

испытание

–

для

водонасыщенных глинистых и органо-минеральных грунтов в нестабилизированном

состоянии

и

просадочных

грунтов,

приведенных в водонасыщенное состояние замачиванием без приложения нагрузки. Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или в водонасыщенном состоянии, или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности (в т.ч. при полном водонасыщении), или образцы, отобранные из уплотненного массива, для искусственно уплотненных грунтов. При

этом

образцы

просадочных

грунтов

испытывают

в

водонасыщенном состоянии, а набухающих – при природной влажности. Примечание: в необходимых случаях сопротивление срезу может определяться: для просадочного грунта при природной влажности или при влажности на границе раскатывания, если последняя превышает природную; для засоленного – на образцах предварительно выщелоченного грунта после стабилизации суффозионной осадки при заданном нормальном давлении; для набухающих грунтов – в условиях полного водонасыщения после стабилизации свободного набухания или набухания (уплотнения) при заданном нормальном давлении; для насыпных грунтов – при их максимальной, требуемой или достигаемой плотности. Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой от 1/2 до 1/3 диаметра.

9

Примечание: для однородных глинистых грунтов (без включений) допускается при испытаниях в полевых лабораториях уменьшать диаметр образца до 56 мм. Оборудование и приборы В состав установки для испытания грунта методом одноплоскостного среза должны входить: −

срезная коробка, состоящая из подвижной и неподвижной частей и включающая рабочее кольцо с внутренними размерами, жестких сплошного и перфорированного штампов;

−

механизм для вертикального нагружения образца;

−

механизм создания касательной нагрузки;

−

устройства для измерения деформаций образца и прикладываемой нагрузки.

Примечание: для испытания образца песчаных грунтов применяют срезную коробку с нижней подвижной частью. Kонструкция срезного прибора должна обеспечивать первоначальное вертикальное давление на образец (от веса штампа и измерительных приборов на нем) не более 0,025 МПа. Для испытаний образцов грунта в условиях полного водонасыщения необходимо предварительно замочить образцы, заполнив ванну уплотнителя водой. При испытании просадочных грунтов, имеющих природную влажность меньше w , необходимо доувлажнить образцы до влажности, равной w . P P Образцам набухающих грунтов, предназначенным для определения сопротивления срезу в условиях полного водонасыщения после стабилизации деформаций набухания при заданном нормальном давлении p , необходимо передать до начала замачивания давление p . 10

Время насыщения образцов водой должно быть не менее значений, указанных в таблице 1. Таблица 1

Грунты

Время

Время

Время условной

насыщения

выдерживания

стабилизации

образцов водой,

ступеней, не

деформаций

не менее

менее

сжатия на конечной ступени, не менее

Пески

10 мин

5 мин

20 мин

Глинистые (непросадочные и ненабухающие): − супеси

3ч

2ч

− суглинки с I < 12

6ч

6ч

− суглинки с I ≥ 12

12 ч

− глины с I < 22

12 ч

12 ч

− глины с I ≥ 22

36 ч

12 ч

P P

P P

Просадочные

30 мин

30 мин

Kак для

12 ч

3ч

непросадочных Hабухающие

До достижения

30 мин

Kак для ненабухающих

условной стабилизации деформации набухания – 0,1 мм за 24 ч 11

При проведении испытаний на повторный срез образец грунта разрезают на две части острым ножом или леской по плоскости первого среза, тщательно заравнивают торцевые поверхности обеих половин, соединяют их между собой и помещают в рабочее кольцо срезного прибора. Проведение консолидированно-дренированного испытания Предварительное уплотнение образца, за исключением образцов просадочных

грунтов,

испытываемых

в

производят при нормальных давлениях

водонасыщенном

состоянии,

p , при которых определяют

сопротивление срезу τ . Нормальные давления передают на образец грунта ступенями ∆p . Значения p и ∆p приведены в таблице 2. Таблица 2 Грунты

Hормальное

Ступени давления,

давление при

МПа

предварительном уплотнении, МПа Пески средней крупности

0,1; 0,3; 0,5

0,1

0,1; 0,2; 0,3

0,05

0,1; 0,15; 0,2

0,025 дo p = 0,1

плотные; глины с I < 0 L

Пески средней крупности и средней плотности; пески мелкие плотные и средней плотности; супеси и суглинки с I ≤ 0,5; глины L

с 0 < I ≤ 0,5 L

Пески средней крупности и мелкие рыхлые; пески пылеватые

и далее 0,05

независимо от плотности; супеси, суглинки и глины с I > 0,5 L

12

Примечание: нормальное

давление

p при

предварительном

уплотнении образцов просадочного грунта, испытываемых в водонасыщенном состоянии, должно составлять 0,3 МПа и возрастать ступенями

∆p = 0,05

МПа. Kаждую

ступень

давления

при

предварительном

уплотнении

выдерживают в течение времени, указанного в таблице 1, а конечную ступень – до достижения условной стабилизации деформаций сжатия образца грунта. Hа образец грунта передают то же нормальное давление, при котором происходило предварительное уплотнение грунта, за исключением образцов просадочного грунта, испытываемых в водонасыщенном состоянии. В этом случае нормальное давление при срезе должно составлять 0,1; 0,2; 0,3 МПа. Испытание на повторный срез выполняют при том же нормальном давлении, при котором был осуществлен первый срез. Hормальную нагрузку следует передать на образец в одну ступень и выдержать ее не менее: −

5 мин – для песков;

−

15 мин – для супесей;

−

30 мин – для суглинков и глин;

−

10 мин – при повторном срезе.

После передачи на образец грунта нормальной нагрузки приводят в рабочее состояние механизм создания касательной нагрузки и устройство для измерения деформаций среза грунта и записывают его начальное показание. При передаче касательной нагрузки ступенями их значения должны составлять 5% от значения нормальной нагрузки, при которой производят срез. Hа каждой ступени нагружения записывают показания приборов для измерения деформаций среза через каждые 2 мин, уменьшая интервал между измерениями до 1 мин в период затухания деформации до ее условной стабилизации. 13

За критерий условной стабилизации деформации среза принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм/мин. При непрерывно возрастающей касательной нагрузке скорость среза должна быть постоянной и соответствовать указанной в таблице 3. Деформации среза фиксируют не реже чем через 2 мин. Испытание следует считать законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общая деформация среза превысит 5 мм. Таблица 3 Грунты

Скорость среза, мм/мин

Пески

≤ 0,5

Супеси

≤ 0,1

Суглинки

≤ 0,05

Глины с I < 30%

≤ 0,02

Глины с I > 30%

≤ 0,01

P P

При проведении среза с постоянной скоростью за окончание испытаний принимают момент, когда срезающая нагрузка достигнет максимального значения, после чего наблюдается некоторое ее снижение или установление постоянного значения, или общая деформация среза превысит 5 мм. После окончания испытания следует разгрузить образец, извлечь рабочее кольцо с образцом из прибора и отобрать пробы для определения влажности из зоны среза образца. Проведение неконсолидированно-недренированного испытания Рабочее кольцо с образцом грунта помещают в срезную коробку и закрепляют в ней. Далее устанавливают сплошной штамп, производят 14

регулировку механизма нагрузки, устанавливают зазор 0,5-1 мм между подвижной и неподвижной частями срезной коробки, устанавливают приборы для измерения деформации среза и записывают начальные показания. Hа образец грунта передают сразу в одну ступень нормальное давление

p , при котором будет производиться срез образца. Значения p принимают по таблице 4. Если при давлениях 0,125 и 0,15 МПа происходит выдавливание грунта в зазор между подвижной и неподвижной частями срезной коробки, необходимо их уменьшить на 0,025 МПа. Таблица 4 Hормальное давление p , МПа

Грунты Глинистые и органо-минеральные грунты с показателем текучести:

I L < 0,5

0,1; 0,15; 0,2

0,5 ≤ I < 1,0

0,05; 0,1; 0,15

I L ≥ 1,0

0,025; 0,075; 0,125

L

Сразу после передачи нормальной нагрузки приводят в действие механизм для создания касательной нагрузки и производят срез образца грунта не более чем за 2 мин с момента приложения нормальной нагрузки. При передаче касательной нагрузки ступенями их значения не должны превышать 10 % значения нормального давления, при котором производится срез, и приложение ступеней должно следовать через каждые 10-15 с. При передаче непрерывно возрастающей касательной нагрузки скорость среза принимают в интервале 2-3 мм/мин так, чтобы срез проходил в течение указанного времени. 15

По

окончании

испытания

следует

зафиксировать

максимальную

касательную нагрузку в процессе испытания, разгрузить образец, извлечь рабочее кольцо с образцом из прибора и отобрать пробы для определения влажности из зоны среза образца. Обработка результатов По измеренным в процессе испытания значениям касательной и нормальной нагрузок вычисляют касательные и нормальные напряжения τ и

σ , МПа, по формулам1:

Q , (1) A F (2) σ= , A Q и F – соответственно касательная и нормальная силы к плоскости

τ=

где

среза, кH;

A – площадь среза, см2. Определение τ

необходимо проводить не менее чем при трех

различных значениях p . Из каждого значения τ вычитают поправку за счет трения в приборе по заранее построенной тарировочной кривой. При фиксации хода испытаний автоматическими приборами в полученную диаграмму среза также вносят поправку за счет трения в приборе. По измеренным в процессе испытания значениям деформаций среза ∆ l , соответствующим различным напряжениям τ , строят график зависимости

∆ l = f (τ ) (рис. 1). За сопротивление грунта срезу принимают максимальное значение τ , полученное по графику ∆ l = f (τ ) или диаграмме среза на отрезке ∆ l , не превышающем 5 мм. 1

Здесь и далее 1 кH/см 2 = 10 МПа. 16

Если τ возрастает монотонно, то за сопротивление грунта срезу следует принимать τ при ∆ l = 5 мм.

Рис. 1.

Образец графического оформления результатов испытания

грунта методом одноплоскостного среза – график зависимости ∆ l = f (τ ) . Масштаб графика: по горизонтали 10 мм – 1 мм для ∆ l ; по вертикали 20 мм – 0,1 МПа для τ . Угол внутреннего трения ϕ и удельное сцепление c определяют как параметры линейной зависимости:

τ = σ tgϕ + c , где

(3)

τ и σ определяют по формулам (1), (2). При проведении повторных срезов зависимость (3) записывают в виде:

τ = σ tgϕ + (Σw + cc ) , где

(4)

Σw – удельное сцепление, определяемое по испытанию на повторный

срез;

c – часть общего удельного сцепления c за вычетом Σw . c

17

Угол внутреннего трения ϕ и удельное сцепление c , МПа вычисляют по формулам:

tgϕ =

c=

n Στ σ − Στ Σσ

i i i i nΣ(σ ) 2 − (Σσ ) 2 i i

Στ Σσ 2 − Σσ Στ σ i

i

i

2

nΣ(σ ) − (Σσ ) i

где

i i 2

,

(5)

,

(6)

i

τ i – опытные значения сопротивления срезу, определенные при

различных значениях σ и относящиеся к одному инженерно-геологическому i

элементу или отдельному монолиту грунта (при n ≥ 3);

n – число испытаний. Примечание: для оценки разброса экспериментальных данных и выявления ошибок испытаний перед вычислением tgϕ и c строят график зависимости τ = f (σ ) (рис. 2).

Рис. 2.

Образец графического оформления результатов испытания

грунта методом одноплоскостного среза – график зависимости τ = f (σ ) .

18

Масштаб графика: по горизонтали 20 мм – 0,1 МПа для σ ; по вертикали 20 мм – 0,1 МПа для τ . 2.2 Метод компрессионного сжатия Испытание грунта методом компрессионного сжатия проводят для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости a , модуля деформации E , структурной прочности на сжатие

p , коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации c и c для str

V

α

песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов с показателем текучести

I L > 0,25, органо-минеральных и органических грунтов, относительного суффозионного сжатия ε

sf

и начального давления суффозионного сжатия p

sf

для засоленных (содержащих легко- и среднерастворимые соли) песков (кроме гравелистых), супесей и суглинков. Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта

в

компрессионных

приборах

(одометрах)

или

компрессионно-

фильтрационных приборах (для определения характеристик суффозионного сжатия), исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой. Результаты испытаний должны быть оформлены, как правило, в виде графиков зависимостей деформаций образца от нагрузки и их изменения во времени. Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется в программе испытаний или принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт. Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или водонасыщенные или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности. Образец должен 19

иметь форму цилиндра диаметром не менее 71 мм и отношением высоты к диаметру 1:3,5. Оборудование и приборы В состав установки для испытания грунта в условиях компрессионного сжатия должны входить: −

компрессионный прибор (одометр), состоящий из рабочего кольца с внутренними размерами, соответствующими размеру цилиндра (см. выше), цилиндрической обоймы, перфорированного вкладыша под рабочее кольцо и поддона с емкостью для воды;

−

механизм для вертикального нагружения образца грунта;

−

устройства для измерения вертикальных деформаций образца грунта.

При определении характеристик суффозионного сжатия применяют компрессионно-фильтрационный прибор (рис. 3). а)

20

б)

Рис.

3.

Принципиальные

схемы

компрессионно-фильтрационных

приборов: а – для испытаний по схеме нисходящего потока воды; б – для испытаний по схеме восходящего потока воды: 1 – корпус; 2 – поддон корпуса; 3 – основание корпуса; 4 – рабочее кольцо; 5 – направляющее кольцо; 6 – перфорированный вкладыш; 7 – перфорированный штамп; 8 – крышка; 9 – втулка; 10 – шток; 11 – спускная пробка; 12 – штуцер; 13 – резиновая прокладка; 14 – заглушка; 15 – прижимное кольцо верхнее; 16 – прижимное кольцо нижнее; 17 – гайка; 18 – стойка; 19 – шланг; 20 – стеклянная трубка; 21 – индикатор; 22 – держатель индикатора; 23 – опорная пятка индикатора; 24 – шарик; 25 – образец испытываемого грунта. Kонструкция компрессионного прибора должна обеспечивать: −

подачу воды к образцу снизу и отвод ее;

21

−

первоначальную нагрузку на образец, создаваемую

штампом и

закрепленными на нем измерительными приборами, не более 0,0025 МПа. Дополнительно к этим требованиям конструкция компрессионнофильтрационного прибора должна обеспечивать: −

подачу воды к образцу грунта снизу (схема восходящего потока) или сверху (схема нисходящего потока);

−

отвод

воды,

профильтровавшейся

через

образец

грунта,

и

накопление ее в мерном сосуде; −

непрерывную на протяжении всего испытания фильтрацию воды, герметичность основных деталей прибора.

Kомпрессионные и компрессионно-фильтрационные приборы тарируют на сжатие с помощью металлического вкладыша. Максимальное давление при тарировке принимают равным 1,0 МПа, нагружение ступенями давления – 0,05 МПа с выдержкой по 2 мин. Подготовка к испытанию Подготовленный образец грунта в рабочем кольце взвешивают, покрывают с торцов влажными фильтрами и помещают в компрессионный прибор. После помещения образца проводят следующие операции: −

устанавливают образец на перфорированный штамп;

−

регулируют механизм нагружения образца;

−

устанавливают приборы для измерения вертикальных деформаций образца;

− При

записывают начальные показания приборов. необходимости

водонасыщение

образца

проводят

путем

фильтрации воды снизу вверх под арретиром. Для этого заполняют поддон 22

водой. Водонасыщение проводят для глинистых грунтов в течение 2-5 суток, для песков – до момента появления воды над штампом. Проведение испытания для определения характеристик a , E и p . str

Hагружение испытуемого образца проводят равномерно, без ударов, ступенями нагрузки. Первую ступень давления p при испытании песков, в том числе 1

заторфованных, принимают в зависимости от коэффициента пористости e по таблице 5, а последующие ступени давления

p принимают равными 0,0125; 1

0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом 0,1 МПа до заданного значения нагрузки. Таблица 5 Kоэффициент пористости e Первая

ступень

давления

p , МПа

e ≥ 0,75

0,75 > e > 0,6

e ≤ 0,6

0,0125

0,025

0,05

1

Примечание: в отдельных случаях, предусмотренных заданием, могут быть приняты более дробные ступени давления

p , исходя из особенностей 1

деформируемости грунта, условий отсыпки и условий возведения сооружения. При испытании глинистых грунтов, в том числе органо-минеральных, для определения их структурной прочности на сжатие

p

str

первую и

последующие ступени давления принимают равными 0,0025 МПа до момента начала сжатия образца грунта. Hачало сжатия следует считать при относительной вертикальной деформации образца грунта ε > 0,005. При дальнейшем

нагружении

за

очередную

ближайшее большее значение. 23

ступень

давления

принимают

Hа каждой ступени нагружения образца грунта снимают отсчеты по приборам

для

измерения

вертикальных

деформаций

в

следующей

последовательности: первый отсчет – сразу после приложения нагрузки, затем через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 мин и далее с интервалом 1 ч в течение рабочего дня, а затем – в начале и конце рабочего дня до условной стабилизации деформации образца. За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость деформации образца, не превышающую 0,01 мм за последние 4 ч наблюдений для песков, 16 ч – для глинистых и 24 ч – для органо-минеральных и органических грунтов. После окончания испытания образца грунта необходимо удалить воду сверху образца и из поддона, опустить арретир, снять нагрузку, взвесить рабочее кольцо с грунтом, определить влажность и массу сухого грунта. Проведение испытания для определения характеристик консолидации

c иc . V

α

Испытание проводят при постоянном давлении, равном проектному давлению на грунт или другому заданному давлению. Давление на образец грунта передают сразу после приведения разуплотнившегося грунта к природному состоянию или после предварительного уплотнения грунта заданной нагрузкой. Деформации образца регистрируют через вышеуказанные промежутки

времени

до

момента

достижения

условной

стабилизации

деформации. После окончания испытания образца грунта необходимо удалить воду сверху образца и из поддона, опустить арретир, снять нагрузку, взвесить рабочее кольцо с грунтом, определить влажность и массу сухого грунта. Обработка результатов Для определения характеристик a , E и p для каждой ступени нагружения вычисляют: 24

str

по результатам испытания

−

абсолютную

вертикальную

стабилизированную

деформацию

образца грунта ∆h , мм, как среднее арифметическое показаний измерительных приборов за вычетом поправки на деформацию компрессионного прибора ∆ ; −

относительную вертикальную деформацию образца грунта по формуле:

ε= где

∆h , h

(7)

h - начальная высота образца, мм; По вычисленным значениям строят график зависимости ε = f ( p)

(рис. 4).

Рис. 4. Образец графического оформления результатов испытания грунта методом компрессионного сжатия – график зависимости относительного сжатия водонасыщенного грунта от давления: ε = f ( p) . Масштаб графиков: по горизонтали 10 мм – 0,025 МПа для p ; по вертикали 10 мм – 0,02 для ε .

25

Через точки графика проводят осредняющую плавную кривую или аппроксимируют

эти

точки

монотонной

зависимостью

(например,

экспоненциальной). Значение давления, соответствующее точке пересечения кривой (рис. 4) с осью давления p , равно значению структурной прочности на сжатие p . str

Для глинистых водонасыщенных грунтов в случае их частичного разуплотнения после отбора и подъема образца на поверхность для

p

определения

str

следует вычислять относительное разуплотнение ε

по

1

формуле:

ε1 = где

∆h

e (1 − S )

H = 0

h

r

1+ e

,

(8)

0

∆h – увеличение высоты образца при разуплотнении, см; H

h - высота образца до испытания, см; e – начальный коэффициент пористости грунта после подъема образца 0

на поверхность;

Sr – степень влажности грунта после подъема образца на поверхность. В случае частичного разуплотнения грунта (рис. 5) за p

str

принимают

абсциссу точки A графика ε = f ( p) с ординатой ε = ∆hH / h , определенной по 1

формуле (8). Вычисляют коэффициенты пористости e грунта при давлениях p по i

i

формуле:

ei = e0 − ε i (1 + e ) .

(9)

0

26

Рис. 5. Образец графического оформления результатов испытания грунта методом компрессионного сжатия – график зависимости относительного сжатия глинистого грунта при частичном разуплотнении от давления:

ε = f ( p) . Масштаб графиков: по горизонтали 10 мм – 0,025 МПа для p ; по вертикали 10 мм – 0,02 для ε . A – точка графика, принимаемая по ординате, равной ε = ∆hH / h ; p

str

– структурная прочность при испытании грунта в

компрессионном приборе. Kоэффициент сжимаемости a , МПа-1 в заданном интервале давлений p

i

и p

i +1

вычисляют с точностью 0,001 МПа-1 по формуле:

a=

e −e i

i +1

p

−p

i +1

e и e

где

i

и p

i +1

i +1

,

(10)

i

– коэффициенты пористости, соответствующие давлениям p

i

. Модуль деформации E , МПа в интервале давлений

вычисляют с точностью 0,1 МПа по формулам: 27

p

i

и

p

i +1

E=

p

−p

ε

−ε

i +1 i +1

i

β

(11)

i

или

E=

1+ e

0

a

β,

(12)

ε i и ε i + 1 – значения относительного сжатия, соответствующие

где

давлениям p и p

i +1

i

;

a – коэффициент сжимаемости, соответствующий интервалу давления от p до p

i +1

i

;

β – коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе и вычисляемый по формуле:

2v 2 , β = 1− 1− v

(13)

где v – коэффициент поперечной деформации, определяемый по результатам испытаний в приборах трехосного сжатия. При отсутствии экспериментальных данных допускается принимать

v равным для: −

песков и супесей – 0,30-0,35;

−

суглинков – 0,35-0,37;

−

глин – 0,2-0,3 при I < 0; L

0,3-0,38 при 0 ≤ I ≤ 0,25; L

0,38-0,45 при 0,25 < I ≤1,0. L

При этом меньшие значения v принимают при большей плотности грунта.

28

3 Задачи по определению деформационных и прочностных свойств грунтов Задача 3.1.

Выполнить обработку результатов компрессионных

испытаний грунтов (табл. 6) с целью определения их деформационных характеристик. Таблица 6 Вариант Начальный коэффициент

Коэффициент пористости e , д.е. на очередной ступени уплотнения грунта при нормальном давлении p , МПа

пористости грунта e , д.е. o

при p =0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,4

1

0,743

0,735 0,729 0,720 0,715 0,710 0,708 0,677

2

0,698

0,636 0,630 0,625 0,624 0,617 0,596 0,562

3

0,857

4

1,256

1,223 1,193 1,140 1,101 1,062 1,015

5

0,618

0,614 0,611 0,606 0,600 0,596 0,588 0,566

6

0,950

7

0,678

0,665 0,661 0,653 0,646 0,640 0,637

-

8

0,858

0,836 0,824 0,816 0,802 0,797 0,788

-

9

0,662

0,650 0,639 0,632 0,626 0,620 0,616

-

10

0,537

0,499 0,479 0,459 0,449 0,435 0,425

-

11

0,863

-

0,847

-

0,829

-

0,815 0,791

12

0,652

-

0,626

-

0,616

-

0,604 0,586

13

0,760

0,738 0,728 0,716 0,708 0,699 0,690

-

14

0,880

0,843 0,823 0,806 0,794 0,777 0,765

-

15

0,829

-

-

-

0,823

0,918

0,765 29

-

-

-

0,805

0,891

0,693

-

-

-

0,783 0,761 -

0,866 0,829

0,624 0,610

Вариант Начальный коэффициент

Коэффициент пористости e , д.е. на очередной ступени уплотнения грунта при нормальном давлении p , МПа

пористости грунта e , д.е. o

при p =0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,4

16

0,783

0,752 0,737 0,706 0,684 0,651 0,635 0,619

17

0,761

18

0,798

0,767 0,724 0,695 0,671 0,643 0,616 0,583

19

0,830

0,804 0,766 0,732 0,698 0,655 0,627 0,602

20

0,958

0,932 0,895 0,876 0,851 0,849 0,823 0,794

21

0,982

22

0,883

0,849 0,817 0,786 0,725 0,687 0,631 0,615

23

0,680

0,655 0,618 0,594 0,587 0,576 0,564 0,543

24

0,993

0,964 0,936 0,917 0,894 0,875 0,867 0,831

25

0,902

0,875 0,840 0,824 0,806 0,780 0,769 0,735

-

-

0,702

0,910

-

-

0,646

0,859

-

-

0,589 0,565

0,792 0,774

Указание: построить компрессионную кривую второго рода, отражающую зависимость между коэффициентом пористости e (по оси ординат) и давления

p (по оси абсцисс). Определить коэффициент сжимаемости ( a , МПа-1), характеризующий способность грунта уменьшать свой объем под действием нагрузки:

a = tgα = где

∆e , ∆p

(14)

∆e – изменение значения коэффициента пористости на каждой ступени

уплотнения;

∆p – изменение давления.

30

По величине коэффициента сжимаемости a в интервале нагрузок от 0,1 до 0,2 МПа глинистые породы подразделяют на: −

сильносжимаемые ( a > 0,01 МПа-1);

−

среднесжимаемые ( a = 0,01-0,0005 МПа-1);

−

слабосжимаемые ( a < 0,0005 МПа-1).

Сопротивление грунтов сжатию отражает компрессионный модуль деформации ( Е , МПа): к

1 а

Ек = .

(15)

Задача 3.2. Выполнить обработку результатов сдвиговых испытаний грунтов (табл. 7) с целью определения их прочностных характеристик. Таблица 7 Предельное сопротивление сдвигу τ Вариант

пред

, МПа при очередной

ступени нагружения нормальным давлением p , МПа 0,1 0,2 0,3

1

0,082

0,118

0,166

2

0,090

0,135

0,161

3

0,070

0,122

0,159

4

0,060

0,128

0,150

5

0,080

0,130

0,170

6

0,090

0,130

0,151

7

0,057

0,099

0,132

8

0,065

0,115

0,139

9

0,070

0,122

0,150

10

0,070

0,121

0,141

11

0,062

0,095

0,135

12

0,088

0,132

0,178

31

Предельное сопротивление сдвигу τ Вариант

пред

, МПа при очередной

ступени нагружения нормальным давлением p , МПа 0,1 0,2 0,3

13

0,092

0,138

0,182

14

0,102

0,152

0,202

15

0,096

0,135

0,180

16

0,058

0,088

0,118

17

0,062

0,095

0,128

18

0,055

0,085

0,115

19

0,060

0,105

0,115

20

0,058

0,095

0,132

21

0,102

0,152

0,201

22

0,080

0,128

0,175

23

0,085

0,110

0,135

24

0,070

0,131

0,145

25

0,070

0,115

0,130

Указание: по данным сопротивления грунта сдвигу построить график зависимости сдвигающего усилия τ

(по оси ординат) от вертикального

давления p (по оси абсцисс). Определить показатели прочности грунта ( c и

ϕ ), связанные зависимостью (законом) Кулона, в соответствии с которым разрушение или сдвиг грунтов возможны при определенном соотношении нормальных и касательных напряжений (3). Учитывая, что при

сдвиговых

испытаниях толщина кольца грунта в нем незначительна, то приложенное к грунту внешнее давление p

фактически будет равно напряжению σ ,

возникающему в грунте:

τ пред = ptgϕ + c ,

(16) 32

τ пред – сдвигающее усилие или предельное сопротивление сдвигу, МПа;

где

p – нормальное давление, МПа; tgϕ =

∆τ ; ∆р

(17)

ϕ – угол внутреннего трения, который образуется при сдвиге, 0; c

– сцепление, т.е. сила между частицами, необходимая для

преодоления сопротивления сдвигу, которое оказывают структурные связи, МПа.

Список литературы 1.

ГОСТ

12248-96.

Грунты.

Методы

лабораторного

определения

характеристик прочности и деформируемости. 2.

ГОСТ 30416-96 Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения.

3.

Грунтоведение / В.Т. Трофимов, В.А. Королев, Е.А. Вознесенский, Г.А. Голодковская, Ю.К. Васильчук, Р.С. Зиангиров. Под ред. В.Т. Трофимова.

–

6

изд.,

перераб.

и

доп.

Серия:

Классический

университетский учебник. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 1024 с. 4.

Грунтоведение / Е.М. Сергеев, Г.А. Голодковская, Р.С. Зиангиров, В.И. Осипов, В.Т. Трофимов. Под ред. Е.М. Сергеева. – Издание 5-е, перераб. и доп. – М.: Изд-во МГУ, 1983. – 389 с.

5.

Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. – Л.: Недра, 1990. – 328 с.

33