Определение прочностных характеристик глинистого грунта в срезном приборе (ГОСТ 12248-78)

Характеристики прочности грунта используются для расчетов как по первой группе предельных состояний (т.е. по несущей способности), так и по второй группе предельных состояний (т.е. по деформациям). В расчетах по деформациям прочностные характеристики используют для определения, так называемого расчетного сопротивления грунта R, т.е. такого вертикального давления на него, при котором грунт еще можно рассматривать в качестве линейно – деформируемой среды, а значит применять для вычисления деформаций модель Гука (см. работу 10).

В расчетах по несущей способности прочностные характеристики грунта используются для определения предельного сопротивления основания, давления грунтов на ограждения и подземные сооружения, а также для исследования устойчивости откосов.

Одной из наиболее простых и в то же время наиболее часто используемой моделью разрушения грунта (моделью прочности) является модель Мора – Кулона. В соответствии с теорией прочности Мора разрушение образца любого материала наступает в результате незатухающего сдвига частиц материала относительно друг друга по так называемым площадкам сдвига. Это смещение возникает только при достижении определенного соотношения между сдвигающими усилиями (касательными напряжениями τ) и вертикальным давлением (нормальными напряжениями р) на указанных площадках.

В 1773 г. Ш. Кулон сформулировал для песков эту зависимость следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов срезу есть сопротивление трению, пропорциональное давлению:

, (38)

где tgφ – коэффициент пропорциональности;

φ – угол внутреннего трения грунта.

Обобщая эту зависимость на глинистые (связные) грунты, сопротивление сдвигающим усилиям рассматривается как линейная функция от нормального давления, т.е. как сумма сопротивления трению, пропорционального нормальному к плоскости сдвига давлению р, и сопротивления сцеплению, не зависящего от давления:

, (39)

где с – удельное сцепление грунта.

В действительности сопротивление грунта срезу является сложным процессом и разграничение его на трение и сцепление выполняется условно. Параметры tgφ и с зависимостей (38) и (39) аналогичны математическим параметрам а и b линейных зависимостей y=ax; y=ax+b. На рис. 12 приведены графики зависимостей (38) и (39).

а) б)

 

Рис. 12. Графики предельного сопротивления срезу несвязного (а) и связного (б) грунтов

В лабораторных условиях испытания грунтов на срез проводятся методом среза по фиксированной плоскости в срезных приборах или методом раздавливания при трехосном напряженном состоянии в стабилометрах.

При испытаниях в срезном приборе сдвиг частиц грунта происходит по фиксированной плоскости. Несколько образцов одного и того же грунта загружается различными по величине вертикальными давлениями р и сдвигаются плавным приложением горизонтальных сдвигающих усилий τ. Определение предельных значений τ_u производится не менее чем при трех различных значениях р по схеме, изображенной на рис. 13.

3-я серия образцов

а) б) в)

1-я серия образцов

2-я серия образцов

 

 

Рис. 13. Схема испытания грунта на срез в срезном приборе

 

Прибор одноплоскостного среза состоит из срезывающего устройства, пресса для создания вертикального давления и тягового устройства для создания горизонтального сдвигающего усилия.

На рис. 14 изображено срезывающее устройство срезного прибора. Вертикального давления р передается с подвески рычага пресса. Нагрузка на рычаг рассчитывается по формуле:

 

, кН (1кН=100кгс) (40)

 

где р – требуемое вертикальное давление на образец, кПа (1кПа=0.01кгс/см³)

А – площадь горизонтального сечения образца, м²;

k – передаточное число рычагов пресса.

Горизонтальное сдвигающее усилие передается на образец ступенями через тяговое рычажное устройство. Величина ступеней нагрузки на рычаг тягового устройства рассчитывается по формуле:

 

, кН (1кН=100кгс) (41)

 

где – величина ступени касательного усилия в плоскости среза образца, кПа (1кПа=100кгс);

А – площадь горизонтального сечения образца, м²;

k – передаточное число рычагов тягового устройства.

 

 

 

Рис. 14. Срезывающее устройство срезного прибора

 

Определение предельного сопротивления грунтов срезу производится двумя методами:

консолидированного среза;

неконсолидированного среза.

Метод консолидированного среза применяется для определения предельного сопротивления срезу в условиях стабилизированного состояния песчаных грунтов, а также глинистых с показателем консистенции I_L≤1, коэффициентом пористости для супесей и суглинков е≤1 и для глин е≤1.5.

Испытания проводятся: для песчаных грунтов – на подготовленных в лаборатории образцах с заданной плотностью сложения и влажности или в условиях полного водонасыщения; для глинистых грунтов – на образцах ненарушенного (природного) сложения при природной влажности или в условиях полного водонасыщения.

Подготовленные таким образом образцы грунта предварительно уплотняются в специальном приборе – уплотнение при нормальных давлениях р, при которых в последующем будет определяться сопротивление образцов срезу, т.е. 100, 200, 300 кПа.

Схема нагружения образцов грунта в уплотнителе практически совпадает со схемой нагружения грунта в компрессионном приборе (см. работу 10). Каждая ступень вертикального давления при уплотнении выдерживается до условной стабилизации вертикальных деформаций, критерии которой почти совпадают с аналогичными при компрессионных испытаниях (см. работу 10). При этом уплотнение образца может происходить в течение нескольких суток.

После выдержки в уплотнителе образец разгружается и быстро переносится в рабочем кольце в срезную коробку срезного прибора и закрепляется в ней. Далее на него устанавливается перфорированный штамп, производится регулировка механизмов загрузки, устанавливается зазор величиной 0.5…1.0 мм между подвижной и неподвижной частями срезной коробки и с помощью рычажного пресса одной ступенью передается вертикальная нагрузка.

Время выдержки вертикальной (нормальной) нагрузки составляет не менее:

для песчаных грунтов – 5мин.;

для супесей – 15мин.;

для суглинков и глин – 30мин.

После передачи вертикальной нагрузки устанавливается индикатор перемещений среза образца грунта. Затем на образец передается касательная нагрузка ступенями, величина которых составляет 5% величины вертикальной нагрузки, при которой производится срез. После достижения условной стабилизации перемещений среза при данной ступени нагрузки передается следующая ступень касательной (сдвигающей) нагрузки. За условную стабилизацию деформаций среза принимается скорость перемещений среза, не превышающая 0.01 мм/м. Испытание считается законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца превысит 5мм. По замеренным в процессе испытания величинам перемещений среза , соответствующим различным напряжениями τ строится график зависимости . За сопротивление образца грунта сдвигу τ_u принимается максимальное значение τ на графике на отрезке , не превышает 5мм (рис. 15).

 

 

Рис. 15. График испытания грунта на срез

Метод неконсолидированного среза применяется для определения сопротивления срезу в условиях нестабилизированного состояния водонасыщенных суглинков и глин (при степени влажности S_r ≥ 0.85),

Имеющих показатель текучести I_L≤0.5. Испытания проводятся на образцах ненарушенного сложения.

Рабочее кольцо с грунтом помещается в срезную коробку и закрепляется в ней. Затем на образец устанавливается сплошной штамп, производится регулировка механизмов нагрузки, устанавливается зазор величиной 0.5…1.0 мм между подвижной и неподвижной частями срезной коробки, устанавливается индикатор перемещения среза. Нормальное давление р, при котором будет производиться срез образца, передается сразу в одну ступень. Величины р зависят от вида и состояния грунта и принимаются для глинистых грунтов с 0.5 ≤ I_L ≤ 1.0 в 50, 100, 150 кПа, а для илов и глинистых грунтов с I_L ≤ 1.0 в 25, 75, 125 кПа. Срез образца грунта производится не более чем за 2 мин. с момента приложения нормальной нагрузки. Величина ступеней касательной нагрузки не должна превышать 10% величины нормального давления, приложенного к образцу. Испытаний считается законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общая деформация превысит 5 мм. Сопротивление образца грунта срезу вычисляется по формуле:

 

, (42)

 

где – максимально допустимая касательная нагрузка в плоскости среза, кН;

А – площадь горизонтального сечения образца, м².

 

, (43)

где – максимальный вес на рычаге тягового устройства, кН;

k – передаточное число рычагов тягового устройства.

Как при консолидированном, так и неконсолидированном срезах по результатам испытаний образцов из одного монолита грунта при трех различных значениях р строится график зависимости (см. рис. 12). По графику определяется прочностные характеристики грунта – угол внутреннего трения φ, град. И удельное сцепление с, кПа (см. рис. 12).

Однако, при проектировании сооружений используются более точные значения φ и с – нормативные и расчетные параметры, которые определяются по статическим формулам ГОСТ 20522-75 на основе испытаний не одного, а многих образцов данного вида грунта (инженерно – геологического элемента):

 

; (44)

 

; (45)

 

; (46)

 

²; (47)

 

где знак Σ – сумма i значений от 1 до n;

n – количество испытаний.

 

Содержание работы

(неконсолидированный срез)

1. Предварительно подготовленное разрезное рабочее кольцо с грунтом (нижняя и верхняя плоскости образца грунта должны быть покрыты увлажненными кружками фильтрованной бумаги) поместить в подвижную часть срезной коробки.

2. На дно неподвижной части срезной обоймы уложить перфорированный диск (широкой плоскостью вверх).

3. Установить подвижную часть срезной обоймы с рабочим кольцом на не подвижную часть так, чтобы образец грунта своей нижней плоскостью опирался на перфорированный диск неподвижной части обоймы.

4. Уложить сверху на образец перфорированный диск (широкой плоскостью вниз).

5. На диск установить коромысло рычажного пресса и прикрепить его к рычагу пресса, создающего вертикальное давление на образец.

6. Установить установочный винт и закрепить его на стойках верхней части срезной коробки.

7. Установочным винтом установить зазор величиной 0.5…1 мм между подвижной и неподвижной частями срезной обоймы.

8. С помощью противовеса уравновесить рычаг пресса вертикального давления в горизонтальном положении. Закрепить его стопором.

9. Прикрепить тросик к тяговому коромыслу подвижной части срезной коробки.

10. Закрепить рычаг горизонтальной нагрузки стопором.

11. Установить в держателе индикатор горизонтальных перемещений. Ножку индикатора в максимально сжатом состоянии упереть в упорный столик. Установить стрелки индикатора в нулевое положение.

12. Записать в журнал испытаний (форма 21) данные по грунту и параметры срезного прибора:

– наименование грунта (из работы 3);

– площадь поперечного сечения образца А=40см²;

– передаточное число рычагов пресса k=10.

13. Поместить на рычаг пресса вертикального давления плоскую гирю массой 2 кг, создавая тем самым (с учетом соотношения плеч рычага 1:10 и площади образца А=40 см²) давление на образец 50 кПа (0.5 кг/см²). Освободить рычажное устройство от стопора.

14. Для создания первой ступени горизонтальной нагрузки поместить на рычаг пресса горизонтальной нагрузки гирю массой 200г (10% от вертикальной нагрузки). Приложение последующих ступеней той же величины должно следовать через 10…15. В начале и конце каждой ступени горизонтальной нагрузки показания индикатора горизонтальных перемещений записывать в журнал испытаний (форма 21).

Испытания данного образца 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.

15. Записать в журнал максимальное сдвигающую нагрузку и вычислить сопротивление образца грунта срезу по форм. 42.

16. Произвести испытание еще на двух образцах при вертикальных давлениях 100 кПа (1.0 кг/см²) и 150 кПа (1.5 кг/см²).

17. Заполнить ведомость испытаний (форма 22) и построить график испытаний (форма 23).

18. Определить угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с по форм. 44-47. Результаты записать в ведомость испытаний (форма 22).

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

 

Приложение 1

Содержание работы по упрощенному определению гранулометрического (зернового) состава песчаного грунта в учебных целях

 

1. Отобрать навеску воздушно – сухого грунта массой m₀=200 г в предварительно взвешенную* фарфоровую чашку.

2. Просеять отобранную навеску через колонку сит с поддоном с размером отверстия (10; 5; 2; 1) мм.

3. Фракции грунта, задержавшиеся на ситах, взвесить** и результаты занести в журнал (форма П.1.).

4. Из поддона отобрать пробу грунта массой в заранее взвешенную фарфоровую чашку.

5. Пробу грунта пересыпать в стеклянную колбу емкостью 500-750 см³, смывая остаток пробы в чашке струей воды из резиновой груши. Долить в колбу воды, примерно до 2/3 ее объема и взбалтывать в течение 2-3 минут.

6. Суспензию из колбы слить через сито с размером отверстий 0.1 мм в металлическую чашку. Оставшиеся на внутренней поверхности колбы частицы грунта тщательно смыть в сито водой из резиновой груши.

7. Суспензию из металлической чашки тщательно слить в стеклянный цилиндр емкостью 1 л. Оставшиеся на дне и стенках чашки частицы смыть в цилиндр водой из резиновой груши.

8. Частицы грунта, задержавшиеся на сите с размером отверстий 0.1 мм, с помощью резиновой груши тщательно смыть в металлическую чашку.

9. Дать отстояться взвеси в течение 2 – 3 минут. После этого воду из чашки осторожно слить в цилиндр, а оставшийся осадок осторожно смыть с помощью резиновой груши в маленькую металлическую сковородку.

10. Высушить грунт в сковородке до абсолютно сухого состояния (примерно 10 – 15 мин).

11. Просеять высушенный в сковородке грунт через колонку сит с поддоном с размером отверстий (0.5; 0.25; 0.1) мм.

 

*Взвешивание производить на технических весах с точностью 0.01 г.

**Взвешивание производить в предварительно взвешенных фарфоровых чашках.

12. Частицы грунта, прошедшие сито с размером отверстий 0.1 мм, перенести в цилиндр с суспензией.

13. Фракции грунта, задержавшиеся на ситах, взвесить и результаты занести в журнал (форма П.1.).

14. В цилиндр долить воды до 1 л. Суспензию в цилиндре взболтать мешалкой в течение 1 мин. До полного взмучивания осадка со дна цилиндра, не допуская выплескивания суспензии.

15. По таблице определить время замера плотности суспензии ареометром после окончания ее взбалтывания (в скобках указано время отсчетов в учебных целях).

 

Размер фракции, мм	Время окончания взбалтывания суспензии до замера ее плотности
ГОСТ	учебное
менее 0.05 менее 0.01 менее 0.005	1 мин 30мин 3 часа	1 мин 5 мин 10 мин

 

16. За 10-12 сек. До замера плотности суспензии осторожно опускать в нее ареометр, который должен свободно плавать, не касаясь стенок цилиндра и взять отсчет по ареометру R.

17. Взять отсчет R₀ по ареометру в цилиндре с дистиллированной водой или принять R₀ по указанию преподавателя.

18. Вычислить процентное содержание фракций по формулам (форма П.1.).

19. Выполнить п.п. 2-5 из работы 6.

 

 

Приложение 2

Содержание работы по упрощенному определению максимальной плотности и оптимальной влажности грунта в учебных целях

 

1. Пробу глинистого или песчаного (или гравийного) грунта массой m=2500 г доувлажнять до исходного влажности w₂, принимаемой равной 4% для песчаных, гравийных грунтов и 8% для глинистых грунтов. Необходимую для доувлажнения пробы грунта массу воды m_w в граммах определить по формуле:

 

, (П.1.)

 

где w₁ – естественная влажность грунта (определяется на пробах массой 30 г), % ;

w₂ – требуемая исходная влажность грунта, %;

m – масса пробы грунта, кг.

2. Подготовить прибор к испытанию: установить цилиндр в поддон, не зажимая его винтами; установить кольцо на бортик цилиндра; зажать цилиндр попеременно винтами поддона и кольца.

3. Подготовленную пробу грунта загрузить слоями в цилиндр прибора, прижимая грунт трамбовкой. Каждый слой должен иметь высоты 5-6 см уплотняться 40 ударами груза; при этом стержень трамбовки необходимо удерживать в вертикальном положении. Перед загрузкой второго и третьего слоев поверхность предыдущего слоя взрыхлить ножом нп глубину 1-2 мм. Перед укладкой третьего слоя на цилиндр надеть насадку.

4. После уплотнения третьего слоя насадку снять и срезать выступающую часть грунта заподлицо с торцом цилиндра.

5. Определить массу контейнера с грунтом m₁ с точностью до 1 г. Результаты занести в журнал (форма П.2.).

6. Выполнить п.п.1-2 из работы 8 для данного значения m₁.

7. Раскрыть цилиндр, извлечь из него грунт, смешать со срезанным грунтом и повысить его влажность на (1…2)% для песчаных и гравийных грунтов и (2…3)% для глинистых грунтов. Количество воды для доувлажнения определить по форм. П.1., принимая за m – массу грунта, оставшегося от предыдущего испытания, а за w₁ и w₂ – соответственно влажности, задаваемые при предыдущем и очередном испытании.

8. Повторить п.п.3-7 до тех пор, пока величина плотности ρ_d при очередном увеличении влажности w не начнет уменьшаться.

9. Выполнить п.3 из работы 8.

 

Учебное издание

 

Алексей Николаевич Алехин

 

 

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ПО МЕХАНИКЕ ГРУНТОВ

 

Часть 1

Описание лабораторных работ

 

 

Учебно-методическое пособие

для студентов всех специальностей дневной

и заочной форм обучения

 

 

Редактор С. В. Пилюгина

Верстка Н. А. Журавлевой

 

Подписано в печать 11. Формат 60х84/16

Бумага офсетная. Усл. печ. л.

Тираж 50 экз. Заказ № 131

 

Издательство УрГУПС

620034, Екатеринбург, Колмогорова, 66