Визначення характеристик міцності глинистого ґрунту методом одноплощинного зрізування

Загальне ознайомлення з поняттями, що характеризують опір ґрунтів зрушенню (зсуву), та лабораторними методами його визначення здійснюється вивченням пункту 3.1.4 навчального посібника «Інженерна геологія».

В

Рис. 3. Схема досліду на зсув

лабораторних умовах опір ґрунтів зрушенню найчастіше визначають методом зрізування зразків ґрунту по одній фіксованій площині (рис. 3) в зрізному приладі (рис. 4) з верхньою рухомою обоймою, або з нижньою рухомою обоймою для випробування пісків. Зразок ґрунту має форму циліндра діаметром не менше 7,0 см і висотою не більше 0,5 і не менше 0,33 діаметра.

Опір зсуву піщаних ґрунтів зумовлюється в основному тертям між частинками ґрунту. Проведемо такий дослід. В прилад, який складається з двох поставлених один на одного циліндрів (нижній з яких закріплений нерухомо, а верхній може вільно переміщуватись в горизонтальній площині АВ під дією горизонтального зусилля, котре прикладається до нього через блок та систему важелів), помістимо зразок грунту (рис. 3, а). На грунт через поршень приладу передамо горизонтальне зусилля S, котре будемо поступово збільшувати. При деякому значенні сили S верхній циліндр разом з грунтом прийде в рух вздовж площини АВ (рис. 3, б). В цей момент сила S буде дещо перевищувати силу , котра направлена в протилежний бік і створює опір зсуву. Ця сила  називається силою тертя.

В

Рис. 4. Схема приладу ГГП-30: 1 – станина; 2 – металева панель; 3 – зрізувач; індикатори для вимірювання верти-кальних (4) та горизонтальних (5) деформацій

ипробовуваннями ґрунтів методом одноплощинного зрізування визначаються характеристики міцності – опір ґрунту зсуву (τ), кут внутрішнього тертя ґрунту (φ) та питоме зчеплення ґрунту (с) . Ці характеристики використовують для визначення розрахункового опору ґрунту для розрахунків стійкості основ, земляних споруд та укосів і схилів, для визначення бічного тиску ґрунту на огороджуючі конструкції і для рішення інших задач використовуючи формулу

(10)

У даній навчальній лабораторній роботі ґрунт досліджується за методом консолідовано-дренованого зрізування – для пісків та глинистих ґрунтів у стабілізованому стані незалежно від їх ступеня вологості.

Опір ґрунту зсуву (τ) визначають не менш ніж для трьох різних значень нормальних напружень (σ) на зразках ґрунту, взятих з одного однорідного за будовою і складом моноліту, або, в окремих випадках, на зразках, підготовлених в лабораторії.

Д а н о: прилад для зрізування ґрунтів, прилад для попереднього ущільнення ґрунтів, паперові фільтри, індикатори, зразки глинистого ґрунту.

З а в д а н н я: ознайомитись з методикою визначення кута внутрішнього тертя і питомого зчеплення глинистого ґрунту

Х і д р о б о т и:

1. Підготовка зразків ґрунту. В прилад попереднього ущільнення вміщують зразки глинистого піщаного ґрунту, замочують їх, після чого ущільнюють перший зразок під тиском Р = 0,1 МПа, другий під тиском Р = 0,2 МПа, третій під тиском Р = 0,3 МПа. Нормальний тиск передають ступенями ∆Р = 0,025-0,1 МПа. Кожний ступінь витримують не менше 30 хвилин, а кінцевий ступінь – до умовної стабілізації деформації стиснення. За умовну стабілізацію деформації слід приймати її приріст, який не перевищує 0,01 мм за час, не менший для супісків – 2 год; суглинків з числом пластичності І_р < 12% – 6 год; суглинків з І_р > 12% і глин – 12 год; для просідаючих ґрунтів – 3 години.

(Підготовку зразків і ґрунту виконують в лабораторії заздалегідь).

2. Зразок ґрунту в гільзі, підготовлений в приладі попереднього ущільнення, зверху і знизу накривають паперовими фільтрами і вміщують у зрізуючий пристрій (3) приладу для зрізування ґрунтів (рис. 5). Зрізуючий пристрій (зрізувач) складають так, як це показано на рисунку 5, після чого приладу надають робочий стан. Для цього обертанням маховика підіймають тяговий циліндр, до утворення поміж верхньою і нижньою обоймами зазора розміром 0,5-1,0 мм, який утворюють настановними гвинтами (4). Докладанням гирь на важіль нормального тиску через коромисло механізму вертикального тиску і штамп створюють на зразок обумовлений нормальний тиск.

3. Встановлюють індикатор (5) для замірювання горизонтальних деформацій. Навантаження М на важіль розраховують за формулою

, кг, (11)

де Р – нормальний тиск, МПа;

А – площа поперечного перерізу зразка (А = 40 см²);

m – маса рухомої частини механізму передачі нормального тиску (m = 5,0кг);

n – кратність збільшення навантаження важеля (n = 10).

Для створення нормального тиску 0,1; 0,2; 0,3 МПа треба відповідно покласти гирі загальною масою 3,5; 7,5; 11,5 кг.

4

Рис. 5. Зрізувач приладу ГГП-30: 1 – тяга горизонтального зусилля; 2 – верхня рухома та 3 – нижня нерухома обойми для зразка породи; 4 – настановні гвинти для створення зазорів між обоймами; 5 – зразок породи; 6 – пористі вкладки; 7 – поршень для передачі вертикального тиску на зразок породи; 8 – ванна приладу, яка заповнюється водою

. Горизонтальні зрушуючі зусилля створюють докладанням гирь на важіль механізму горизонтального зрізування. Величина ступеня зрушуючих зусиль повинна становити 5% від нормального тиску Р, здійсненого на зразок ґрунту. З метою скорочення тривалості досліду під час навчання дозволяється збільшувати величину ступеня до 12,5%.

Для створення певного значення τ необхідно на важіль механізму горизонтального зрізування покласти гирі загальною масою Т_і

, кг. (12)

Докладання вантажу кожного наступного ступеня виконують після того, коли деформація зсуву від попереднього ступеня навантаження не буде перевищувати 0,01 мм за 1 хвилину, що вважається умовною стабілізацією деформацій зрушення (зсуву). Після настання стабілізації записують показання індикатора. Дослід слід вважати закінченим, якщо з докладанням чергового ступеня дотичного навантаження відбувається миттєвий зсув однієї частини зразка відносно другої, або загальна деформація зрізання перевищує 5 мм. Після цього випробовують інші зразки з іншими значеннями стискуючого навантаження. В навчальних дослідженнях випробовують три зразки ґрунту.

5. Результати значень деформацій зсуву записують в таблицю 10.

Т а б л и ц я 10

Приклад таблиці для записів результатів дослідженнях опору ґрунту зсуву

Зразок № 1 Нормальний тиск Р1 = 0,1 МПа		Зразок № 2 Нормальний тиск Р2 = 0,2 МПа		Зразок № 3 Нормальний тиск Р3 = 0,3 МПа
Зрізуючі напруження, τ МПа	Показання індикатора ∆l, мм	Зрізуючі напруження, τ МПа	Показання індикатора ∆l, мм	Зрізуючі напруження, τ МПа	Показання індикатора ∆l, мм
0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
0,0125	0,045	0,025	0,55	0,050	0,8
0,025	0,055	0,050	1,1	0,075	1,6
0,0375	1,25	0,075	2,6	0,100	2,3
0,050	2,00	0,080	3,1	0,125	4,1
0,055	3,25	0,085	3,6	0,1375	зріз
0,060	3,85	0,090	4,3
0,0625	зріз	0,095	зріз

6. За даними досліджень будують графік випробувань ґрунту на зрізування ∆l =f(τ) (рис. 6) і графік залежності опору ґрунту зсуву від нормального навантаження τ = f(σ) (рис.7).

За опір ґрунту зсуву слід прийняти максимальне значення τ, одержане з графіка ∆l =f(τ) на відтинку ∆l, який не перевищує 5 мм. Якщо τ зростає монотонно, то за опір ґрунту зсуву приймають τ при ∆l = 5 мм.

Міцнісні характеристики глинистого ґрунту – кут внутрішнього тертя (φ, град), і питоме зчеплення (с, МПа) – отримують з графіка залежності τ = f(σ) (рис. 7). При цьому величину с визначають як відрізок, відсічений прямою – на осі ординат, а кут нахилу цієї прямої до осі абсцис вважається кутом внутрішнього тертя φ.

Рис. 6. Графік ∆l =f(τ) випробувань ґрунту на зрізування

Рис. 7. Графік залежності τ = f(σ) опору ґрунту зсуву від нормального навантаження

Коефіцієнт внутрішнього тертя (tgφ_n), а від нього і значення кута внутрішнього тертя ґрунту (φ_n) можна визначити в лабораторній роботі за формулою

, (13)

де τ₁ і τ₂ – значення опору зрізуванню, відповідні нормальним напруженням σ₁ і σ₂ МПа (визначаються з графіка).

Значення питомого зчеплення можна визначити за формулою

, МПа. (14)

За даними таблиці 10, побудованого графіка залежності τ = f(σ) кут внутрішнього тертя ґрунту дорівнюватиме

. (15)

Значення кута внутрішнього тертя ґрунту φ_n = 16⁰42'. Значення питомого зчеплення с = 0,065 – 0,1× 0,3 = 0,035 МПа.

Лабораторна робота № 7 на тему: ”Визначення коефіцієнта фільтрації дисперсних ґрунтів”

Про водопроникність ґрунтів і методи її визначення належить дізнатись вивченням пунктів 4.3.2 та 4.3.3 у навчальному посібнику «Інженерна геологія».

Д а н о: Прилад КФЗ конструкцiї Д.I. Знаменського (рис. 8), пiсок для фiльтруваня, вода.

Прилад КФЗ складається iз двох металевих телескопiчних цилiндрiв: зовнiшнього (1) i внутрiшнього (2). Зовнiшнiй цилiндр є корпусом i захищає прилад вiд пошкоджень. При проведеннi дослiду в нього наливають воду для замочування ґрунту. Надлишок води зливається через пази (3). На сiтчастому днi (4) внутрiшнього цилiндра розташовується нижня сiтчаста кришка (5), в якiй встановлений рiжучий цилiндр (6). На рiжучому цилiндрi зверху лежить латунна сiтка (7), притиснута кришкою з пружинами (8). В цiй кришцi за допомогою пружин крiпиться ємнiсть (колба) Марiотта (9), яка служить для подачi води в прилад i пiдтримує постiйний її рiвень при фiльтруваннi.

З а в д а н н я: Визначити коефiцiєнт фiльтpацiї пpи двох гpадiєнтах (сеpедню величину з них вважати за дiйсну).

Х і д р о б о т и:

1 . Вдавивши рiжучий цилiндр в монолiт пiску i пiдрiзавши його ножем, вiдiбрати зразок з непорушеною структурою. При визначеннi коефiцiєнта фiльтрацiї з врахуванням напрямку руху води зорiєнтувати зразок породи i надiти сiтчасте дно на нижнiй край рiжучого цилiндра.

2. Зовнiшнiй цилiндр заповнити доверху водою i встановити в нього внутрiшнiй.

3. На дно внутрiшнього цилiндра встановити рiжучий цилiндр i, дуже повiльно загвинчуючи внутрiшнiй цилiндр в зовнiшнiй, наситити зразок породи водою.

А

Рис. 8. Прилад КФЗ: а – в розрізі, б – загальний вигляд

налогiчно чинять при визначеннi коефiцiєнта фiльтрацiї порiд з порушеною структурою.

4. Пiсля насичення зразка водою (що помiтно за змiною кольору породи) внутрiшнiй цилiндр повинен бути вгвинчений у зовнiшнiй до крайнього нижнього положення. Покласти на зразок породи латунну сiтку i впевнитись, що поверхня сiтки волога. На рiжучий цилiндр насадити верхню кришку.

5. Наповнити колбу водою, i, закpивши великим пальцем її отвip, встановити ємнiсть на сiтку piжучого цилiндра. Фоpма колби така, що отвip її знаходиться на 0,5-1,0 мм вище вiд повеpхнi сiтки, а гоpловина ємностi стоїть на самiй сiтцi. Пpи пpосочуваннi води piвень її вiдpивається вiд повеpхнi гоpловини i завдяки цьому в ємнiсть пpоpивається повiтpя, замiсть якого на сiтку потpапляє деяка кiлькiсть води. Таким чином, пpи фiльтpуваннi весь час пiдтpимується постiйний piвень води, отож, i напipний гpадiєнт.

6. За шкалою, pозмiщеною на зовнiшнiй повеpхнi внутpiшньго цилiндpа, встановити вибpану величину гiдpавлiчного гpадiєнта.

7. Вiдмiтивши за шкалою колби об’єм води, запустити секундомip i визначити кiлькiсть пpофiльтpованої води за вибpаний iнтеpвал часу. Рекомендується бpати об’єм пpофiльтpованої води не менше 10 см³.

8. Пpи даному гpадiєнтi дослiд пpоводити до сталої витpати.

9. Дослiд повтоpити пpи iнших гiдpавлiчних гpадiєнтах.

10. Впродовж дослiду пеpiодично мipяти темпеpатуpу води.

11. Розpахунок коефiцiєнта фільтрації (К_ф, м/добу) пpоводити тiльки для сталих витpат за фоpмулою

(16)

№ поз.	Час фiльтрацiї, с			Об'єм профiль-трованої води, см3			Q =DV/Dt, см3/с	F, см2	I	t, °C	Коефiцiєнт фiльтрацiї
	вiд t1	до t2	Dt=t2-t1	вiд V1	до V2	DV=V2-V1					см/с	м/добу
	0	32	32	10	30	20	0,625	25	1	20	0,0192	16,61
1	0	30	30	30	50	20	0,666	25	1	20	0,02	17,71

де Q – стала витpата, м³/добу;

F – площа попеpечного пеpеpiзу piжучого цилiндpа, м²; I – гiдpавлiчний градiєнт;

t° – темпеpатуpа води, °C.

12. Результати дослiду записати в жуpнал (табл. 11). Пpи pозpахунках слiд пам’ятати, що в добi 1440 хвилин або 86 400 с а в 1 м³ вмiщується 1000 л або 1000 000 см³.

Т а б л и ц я 11