Рецензент

канд. техн. наук, доц. Г.В. Долгих

СибАДИРабота утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве метод ческ х указан й.

М55 Механ ческ е свойства грунтов [Электронный ресурс] : методические указания к лабораторным ра отам / сост. : А.С. Нестеров, В.А. Гриценко,

Е.А. Ш роватова. – (Сер я внутривузовских методических указаний СибАДИ). –

Электрон. дан. – Омск : С АДИ, 2018. – URL: http://bek.sibadi.org/cgi-bin/irbis64r plus/ cgiirbis 64 ft.exe. - Реж м доступа: для авторизованных пользователей.

Рассматривают методики ла ораторных работ по определению коэффициента фильтрации, прочностных и деформационных характеристик грунтов, определения максимальной плотности сухого грунта и его оптимальной влажности.

Имеют интерактивное оглавление в виде закладок.

Рекомендованы обучающимся очной и заочной форм направления «Строительство».

Текстовое (символьное) издание (2,2 МБ)

Системные требования: Intel, 3,4 GHz; 150 Мб; Windows XP/Vista/7; DVD-ROM; 1 Гб свободного места на жестком диске; программа для чтения pdf-файлов:

Adobe Acrobat Reader; Foxit Reader

Техническая подготовка В. . Черкашина

Издание первое. Дата подписания к использованию 17.12.2018 Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5

РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1

ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2018

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Общие положения

Грунты являются основаниями различных сооружений. Строительство сооружений нарушает начальное состояние грунтов и в грунтах возникают новые процессы, осложняющие эксплуатацию со-

оружений. Для оценки грунтов оснований необходимо знать характе- СибАДИристики механических свойств грунтов. В зависимости от условий

взаимодейств я грунтов с нагрузками выделяются несколько типов физико-механ ческ х свойств.

Под механ ческ ми свойствами грунтов понимают их способность сопрот вляться зменению объема и формы в результате действия на грунт нагрузок. Характеристики этих свойств подразделяются на: деформац онные, которые проявляются при нагрузках ниже

критическ х не пр водящих к разрушению грунта; прочностные,

проявляющ еся при нагрузках выше критических и приводящих к разрушен ю грунта [1].

Важнейш м свойством грунтов является их водопроницаемость. Это свойство присуще как песчаным, так и глинистым грунтам. Уплотнение грунтов под действием внешней нагрузки, сопровождается отжатием воды из пор. Этот процесс называется фильтраци-

онной консолидацией грунта.

Механические свойства грунтов зависят от их состава, физического состояния и структурных особенностей. Состав, строение, состояние и свойства грунтов определяются генезисом, возрастом и характером постгенетических процессов.

В состав грунтов входят твердые минеральные частицы, вода в различных состояниях и воздух. Твердые частицы имеют различную дисперсность поэтому в зависимости от размера частиц подразделяются на крупнообломочные (>2,0 мм), песчаные ( от 2,0 до 0,05 мм), пылеватые (от 0,05 до 0,005 мм) и глинистые (<0,005 мм).

Для определения характеристик механических свойств грунтов проводятся лабораторные и полевые испытания. В лаборатории испытываются образцы грунта относительно небольших размеров, отобранных из шурфов и скважин со строительной площадки. Образцы грунта по физическому состоянию должны соответствовать условиям их естественного залегания, то есть ненарушенного сложения.

3

1.КОМПРЕССИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ

ВОДОМЕТРЕ

Наиболее важным деформационным свойством грунтов является их сжимаемость под нагрузкой [13].

жимаемость – это изменение пористости под действием внешней нагрузки. Сжатие грунтов под нагрузкой принято называть осад-

кой, или деформацией грунтов.

СибАДИПри нагрузках, превышающих структурную прочность грунта, связи между част цами разрушаются, частицы перемещаются, сдвигаются, возн кают пластические деформации. Пластические деформации знач тельно превышают упругие и не восстанавливаются после снят я нагрузки приводят к изменению объема пор в грунте, то есть к его уплотнен ю.

Деформации грунтов имеют упругий и пластический характер.

Упруг е деформац возникают при сохранении структурных связей в грунте обусловлены упругим сжатием твердых частиц и воздуха в закрытых порах. При снятии нагрузок упругие деформации восстанавливаются.

Сж маемость характеризуется коэффициентом уплотнения и модулем деформации, который используется в расчетах осадок фундаментов сооружений.

Сжимаемость грунтов под нагрузкой не протекает мгновенно, а длится во времени. При определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой группе показателей относятся: коэффициент сжимаемости m0 и модуль общей деформации грунта E0 ; ко второй

группе – коэффициент консолидации C , характеризующий скорость

деформации грунта при постоянном давлении за счёт фильтрации воды. Эти показатели определяются в лаборатории при уплотнении грунтов под нагрузкой без возможности бокового расширения в ком-

прессионных приборах (одометрах).

Для испытания используют образцы грунта ненарушенной структуры, отобранные в жесткие металлические кольца.

Нагрузку на грунт передают ступенями, выдерживая каждую ступень до полного затухания деформаций.

4

При сжатии грунта в компрессионном приборе диаметр образца не меняется. Поэтому относительная вертикальная деформация грунта равна относительному изменению объема, т.е.

где h – первоначальная высота образца грунта; h – изменение высоты образца под давлением; V – первоначальный объем образца грунта; V – изменение объема образца под давлением.

Так как уплотнение грунта происходит вследствие уменьшения объема пор, то деформацию сжатия грунта выражают через измене-

2 – ветвь разгрузки

5

Если после уплотнения образца внешним давлением произвести его разгрузку, то деформации восстановятся тем полнее, чем выше упругие свойства грунта (см. рис.2).

Для небольшого диапазона давлений p компрессионная кривая может быть заменена прямой. С приращением внешнего давления p произойдет изменение коэффициента пористости e (рис.3).

Тангенс угла наклона отрезка компрессионной кривой к оси давлений характеризует сжимаемость грунта в рассматриваемом диапазоне давлений и носит название коэффициента сжимаемости грунта

Таким образом, модуль деформацииДгрунта, определяемый по результатам компрессионных испытаний связан с изменением его ко-

поперечной деформации грунта и приблизительно равный: для песков

– 0,8; супесей – 0,7; суглинков – 0,5 и глин – 0,4.

эффициента пористости.

Модуль деформации грунта является важнейшим показателем его деформационных свойств. Он используется при расчете осадок

ствительного, т.к. извлечение грунта из глубины для компрессионных испытаний приводит к изменению его напряженного состояния.

6

Компрессионные испытания грунтов следует проводить на образцах ненарушенной структуры и при естественной влажности.

При испытании грунта в одометре образец грунта находится в металлическом кольце. Нагрузка на грунт передается через поршень с отверстиями. Если к поршню одометра приложить давление p, высота образца уменьшится вследствие уплотнения грунта (уменьшения его пористости). При увеличении давления образец получит дополнительное уплотнение из-за изменения объема пор.

Зависимость изменения коэффициента пористости от давления называют компресс онной – e=f(p).

Нагрузка на образец с помощью рычажной системы передается поршнем. Его вертикальное перемещение (осадка) регистрируется индикатором. Поршень и дно одометра имеют вертикальные отверстия для удаления воды, выжимаемой из пор грунта при его уплотнении под действием нагрузки.

Необходимоеоборудование

Компрессионный прибор, индикатор часового типа (2 шт.), весы, бюкса (1 шт.), грунтовый нож с прямым лезвием, бумажные фильтры, секундомер, журнал наблюдений.

7

В учебной лаборатории СибАДИ для компрессионных испытаний используется прибор системы КП, имеющий: отношение плеч рычага, передающего нагрузку, 1:10; площадь образца грунта А = 60 см2; диаметр образца d = 87,4 мм; начальную высоту образца, равную высоте кольца, h = 25 мм.

Выполнениеработы

СибАДИКольцо с грунтом устанавливается в компрессионный прибор p. Водонасыщенные грунты испытываются в водном окружении.

Взвешивается на весах рабочее кольцо одометра. Внутренняя

поверхность кольца покрывается очень тонким слоем машинного масла.

Про звод тся зарядка образца грунта в кольцо. Для этого кольцо режущ м краем устанавливается на зачищенную поверхность грунтового монол та. Грунт с внешней стороны кольца подрезается

на небольшую глу ну (5…10 мм) грунтовым ножом, чтобы из него образовался ц л ндр д аметром, несколько превышающим внутрен-

ний диаметр кольца. После чего кольцо надавливанием рук осторожно, строго верт кально осаживается вниз. Подрезка и осаживание кольца про зводятся до тех пор, пока поверхность образца в кольце не будет выступать над верхним краем кольца на 2…5 мм. Затем грунт вокруг кольца подрезается на конус и кольцо с образцом отделяется от монолита. Верхняя и нижняя поверхности образца зачищаются ножом заподлицо со стенками кольца.

Кольцо очищается с внешней стороны от приставших к нему

частиц грунта и взвешивается для определения плотности грунта.

Из остатков грунта, образовавшихся после врезки кольца в монолит, берется в бюкс проба для определения влажности грунта, мас-

Для этого в ванну прибора наливается вода. Трехфазные грунты испытываются в воздушном окружении. При этом принимаются меры по предотвращению высыхания образцов грунта во время опытов (обкладка влажной тканью, устройство паронепроницаемых оболочек, крышек и т.п.).

Часовые индикаторы прибора устанавливаются в нулевое положение. Правильность сборки прибора проверяется легким нажатием рычага, что вызывает смещение стрелок индикаторов. При снятии усилия стрелки должны вернуться в исходное положение.

8

Подвеска рычага загружается гирей массой 6 кг, что соответствует давлению на образец 0,0981 МПа, при площади образца 60 см2 и соотношении плеч рычага 1:10. Масса гирь на подвеске рычага прибора и время от начала приложения ступени нагрузки, показания по индикаторам записываются в журнал испытаний (табл. 1).

Через 1; 2; 5; 10 и 20 мин после приложения нагрузки берутся отсчеты по шкале индикаторов и записываются в журнал. Через такие

Снимается, что стаб л зация деформаций образца от каждой ступени нагрузки завершается через 20 мин после ее приложения. В испытадля про зводства, проводимых в соответствии со стандартом [3],

же интервалы времени берутся отсчеты и после приложения каждой последующей ступени нагрузки. В учебных испытаниях условно при-

нияхстабил зац я деформаций о разца от каждой ступени нагрузки считается наступ вшей, если приращение осадки образца по индикатору не превышает 0,01 мм за 16 ч для глинистых грунтов и за 4 ч для пылеватых мелк х песков.

Черезб20 м н после приложения первой ступени нагрузки прикладывается вторая ступень, а еще через 20 мин – третья. Для этого подвеска рычага загружается гирями массами по 6 кг на каждую сту-

Через 20 мин послеАприложения третьей ступени образец разгружается. Разгрузка осуществляется теми же ступенями. После снятия очередной ступени образец выдерживается 5 мин и в журнале

пень. Отсчеты по индикаторам снимаются так же, как и при первой ступени нагрузки, и записываются в журнал наблюдений.

фиксируют отсчеты по индикаторам.

Д После завершения разгрузки прибор разбираетсяИ, грунт удаляется,

прибор очищается влажной салфеткой. Если испытания велись в вод-

ном окружении, то перед разборкой прибора из ванны удаляется вода. Из образца грунта в бюкс отбирается проба для определения конеч-

ной влажности. В учебных целях конечная влажность не определяется.

9

Запись, обработкаиоформлениерезультатовиспытаний

Определение плотностигрунта по кольцу

Начальная плотность грунта по кольцу, г/см3, рассчитывается по формуле

Плотность частиц грунта ρs в учебных испытаниях рекомендуется принимать равной 2,69 г/см3 для супеси, 2,72 г/см3 для суглинка

2,75 г/см3 для глины.

Получение компрессионной зависимости, вычисление коэффициента сжимаемости и модуля деформации

Результаты измерений деформаций образца грунта (отсчеты по индикаторам) при нагрузке записываются в журнале испытаний табл. 1 в строках, соответствующих заданному интервалу времени; при разгрузке записываются в строках, где обозначены массы гирь 12, 6 и 0 кг, через 5 мин после снятия очередной ступени нагрузки.

10

В производственных опытах значения Si определяются с учетом деформаций, замеренных при тарировке прибора с использованием металлического вкладыша вместо образца грунта.

11

Коэффициент сжимаемости для каждого интервала давлений вычисляется по формуле

12

Таблица 3

Рис.5. Компрессионная зависимостьИ: 1 – ветвь нагрузки; 2 – ветвь разгрузки

Вычисления ei , m0i и Ei используются для построения графика

компрессионной зависимости, аналогично изображенному на рис. 5. Результаты вычислений оформляются по форме табл. 3.

Определение коэффициента фильтрационной консолидации

Коэффициент фильтрационной консолидации грунта Cν используется в расчетах осадки фундамента во времени.

13

Для определения коэффициента фильтрационной консолидации методом "квадратный корень из времени" по результатам испытаний грунта под постоянным давлением строят график кривой консолида-

14

Пример определения компрессионной зависимости и вычисления m, E и Cν для суглинка

Определяем начальную плотность грунта по кольцу:масса кольца m0 = 193,05 г;

масса кольца с грунтом m1 = 521,17 г;объем образца в кольце V = 150 см3;

15

16

ническую прочность грунтов, т.е. способность сопротивляться разрушению или развитию больших пластических деформаций под воздействием механических напряжений. Причем если деформационные характеристики определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т.е. до критических), то параметры прочности грунтов находятся при нагрузках, приводящих к разрушению грунта (т.е. предельных).

Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между частицами, т.е. зависит от прочности структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между частицами грунта, тем выше его прочность в целом.

17

Сопротивление грунтов сдвигу изучают в условиях предельного напряженного состояния (критическое значение напряжения, которое может выдержать образец грунта без разрушения).

Разрушение грунта происходит за счет сдвига одной его части по другой. Сопротивление сдвигу обусловлено трением перемещающихся частиц и сцеплением между ними.

Показатели сопротивления сдвигу – угол внутреннего трения

(φ), а в связных грунтах к трению добавляется еще сцепление (с). Ве- СибАДИличина этих показателей меняется в зависимости от влажности грун-

тов. Так в гл н стых грунтах (супеси, суглинки, глины) с ростом влажности закономерно снижается и величина сцепления (за счет ос-

лаблен я структурных связей), и величина угла внутреннего трения

(за счет смазывающего действия воды, снижающего трение на контактах част ц). Сух е маловлажные глинистые грунты твердой кон-

систенц всегда о ладают ольшим углом внутреннего трения и

значительным сцеплен ем по сравнению с тем же грунтом в пластичной или текучей конс стенции.

Грунты в основании сооружений испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения во всех точках грунта достигают предельного сопротивления сдвигу, наступает предельное равновесие, или предельное напряженное состояние грунта.

Таким образом, предельным напряженным состоянием грунта называют такое состояние, при котором малейшее увеличение внешнего воздействия вызывает нарушение равновесия; при этом сопротивление сдвигу равно предельному значению. Грунт приходит в неустойчивое состояние – в массиве возникают поверхности скольжения, нарушается прочность связей между частицами грунта их агрегатами. Это может привести к выпору грунта из-под фундаментов и большой осадке последних, к сползанию массы грунта в откосах. Возведение сооружений на грунте, находящемся в предельном напряженном состоянии, недопустимо. Поэтому важно правильно оценить максимально возможную нагрузку на грунт, при которой он еще будет находиться в равновесии, без потери устойчивости.

Характеристики сопротивления грунтов сдвигу рассматриваются как прочностные показатели и используются при определении несущей способности оснований сооружений, устойчивости грунта в откосах, при определении давлений грунта на ограждающие конструкции (подпорные и шпунтовые стенки, устои мостов и т.п.).

Сопротивление грунтов сдвигу определяют в лабораторных условиях на одноплоскостных приборах прямого среза.

18

Испытания проводят на нескольких образцах с целью получения ряда экспериментальных точек для построения графической зависимости между нормальными и касательными напряжениями p и τ, МПа, предварительно уплотненных разными вертикальными давлениями р. Величина нормального давления p от нагрузки уплотнения

составит р=P/A , τ=T/A, где P и T – соответственно нормальная и касательная силы к плоскости среза; A – площадь среза.

Зависимость между p и τ для сыпучих грунтов выражена прямой линией, выходящей из начала координат (рис.7, б). Угловой коэффициент прямой представляет собой тангенс угла внутреннего трения φ

Это уравнение представляет собой математическое выражение закона Кулона для связных грунтов. Таким образом, с и φ являются параметрами прочности грунта.

Параметры прочности определяют на приборе прямого среза системы ГГП-30 (прибор одноплоскостного среза с подвижной верхней кареткой) в режиме контроля за напряжениями по методике медленного среза уплотненных образцов (консолидированный срез).

19

При испытании по методике медленного среза уплотненных образцов каждый образец в условиях двухстороннего дренирования предварительно уплотняется заданным нормальным давлением до прекращения деформаций (до стабилизации). После чего он при том же нормальном давлении срезается в приборе путем медленного при-