1503

Составители: Б.С. Юшков, А.С. Сергеев

УДК 624.131.137 И88

Рецензент

канд. техн. наук, доцент кафедры строительства автомобильных дорог и мостов А.М. Бургонутдинов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Испытание грунта методом одноплоскостного среза : меИ88 тод. указания к выполнению лабораторных работ / сост.

Б.С. Юшков, А.С. Сергеев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 41 с.

Даются рекомендации по определению сопротивления образца грунта срезу, угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта в условиях природного или полного водонасыщения.

Предназначены для студентов, магистрантов, аспирантов строительных специальностей «Строительство автомобильных дорог», «Мосты и транспортные тоннели» при изучении дисциплины «Инженерная геология и механика грунтов» для выполнения лабораторных, практических и самостоятельных работ.

УДК 624.131.137

© ПНИПУ, 2015

3

ВВЕДЕНИЕ

Инженерная геология и инженерно-геологические изыскания – это ряд исследований, обеспечивающих изучение инженерногеологических условий района (площадки, участки, трассы) предполагаемого места строительства, включая рельеф местности, сейсмотектонические, геоморфологические и гидрогеологические процессы, геологическое строение и составление прогноза возможных изменений инженерно-геологических условий при взаимодействии данных объектов с геологической средой. Инженерно-геологические изыскания необходимы также для получения материалов, обоснования проектной подготовки строительства.

В состав инженерно-геологических изысканий входят:

–сбор и обработка материалов изысканий прошлых лет;

–маршрутные наблюдения (рекогносцировочноеобследование);

–проходка горных выработок;

–геофизические исследования;

–полевые исследования грунтов;

–стационарные наблюдения;

–лабораторные исследования грунтов и подземных вод;

– обследование грунтов оснований существующих зданий

исооружений;

–камеральная обработка материалов;

–составление прогноза изменений инженерно-геологических условий;

–оценка опасности и риска от геологических и инженерногеологических процессов;

–составление технического отчета.

Главная цель инженерной геологии – изучение природной геологической обстановки местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в геологической среде, в первую очередь в породах, в процессе строительства и при эксплуатации сооружений. В современных условиях ни одно здание

4

или сооружение не может быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться (а впоследствии может быть ликвидировано или реконструировано) без достоверных и полных инженерногеологических материалов.

Все это определяет основные задачи, которые стоят перед ин- женерами-геологами в процессе изыскательских работ еще до начала проектирования объекта (при принятии решения о строительстве, инвестировании проекта и т.п.), а именно:

–выбор оптимального (благоприятного) в геологическом отношении (площадки, района) строительства данного объекта;

–выявление инженерно-геологических условий с целью определения наиболее рациональных конструкций фундаментов и объекта в целом, а также технологии производства строительных работ;

– разработка рекомендаций по необходимым мероприятиям и сооружениям инженерной защиты территорий, а также охране геологической среды при строительстве иэксплуатации сооружений.

1. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1.Студенты допускаются к выполнению лабораторных работ после инструктажа по технике безопасности.

2.Инструктаж производится по имеющимся в лаборатории инструкциям по безопасному проведению лабораторных работ.

3.До выполнения работ на установке, приборе необходимо внимательно ознакомиться с основными правилами их эксплуатации.

4.Нельзя загромождать рабочее место предметами, не нужны-

ми для выполнения данной работы.

5.Во время выполнения лабораторных работ нельзя ходить без дела по лаборатории, отвлекать внимание товарищей, опираться на установки и приборы.

6.При работе в лаборатории необходимо выполнять только ту работу, которую выбрал руководитель. Категорически запрещается выполнять другие работы.

5

7.Нельзя оставлять без наблюдения свою работу, так как это может повлечь за собой несчастный случай.

8.Запрещается для выполнения работ оставаться в лаборатории одному. Обязательное присутствие второго лица необходимо для оказания первойпомощи выполняющему работы принесчастномслучае.

9.Если с Вами или другими студентами произошел несчастный случай, необходимо немедленно сообщить об этом руководителю работ.

10.О неполадках в лабораторном оборудовании следует немедленно сообщить руководителю работ.

11.После окончания работ нужно привести в порядок рабочее место и доложить об окончании работ преподавателю.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Цель лабораторной работы: определить сопротивление образца грунта срезу, угол внутреннего трения и удельное сцепление грунта в условиях природного или полного водонасыщения.

На практике значение показателей сопротивления грунта сдвигу используется для расчетов прочности и устойчивости грунтов.

Деформации сдвига – это смещение одной части грунта по другой, вызванное действием касательных напряжений от внешней нагрузки. Под действием сдвигающих усилий отдельные зерна грунта перемещаются и структура грунта в зоне сдвига нарушается. При этом грунт оказывает сопротивление сдвигающим усилиям: для сыпучих грунтов это сопротивление внутреннего трения, а для связных грунтов, кроме того, сопротивление сил сцепления. Сцепление в грунте может быть капиллярным, молекулярным и структурным.

Сопротивление грунтов сдвигу изучают экспериментально в условиях предельного напряженного состояния.

Предельным напряженным состоянием грунта называют такое состояние, при котором даже незначительное увеличение внешнего воздействия вызывает нарушение равновесия, при этом сопротивление сдвигу равно предельному для данного грунта значению.

6

Следовательно, сдвиг представляет собой пластическую деформацию – незатухающее скольжение одной части грунта по другой, соответствующеепреодолению предельно-напряженного состояния.

Сопротивление грунтов сдвигу определяют в лаборатории чаще всего по срезу грунта в срезных приборах по заранее фиксированным плоскостям или по сдвигу грунта по плоскостям максимальных тангенциальных напряжений при раздавливании.

Первыйметод получилнаибольшеераспространение на практике. Схема срезного прибора изображена на рис. 1. Он представляет собой обойму из двух металлических колец, между которыми оставлен небольшой зазор. Одно кольцо укреплено неподвижно, другое может смещаться горизонтально. Обжатие грунта, помещенного в обойму, производится аналогично обжатию при компрессионных испытаниях. После стабилизации осадки к подвижной обойме прибора прикладывают небольшими ступенями горизонтальное усилие до наступления незатухающей деформации сдвига по зазору между

кольцами прибора.

Рис. 1. Схема срезного прибора: 1 – образец грунта; 2 – индикатор часового типа; 3 – пористый штамп; 4 – неподвижная обойма; 5 – шарики;

6 – подвижная обойма

Испытание проводят на нескольких (3–5) образцах грунта с целью получения ряда экспериментальных точек для построения графической зависимости между величиной давления, нормального к поверхности сдвига, и сопротивлением грунта сдвигу.

7

Обжимающее давление Р (Па) определяют как частное от деления полного нормального давления Р на площадь образца F, а сдвигающее напряжение τ (Па) – как частное от деления сдвигающей силы Q на площадь среза F.

3. СОПРОТИВЛЕНИЕ СДВИГУ КОНСОЛИДИРОВАННЫХ ГРУНТОВ

Рассмотрим сопротивление грунта сдвигу для случая уплотнения от внешней нагрузки в условиях открытой системы (консолиди- рованно-дренированной).

Для сыпучих грунтов график, построенный по результатам нескольких опытов, представлен на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость между нормальным давлением и сопротивлением грунта сдвигу для сыпучих грунтов

Зависимость между Р и τ выражена прямой линией, выходящей из начала координат. Угловой коэффициент прямой представляет собой тангенс угла внутреннего трения φ между частицами грунта, а сама зависимость имеет вид

τ = tg φ·P,

где tg φ представляет собой коэффициент внутреннего трения, tg φ = f. Данная зависимость представляет собой закон Кулона для

8

сыпучих тел, согласно которому сопротивление сыпучих тел сдвигу есть сопротивление внутреннего трения, прямо пропорциональное нормальному давлению.

Для связных грунтов график более сложный. Экспериментальные точки образуют криволинейную зависимость с максимальной кривизной при малых величинах давлений. Опыты показывают, что при давлении Р более 0,05–0,1 МПа криволинейность графика сдвига становится незначительной, поэтому для практических целей кривую можно заменить прямой, которая при этом не проходит через начало координат, а отсекает от оси ординат отрезок с0. Величина с0 представляет собой сопротивление связного грунта сдвигу при нормальном давлении Р = 0, т.е. характеризует сцепление частиц

(рис. 3).

Рис. 3. Зависимость между нормальным давлением и сопротивлением грунта сдвигу для связных грунтов

Уравнение прямой, построенной по экспериментальным точкам, можно записать в следующем виде:

τ = tg φ·P + с0.

Это уравнение представляет собой математическое выражение закона Кулона для связных тел, который может быть сформулирован следующим образом: сопротивление связных грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального давления, состоящая из двух слагаемых – сопротивления внутреннего трения, прямо про-

9

порционального нормальному давлению, и сопротивления сил сцепления, не зависящего от нормального давления.

Таким образом, в законе Кулона предполагается, что коэффициент внутреннего трения f и сила сцепления с0 – величины постоянные. Однако, учитывая, что внешняя нагрузка уплотняет грунт, способствуя сближению частиц грунта, увеличению числа контактов между ними, следует считать очевидным, что с увеличением внешнего давления сила сцепления грунта должна возрастать. Соответственно, угол φ0 на графике будет представлять собой завышенное значение угла внутреннего трения, так как фактически в величину угла наклона прямой к горизонту входит и некоторая доля возрастающих сил сцепления.

Характеристики сопротивления грунта сдвигу имеют значение для расчетной практики, поэтому методика раздельного определения сил трения и сил сцепления представляет практический интерес.

Методом, предложенным в свое время Всесоюзным научноисследовательским институтом гидротехники, испытывают две серии образцов грунта неизменной плотности. При этом образцы 1-й серии уплотняют тем нормальным давлением, при котором осуществляют сдвиг, а образцы 2-й серии уплотняют максимальным для данного опыта давлением, после чего производят сдвиг при снятии нагрузки до различных для каждого образца ступеней. Условно считают, что срезы образцов 2-й серии осуществляют при неизменной плотности грунта, соответствующей уплотнению образца максимальным для данного опыта давлением. Такое предположение основано на особенностях поведения грунта при разгрузке. Как было показано выше, обратная ветвь компрессионной кривой имеет (при разгрузке до 0,5–1 кг/см2) весьма малый наклон к оси давлений, что указывает на незначительные изменения плотности грунта.

По результатам испытаний грунта на сдвиг строится график, и в результате получаем прямолинейную зависимость для грунта данной плотности, вполне отвечающего закону Кулона для связных тел (рис. 4). На графике испытаний образцов грунта без предварительного уплотнения (прямая 1) на оси ординат отсечен отрезок, выражающий силу сцепления неуплотненного грунта, а на графике

10