книги из ГПНТБ / Трофименков Ю.Г. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов

С учетом этих особенностей Фундаментпроектом изготовлена специальная трехсекционная установка (рис. 26). Каждая сек­ ция установки состоит из кольца-обоймы с обрезным ножом, круглого штампа, устройства для нагружения штампа, системы для передачи горизонтальных нагрузок, устройства для пере­ мещения образца грунта при сдвиге и измерительных приборов.

Кольцо-обойма предназначено для 'выделения целика грунта и представляет собой стальной цилиндр диаметром 426 мм, вы­ сотой 200 мм, со стенками толщиной 12 мм и с обрезным ножом,

Штамп диаметром 390 мм, площадью 1200 см2 имеет круглую .в плане форму. К нему предъявляются те же требования, что и к штампу для испытаний грунта статическими нагрузками.

Устройство для нагружения штампа состоит из гидравличес­ кого домкрата грузоподъемностью 50 тс, упорных балок и вин­ товых анкерных свай.

Сдвиг целика грунта, заключенного в кольцо-обойму, произ­ водится гидравлическим домкратом, расположенным между опорной плитой и съемным упором. Для перемещения образца грунта под действием горизонтального усилия и сохранения по­ стоянной величины усилия, действующего нормально при сдви­ ге, попользуют обойму с роликами. Для измерения давления в домкратах применяют манометры, а для измерения перемеще­ ний — прогибомеры.

Монтаж установки начинают с завинчивания винтовых свай и крепления к ним упорной балки. Глубина погружения свай и их число зависят от величины заданных вертикальных наг­ рузок. Свая с диаметром лопасти 25 см, завинченная на глубину 1,2—1,5 м, выдерживает усилие на выдергивание от 1,5 до 4 тс в зависимости от вида грунта. Сваи следует завинчивать верти­ кально. Отклонение от вертикали не должно превышать 5°.

Правильность положения упорной балки проверяют по уровню. Отклонение от горизонтали допускается не свыше 2°.

Целик грунта к испытанию готовится в такой последова­ тельности. Вначале подготовляется образец грунта диаметром, превышающим на 5—10 см диаметр кольца-обоймы. Затем спе­ циальной лопатой тщательно по горизонтали выравнивают ме­ сто установки кольца. С помощью домкрата, упираемого в балку, кольцо-обойму вдавливают в грунт в два-три приема. По мере вдавливания кольца грунт вокруг кольца-обоймы уби­ рают и площадку выравнивают на одной отметке с плоскостью будущего сдвига. После установки кольца домкрат снимают, и на тщательно выровненный по горизонтали верхний торец об­ разца насыпают песчаную подушку высотой 1,5—2 см.

На песчаную подушку образца устанавливают последова­ тельно штамп, устройство для перемещения образца грунта

60

при сдвиге и домкрат, создающий вертикальную нагрузку Затем устанавливают систему устройств для передачи на обра­

пытаниями, а в отдельных 'Случаях далее двумя. Повторность испытаний при одних « тех же вертикальных нагрузках, как правило, принимается трехкратной. В отдельных случаях при идентичных результатах молено ограничиться двукратной повто­ ряемостью.

Испытания начинают с обжатия целика грунта заданной вертикальной нагрузкой, которую прикладывают ступенями по 0,2—0,5 кгс/см2 с выдержкой каждой ступени не менее 30 мин для глинистых грунтов и не менее 15 мин для песчаных. Верти­ кальную нагрузку, доведенную до заданной величины, поддер­ живают постоянной до конца опыта.

Горизонтальную нагрузку прикладывают ступенями с интер­ валами по времени, достаточными для взятия отсчетов по при­ борам.

Момент наступления сдвига образца характеризуется паде­ нием давления в манометре домкрата, создающего сдвигающие усилия, при непрерывном увеличении деформации, которое фиксируется приборами. Испытание прекращают при смещении кольца на 2—3 см.

После испытания каждого образца поверхность сдвига ис­ следуют для установления наличия включений, различного ви­ да прослоек и других факторов, которые могут влиять на вели­ чину сдвигающего усилия. Принимая во внимание, что влаж­ ность грунта оказывает большое влияние на величину сдвигаю­

ний, превышающих 2—6°, опыт повторяют с более жестким за­ креплением всей системы установки.

При испытании грунта на сдвиг в шурфе на глубинах более

61

2 м сохраняют указанный .порядок монтажа, применяя лишь дополнительную стойку .между домкратом и упорной балкой.

В процессе проведения испытания ведут журнал, в который записывают показания приборов, характеризующие (величины усилий и деформаций.

По полученным данным строят .график зависимости сдвига­

димо учитывать следующее. Действительные значения прочно­ стных характеристик, определяемых такими испытаниями, могут быть получены лишь в тех случаях, когда при движении обой­ мы грунт в любой точке заключенного внутри ее целика пере­ мещается от начала и до конца опыта на одинаковые расстоя­ ния, равные перемещению самой обоймы. При достаточно больших размерах обоймы это может быть лишь в тех случаях, когда испытываемый грунт обладает структурной прочностью, достаточной для передачи равных сдвигающих усилий по всей площади сдвига. В противном случае вместо ожидаемого сдвига может произойти частичное уплотнение и смятие грунта в теле целика обоймой со стороны приложения нагрузки, а также образование зазора между обоймой и целиком со сторо­ ны направления сдвига.

2. ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ НА СДВИГ

ПО ЗАДАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЛОПАСТНЫМИ ПРИБОРАМИ В СКВАЖИНАХ

Испытание лопастным прибором заключается в сдвиге по цилиндрической поверхности некоторого объема грунта путем вращения крестообразной лопасти (крыльчатки, образованной двумя взаимно перпендикулярными пластинками), заглублен­ ной на штангах в грунт ниже забоя скважины. Пластинки, об­

на величину более Н срез грунта происходит по полной поверх­ ности цилиндра высотой Н и диаметром D.

При заглублении крыльчатки в грунт ниже дна .выработки на величину менее Н срез происходит по боковой поверхности цилиндра, имеющего высоту, равную заглублению крыльчатки, п его нижнему основанию диаметром D.

Для глинистых грунтов текучей и мяпкопластичной коней-

62

станции испытания лопастным прибором являются единствен­ ным методом определения сопротивления сдвигу, так как отобрать из них образцы грунта для лабораторных испытаний практически невозможно.

Испытания лопастным прибором связных грунтов, в которых

величине прочности на сдвиг, определяемой испытаниями одно­ осным сжатием;

б) чувствительность (структурную прочность), которая ха­ рактеризует влияние нарушения структуры на прочность грунта и определяется отношением между сопротивлением грунта сдви­ гу в ненарушенном и нарушенном состояниях.

При этом следует учитывать, что испытания лопастным при­ бором не позволяют определить раздельно величины сцепления с it угла внутреннего трения ср.

Используя данные испытаний грунта лопастными прибора­ ми для грунтов текучей и мягкопластичной консистенции, в расчетах обычно принимают, что получаемое общее сопротив­ ление сдвигу равно сцеплению грунта; это 'близко к действи­ тельности, так как для этих грунтов угол -внутреннего трения очень мал.

Испытания грунтов лопастным прибором чередуются с бу­ рением скважины, необходимость обсадки которой определя­ ется состоянием проходимых грунтов. Глубина испытаний обычно ограничивается 10—12 м. Бурение скважины заканчи­ вают выше отметки очередного испытания с тем, чтобы крыль­ чатка при испытании .находилась ниже забоя скважины не менее чем на 5D.

'Крыльчатку, опущенную в забой скважины на штангах, вдавливают (или забивают) в грунт до заданной глубины ис­ пытания. Вращают крыльчатку с помощью специального устройства—.головки, устанавливаемой над устьем скважины и соединяемой с крыльчаткой штангами.

'Вращая крыльчатку со скоростью 0,1—0,2° в 1 сек, произво­ дят срез грунта в ненарушенном состоянии и фиксируют зна­ чение максимального крутящего момента. Многочисленные испытания лопастными приборами в разных странах показали, что погружение в грунт тонкой лопасти не производит сущест­ венного нарушения структуры грунта.

После окончания .испытания по определению сопротивления грунта сдвигу производят пять-шесть полных оборотов крыль­ чатки и фиксируют значение крутящего момента, соответствую­ щее прочности грунта на сдвиг в нарушенном состоянии, затем прибор -снимают, крыльчатку и штанги извлекают, а скважин} доуглубляют для последующего испытания.

В тех случаях, когда срез грунта крыльчаткой происходит

63

по полной поверхности цилиндра, сопротивление грунта сдвигу определяется по формуле

Чувствительность грунта определяется как отношение со­ противлений грунта сдвигу в ненарушенном и нарушенном со­ стоянии или отношение максимального крутящего момента к моменту, зафиксированному после пяти-шести полных оборотов крыльчатки.

По степени чувствительности глинистые грунты 'подразделя­ ют на следующие:

'Малочувствительные (чувствительность 1—4);

чувствительные (чувствительность 4—8); сверхчувствительные (чувствительность более 8).

В настоящее время испытания грунтов на срез крыльчатка­ ми находят достаточно широкое применение. Ниже приведено описание наиболее распространенных лопастных приборов.

С 1971 г. Московским заводом строительных машин Глав­ строймаша Министерства строительного, дорожного и комму­ нального машиностроения начат серийный выпуск переносной установки ОП-52 для испытания грунтов на сдвиг в полевых ус­

ловиях, разработанной Фундаментпроектом (рис. 27). Крестообразная лопасть (крыльчатка) установки опускается

в скважину на штанге, собираемой из отдельных звеньев е по­ мощью соединительных муфт. Соосность положения штанги с крыльчаткой относительно скважины осуществляется центри­ рующими шайбами. Прибор для создания и измерения крутя­ щего момента состоит из головки, закрепляемой в станине с помощью зажимного устройства, и штурвала. Основанием ста­ нины является кольцевая плита, положение которой над устьем скважины фиксируется с помощью шпилек.

Установка СП-52 снабжена комплектом сменных крестооб­ разных лопастей днаметроім 60, '80 и Ш0 мм, высотой соответ­ ственно 120, 160 и 200 мм и рассчитана на создание максималь­ ного крутящего момента в 1800 кгс-см. Комплект звеньев штанги позволяет проводить испытания на глубине до 15 м.

При нормальном вращении маховика скорость вращения крыльчатки составляет ОД—0,2° в 1 сек.

Крестообразные лопасти достаточно больших размеров из­ готовлены из тонких пластин (толщина пластин соответственно

64

размерам крыльчаток составляет 2, 3 и 4 мм). Это позволяет считать, что іпри вдавливании крыльчатки в грунт ниже забоя скважины естественное состояние грунта до проведения испы­ тания не нарушается.

С помощью лопастного прибора описанной конструкции можно испытывать глинистые грунты с сопротивлением

сдвигу:

до 0,5 кгс/см2—ори использовании крыльчатки с D = lO0 мм

несущего крыльчатку, штанги диаметром 34 мм, собираемой из отдельных звеньев длиной 0,5; 1,5; 2,5 и 3 м, соединительных муфт длиной 81 мм (иногда для соединения звеньев штанги применяют коническую резьбу), центрирующих муфт диамет­ ром 74 и 111 мм, а также оперативного столика, состоящего из головки прибора и опорных стоек.

При проведении испытаний головка прибора крепится к стойкам зажимами. Для дополнительного крепления прибора попользовали тросовые оттяжки, присоединяемые к костылям.

Приведем пример успешного применения лопастного при­ бора при инженерно-геологических изысканиях.

Пример 3. Сырьевая база одного из заводов состоит из ряда гидротехни­ ческих сооружений (проект составлен ПЛИ «Фундаментпроект»). Сюда вхо­ дит и дамба протяженностью 2,7 км. Дно лимана по оси дамбы слагают плы, близкие к текучему состоянию и'текучие. Мощность илов колеб­ лется от 0 до 6 м. Ниже залегают плотные глины. По проекту, дамбу из бе­ реговых суглинков отсыпали непосредственно на илы, так как других более подходящих грунтов вблизи места строительства не было.

При таких необычных условиях сооружения дамбы необходимо было убедиться в ее устойчивости, для чего требовались данные о сопротивлении грунта сдвигающим усилиям. Единственно возможным методом определения сопротивления сдвигу грунтов текучей консистенции или близкой к ней ока­ зался метод испытаний лопастными приборами.

Для этой цели применяли лопастной прибор, снабженный крыльчаткой 0 = 76 мм и Я='і152 мм. Иопытааия проводили в скважинах с диаметром об­ садных труб 168 мм и с заглублением крыльчатки на 0,5 м ниже забоя.

Испытания лопастным прибором чередовали с бурением скважин с об­ садкой труб через 0,5 м по глубине. Проведенные по створу дамбы нспыта-3

66

о — к расчету устойчивости откоса; б — к расчету устойчивости насыпи против выпи­ рания грунта в основании

ння позволили выделить различные по прочности слои грунтов. Сопротивле­ ние илов сдвигу в верхней части разреза составляло около 0,1 кгсісм2, уве­ личиваясь с глубиной до 0,5 — 1 кгсісм2.

'Интересно отметить, что бурение скважины до глубины 6 м с определе­ нием прочности грунта на сдвиг в ненарушенном и нарушенном состоянии че­ рез каждые 0,5 м и отбор на отметках испытаний образцов грунта с нарушен­ ной структурой бригада из трех человек осуществляла за 8 ч.

Всвязи с малым сопротивлением грунтов основания сдвигу дамба была запроектирована с откосами 1 : 3 (рис. 29).

Впроцессе строительства дамбы проводили дополнительные испытания грунтов лопастным прибором, позволившие оценить устойчивость сооруже­

ния. Испытывали илы, залегающие непосредственно под телом дамбы и вне ее, а также грунты, слагающие насыпь. Приводим результаты этих испыта­ ний.

Насыпь выше кровли обжатых илов плотная с показателями сопротивле­ ния сдвигу в пределах 0,52—0,97 кгсісм2. Обжатые илы, залегающие под те­

видно из этих данных, сопротивление сдвигу обжатых илов увеличилось при­ мерно вдвое.

На основании полученных результатов испытаний проверили устойчивость откосов и устойчивость против выпирания грунта основания. При расчетах устойчивости откосов сопротивление сдвигу-в пределах насыпи принималось равным 0,52 кгс/см2, за пределами насыпи — 0,12 кгсісм2.

Величины для расчета устойчивости откосов показаны на рис. 29,а. Ре­ зультаты вычисления сдвигающей силы r=2Q sin а даны в табл. ,13. Сдвигающая сила Т=48,48 тс. Удерживающая сила равна

Р = 13,8-5,2+ 10,2-1,2 = 7 1 ,8 + 12,24 = 84,04 тс.

Коэффициент устойчивости соответствует

Р84,04

4,62.

Т ~~ 18,18

При расчете устойчивости насьши против выпирания грунтов в основании исходили из следующих соображений.

Устойчивость в отдельных точках прунтового массива будет обеспечена, если действующие в них главные касательные напряжения меньше, чем сопро­ тивление грунта сдвигу.

Главные касательные напряжения в грунте определили по формуле

Значения углов а, и аз принимаются в радианах.

(Максимальные значения напряжения наблюдаются в точках, расположен­ ных по оси симметрии, для которых формула принимает вид:

тые илы. Как уже указывалось, экспериментальным путем были определены

68

Напряжение в точке Б при z = 4 м; р=1,02 кгс/см2-, R \= 23,6 л; /?2 =

=6,4 л и 6= 18 м равно

Строительство дамбы было успешно закончено более 10 лет назад, и де­ формаций, которые могли бы нарушить ее устойчивость, не наблюдалось.

3. ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ НА СДВИГ ПО ПОВЕРХНОСТИ, ХАРАКТЕР КОТОРЫХ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ СПОСОБОМ ПРИЛОЖЕНИЯ СДВИГАЮЩЕГО УСИЛИЯ

Ранее были описаны способы испытаний срунтов на -сдвиг по плоскостям и поверхностям, очертание и форма 'которых предопределены методикой опытов заранее. Заведомо извест­ ные -размеры поверхности, по которой происходит сдвиг, значи­ тельно упрощают обработку результатов испытания, что следу­ ет отнести к достоинствам этих методик. В то же .время это преимущество ограничивает область применения таких -спосо­ бов лишь для испытаний достаточно однородных изотропных в массиве грунтов. Если же грунты отличаются неоднородностью, характеризуются тонкой слоистостью, трещиноватостью, нали­ чием включений и т. п., то испытания на сдвиг по заданным поверхностям не могут отображать их действительную способ­ ность сопротивляться разрушающим -воздействиям. В подобных условиях применяют методы испытаний, при которых сдвиг происходит под действием усилий, направление которых обыч­ но не совпадает е плоскостью сдвига. Общим для таких испы­ таний является го, что сдвиг массива грунта происходит по по­ верхностям, очертание -и площадь которых во много-м зависят от способа приложения сдвигающего усилия. 'Обязательным элементом в комплексе работ при таких испытаниях является обнажение поверхности скольжения после -сдвига для изучения ее формы и измерения площади. Ниже кратко -описаны неко­ торые из таких испытаний.

Испытание грунтов на сдвиг под действием одной сдви­ гающей нагрузки, приложенной под углом к плоскости сдвига.

Этот метод разработан Всесоюзным научно-исследовательским

Сдвиг целика грунта в зависимости от характера залегания пластов проводят по наиболее слабым -контактам напла-стова- гіия (рис. 30, а) и под углом к напластованию (рис. -30, б). Испытания этим методом исключают возможность раздельного определения угла внутреннего трения ф и оцепления с. Поэтому в состав одного испытания,.включающего обычно -сдвиг двух призм (под углом а, равным 45 и 60°), входят лабораторные

69