книги из ГПНТБ / Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению
.pdfкаждого вертикального |
давления |
и ' t = f 2 (°) |
для сред |
|||
него значения |
влажности-плотности, |
полученного для |
||||
большого количества монолитов |
(здесь х — сдвигающее |
|||||
напряжение; |
W — влажность; е — пористость |
образца; |
||||
о- — нормальное напряжение). |
|
|
|
|||
Нами были исследованы различные факторы, влияю |
||||||
щие на характеристики |
прочности |
водонасыщенных гли |
||||
нистых |
грунтов (речной |
ил из Архангельска и |
Каширы, |
|||
морской |
из Мурманска |
и засоленные |
илы оз. Сиваш). |
Физические свойства этих грунтов приведены в табл. 1.4.
Ил из района |
А " |
|
ч И |
|
а0J" |
|
•Г; й> |
|
Л га |
Мурманска . |
2,77 |
Архангельска |
2,68 |
оз. Сиваш . |
2,64 |
Каширы . . |
2,6 |
g * |
Влажность %в |
«А |
|
а « |
|
S ta |
|
О ш |
|
1,98 |
27 |
1,55 |
72,5 |
1,68 |
39,3 |
1,6 |
56 |
|
|
|
Таблица 1.4 |
Пределы |
Степень влажности |
Коли чест- |
|
пластичности |
|||
|
в % |
во орга |
|
|
|
|
нических |
|
w |
|
вещ еств |
|
|
в % |
|
|
р |
|
|
22 |
17 |
1 |
|
75,6 |
39,2 |
1 |
5,6—9,4 |
35,6 |
18,7 |
0,98 |
|
52,4 |
29,2 |
1 |
4,8 |
Влияние скорости сдвига на характеристики прочно сти слабых водонасыщенных глинистых грунтов с нена рушенной структурой исследовалось на срезном приборе конструкции Гидропроекта и на приборе трехосного сжа тия конструкции МИСИ им. В. В. Куйбышева (высота образца грунта в стабилометре составляла 12—16 см, диаметр — 6 см). Опыты на сдвиговом приборе прово дились под водой. Влияние скорости сдвига на величину сопротивления сдвигу определяли при вертикальных дав лениях на образец 0,25; 0,5; 1; 3 и 5 кгс/см2. Скорость сдвигающего усилия верхней каретки сдвигового прибора изменяли, наливая воду (с постоянным расходом) в ем кость, подвешенную на рычаг срезного прибора. Сдви гающее усилие прикладывали с тремя скоростями: 0,0015; 0,1 и 0,6 кгс/мин. Результаты опытов приведены на рис. 1.5.
Важным вопросом при исследовании сопротивления грунтов сдвигу является критерий разрушения. В наших экспериментах за критерий разрушения на срезных при-
40
борах принималось смещение верхней каретки прибора на 5 мм. Этот вопрос весьма важен и при изучении проч ности слабых водонасыщенных глинистых грунтов на приборах трехосного сжатия. На рис. І.б приведены ре-
'6fee/сн*
s)
Т,кгс/смг
2 t -
б, /ret/en^
Рис. 1.5. Влияние скорости сдвига Ух на прочностные характери стики грунтов
о —ил из Архангельска; б — ил из Мурманска
зультаты испытания прочностных свойств илов оз. Сиваш в стабилометрах при различных скоростях нагружения. За разрушение принимались напряжения, при которых вертикальная деформация образца составляла 10%.
Опыты показали, что скорость сдвига существенно определяет прочностные характеристики слабых водоиа-
41
сыщеішых глинистых грунтов. С уменьшением скорости сдвига сопротивление грунтов сдвигу увеличивается. Особенно заметно увеличиваются прочностные характе ристики при больших нормальных давлениях. Это объяс няется тем, что при нагружении одновременно протека ют два процесса — консолидация образца и пластичновязкое изменение структурных связей глинистых частиц. Консолидация происходит в большей мере при уменьше нии скорости нагружения, а пластично-вязкое изменение
X, |
кгс/см' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Щ-0,002 |
мм/нш^у |
|
|
|
|
|
0,05 |
|
|
|
|
|
|
1,25 |
|
|
|
i /i' / ІIi'\Лi n S |
|
\\ |
\ |
|
|
I/ |
п |
\\ |
\ |
|
|
|
II |
S, кгс/см |
2 |
||||
|
0,5 |
|
1 |
1,5 |
|
Рис. 1.6. Исследование прочностных свойств илов оз. Сиваш в стабилометрах при различных скоростях нагружения ѵх и при различных
критериях разрушения
в зависимости от вида структурных связей может при уменьшении скорости сдвига привести как к увеличению, так и к снижению прочности грунта.
Влияние напряженного состояния исследовалось на стабилометре конструкции МИСИ. Опыты проводились на образцах грунтов, свойства которых приведены в табл. 1.4. Исследования проводились по открытой и за крытой системам. При исследовании прочностных свойств по закрытой системе прибором конструкции А. А. Ничи-
поровича — С. И. Мигина |
определяли поровое |
давление. |
||
Образцы грунта в стабилометре нагружали |
всесторонним |
|||
давлением |
ступенями по |
0,05—0,1 кгс/см2 |
до |
заданных |
в опытах |
величин (0,25; |
0,5; 1 и 1,7 кгс/см2). |
Отдельно |
был поставлен эксперимент при отсутствии всесторонне го давления.
42
|
После достижения в опытах стабилизированной |
вели |
|||||||||||||||
чины |
порового давления |
образец |
раздавливали |
верти |
|||||||||||||
кальным |
давлением, |
прилагаемым |
ступенями |
по |
0,1 — |
||||||||||||
0,2 |
кгс/см2 |
со |
стабилизацией |
вертикальных |
деформаций |
||||||||||||
от |
каждой |
ступени. |
|
В |
про |
|
|
|
|
|
|
||||||
цессе |
опыта |
измеряли |
|
вер |
а, кгс/см* |
|
|
|
|
||||||||
тикальные |
деформации |
и |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
поровое |
давление. За |
услов |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ный |
предел |
стабилизации |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
принималась |
скорость |
вер |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
тикальной |
деформации |
|
0,01 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
мм/мин. |
Опыт |
заканчивался |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
разрушением |
образца. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Для |
наименьшего |
нару |
|
|
|
|
|
|
||||||||
шения |
структуры |
грунта |
|
об |
|
|
|
|
|
кгс/см* |
|||||||
разцы |
|
вырезали |
|
тонкой |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
струной. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
При |
подготовке |
к опыту |
|
|
|
|
|
|
||||||||
образец |
помещали |
в |
камеру |
|
|
|
|
|
|
||||||||
прибора |
внутри |
полости, |
об |
|
|
|
|
|
|
||||||||
разованной резиновой |
обо |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
лочкой |
обычно |
|
толщиной |
|
|
|
|
|
|
||||||||
0,2 |
мм |
(в |
нескольких |
опы |
|
|
|
|
|
|
|||||||
тах |
была |
использована |
|
обо |
|
|
|
|
|
|
|||||||
лочка |
толщиной |
|
0,5 |
|
мм).За |
|
|
|
|
|
|
||||||
тем заполняли |
полость |
|
де |
|
|
|
|
|
|
||||||||
газированной |
водой под |
ва |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
куумом |
|
порядка |
|
100 — |
Рис. 1.7. Зависимость |
поро |
|||||||||||
200 |
мм |
рт. ст. у |
вертикаль |
вого давления и и относи |
|||||||||||||
ного штампа |
прибора. Пос |
тельной |
вертикальной |
де |
|||||||||||||
ле |
заполнения |
полости |
|
во |
формации |
е |
от |
разности |
|||||||||
|
главных напряжений (о"і—0"3) |
||||||||||||||||
дой |
перекрывали |
отверстие, |
|
|
|
|
|
|
соединяющее верхний штамп
с атмосферой, а нижний штамп соединяли с прибором порового давления. Вертикальное давление передавалось непосредственно на шток прибора (без рычажной систе мы). Поровое давление в процессе нагружения образца составляло около 80% величины всестороннего давления.
Как видно из графиков (рис. 1.7), начиная с опреде ленного значения девиатора напряжений, скорость нара стания вертикальных деформаций резко возрастала. В области этих изменений деформаций поровое давле ние не имело устойчивого значения на каждой ступени нагрузки (пунктирная линия на рис. 1.7) и в процессе
43
значительного увеличения вертикальных деформаций оно несколько уменьшалось.
На рис. 1.8 приведены результаты обработки прочно стных: свойств пресноводных илов, полученных экспери ментально. Пунктиром показаны круги напряжений, по строенные в тотальных напряжениях при различных ве личинах всестороннего давления. Огибающая этих кругов носит неопределенный характер и не может служить ис точником получения прочностных характеристик иссле дуемого грунта. На этом же графике сплошной линией показаны круги напряжений, построенные в эффектив ных напряжениях. Огибающая в этом случае представ ляет собой прямую и может использоваться для получе ния определенных прочностных характеристик испытан ного грунта.
При испытании грунтов по открытой системе на стабилометрах, как было указано выше, грунты деформиру ются без явных признаков разрушения. За разрушение принимается отношение главных напряжений после то го, как деформации образца грунта достигнут определен ной величины. Нами были проведены исследования влия ния величины относительной деформации образца (т. е. отношения уменьшения высоты образца к его первона чальной высоте) на параметры прочности. Опыты прово дились параллельно в лаборатории МИСИ им. В. В. Куй
бышева |
(на |
стабилометрах, описанных |
выше) |
и |
|||
в лаборатории |
Фундаментпроекта |
(на |
стабилометре |
||||
«Фарнелл-301). |
Для этих |
опытов |
образцы-близнецы |
||||
были вырезаны |
из больших |
монолитов |
размером |
25Х |
|||
Х 7 0 Х 9 0 |
см. Из одного монолита |
удавалось |
вырезать |
18—20 цилиндрических образцов для стабилометров. Не которые результаты этих исследований представлены на рис. 1.9. Из рисунка видно, что характеристики прочно сти — угол внутреннего трения ф и сцепление с сущест венно зависят от величины относительной деформации образца е, при которой образец считается разрушенным. Иными словами, для тех сооружений, которые допускают большую осадку, следует в качестве критерия разруше ния принимать большее значение относительной дефор мации, а для сооружений, не допускающих больших оса док, — меньшие.
В последние годы практика исследования механиче ских свойств грунтов (С. С. Вялов, 1966 г., М. В. Малы шев, Э. А. Фрадис, 1968 г., Г. М. Ломизе, А. Л. Крыжа-
45
новский, 1969 г. и др.) показала, что на прочностные ха рактеристики грунтов многих видов оказывает влияние величина промежуточного главного напряжения или вид пространственного напряженного состояния. Вместе с А. Л. Крыжановским автор провел исследования проч ностных свойств илов оз. Сиваш, отобранных из основа ния проектируемой земляной плотины. Чтобы выявить влияние вида пространственного напряженного состоя-
т, кгс/смг
|
|
|
'А1,5 |
5% |
|
S |
1 i l l |
|
|
О |
0,5 |
1 |
6, кгс/см2 |
|
Рис. 1.9. |
Зависимость между характеристиками |
прочности грунтов |
и относительной деформацией образца, при которой грунт считается разрушенным
ния на прочностные и деформативные характеристики двух разновидностей илов с различными прочностными характеристиками и физическими свойствами образцы грунта исследовались на приборах трехосного сжатия различной конструкции. Первая разновидность илов име ла объемный вес 1,75—1,79 г/см3, естественную влаж ность 24,2—26,2%. По данным лабораторных исследова ний прочности на срезных приборах конструкции Гидро проекта (по методике ускоренного сдвига), угол внутрен него трения этих грунтов был равен 18—21°, а сцепле ние— 0,22—0,25 кгс/см2. Модуль общей деформации (по компрессионным опытам) при изменении давления до 2 кгс/см2 составлял 36 кгс/см2. Вторая разновидность илов (оз. Сиваш) имела объемный вес 1,58—1,62 г/см3 и естественную влажность 40—44,5%. По результатам испытания образцов на срезных приборах конструкции Гидропроекта (по методике ускоренного сдвига) угол
46
внутреннего трения этих грунтов был равен 4°30'~-5°20', а сцепление 0,11—0,14 кгс/см2. Модуль общей деформа
ции грунтов этой |
разновидности |
при |
давлении |
до |
2 кгс/см2 составлял |
14,5—18,3 кгс/см2 |
(по |
данным |
ком |
прессионных испытаний). |
|
|
|
Для характеристики напряженно-деформированного состояния исследованных образцов грунта использова лись инвариантные соотношения:
для оценки величины гидростатического обжатия
для оценки величины девиатора напряжения
для характеристики вида пространственного напря женного состояния
|
„ |
_ |
( g a — gl) — (<*2 — °з) |
|
|
|
|
|
0 - , - С з |
где аъ |
а2 , а3 —главные напряжения. Причем в данном |
|||
случае |
принимается, |
что а 1 ^ > с т 2 > а 3 . При \іа = — 1 вы |
||
полняется условие |
сг2 |
= а 3 |
< о^; при = + 1а% —а і > °з- |
|
Для |
оценки величины |
объемной деформации образца |
в предположении относительной малости наблюдаемых
деформаций использовалось |
соотношение |
|
||
|
|
/ 8 = е 1 + |
8 2 + е з > |
|
а для оценки величины деформации формы |
|
|||
где |
гъ |
е2 , е 3 — главные относительные |
деформации. |
|
|
Опыты |
проводились на |
стабилометре |
конструкции |
МИСИ им. В. В. Куйбышева, который отличается от стабилометров других конструкций тем, что его резиновая оболочка не имеет жесткого закрепления с корпусом при бора (как показали методические опыты, при жестком закреплении резиновой оболочки на корпусе стабилометра происходит трение резины о грунт при сжатии образ цов, что особенно существенно для сильносжимаемых грунтов, так как при этом несколько искажается задава емое напряженное состояние).
47
Образцы загружали малыми ступенями давления,
равными 0,05 кгс/см2. |
Это позволило |
исключить влияние |
||
скорости нагружения |
образцов и процесса консолидации |
|||
на результаты исследований прочности грунтов. |
||||
Эксперименты проводились следующим обр-азом. Из |
||||
монолита размером 0,7X0,7X0,7 м вырезали |
15—18 об |
|||
разцов-близнецов |
цилиндрической |
формы |
диаметром |
|
6 см и обжимали |
их гидростатическим давлением, рав |
ным 0,2; 0,5 и 1 кгс/см2, а затем увеличивали вертикаль ное давление до разрушения образца.
Другую партию образцов, вырезанных из того же монолита, после гидростатического обжатия указанным выше гидростатическим давлением разрушали, увели чивая горизонтальное давление при неизменном верти кальном давлении.
Результаты проведенных исследований показали, что параметры прочности грунта, определенные как по пер вой, так и по второй методике для илов второй разно видности (ф—4—5°), оказались практически одинако выми, что свидетельствует о несущественном влиянии промежуточного главного напряжения на параметры прочности грунта.
Для илов первой разновидности (<р = 20°) характе ристики прочности, определенные по первой и второй ме тодикам, оказались различными, что предполагает влия ние промежуточного главного напряжения на прочность грунта.
Для проверки проведенных исследований были по ставлены опыты по схеме чисто девиаторного нагруже ния образцов ила (оз. Сиваш) первой разновидности при сохранении постоянным в опыте после окончания гидро
статического |
обжатия |
параметра ц 0 |
= 4 - 1 ; |
—1 и |
ве |
личине гидростатического обжатия Іа |
= const = 6 и Іа |
= |
|||
= const = 9 кгс/см2. Опыты производились |
на приборе |
||||
трехосного |
сжатия |
конструкции |
Г. М. Ломизе, |
||
А. Л. Крыжановского, |
Э. И. Воронцова (1969 г.), допу |
скающем независимое регулирование трех главных на пряжений; относительные деформации измерялись по трем ортогональным направлениям.
Напряжения в опытах изменяли малыми ступенями, чтобы исключить влияние на измерение скорости нагру жения и незавершившихся консолидационных процессов. Результаты опыта иллюстрируются графиками на рис. 1.10 и 1.11.
48
Представленные па рис. |
1.10 |
зависимости II a~f(II |
а) |
||||
получены из опытов при / а |
= |
9 кгс/см2 |
и |
\іа, |
равном |
+ 1 |
|
и —1 соответственно. Графики |
IIъ — f(II0) |
|
получены |
по |
|||
результатам опытов при Іа |
= 6 |
кгс/см2 |
и |
\іа |
соответст |
||
венно равном + 1 , — 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
Диаграммы / / е = / ( / / а ) |
|
подтверждают |
перекрестное |
влияние на деформацию формы слабого илистого грунта
девиатора напряжений |
и гидростатического обжатия. |
а) 1І6, кгс/смг |
щ I' Ю'т |
0 |
4 |
8 |
f2 |
16 |
1Іе ІО'2 |
Рис. 1.10. Графики |
зависимости |
между инвариантами деформаций |
|||
и напряжений |
|
|
|
|
Влияние пространственного напряженного состояния (параметра \іа) оказывается переменным. Оно сущест венно увеличивается при приближении образца к разру
шению, которое наступает |
при дІІа/дІІе=0, |
что под |
тверждает предположение |
о влиянии промежуточного |
главного напряжения на прочность илов второй разно видности.
Для поведения илов первой разновидности |
|
при де |
||||||||
формации |
характерно |
то, что сопротивление |
деформа |
|||||||
ции |
формы |
при параметре | i |
ö |
= + 1 |
больше, |
чем при |
||||
р.^ = |
— 1. Испытания песчаных |
грунтов, |
а |
также |
глини |
|||||
стых |
грунтов природной |
и нарушенной |
структуры дали |
|||||||
противоречивые с этой точки зрения результаты. |
||||||||||
На рис. |
1.10,6 |
представлены |
графики |
зависимости |
||||||
/g = |
Ф ( / / 0 ) . Эти |
зависимости |
применительно |
к |
слабым |
грунтам подтверждают дилатантные свойства дисперс ных сред, т. е. возникновение объемной деформации за счет действия девиатора напряжений. Причем объемная
4—1 |
49 |