Механика грунтов. Лабораторный практикум

2.1. Метод лабораторного определения сжимаемости

Настоящий метод распространяется на грунты природного и нарушенно-

го сложения: глинистые с показателем консистенции IL>0.5, пылеватые и мел-

кие пески, а также их заторфованные разновидности. Характеристики сжимае-

мости грунтов определяются по относительной деформации , полученной по результатам испытаний образцов грунта в условиях одноосного статического ступенчатого нагружения без возможности бокового расширения. Испытания проводятся на образцах природной влажности и полностью водонасыщенных.

Показателями, характеризующими сжимаемость грунтов, являются коэф-

фициент уплотнения а, модуль деформации Е, структурная прочность РСТР.

Испытания для определения сжимаемости следует проводить в диапазоне давлений, соответствующему природному и предполагаемому под подошвой фундамента, что определяется заданием и программой исследований.

ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЯМ

До начала испытаний грунта должны быть определены: плотность грунта,

плотность частиц грунта, влажность, пределы пластичности и гранулометриче-

ский состав в соответствии с ГОСТами, рассмотренными ранее.

1.Образец грунта для испытаний вырезается рабочим кольцом с заранее известней массой q, высотой h0, площадью F и объемом V из моноли-

та аналогично (подразд 1.4). Одновременно с этим необходимо взять пробу для определения плотности и влажности.

2.Образец грунта в кольце следует покрыть с двух сторон влажными фильтрами и поместить в компрессионный прибор. В журнале испыта-

ний следует записать начальные показания индикаторов ( n0 ).

3.При испытании образцов нарушенного сложения образец следует при-

готовить с заданными величинами коэффициента пористости и степени влажности. Для чего необходимо взять среднюю пробу размельченного грунта массой около 200 г для замеса и около 10 г для определения влажности. Пробу для замеса поместить в предварительно взвешенную фарфоровую чашку и взвесить. Вычитая из массы чашки с грунтом

22

массу пустой чашки, определить массу грунта q1. По установленным значениям начальной влажности грунта W1. и его массы q1 вычислить массу q0,

которую должен иметь грунт в чашке при заданной влажности Wo по формуле:

0 W1

где Wo – заданная влажность, %;

W1 – начальная влажность, %;

Если влажность грунта в чашке окажется ниже или выше заданной, доба-

вить воды или подсушить грунт на воздухе, чтобы влажность грунта приняла заданное значение. Массу воды которую необходимо добавить, вычислить по

разности q0- q2.

Необходимую массу грунта q для заполнения кольца при заданной плот-

ности (плотность грунта р и влажности Wo) вычислить по формуле:

Подровнять поверхность грунта строго вровень с краями кольца и взвесить, по-

лучим массу Q1.

Значения V, Qо, р, Wo и Q1 занести в табличную форму (приложение 8),

вспомогательные данные – W1, - указать в приложении к той же таблицы.

После подготовки образца приступают к сборке прибора.

ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

1.Структурную прочность следует определять путем нагружения образ-

цов ступенями давлений по 2,5 кПа до начала сжатия. За начало сжатия следует считать относительную деформацию .превышающую 0,005.

2.Начальные ступени нагрузок при определении сжимаемости мелких и

пылеватых песков следует выбирать с учетом их коэффициента по-

ристости в соответствии с табл.1.

Таблица 1

Ступени нагрузок

23

3.Ступени давления при испытании грунтов должны быть равными

12,5;25,50,100 кПа и далее с интервалом 100 кПа до необходимых пре-

делов. После определения структурной прочности грунта очередную ступень давления следует принять ближайшую из приведенных.

4.После приложения каждой ступени давления показания индикаторов

(n1) следует регистрировать через 0,2,0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 60 мин, да-

лее через 2ч. За критерий условной стабилизации деформаций грунта на данной ступени давлений следует считать деформацию не более 0,01

см, для глинистых грунтов – за 15ч, пылеватых и мелких песков – за 4ч.

5.Разгрузку образцов грунта следует вести ступенями давления в после-

довательности, обратной порядку нагружения.

6.Определение сжимаемости песчаных грунтов нарушенного сложения подлежит производить в условиях водонасыщения. Первая ступень давления передается на грунт, когда он находится в воздушно-сухом состоянии. Деформацию грунта необходимо производить после прило-

жения первой ступени давления, а затем после насыщения образца водой.

7.После завершения испытания грунта кольцо с влажным грунтом следу-

ет взвесить и произвести контрольное измерение высоты образца грун-

та в кольце; грунт из кольца высушить в термостате при температуре

105 °С и определить массу сухого грунта. Все результаты занести в журнал испытаний грунта (приложения 8,9).

2.1.1.Обработка результатов испытаний

1.По результатам испытаний грунта в компрессионном приборе на осно-

вании записей В журнале испытаний грунта (приложения 8, 9) следует определить:

величину абсолютной деформации грунта h1 мм, вычисленное как среднее арифметическое значение показаний индикаторов n за вы-

24

четом поправки на деформации прибора, согласно тарировке прибора;

величину относительной деформации образца грунта с точностью

0,001 при соответствующих давлениях Р1 по формуле:

где m – поправка на деформацию прибора, мм; h – высота образца, мм.

2.По величинам относительной деформации следует построить график зависимости относительных деформаций от вертикального давления

f (P) .

Точки графика, соответствующие ступеням давлений нагружения (а так-

же разгружения), следует соединить лекальной кривой.

Величина давления, соответствующая точке пересечения лекальной кри-

вой (см. график прил.11) с осью давления Р равна величине структурной проч-

ности грунта при сжатии Рстр.

3.Коэффициент пористости е по осредненным значениям относительных деформаций

| , взятых с графика, при любом давлении Р1 следует вычислять по формуле:

где е0 – начальный коэффициент пористости грунта;

4. Коэффициент уплотнения (см2/кг) В интервале давлений P1 и P1+i оп-

ределяется по формуле:

где i и i 1 - величина относительного сжатия, соответствующая давлениям Pi и P1+i.

25

- поправка, учитывающая отсутствие поперечного расширения грунта в ком-

прессионном приборе; принимается для пылеватых и мелких песков - 0,8,

супесей - 0,7, суглинков - 0,5, глин - 0,4.

Или

Е= I ei , a

где а – коэффициент уплотнения, соответствующий интервалу давлений от Pi и P1+i

Результаты испытаний и их обработку провести в соответствии с прило-

жениями 8, 9, 10, 11.

2.1.2.Методы лабораторного определения сопротивления грунтов срезу

Методы определения сопротивления грунтов срезу рассматриваются в соответствии с ГОСТ I2248-78, которые распространяются на песчаные и гли-

нистые грунты, за исключением, гравелистых, крупных песков, глинистых грунтов, содержащих крупнообломочные включения размером более 5 мм или свыше 20 % по весу включений размером до 5мм, средне и сильно заторфован-

ные грунты и торфы.

Определять сопротивления срезу следует:

методами консолидированно-дренируемого среза;

методами неконсолидированного среза.

При консолидированно-дренированном или эффективном сдвиге, назы-

ваемом медленным сдвигом или сдвигом по открытой системе, уплотняющее нормальное давление выдерживается до стабилизации деформаций (завершения консолидации),после чего оно полностью воспринимается скелетом грунта Ка-

ждая ступень сдвигающей нагрузки прикладывается после практически полно-

го затухания деформаций от предыдущей ступени до тех пор, пока не произой-

дет сдвиг.

Этот метод следует применять для определения сопротивления срезу в условиях стабилизированного состояния грунтов:

песчаных;

глинистых – с показателем консистенции JL < 1; коэффициентом

26

пористости для супесей и суглинков е < 1 для глин е < 1,5.

Неконсолидированный или нейтральный срез (сдвиг) называется быст-

рым сдвигом по закрытой системе и характеризуется тем, что за время действия уплотняющей и сдвигающей нагрузок плотность и влажность грунта практиче-

ски не изменяются, т.е. консолидация, которая связана с отжатием свободной влаги из грунта, отсутствует как при нормальном загружении, так и при сдвиге.

Поэтому сопротивление сдвигу и в этом случае ОТНОСИТСЯ К ТОЙ влажности и плотности, которую грунт имел до испытания.

Этот метод следует применять для испытания грунтов, находящихся в ус-

ловиях нестабилизированного состояния:

водонасыщенных суглинков и глин (при степени влажности

G 0,85, имеющих JL 0,5);

просадочных грунтов, замоченных до полного водонасыщения.

Впроцессе испытания надлежит производить срез одной части образца относительно другой его части постепенно возрастающей касательной нагруз-

кой при одновременной передаче на образец грунта нагрузки, нормальной к плоскости среза.

Сопротивление образцов грунта срезу τ следует определять как касатель-

ное напряжение,

при котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при нор-

мальном давлении

F

где , Q - соответственно нормальная и касательная нагрузка к плоскости среза, кПа;

F - площадь среза, см2.

Сопротивление τ необходимо определять не менее чем при трех различ-

ных значениях р на образец грунта, вырезанных из однородного по составу мо-

нолита или на образцах, приготовленных в лабораторных условиях.

Сопротивление грунта срезу надлежит определять после предварительно-

27

го уплотнения образцов грунта, заданным нормальным давлением при испыта-

нии грунтов методом консолидированного среза и без предварительного уплот-

нения при испытаниях их методом неконсолидированного среза. Испытания в лаборатории в основном будут производиться по второй схеме.

Нормальные давления Р при испытаниях не должны превышать 600 кПа.

По величинам сопротивления грунта срезу τ , относящимся к одному инженер-

но-геологическому элементу, следует устанавливать по ГОСТу 20522-75 нор-

мативные и расчетные значения прочностных характеристик грунта - угол внутреннего трения и удельное сцепление С как параметров прямолинейной зависи-

мости:

Первый член уравнения (17) характеризует сопротивление грунта трению

при взаимном смещении частиц по поверхности скольжения, второйсопротив-

ление грунта разрушению за счет преодоления внутренних сил связности при отрыве частиц друг от друга. Оценка сопротивления сдвигу грунтов непосред-

ственно связана с определением несущей способности основания и с назначением безопасных для условий эксплуатации давлений, передаваемых на грунт фундаментами.

Испытания грунтов следует производить на образцах ненарушенного

(природного) сложения или подготовленных в лаборатории с заданной плотно-

стью сложения при сохранении природной или заданной влажности, а также в условиях полного водонасыщения. Для предварительного уплотнения образцов грунта следует применять уплотнители.

ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ

Образцы грунта ненарушенного сложения следует вырезать из монолита рабочим кольцом по ГОСТу 5180-84. Подготовленный образец грунта надле-

жит сразу же взвесить с точностью 0,01 г и в зависимости от метода испытания поместить или в уплотнитель для предварительного уплотнения, или в срезной прибор для проведения испытания. При небольшом количестве испытаний предварительное уплотнение образцов следует выполнять непосредственно на срезном приборе.

28

Для всех образцов грунта должны быть определены физические характе-

ристики: влажность, плотность грунта, плотность частиц грунта, плотность час-

тиц сухого грунта, влажность на границе раскатывания и текучести, коэффици-

ент пористости, степень влажности, число пластичности и показатель текуче-

сти. Исходные данные занести в журнал (приложение 12).

ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

Метод консолидированного среза.

Взависимости от вида грунта сопротивление срезу следует определять:

для песчаных грунтов – на подготовленных в лаборатории образцах с заданной плотностью сложения и влажностью или в условиях полного водонасыщения;

для глинистых грунтов – на образцах ненарушенного (природного)

сложения при природной влажности или в условиях полного водонасыщения.

Для испытаний образцов грунта в условиях полного водонасыщения не-

обходимо предварительно замочить образцы, заполнив водой ванну уплотните-

ля до уровня верха образца. Время насыщения образцов водой до начала пред-

варительного уплотнения должно быть не менее:

для песчаных грунтов – 10 мин;

для супесей – 3 ч;

для суглинков с Iр <0,12-6 ч , Iр >0,22-12 ч.

для глин с /Iр <0,22-12 ч , Iр >0,22-36 ч.

Предварительное уплотнение образцов грунта, за исключением проса-

дочных, испытываемых в водонасыщенном состоянии, надлежит производить при нормальных давлениях Р , при которых в последующем определяют сопро-

тивление образцов срезу τ . Нормальное давление Р следует передавать на об-

разец последовательно , ступенями Р . Значения величин Р и Р в зависимо-

сти от вида грунта и его состояния даны в табл. 2.

29

После предварительного уплотнения для каждого образца необходимо

где е0 – коэффициент пористости грунта до предварительного уплотнения;– относительное сжатие образца в результате предварительного уплотнения,

равное отношению приращения сжатия к начальной высоте образца h

Для определения сопротивления срезу при заданном нормальном давле-

нии Р после предварительного уплотнения следует образец сразу разгрузить,

перенести и установить в срезном приборе, передать то же нормальное давле-

ние, при котором происходило уплотнение ( Р = 100, 200, 300 кПа).

Нормальную нагрузку следует передать на образец в одну ступень и вы-

держивать не менее; для песчаных грунтов – 5 мин, супесей – 15 мин, суглин-

ков и глин – 30 мин.

После передачи нормальной нагрузки следует установить индикатор де-

формаций среза образца грунта и записать начальное показание.

30

При передаче касательной нагрузки ступенями их величина должна со-

ставлять 5 % величины нормальной нагрузки, при которой производится срез.

Через 2 мин после передачи ступени нагрузки необходимо в журнале (прило-

жение 13) регистрировать показания индикатора для измерения деформаций среза , уменьшая интервал измерений до 1 мин в период затухания деформа-

ций до ее условной стабилизации (0,01 мм/мин).

При достижении стабилизации деформаций необходимо передать сле-

дующую ступень касательной нагрузки. При непрерывно возрастающей каса-

тельной нагрузке скорость среза должна быть постоянной и соответствовать указанной в табл. 3.

Таблица 3

Скорость среза грунта в зависимости от его вида

Показания по индикатору для измерения следует отсчитывать не реже

чем через 2 мин. Испытание следует считать законченным, если при приложе-

нии очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез или общая деформация среза превышает 5 мм.

После окончания испытания следует разгрузить образец, извлечь рабочее кольцо и отобрать две пробы на влажность из зоны среза.

На основе замеренных в процессе испытаний значений деформаций среза

, соответствующих различным напряжениям τ, необходимо построить гра-

фик зависимости =f (τ) (приложения 13,14),

За сопротивление образца грунта срезу следует принимать максимальное значение τ , полученное по графику =f (τ )) или диаграмме среза на отрезке

, не превышающем 5мм. ЕСЛИ τ возрастает монотонно, то за сопротивление грунта срезу следует принимать τ при = 5 мм.

МЕТОД НЕКОНСОЛИДИРОВАННОГО СРЕЗА

Этим методом следует испытывать, образцы ненарушенного сложения

31