8.5.1. Определение показателей прочности и деформируемости связных и полускальных грунтов

Испытание грунта методом одноосного сжатия проводят для определения предела прочности на одноосное сжатие R_с для полускальных и глинистых грунтов с I_L £ 0,25 [17]. Результаты испытаний грунта методом одноосного сжатия используются при проектировании сооружений с быстрыми темпами нагружения связных водонасыщенных грунтов оснований, например, при строительстве земляного полотна дорог, дамб, подпорных стен, откосов, при определении несущей способности и устойчивости водонасыщенных связных грунтов, при определении показателя консистенции глинистых грунтов, для определения недренированной прочности связных грунтов, расчета сопротивления свай стоек, в качестве предварительного испытания для назначения сдвиговых нгрузок при сдвиговых и трехосных испытаниях, для определения структурной прочности пород, для классификационной оценки прочности и деформируемости грунтов, для расчленения разрезов и выявления ослабленных зон оползней.

Испытания полускальных грунтов проводятся по сокращенной или полной программе. При испытаниях по сокращенной программе определяется предел прочности пород R_с; полная программа включает определение предела прочности пород R_с, модулей упругой и общей деформации Е₀ и Е, МПа, коэффициента поперечной деформации ν и коэффициент Пуассона μ, типа деформационного поведения и построение диаграммы «напряжение – деформация».

В состав установки для испытания грунта на одноосное сжатие должны входить (рис. 8.53): механизм для вертикального нагружения образца; устройство для измерения вертикальной деформации образца; устройство для измерения поперечной деформации образца (по заданию). Плиты пресса для нагружения образца должны быть отполированы для уменьшения трения. Кратковре­менные испытания проводятся обычно на гидравлических, пнев­матических и электромеханических прессах с усилием до 50 кН; испытания на ползучесть – на рычажных прессах с усилием до 5–10 кН. Для испытания образцов по полной программе оборудование должно иметь устройство, обеспечивающее непрерывную запись перемещения торца образца в зависимости от приложенной силы. Погрешность измерения перемещения торца – не более 0,1 мм.

Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения. В непосредственной близости от места отбора образца берут пробы и для всех образцов определяют физические характеристики: влажность, плотность, влажность на границах раскатывания и текучести и рассчитывают плотность сухого грунта, коэффициент пористости, коэффициент водонасыщения, число пластичности и показатель консистенции. Помимо определения необходимых физических характеристик должны быть отмечены характерные особенности (слоистость, трещиноватость, наличие включений и др.).

Для полускальных грунтов образец должен иметь форму цилиндра или прямоугольного параллелепипеда (квадратного сечения) диаметром (стороной квадрата) от 40 до 100 мм и отношением высоты к диаметру, равным 1,8–2,0. Максимальный линейный размер зерен (неоднородностей) в образце должен быть не более 1/10 диаметра (стороны квадрата) образца. Образец трещиноватого или выветрелого полускального грунта должен иметь диаметр (сторону квадрата) не менее 60 мм. Образец полускального грунта, имеющий сквозные трещины, видимые невооруженным глазом, не допускается к испытанию.

Для глинистых грунтов образец должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 38 мм и отношением высоты к диаметру, равным 1,8–2,5. Максимальный размер фракции грунта (включений, агрегатов) в образце должен быть не более 1/6 диаметра образца. Образцы вырезают из монолита или керна режущим кольцом с помощью винтового пресса. Внутренний диаметр и высоту кольца измеряют штангенциркулем с погрешностью не более 0,1 мм. Измерения проводят в трех-четырех сечениях и из полученных результатов измерений вычисляют среднее арифметическое значение диаметра и высоты кольца. Режущее кольцо без образца взвешивают с погрешностью не более 0,01 г.

Для полускальных грунтов влажность испытываемого образца должна соответствовать природной влажности, воздушно-сухому или водонасыщенному состоянию, для глинистых грунтов – природной влажности. Образцы грунта природной влажности испытывают непосредственно после их изготовления. Допускается хранить образцы, покрытые смазкой, не более 6 ч в эксикаторе. Перед испытанием смазку с торцов образца удаляют.

Кольцо помещают на выровненную поверхность монолита или керна и скальпелем срезают грунт с наружной стороны кольца для обеспечения с помощью винтового пресса свободной насадки кольца на столбик грунта. Перекос кольца при заполнении его грунтом не допускается. После заполнения кольца грунтом на 0,90–0,95 его высоты на его верхний торец помещают насадку и заполняют ее грунтом на 2–3 мм, после чего кольцо с грунтом ножом отделяют от монолита, насадку снимают, а торцевые поверхности образца в кольце тщательно зачищают лекальной линейкой. При зачистке грунта удаляют от центра образца к краям. Допускается установка насадки на кольцо до начала вырезания образца. Кольцо с грунтом взвешивают с погрешностью не более 0,01 г для определения плотности. Образец грунта с помощью выталкивателя осторожно извлекают из кольца. Поверхность образца осматривают и характерные признаки (наличие слоистости, трещин, включений и др.) записывают в журнал или в паспорт испытаний.

Прочность грунтов в большинстве случаев изменяется в различных направлениях, поэтому при испытаниях образцы необходимо ориентировать с учетом условий их залегания. Образец помещают в центре столика прибора одноосного сжатия или опорной плиты пресса. При испытаниях грунтов, разрушающихся по хрупкому типу, в целях беспрепятственного развития сдвига по плоскости скольжения рекомендуется помещать образец между сплошными жесткими штампами (рис. 8.54). Верхнюю опорную (нагрузочную) площадку приводят в соприкосновение с верхним торцом образца. Устанавливают приборы для измерения прикладываемого усилия и перемещения торца образца и записывают их начальные показания.

Нагружение образца полускального грунта производят равномерно, без ударов, увеличивая нагрузку непрерывно с заданной скоростью нагружения или ступенями. Скорость непрерывного нагружения образца полускального грунта должна составлять 0,01–0,05 МПа/с в зависимости от значения R_с, а при ступенчатом нагружении приниматься равной 10 % от значения R_с.

Нагружение образца глинистого грунта производят с заданной скоростью приращения относительной вертикальной деформации образца, выбирая ее в зависимости от предполагаемой прочности грунта R_с таким образом, чтобы время проведения испытания составило 2–15 мин, что обычно соответствует скорости 0,5–2 % за 1 мин. Более низкая скорость выбирается для образцов с меньшими деформациями при разрушении.

Испытание проводят до разрушения образца. При испытаниях по сокращенной программе записывают величину разрушающей силы. При испытаниях пород, разрушающихся по пластическому типу, когда момент разрушения четко не фиксируется, за величину разрушающей силы принимается сила, соответствующая относительной продольной деформации образца ε =0,15.

Основными источниками ошибок определения временного сопротивления грунта сжатию могут быть нарушения условий по подготовке и обработке образцов, а также нарушение скорости нагружения образца и точность фиксации момента начала его разрушения.

Предел прочности на одноосное сжатие R_с, МПа, полускального грунта и глинистого при e £ 0,1 вычисляют с точностью 0,1 МПа по формуле:

, (8.25)

где P – нагрузка, при которой происходит разрушение, кН; S_о – начальная площадь поперечного сечения образца грунта, см².

Предел прочности глинистых грунтов при e > 0,1 вычисляют по этой же формуле, где вместо S_о принимают текущую площадь S среднего поперечного сечения образца. Площадь S определяют непосредственно измерением диаметра образца штангенциркулем с погрешностью 0,1 мм и расчетом.

В предположении о постоянстве объема грунта при испытании ( отношение может быть определено по относительной вертикальной деформации e.

При сохранении цилиндрической формы (Sh = S_оh_о):

.

Если образец после сжатия приобретает форму бочки, причем диаметр торца бочки сохраняется, равным начальному диаметру образца:

Вертикальные деформации образца измеряют с погрешностью 0,01 мм для глинистых грунтов и 0,001 мм для полускальных грунтов и регистрируют их в процессе нагружения не менее чем при десяти значениях напряжения до разрушения.

Испытание проводят до разрушения образца, т. е. до достижения максимального значения вертикальной нагрузки. В случае испытания образца глинистого грунта при отсутствии видимых признаков разрушения испытание прекращают при относительной вертикальной деформации образца e = 15 %.

Для определения модуля деформации и модуля упругости полускального грунта испытание не доводят до разрушения образца, останавливая его при напряжении 50–60 % от значения R_с. Для определения коэффициента поперечной деформации и коэффициента Пуассона полускального грунта в процессе испытания измеряют поперечные деформации образца при нагружении и разгрузке. Разгрузку образца производят в той же последовательности, что и нагружение.

Модуль деформации Е₀ и коэффициент поперечной деформации n в заданном диапазоне напряжений Δs вычисляют по нагрузочным ветвям зависимостей ε₁ = f(s) и ε₂ = f(s) по формулам 8.4 и 8.5.

Модуль упругости Е и коэффициент Пуассона μ вычисляют в этом же диапазоне напряжений по этим же формулам 8.4 и 8.5, в которых значения Δε₁ и Δε₂ принимают по разгрузочным ветвям зависимостей ε₁ = f(s) и ε₂ = f(s).

Испытания на одноосное сжатие можно также выполнить в стабилометре. В этом случае необходимо выбрать устройство силового нагружения исходя из ожидаемой прочности на одноосное сжатие. При диаметре образца 38 мм и устройстве силового нагружения в 10 кН могут быть испытаны образцы до уровня напряжений в 11,2 МПа [5].

Величина временного сопротивления сжатия дисперсных грунтов зависит от ми­нерального состава, структурно-текстурных особенностей, влажности и консистенции, состава и концент­рации поровой жидкости и др.

Влияние минерального состава проявляется через связанную с ним дисперсность и характер структур­ных связей. При испытаниях на од­ноосное сжатие дисперсных грунтов наибольшие значения R_c (при прочих одинаковых условиях) характерны для грунтов с прочными смешанными и переходными контактами, а наименьшие – для грунтов со слабыми коагуляционными контактами. При одинако­вой пористости наибольшая прочность на сжатие характерна для глин монтмориллонитового состава, а наименьшая – каолинитового. Это легко объясняется различиями в дисперсности данных глин: наибольшее число «соседей» (т. е. число контактов) вокруг одной частицы будет в высокодисперсных монтмориллонитонитовых глинах, а наименьшее – в каолинитовых.

Текстура дисперсных грунтов также влияет на величину их временного сопротивления сжатию, обусловливая анизотропию прочности. Максимальная величина сопротивления сжатию R_c глин с ориентированной текстурой наблюдается при сжатии грунта перпендикулярно слоистости или ориентации частиц.

Влажность очень сильно влияет на временное сопротивление сжатию дисперсных, особенно пылеватых и глинистых, грунтов (табл. 8.65). В зависимости от количества воды той или иной категории глинистый грунт может находиться в различной консистенции от твердой до текучей. В соответствии с этим его прочность на одноосное сжатие изменяется в широких пределах.

Таблица 8.65

Временное сопротивление сжатию глинистых грунтов

Консистенция грунта	Временное сопротивление сжатию Rс, МПа
Текучая Текучепластичная Мягкопластичная Тугопластичная Полутвердая Твердая	<0,025 0,025–0,05 0,05–0,1 0,1–0,2 0,2–0,4 >0,4

Наибольшей прочностью обладают глинистые грунты твердой консистенции, для которых характерен хрупкий тип разрушении и смешанные (включая цементационные и переходные) контакты, а наименьшей прочностью – глинистые грунты текучей консистенции, для которых характерен вязкопластичный тип разрушения и коагуляционные контакты. При этом за разрушающее напряжение принимают предел текучести грунта при одноосном сжатии.

Временное сопротивление сжатию дисперсных грунтов увеличивается с ростом плотности. Однако, если уплотнять образцы глинистых грунтов раз­ными нагрузками (σ), а затем определять их прочность на сжатие (R_c) в воздушно-сухом состоянии, то обнаружится нелинейная связь между R_c и σ.

Величина R_c сначала сильно возрастает с ростом σ, а затем остается почти неизменной с увеличением нагрузки предварительного уплотнения σ. Эта нагрузка, при которой достигается почти постоянная и близкая к максималь­ной для данного грунта прочность, названа Е.М. Сергеевым оптимальной нагрузкой уплотнения [50].