8.6. Определение показателей прочности и деформируемости грунтов методом трехосного сжатия

8.6.1. Определение показателей прочности и деформируемости дисперсных грунтов

Согласно требованиям нормативных документов [109, 111], основным методом определения характеристик прочности и деформируемости грунтов оснований сооружений, как в зарубежной, так и в российской практике является метод трехосного сжатия. При трехосном сжатии прочность грунта зависит от соотношения главных нормальных напряжений σ₁, σ₂ и σ₃. Испытания на трехос­ное сжатие проводят по схеме соотношения главных напряжений: σ₁>σ₂≠σ₃>0 (истинное трехосное сжатие), или чаще по схеме: σ₁>σ₂=σ₃>0, где σ₁ – максимальное главное напряжение; σ₂=σ₃ – минимальные, они же промежуточные главные напряжения. Этот метод имеет ряд преимуществ перед испытанием грунтов на сдвиг и компрессию так как, позволяет получать большее количество параметров, в процессе опыта можно контролировать условия дренирования и измерять поровое давление; распределение напряжений в образце остается более или менее постоянным и более однородным, чем при прямом срезе.

Испытание песков, глинистых, органоминеральных и органических грунтов методом трехосного сжатия проводится для определения следующих характеристик:

• угла внутреннего трения , град.,

• удельного сцепления с, МПа,

• сопротивления недренированному сдвигу с_u, МПа,

• модуля деформации E МПа,

• модуля сдвига G, МПа,

• модуля объемной деформации K, МПа,

• коэффициента поперечной деформации ν для дисперсных грунтов.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в камерах трехосного сжатия, дающих возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения. В состав установки должны входить: камера трехосного сжатия; устройство для создания, поддержания и измерения давления в камере; механизм для вертикального нагружения образца; устройства для измерения вертикальных и объемных деформаций образца; устройства для измерения порового давления, основанные на компенсационном принципе, и датчики давления высокой жесткости; система противодавления. Конструкция камеры трехосного сжатия должна обеспечивать: боковое расширение образца; отжатие воды из образца; герметичность основных деталей; минимально возможное трение штока во втулке камеры; измерение объема жидкости, закачиваемой в камеру. Измерительные устройства должны обеспечивать погрешность измерений при измерении вертикальной нагрузки на образец не более 2 % нагрузки при разрушении образца; при измерении напряжения от веса штампа – 1 кПа; при измерении давления в камере – 2 % от заданного; при измерении вертикальной деформации образца – 0,01 мм; при измерении объемных деформаций образца – 0,05 % от начального объема образца.

На рис. 8.63, б, представлен прибор трехосного сжатия производства НП «Геотек Инфо», который выпускается с камерами двух типов А и Б. Камера типа А используется при определении прочностных и деформационных характеристик песчаных и глинистых грунтов в условиях предварительного изотропного обжатия (консолидации), т. е. когда σ₁=σ₂=σ₃. Камеру типа Б рекомендуется использовать при определении прочностных и деформационных характеристик грунтов в условиях предварительной изотропной или анизотропной консолидации, т. е. когда σ₁≠σ₂=σ₃ [140].

Испытания по определению прочностных характеристик проводят до разрушения образца приложением вертикальной нагрузки при заданном всестороннем давлении (давлении в камере) на образец грунта s₃. Испытания проводят по следующим схемам (рис. 8.64):

– неконсолидированно-недренированное (НН) испытание для определения сопротивления недренированному сдвигу с_и водонасыщенных в природных условиях глинистых, органоминеральных и органических грунтов природной плотности;

– консолидированно-недренированное (КН) испытание с измерением порового давления – для определения характеристик прочности φ и с и консолидации с_v для водонасыщенных в природных условиях дисперсных грунтов;

– консолидированно-дренированное (КД) испытание – для определения характеристик прочности φ и с и коэффициента консолидации с_v водонасыщенных в природных условиях дисперсных грунтов и характеристик деформируемости Е и v для любых дисперсных грунтов.

Неконсолидированно-недренированное испытание проводится с целью определения несущей способности оснований быстровозводимых насыпных сооружений с незавершенной степенью консолидации, когда глинистые грунты основания имеют степень водонасыщения S_r ≥0,85 [5].

Опыт проходит без возможности отжатия воды из образца грунта, для чего между нагрузочными штампами и торцом образца грунта укладываются тонкие полиэтиленовые диски. После создания бокового давления в рабочей камере прибора сразу же прикладывается дополнительная осевая нагрузки, скорость приложения которой не превышает 2–3 минуты. Поровое давление в ходе опыта не измеряется. Параметры прочности с и φ определяются при полных напряжениях при построении кругов Мора по результатам 3 испытаний. Предельная прямая не имеет угла наклона (φ=0) к оси нормальных напряжений и прочность грунта определяется только силами сцепления, параметр недренированной прочности определяется из выражения: с_u=Δσ/2 и не зависит от величины всестороннего обжатия σ₃, что видно из результатов опытов (рис. 8.65, а).

К

Рис. 8.64. Схемы опытов на трехостное сжатие [136]

онсолидированно-недренированное испытание проводится для определения характеристик прочности грунтов в нестабилизированном состоянии.

Испытания проводятся в два этапа. На первом этапе образец грунта уплотняется всесторонним боковым давлением при условии полного дренирования поровой воды из образца грунта до рассеивания порового давления. На этой стадии эффективные напряжения равны боковому давлению. После рассеивания порового давления, переходят к вертикальному нагружению образца грунта: кран дренирования закрывается, и осевая нагрузка прикладывается ступенями вплоть до разрушения образца. Стадия консолидация обычно занимает 24 часа, а стадия сдвига от 2–10 минут до 2 часов. В течение всего периода вертикального нагружения в образце грунта возникает избыточное поровое давление. Круги Мора для эффективных напряжений (С и Д, рис. 8.65) смещены на величину порового давления (u) от кругов построенных для полных напряжений (А и В, рис. 8.65). Касательные к кругам Мора позволяют найти параметры прочности в эффективных и в полных напряжениях, силы сцепления равны нулю. В том случае, если нагрузка от сооружения прикладывается длительное время и плотность (пористость) грунта основания изменяется во времени, то прочность глинистых грунтов следует оценивать с использованием эффективных напряжений.

Консолидированно-дренированное испытание проводят для определения характеристик прочности и деформируемости любых дисперсных грунтов в стабилизированном состоянии. Консолидированно-дренированные испытания глинистых грунтов проводятся в том случае, если грунты обладают способностью дренирования и быстрого рассеивания избыточного порового давления. Как правило, подобное состояние, наблюдается в основании большинства возводимых гражданских и промышленных зданий или сооружений. В некоторых случаях при проектировании естественных склонов и насыпей на переуплотненных глинистых грунтах, также рекомендуется проводить консолидированно-дренированные испытания.

Испытания проводятся в два этапа. На первом этапе водонасыщенные образцы грунта подвергаются всестороннему сжатию боковым давлением σ₂= σ₃ в рабочей камере прибора трехосного сжатия. Возникающее поровое давление рассеивается, так как испытания проводятся по открытой схеме с возможностью дренирования. После стабилизации деформаций при консолидации (обычно не менее 24 часов) медленно небольшими ступенями прикладывается девиаторное напряжение (σ₁−σ₃) с выдержкой до стабилизации деформации во времени, чтобы за этот период исчезло поровое давление. Данные испытания относят к категории «медленных» трехосных испытаний. По меньшей мере, необходимо провести не менее трех испытаний при различном боковом давлении, чтобы построить прямую. Опыт длится от двух дней до 2 недель в зависимости от грунта. В консолидировано-дренированных испытаниях полное напряжение равно эффективному, так как поровое давление равно нулю (рис. 8.65, в). Параметры прочности с и φ в этих испытаниях определяются в эффективных напряжениях [5]. Далее будут приведены более детальные описания хода работ по каждой схеме согласно [17].

а)
б)
в)

Рис. 8.65. Диаграммы кругов Мора для различных схем испытаний в приборах трехосного сжатия

Испытания в условиях трехосного сжатия проводят в приборах трехосного сжатия (стабилометрах). Испытания вертикальной нагрузкой проводят при заданном всестороннем давлении на образец грунта или заданном среднем нормальном напряжении. Измерение вертикальной деформации образца грунта проводятся с точностью не менее 0,01 мм, а измерение объемных деформаций образца грунта с погрешностью не более 0,03 % от начального объема образца.

Испытания для определения частных значений φ и с проводят не менее чем для трех идентичных образцов исследуемого грунта при различных значениях всестороннего давления в камере на образец.

Испытания для определения характеристик деформируемости проводят приложением вертикальной нагрузки при заданном всестороннем давлении на образец.

Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности. Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 35 мм и отношением высоты к диаметру от 1,85 до 2,25. Диаметр образца выбирается таким образом, чтобы максимальный размер включений не превышал 1/6 его диаметра. Образец грунта вырезают из монолита при помощи металлического цилиндра с заостренным нижним концом. Для уменьшения трения в процессе вырезания образца с помощью цилиндрической формы ее внутренний диаметр должен быть на 0,5–1,0 мм больше внутреннего диаметра режущей кромки. При помощи выталкивателя образец извлекают из цилиндра, измеряют его высоту и диаметр и взвешивают. Для ускорения процесса консолидации образца глинистого грунта при КН и КД испытаниях рекомендуется наклейка на образец вертикальных полос влажной фильтровальной бумаги, покрывающей не более 50 % окружности образца.

Систему противодавления камеры прибора трехосного сжатия, подводящей воду к штампам, и отверстия в штампах заполняют дистиллированной дезаэрированной водой путем поднятия давления в системе противодавления с полным вытеснением пузырьков воздуха. Излишек воды убирают фильтровальной бумагой.

Торцы образца покрывают влажными бумажными фильтрами и помещают его на основание камеры, снабженной насыщенным водой пористым диском. На образец надевают резиновую оболочку. Сверху устанавливают верхний штамп, закрепляют оболочку на боковых поверхностях штампов резиновыми или металлическими уплотнителями.

Образец связного грунта нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности изготавливают в разъемной форме.

Образец несвязного грунта (песок) нарушенного сложения формируется непосредственно в камере прибора трехосного сжатия, для этого на внутреннюю поверхность разъемной формы предварительно помещают резиновую оболочку, концы которой загибают на края формы. Разъемную форму устанавливают на основание камеры. Нижний край оболочки фиксируется на основании камеры.

Формирование образца песка ведут методом сухой послойной отсыпки или методом послойного осаждения песка из его взвеси в воде. Сверху на сформированный образец укладывается бумажный фильтр и устанавливается верхний штамп, на котором закрепляют верхний край резиновой оболочки. Перед снятием формы в образце создают небольшое отрицательное поровое давление (не более 0,01 МПа).

Перед водонасыщением образца сухого песка рекомендуется продуть его углекислым газом (СО₂) под давлением не более 10 кПа в течение 30 мин, который впоследствии растворится в воде без защемления пузырьков газа.

После помещения образца на основание камеры корпус камеры с поднятым в верхнее положение и зафиксированным штоком устанавливают на основание и проверяют положение штока по отношению к центру образца; корпус камеры закрепляют на основании; заполняют камеру рабочей жидкостью (дезаэрированной водой) с полным удалением пузырьков воздуха; устанавливают устройство для измерения вертикальной деформации образца; присоединяют устройства для измерения объемной деформаций образца грунта и (или) порового давления (в зависимости от схемы испытаний); записывают начальные показания всех измерительных устройств.

Результаты испытаний оформляют в виде графиков зависимости деформации образца от нагрузки и от изменения деформаций во времени.

Проведение неконсолидированно-недренированного (НН) испытания [17].

Перед испытанием образцов водонасыщенных в природных условиях глинистых, органоминеральных и органических грунтов необходимо провести их предварительное обжатие (реконсолидацию) по методу восстановления фазового состава (ВФС). Метод предназначен для восстановления природной плотности и двухфазного состояния (при сохранении природной влажности) образцов, разуплотненных в результате паро-газовыделения в процессе пробоотбора. Предварительное водонасыщение необходимо для контроля порового давления и эффективных напряжений в образце в процессе испытания.

Метод восстановления фазового состава (ВФС) используется при проведении трехосных испытаний водонасыщенных в условиях природного залегания глинистых, органоминеральных и органических грунтов. Процедура восстановления фазового состава заключается в следующем: в камеру прибора трехосного сжатия устанавливают образец грунта, перекрывают дренаж системы противодавления, что исключает возможность оттока поровой жидкости в процессе реконсолидации. Путем поднятия давления в камере производят обжатие образца всесторонним давлением ступенями:

• для грунтов мягко-пластичной и текучей консистенции не более 25 кПа,

• для грунтов туго-пластичной и пластичной консистенции не более 50 кПа,

• для грунтов полутвердой и твердой консистенции от 100 до 200 кПа.

В процессе обжатия на каждой ступени с интервалом в 15 минут измеряют поровое давление. При повторяемости показаний достигнутое значение порового давления фиксируется и прикладывается следующая ступень давления.

В процессе испытания строят кривую зависимости порового давления от всестороннего давления u=f(s₃). Критерием завершения восстановления фазового состава является выход указанной кривой на прямую, проходящую под углом 45º не менее чем через три точки. Если график u=f(s₃) не вышел на прямую под углом 45º, а давление в камере уже достигло величины полного среднего бытового давления, то для НН испытаний водонасыщение считается завершенным.

Допускается производить реконсолидацию в условиях отсутствия дренажа всесторонним давлением в камере, равным среднему полному бытовому давлению, в течение 30 мин. В конце этапа реконсолидации должно быть зафиксировано изменение высоты образца Δh_с.

Метод водонасыщения образца противодавлением предназначен для КН и КД трехосных испытаний глинистых, органоминеральных и органических грунтов, водонасыщенных в условиях природного залегания. Метод является вспомогательным и используется как дополнительный в случае, когда водонасыщение методом ВФС не было достигнуто.

Водонасыщение образца противодавлением производят попеременным приложением к образцу полного давления и противодавления. Перед началом водонасыщения образца противодавлением необходимо перекрыть дренаж системы противодавления, подведенный к одному или двум торцам образца, затем производят обжатие образца дополнительной ступенью всестороннего давления 50 кПа. В процессе обжатия на ступени производят измерение порового давления u с интервалом в 15 минут, при повторяемости показаний достигнутое значение u фиксируется.

Во время процесса обжатия и водонасыщения рассчитывают коэффициент порового давления В, равный отношению приращения порового давления на ступени Du к приращению всестороннего давления Ds₃: В = Du /Ds₃.

В системе противодавления при перекрытом дренаже поднимают давление, равное давлению в камере за вычетом выбранной величины «дифференциального давления» (эффективного напряжения в образце в процессе его водонасыщения противодавлением), дренаж открывается. Величину дифференциального давления рекомендуется назначать равной значению эффективного напряжения, достигнутого на этапе реконсолидации по методу ВФС.

После выравнивания порового давления с давлением противодавления все процедуры повторяются. Водонасыщение считается завершенным при достижении величины коэффициента порового давления В значений от 0,95 до 1,0, при этом значение порового давления должно быть не ниже 300 кПа, в противном случае процедуры поднятия противодавления повторяются до достижения указанного значения порового давления.

Разрушение образца производят путем приложения вертикальной нагрузки при ранее достигнутом давлении в камере и перекрытом дренаже. Приложение вертикальной нагрузки производят с заданной постоянной скоростью деформирования образца – кинематический режим или ступенями – статический режим.

При кинематическом режиме нагружения приложение вертикальной нагрузки обеспечивается непрерывным приращением вертикальной деформации образца грунта ε₁ со скоростью 0,5–2 % за 1 мин. Более низкие скорости выбираются для глинистых грунтов полутвердой и твердой консистенции.

При статическом режиме нагружения нагрузку прикладывают ступенями с интервалами от 15 сек до 1 мин. Большие интервалы выбираются для глинистых грунтов полутвердой и твердой консистенции. Величина ступени составляет 10 % от эффективного напряжения – разности между полным давлением в камере и поровым давлением в образце после реконсолидации.

Показания прибора для измерения вертикальной деформации образца грунта записывают не реже, чем через 1 % деформации при кинематическом режиме или в конце каждой ступени нагрузки при статическом режиме нагружения.

Испытание продолжают до момента разрушения образца (достижения максимума осевой нагрузки) или до достижения относительной вертикальной деформации образца грунта e₁ = 0,15. После окончания испытания образец грунта разгружают, сбрасывают давление в камере и сливают рабочую жидкость. Образец грунта извлекают из камеры и отбирают из него пробы для контрольного определения влажности. Необходимо также сфотографировать образец или сделать зарисовку, чтобы зафиксировать характер разрушения образца.

Проведение консолидированно-недренированного (КН) испытания [17]. Перед началом проведения испытания проводят реконсолидацию и водонасыщение образца для контроля порового давления и эффективных напряжений в образце в процессе испытания по методу ВФС и, если это необходимо, продолжают водонасыщение по методу противодавления.

Дополнительное уплотнение (консолидацию) образца производят путем увеличения всестороннего (изотропного) давления в камере с возможностью дренирования при поддержании в системе противодавления величины давления, равного поровому давлению, достигнутому на стадии реконсолидации или водонасыщения. Величина давления s₃ при консолидации определяется суммой давления в камере, достигнутого на стадии реконсолидации и заданного давления консолидации s_с.

Программой испытаний может быть предусмотрена анизотропная консолидация образца грунта. Значение максимального давления консолидации s_с,max необходимо назначать в зависимости от предполагаемого напряженного состояния грунтового массива с учетом расчетных нагрузок от сооружения и бытового давления. Остальные значения давлений консолидации назначают как часть от s_с,max (например, 0,25s_с,max, 0,5s_с,max и т. д.). При отсутствии указанных данных значения s_с принимаются в соответствии с табл. 8.75. Всестороннее давление в камере до достижения давления консолидации передают ступенями – Δs_с. Значения ступеней давления Δs_с принимают также в соответствии с табл. 8.75.

Каждую ступень всестороннего давления при консолидации выдерживают не менее: 5 мин – для песков; 15 мин – для глинистых, органоминеральных и органических грунтов. Конечную ступень давления для глинистых, органоминеральных и органических грунтов выдерживают до завершения 100 % фильтрационной консолидации образца.

Таблица 8.75

Значения давлений консолидации и ступеней давления

Грунты	Давление консолидации sс, МПа	Ступени давления Δsс, МПа
Пески крупные и средней крупности плотные Глины с IL £ 0,25	0,1; 0,3; 0,5	0,1
Пески средней крупности, средней плотности, пески мелкие плотные и средней плотности Глинистые: супеси и суглинки с IL £ 0,5, глины с 0,25 < IL £ 0,5	0,1; 0,2; 0,3	0,05
Пески средней крупности и мелкие рыхлые, пески пылеватые независимо от плотности Глинистые: супеси, суглинки, глины с IL > 0,5	0,1; 0,15; 0,20	0,025 до s3 = 0,1 далее 0,05
Органоминеральные и органические грунты	0,05; 0,075; 0,1	0,025

В процессе консолидации на конечной ступени давления производят измерение объема вытесненной жидкости DV_c.

Для определения времени окончания 100 % фильтрационной консолидации в процессе испытания строят график зависимости объемной деформации образца ΔV от квадратного корня из времени ΔV = f(√t) (возможно также использование логарифмической шкалы ΔV = f (lgt)). Время 100 % консолидации (t₁₀₀) определяют по аналогии с компрессионными испытаниями.

Отсчеты по прибору для измерения объемной деформации образца грунта записывают в конце приложения каждой ступени всестороннего давления Δs₃ (не менее 5 мин – для песков и 15 мин – для глинистых, органоминеральных и органических грунтов, конечную ступень давления выдерживают до завершения 100 % фильтрационной консолидации образца). На конечной ступени давления при выдерживании ее до завершения 100 % фильтрационной консолидации образца отсчеты производят с постепенным увеличением интервалов времени, например, через 0,2, 0,5, 1, 2, 5, 10, 15, 30 мин, 1, 2, 4, 8 часов и далее в начале и конце смены. Указанное время проведения отсчетов может быть несколько изменено для удобства построения кривой консолидации методом квадратного корня из времени.

Для определения коэффициента фильтрационной консолидации с_v используют графики зависимости ΔV = f(√t) или ΔV = f (lgt), по которым определяют время 90 % (t₉₀) или 50 % (t₅₀) консолидации.

После завершения процесса консолидации фиксируют изменение объема DV_c образца и вертикальное сжатие Δh_с и перекрывают дренаж.

Разрушение образца производят путем приложения вертикальной нагрузки при ранее достигнутом давлении в камере и перекрытом дренаже. Приложение вертикальной нагрузки производят с заданной постоянной скоростью деформирования образца – кинематический режим или ступенями – статический режим.

При кинематическом нагружении приложение вертикальной нагрузки обеспечивается непрерывным приращением вертикальной деформации образца грунта ε₁ со скоростью 0,5–2 % за 1 мин. Более низкие скорости выбираются для глинистых грунтов полутвердой и твердой консистенции.

При статическом нагружении нагрузку прикладывают ступенями с интервалами от 15 сек до 1 мин. Большие интервалы выбираются для глинистых грунтов полутвердой и твердой консистенции. Величина ступени составляет 10 % от эффективного напряжения – разности между полным давлением в камере и поровым давлением в образце после реконсолидации.

Показания прибора для измерения вертикальной деформации образца грунта записывают не реже, чем через 1 % деформации при кинематическом режиме или в конце каждой ступени нагрузки при статическом режиме нагружения.

Испытание продолжают до момента разрушения образца (достижения максимума осевой нагрузки) или до достижения относительной вертикальной деформации образца грунта e₁ = 0,15 (что наступит раньше).

При кинематическом режиме нагружения максимальная скорость деформации определяется по следующей методике для КН и КД испытаний.

Методика определения скорости деформации образца грунта [17]. Скорость деформации образца грунта на стадии разрушения при трехосных испытаниях определяют, используя данные, полученные на стадии консолидации образца.

Скорость деформации v для КН и КД испытаний определяют по формуле:

, (8.24)

где: h – начальная высота образца грунта, мм; Dh_c – изменение в высоте образца в конце консолидации, мм; ε_1f – ожидаемая вертикальная деформация при разрушении (принимается по результатам первого разрушения, для которого скорость рассчитывается при ε_1f = 10 %); F – коэффициент, зависящий от типа испытаний и условий дренирования (значения F, соответствующие 95 % диссипации порового давления приведены в табл. 8.76); t₅₀ – время, требуемое для 50 % фильтрационной консолидации образца грунта, мин.

Таблица 8.76

Значения коэффициента F

Условия дренирования в течение консолидации	Значения F для hi / Di = 2
	КН испытание	КД испытание
Одностороннее	2,1	34
Двухстороннее	8,4	34
Радиальное и одностороннее	7,2	56
Радиальное и двухстороннее	9,2	64
Примечания: одностороннее дренирование осуществляется с одного торца образца, двустороннее – с двух торцов, условия дренирования в течение консолидации и дренированного сдвига должны быть одинаковыми для всех значений F, радиальное дренирование – при наличии на боковой поверхности образца полос фильтровальной бумаги.

При статическом нагружении нагрузку прикладывают ступенями. Величина ступени составляет 10 % от эффективного напряжения – разности между полным давлением в камере и поровым давлением в образце после реконсолидации, или заданного программой испытаний. Критерием завершения ступени нагружения является достижение скорости деформации v.

Отсчеты по прибору для измерения вертикальной деформации образца записывают не реже, чем через каждый 1 % деформации.

При статическом режиме нагружения отсчеты по прибору для измерения вертикальной деформации образца записывают через каждые 2 мин.

Испытание продолжают до момента разрушения образца (достижения максимума осевой нагрузки) или до достижения относительной вертикальной деформации образца грунта e₁ = 0,15. После окончания испытания образец грунта разгружают, сбрасывают давление в камере и сливают рабочую жидкость. Образец грунта извлекают из камеры и отбирают из него пробы для контрольного определения влажности. Необходимо также сфотографировать образец или сделать эскизную зарисовку, чтобы зафиксировать характер разрушения образца.

Проведение консолидированно-дренированного (КД) испытания [17]. При проведении КД испытаний водонасыщенных в природных условиях грунтов образец грунта водонасыщается и уплотняется в соответствии с вышеприведенной методикой консолидированно-недренированного испытания. После чего рассчитывается коэффициент фильтрационной консолидации с_v.

КД испытания для определения характеристик прочности производят в условиях открытого дренажа при поддержании величины противодавления, достигнутого на этапе реконсолидации и водонасыщения. При этом образец нагружают вертикальной нагрузкой до разрушения при постоянном всестороннем давлении в камере s₃, определяемом в соответствии методикой консолидированно-недренированного испытания или при иных условиях нагружения, предусмотренных программой испытаний.

Разрушение грунта производится при постоянном всестороннем давлении в камере s₃ по двум режимам нагружения.

При кинематическом нагружении максимальная скорость деформации определяется в соответствии с формулой 8.1 для КД испытаний, отсчеты по прибору для измерения вертикальной деформации образца записывают не реже, чем через каждый 1 % деформации.

При статическом нагружении вертикальное давление на образец передают ступенями, равными 10 % заданного всестороннего давления в камере. Критерием завершения ступени нагружения является достижение скорости деформации, определяемой по формуле (8.1), нагружения отсчеты по прибору для измерения вертикальной деформации образца записывают через каждые 10 мин.

Испытание продолжают до момента разрушения образца или до достижения относительной вертикальной деформации образца грунта e₁ = 0,15. После окончания испытания образец грунта разгружают, сбрасывают давление в камере и сливают рабочую жидкость. Образец грунта извлекают из камеры и берутиз него пробы для контрольного определения влажности. Необходимо также сфотографировать образец или сделать зарисовку, чтобы зафиксировать характер разрушения образца.

Испытания для определения характеристик деформируемости водонасыщенных в природных условиях грунтов производят при постоянном всестороннем давлении в камере s₃. Приложение вертикальной нагрузки производят либо с заданной скоростью деформирования образца – кинематический режим, либо ступенями – статический режим. Ступени давления в зависимости от всестороннего давления в камере принимают по табл. 8.77. проводят следующие операции: При статическом нагружении отсчеты записывают на каждой ступени давления:

• через 1, 5, 15, 30 мин и далее через 0,5 ч – для песков;

• через 1, 5, 15, 30 мин, 1, 2, 4, 6 и 8 ч, а затем в начале и в конце рабочего дня – для глинистых, органоминеральных и органических грунтов.

Таблица 8.77

Ступень вертикального давления на образец грунта

Грунты			Ступень вертикального давления на образец грунта, % заданного всестороннего давления в камере при номерах ступеней
			1	2–6	7 и далее
Пески			30	30	15
Глинистые:	супеси		10	20	10
	суглинки:	с IL £ 0,5	10	20	10
		IL > 0,5	8	15	8
	глины	с IL £ 0,5	6	15	6
		IL > 0,5	5	10	5
Органоминеральные и органические			5	10	5

При проведении КД испытаний для определения модуля деформации неводонасыщенных в природных условиях грунтов образец грунта уплотняют, повышая всестороннее давление в камере ступенями до заданного значения s₃. Значения ступеней давления принимают в соответствии с табл. 8.34. Каждую ступень давления выдерживают не менее 5 мин – для песков и 15 мин – для глинистых, органоминеральных и органических грунтов, а конечную ступень – до достижения условной стабилизации объемной деформации. За критерий условной стабилизации объемной деформации образца грунта принимают приращение относительной объемной деформации, не превышающее 0,15 % за время, указанное в табл. 8.35. При этом объемную деформацию измеряют по изменению объема воды в камере.

Вертикальное давление на образец передают ступенями в соответствии с табл. 8.77 при постоянном значении s₃. Каждую ступень давления выдерживают до условной стабилизации вертикальной деформации образца, за критерий которой принимают приращение относительной вертикальной деформации, не превышающее 0,05 % за время, указанное в табл. 8.35.

Отсчеты по приборам для измерения вертикальных и объемных деформаций образца производят через 1, 5, 15, 30 мин и далее через 0,5 ч – для песков; через 1, 5, 15, 30 мин, 1, 2, 4, 6 и 8 ч, а затем в начале и в конце рабочего дня – для глинистых, органоминеральных и органических грунтов.

Испытание проводят до разрушения образца или прекращают при заданном вертикальном давлении, определенном с учетом предполагаемого напряженного состояния в исследуемом грунтовом массиве. После окончания испытания образец грунта разгружают, сбрасывают давление в камере и сливают рабочую жидкость. Образец грунта извлекают из камеры и отбирают из него пробы для контрольного определения влажности. Необходимо также сфотографировать образец или сделать эскизную зарисовку, чтобы зафиксировать характер разрушения образца.

По результатам испытания образца грунта в условиях трехосного сжатия вычисляют:

– абсолютную вертикальную деформацию образца грунта Dh, мм;

– относительную вертикальную деформацию образца грунта e₁ по формуле:

, (8.25)

где h – начальная высота образца, мм; Dh_c – абсолютная вертикальная деформация в конце стадии реконсолидации для НН испытаний и уплотнения (консолидации) для КН и КД испытаний, мм; абсолютную объемную деформацию образца грунта DV, см³, с учетом поправки на расширение камеры для КН и КД испытаний; относительную объемную деформацию образца грунта e_v по формуле:

, (8.26)

где V – начальный объем образца, см³; DV_c – изменение объема в конце этапа уплотнения (консолидации); девиатор напряжений (s₁ – s₃), МПа, определяемый по формуле:

, (8.27)

где F – вертикальная нагрузка, кН; S – площадь поперечного сечения образца, см²; S_s – площадь поперечного сечения штока, см².

При расчете вертикальной нагрузки при необходимости вводят поправку на трение штока во втулке камеры и на жесткость оболочки.

При относительной вертикальной деформации образца грунта, превышающей 0,02, учитывают изменение площади образца S в процессе испытания.

Для любого момента испытаний площадь S_i определяют по формулам:

– для НН испытания ; (8.28)

– для КН и КД испытаний ; (8.29)

где b – коэффициент неравномерности расширения образца.

Коэффициент неравномерности расширения образца b определяют по формуле:

,

где S_c ­ площадь поперечного сечения образца в конце этапа реконсолидации для НН испытаний и этапа консолидации для КН и КД испытаний, см²; S_к ­ площадь поперечного сечения в средней части образца после испытания, см²; h_c – высота образца в конце этапа реконсолидации для НН испытаний и этапа консолидации для КН и КД испытаний, см; Dh_к – полная деформация образца после испытания, см.

Площадь поперечного сечения образца S_c при (НН) испытаниях допускается принимать равной площади начального поперечного сечения образца – S_o.

Площадь поперечного сечения образца S_c для КН и КД испытаний рассчитывают по формуле:

S_c= (V–DV_c)/ h_c ,

где DV_c – изменение объема образца в конце этапа консолидации, см³; V – начальный объем образца, см³.

Площадь поперечного сечения в средней части образца S_к при отсутствии системы контроля изменения поперечного сечения образца в процессе испытания допускается определять по результатам прямых измерений диаметра образца после испытания штангенциркулем, при этом диаметр вычисляется как среднее значение из трех измерений в среднем сечении образца под углом в 120^о.

Метод не может быть использован при неограниченных деформациях образца, поэтому при разрушении необходимо контролировать максимальные деформации, в особенности для статического нагружения, не допуская их превышения более 15 %.

При определении характеристик прочности по вычислительным значениям строят график зависимости ε₁=f(σ₁–σ₃) для испытаний, проведенных при различных значениях ε₃ (рис. 8.66, а). Hа графиках определяют значения (σ₁–σ₃)^p, соответствующие моменту разрушения образца грунта (точка перегиба графика) или относительной вертикальной деформации образца ε₁= 0,15 и строят круги Мора-Кулона с радиусами (s₁ – s₃)/2 и координатами центров [(s₁ + s₃)/2; 0] (рис. 8.66).

Частное значение сопротивления недренированному сдвигу с_и, МПа (кПа), определяют по результатам НН испытаний по формуле

, (8.30)

где s_1f и s_3f – значения полных напряжений s₁ и s₃ при разрушении образца, МПа.

Эффективные значения угла внутреннего трения j¢ (рад) и удельного сцепления с¢, МПа (кПа), при КН и КД испытаниях вычисляют по формулам:

, (8.31)

, (8.32)

гдe N и М вычисляют по формулам:

Для КН испытания эффективные напряжения s¢₁ и s¢₃ вычисляют по формулам:

s¢₁ = s₁ – и; (8.33)

s¢₃ = s₃ – и, (8.34)

где и – поровое давление, МПа.

Для оценки разброса экспериментальных данных и выявления ошибок испытаний перед вычислением j¢ и с¢ строят график зависимости s¢₁ = f(s¢₃) при разрушении образцов (рис. 8.66, б).

При определении модуля деформации при КД испытаниях строят график зависимости e₁ = f(s₁). На графике (рис. 8.66, в) принимают линейную аппроксимацию участков для заданных программой испытаний диапазонов напряжений.

Модуль деформации Е, МПа, и коэффициент поперечной деформации v определяют при испытаниях (или этапах испытаний), проведенных при постоянном значении горизонтальных напряжений s₃ (Ds₃ = 0), и вычисляют по формулам:

; и ,

где Ds₁ – приращение напряжений s₁ в заданном диапазоне; De₁ и De₃ – приращение относительных вертикальной и поперечной деформаций образца.

, (8.35)

где De_v – приращение относительной объемной деформации образца.

По данным испытаний грунта в условиях трехосного сжатия могут быть определены модуль сдвига G, модуль объемной деформации К и секущий модуль деформации Е₅₀ по формулам:

, , ,

где s_1f – напряжение при разрушении; s_1с – напряжение в конце этапа уплотнения; (ε₁)₅₀ – значение ε₁ при (s₁)₅₀ [17].

При трехосных испытаниях грунтов (консолидированно-дренированный метод) модуль объемного сжатия определяется по результатам завершенной консолидации и одинаково интерпретируется как зарубежными, так и отечественными стандартами [5].

Изменение объема воздушо-сухих или частично водонасыщенных образцов грунта осуществляется или по изменению объема воды в рабочей камере жидкостных стабилометров или радиальных деформаций образца грунта в пневматических стабилометрах. В первом случае весь внутренний объем рабочей камеры заполняется водой и при определении объема образца необходимо учитывать не только изменения в объеме жидкости вызванные движением нагрузочного штампа и плунжера, но и деформируемость рабочей камеры стабилометра. В случае увеличения объема образца ε_v принимают со знаком плюс.

Преимущество стабилометров с непрерывным нагружением осевой нагрузки (мм/мин) заключается в том, что эти испытания позволяют определить следующие параметры прочности: критическое значение угла внутреннего трения φ_сr; пиковое значение угла внутреннего трения φ; остаточное значение угла внутреннего трения φ_r; угол дилатансии ψ, силу сцепления с. Испытания при статическом нагружении дают только критическое значение угла внутреннего трения φ, и силы сцепления с.

В тоже время, в отличие от компрессионных приборов, испытания в стабилометре можно провести в условиях близких к природным, учитывая начальное напряженное состояние в естественном массиве грунта боковое давление, которое не регулируется в одометре, в стабилометре принимается равным горизонтальным напряжениям на глубине отбора монолита грунта, а вертикальные напряжения задаются равными бытовым (от собственного веса вышележащих слоев грунта).

Недостатки и ограничения метода трехосного сжатия:

• влияние главного промежуточного напряжения σ₂, не может быть определено. В определенных задачах влияние напряжения σ₂ может быть выше, чем σ₃. Это влияет на параметры c и φ;

• направление главного наибольшего напряжения σ₁ остается фиксированным, условия, когда главное напряжение изменяется непрерывно реализовать сложно;

• влияние концевых ограничений (штампы) на неоднородность напряженного состояния, поровое давление и деформации в образце и форму деформации в виде «бочки» [5].