Определение сопротивления грунта сдвигу в приборах одноплоскостного среза

Вес гирь на рычаге горизонтальной нагрузки Qг, Н	Касательные напряжения τi, МПа	Время от начала приложения каждой ступени горизонтальной нагрузки t, мин	Показания индикатора, мм	Горизонтальные смещения U, мм

Разгрузка прибора выполняется в следующем строго обязательном порядке: сначала снимается груз с подвески рычага горизонтальной нагрузки, потом с подвески рычага вертикальной нагрузки. (Такая последовательность исключает срыв верхней обоймы, в результате которого может быть нанесена травма работающему на установке и поврежден прибор.) После разгрузки образца из зоны среза берется проба грунта для определения конечной для данного опыта влажности. После каждого испытания прибор тщательно очищают от грунта, промывают и насухо вытирают.

Обработка результатов испытания. Для установления зависимости τ = f(σ) между предельным сопротивлением сдвигу и нормальным напряжением по результатам каждого опыта, проведенного в приборе прямого сдвига под заданным напряжением σ, находят предельные значения . При расчете τ последнюю ступень горизонтальной нагрузки ΔT_n следует принимать в половинном размере (см. рис. 10.5). Тогда предельная сдвигающая сила Т_пр = + 0,5ΔT_n, а предельное  = Т_пр/А.

При монотонном возрастании  предельные значения  устанавливают по графикам U = f() (рис. 10.6), построенным по данным табл. 10.1. При этом предельные значения  принимают равными _max или, при монотонном возрастании сопротивления сдвигу, по предельно допустимому смещению U = 5 мм.

Рис. 10.6. Графики для определения

предельного значения τ

Затем по значениям τ и σ для всех проведенных опытов строят линейную зависимость τ = σ tgφ + c, устанавливают параметры  и с графическим построением (см. рис. 10.2, а).

Работа 11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА СДВИГУ

НА ПРИБОРАХ ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ

Сопротивление грунтов сдвигу в условиях трехосного сжатия определяется на стабилометрах. При испытании на стабилометре в исследуемом образце грунта создают объемное напряженное состояние, которое может быть близким к натурным условиям. При этом в отличие от срезного прибора, в котором площадки сдвига в образце принудительно совмещают с плоскостью среза, при испытании образца на стабилометре положение площадок сдвига формируется в процессе нагружения в зависимости от структурных свойств грунта.

Рис. 11.1. Схемы стабилометров: а – тип Б; б – тип А

В лаборатории СПбГПУ учебные лабораторные работы выполняют на стабилометре типа Б, схема которого (рис. 11.1, а) отличается от рекомендуемой ГОСТ 12248–96 схемы стабилометра типа А (рис. 11.1, б) системой передачи вертикальной нагрузки на образец грунта.

Обычно испытание грунта на прочность выполняют по следующей схеме: образец грунта 1 цилиндрической формы помещают в резиновую оболочку 2, а затем в рабочую камеру 3 стабилометра. Резиновая оболочка необходима для сохранения влажности образца, так как нагрузка на образец создается давлением воды в камере. На первой стадии нагружения образец обжимают заданным всесторонним давлением σ₁ = σ₂ = σ_3, устанавливая после условного затухания деформаций параметры начального состояния образца перед испытанием на прочность (плотность, степень водонасыщения и др.). Затем при постоянном давлении в рабочей камере образец нагружают вертикальным постепенно возрастающим давлением до состояния предельного равновесия, т.е. до разрушения грунта с установлением предельного значения σ_1пр. При этом в процессе испытаний на стабилометре типа А вертикальная нагрузка создается суммой двух составляющих – от давления в рабочей камере N_к = σ₃А_п и N_ш, где А_п – площадь поперечного сечения поршня 4 (образца), воспринимающего давление от штока 5, а при испытании на стабилометре типа Б – только нагрузкой на поршень N_п = σ₁А_п, т.е. вне зависимости от давления в рабочей камере.

Напряженное состояние образца грунта может характеризоваться параметром Лоде вида напряженного состояния

_ = (2σ₂ – σ₁– σ₃) / (σ₁– σ₃).

Значения параметра _ могут изменяться от –1 до +1 в зависимости от значения промежуточного главного напряжения σ₂ при соотношении между главными напряжениями σ₃  σ₂  σ₁.

Конструкции стабилометров не дают возможности управлять в процессе опыта средним главным напряжением σ₂. Преимущество испытаний на стабилометре типа Б перед испытаниями на стабилометре типа А состоит в возможности исследовать свойства грунта в условиях нагружения при _ = 1, т.е. соответственно при σ₁ = σ₂ > σ₃ и σ₂ = σ₃ < σ_1, в то время, как на стабилометре типа А испытания ограничены одним вариантом – при _ = = – 1, т.е. при σ₂ = σ₃ < σ₁.

В учебной лаборатории СПбГПУ студенты обычно испытывают образцы грунта при _ = – 1. Прочность грунта определяют по условию предельного напряженного состояния в виде зависимости Кулона – Мора, в которой не учитывается напряжение σ₂,

= sin φ, (11.1)

где σ_с = с · ctgφ.

Для определения параметров φ и с по значениям σ₃ и σ_1пр строят предельные круги напряжений (круги Мора) и проводят общую касательную к ним (рис. 11.2). Угол внутреннего трения φ определяется наклоном касательной к оси абсцисс, а сцепление с - точкой пересечения касательной оси ординат. По условию прочности Кулона –Мора площадки скольжения с предельными значениями τ располагаются под углом ( – ) по отношению к направлению действия σ_1пр (рис. 11.3, в), что совпадает с результатами измерений углов наклона площадок среза при испытании образцов связных грунтов с хрупким видом разрушения (рис. 11.4, б).

Рис. 11.2. Круги напряжений и определение

характеристик прочности по Кулону – Мору

Рис. 11.3. Схемы последовательности загрузки образца в стабилометре

типа Б при определении прочности грунта

При испытании несвязных или с большой влажностью глинистых грунтов происходит пластичное разрушение образцов (их раздавливание) с резким нарастанием поперечных деформаций образцов (рис. 11.4, а), при этом площадки сдвига не образуются.

а) б)

Рис. 11.4. Виды разрушения образцов

Конструкция стабилометра

Сопротивление грунтов сдвигу в лаборатории СПбГПУ определяется на стабилометре типа Б (рис. 11.5), предназначенного для испытания образцов грунта цилиндрической формы диаметром 40 мм и высотой 60 мм, боковой нагрузкой до 0,6 МПа и вертикальной нагрузкой до 5 МПа.

Прибор состоит из следующих основных узлов: рабочая камера, рычажное устройство для приложения вертикальной нагрузки и устройства для создания бокового давления на образец грунта. Узлы смонтированы на плите стола. Рабочая камера с цилиндром 4 закреплена в средней части плиты 5 стола. Схема рабочей камеры стабилометра и устройства для создания боковой нагрузки на образец представлена на рис.11.6.

Рис. 11.5. Общий вид стабилометра

База 21 рабочей камеры 16 соединена с нижним поршнем 20 (рис. 11.6). Для отвода воды из грунта в поршень вставлен фильтр 19. На нижний поршень перед опытом укладывается смоченная водой фильтровальная бумага и затем устанавливается образец грунта 18. Резиновая оболочка 17 натягивается на нижний и верхний кольцевые выступы 10, находящиеся на торцах цилиндра 5 рабочей камеры, который устанавливается на базу 21.

На цилиндр укладывается пластина 12, и прижимными болтами 15 система рабочей камеры уплотняется. По торцам цилиндра уплотнение осуществляется с помощью резиновых прокладок 11. На верхний торец образца, предварительно прикрытый смоченной фильтровальной бумагой, устанавливается поршень 14. Для отвода воды из пор грунта через верхний торец образца в поршне предусмотрен фильтр 7.

Перед приложением бокового давления система заполняется водой через штуцер 1, который перекрывается поршнем 22. Заданный груз, уложенный на специальную площадку 13, передает нагрузку через плавающий шток 8 плунжерной пары на воду, и далее по водопроводящей системе 4 это давление передается в рабочую камеру 16. Шток 8 во время всего периода испытаний удерживается в плавающем состоянии компенсатором, состоящим из цилиндра 2 и поршня 22 с винтом и маховиком.

Вертикальная нагрузка на образец прикладывается следующим образом. Рычаг 6 (см. рис. 11.5) с грузом на подвеске 7 соединен с помощью шкива и троса с рамой 3, верхний ригель которой винтом 2 упирается в верхний поршень рабочей камеры. Этот поршень и передает вертикальную нагрузку на образец.

Проведение испытания грунта на стабилометре

Подготовка образца грунта. Для испытаний грунт подготавливается так же, как описано в работе 9.

Загрузка прибора. Из монолита грунта размером не менее 8х6см кольцевым ножом вырезают образец. Обычно высота образца h=l,5d=1,5·4=6 см. Этой высоте соответствует высота цилиндра кольцевого ножа. После выравнивания поверхности по торцам образец взвешивают. Из части оставшегося грунта отбирают пробы на влажность.

Образец устанавливают на нижний поршень 20 (см. рис. 11.6). На кольцевые выступы 10 цилиндра 5 натягивают резиновую оболочку 17.

Через вентиль 9 отсасывают воздух до тех пор, пока резиновая оболочка не прилипнет к внутренней стенке цилиндра. Затем цилиндр устанавливают на базу 21.

Уплотняются все соединения, и система заполняется водой^. Для этого маховиком компенсатора вывинчивают винт поршня 22 до риски. Далее открывают вентили 9 и 3 для выпуска воздуха из рабочей камеры и цилиндра компенсатора до появления воды, затем их перекрывают. Для выпуска воздуха из системы, создающей боковое давление, необходимо поднять шток 8 до прорези у его нижнего торца и после появления воды в ней ввести шток в гильзу 6.

Перекрывают систему от водопровода, для чего маховиком поршня 22 ввинчивают шток до тех пор, пока не появится вода между шайбой 23 и цилиндром 2. Затем отключают водопровод.

Устанавливают упорный винт рамы 3 (см. рис. 11.5) на поршень, предварительно отрегулировав его так, чтобы рама была в крайнем верхнем положении. Этим исключают движение поршня вверх при приложении боковой нагрузки. На поршень устанавливают индикатор 1.

Проведение испытаний. В соответствии с ГОСТ 12248–96 исследование по определению характеристики прочности  и с на стабилометрах проводят с тремя или более образцами в условиях нагружения каждого постоянным всесторонним давлением в камере (стабилометр типа А) или постоянным боковым давлением, создающим в образце напряжения σ₂ = σ₃ (стабилометр типа Б). По ГОСТу применяются следующие схемы испытаний: неконсолидированно-недренированные, консолидированно-недренированные, консолидированно-дренированные. Пояснение к этим схемам были даны ранее, в работе 10.

Рис. 11.6. Рабочая камера стабилометра с устройством

для создания боковой нагрузки на образец

На лабораторных занятиях используется схема консолидированно-дренированного испытания: испытание грунтов на прочность проводят с образцами консолидированными, т.е. после достижения условного окончания деформации уплотнения в условиях открытой системы для оттока воды из пор грунта. Прочность образца исследуется по следующей траектории нагружения: на первом этапе создается боковое давление, при котором σ₂=σ₃, без возможности перемещения вверх поршня вертикальной нагрузки (рис. 11.3, а), при этом значения σ₁ не устанавливаются; на втором этапе образец обжимается всесторонним давлением, при котором σ₁=σ₂=σ₃, до достижения условного затухания вертикальной относительной деформации (Δh/h)0,0001 в минуту (рис. 11.3, б) и, следовательно, устанавливается начальная плотность грунта ₀ перед испытанием на сдвиг. На третьем этапе при σ₂=σ₃=const увеличивают последовательно ступенями значения σ₁ до σ_1пр (см. рис. 11.3, в). Кроме того, по ГОСТу ступени вертикальной нагрузки должны составлять 10 % заданного всестороннего давления с условной стабилизацией вертикальной относительной деформации (Δh/h)  0,0001 в минуту. На начальной стадии увеличения σ₁ сохраняется близкая к линейной зависимость вертикального сжатия образца Δh от σ₁; на завершающей стадии нагружения образец разрушается (рис. 11.7).

На лабораторных занятиях исследование по определению характеристик сопротивления грунта сдвигу на стабилометрах проводят по упрощенной схеме, ограничивая испытания тремя образцами одновременно на трех приборах в соответствии с рекомендациями табл. 11.1. В ней для каждого значения σ₃ приведены веса грузов Q_г, рекомендуемые ступени вертикальной нагрузки Q_в и соотношения плеч рычагов. Туда же заносятся окончательные результаты испытаний – значения σ_1пр для построения предельных кругов Мора.

Рис. 11.7. Зависимость ₁ = f(σ₁)

Таблица 11.1