Menu

Характеристики грунтов

Характеристики плотности, влажности и пористости грунта. Физические характеристики грунтов позволяют количественно оценить их свойства и не зависят от применяемых методов расчета грунтовых сред. Ряд физических характеристик грунтов может быть получен, исходя из представления грунта как многокомпонентной среды, в общем случае состоящей из твердых частиц, жидкости (воды) и газа. В рассматриваемом объеме грунта (рис. 1.7) можно выделить объем, занятый твердыми частицами УТ, и объем пор УП. Тогда полный объем грунта Кгр = Ут + Уп, где Уа = Уг + Ув, а Vг и Ув — соответственно объем газа и воды. Масса грунта определяется массой твердых частиц тТ и массой воды в порах тв, т. е. тг р = тт + тв.

туру глинистых грунтов. Важной особенностью таких водно-коллоидных структурных связей является то, что после их нарушения они при сближении частиц полностью восстанавливаются. Эти связи иногда называют первичными или первичным сцеплением (по Н. Я- Денисову).

Со временем за длительный период образования и существования грунта в контактах между частицами в результате кристаллизационных процессов образуются цементационные связи. Ими могут быть менее прочные и водостойкие связи, образуемые, например, гипсом, кальцитом, и более прочные и водостойкие, такие, как оксиды железа, кремния и др. В отличие от первичного сцепления, определяемого плотностью грунта, сцепление, обусловленное цементационными связями, называют сцеплением упрочнения.

Важнейшей особенностью цементационных связей является то, что при достаточном взаимном смещении частиц и разрушении цементационных связей они не восстанавливаются, а если частично и восстанавливаются, то в течение очень длительного времени. Поэтому грунты нарушенной структуры (например, уложенные в тело плотины) при одинаковой плотности с природными грунтами ненарушенной структуры (в карьере) обладают меньшей связностью и, как следствие, меньшей прочностью и большей деформируемостью. В заключение следует отметить, что взаимодействие реальных жидкостей, газов, мельчайших твердых частиц и явления, происходящие на границах этих сред, имеют значительно более сложную природу, чем в приводимых выше весьма приближенных представлениях. В этом сложном научном направлении ведутся постоянные исследования в области физической химии. Применительно к таким сложным природным образованиям, как грунты, также ведутся исследования научными школами, созданными П. А. Ребиндером, Б. В. Дерягиным и др. Современные представления об этих направлениях весьма подробно изложены в книге М. Н. Гольдштейна 16].

[image][image]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плотность г р у н т а ргр (г/см* или т/м3) — это отношение массы грунта (массы твердых частиц и воды) к его объему

[image]

 

Ргр = ^гр/^гр = + тв)/(Кт + 1/п). (1.8)

Для непосредственного определения плотности грунтов чаще всего применяют способ режущего кольца и способ парафинирования (ГОСТ 5182—78). По первому способу тонкое металлическое кольцо известного объема (Кгр) осторожно врезается в грунт, а далее путем

 

Рис. 1.7. Объем V и масса т компонент (фаз) в элементе грунта

взвешивания определяют его массу (тгр). По способу парафинирования находят объем образца (Угр) известной массы. Для этого образец глинистого грунта, сохраняющего свою форму, покрывают расплавленным парафином и взвешивают в воздухе и в воде. Зная объем парафина (по его массе и плотности), согласно закону Архимеда легко вычислить объем образца*.[image]

При расчете нагрузок на сооружения и напряжений от действия собственного веса грунта необходимо переходить к значению удельного веса грунта (Н/м3), который определится как,

7гр'=сРгр^> (1.9)

где § — 9,81 — ускорение свободного падения, м/с2. Наиболее часто встречаемые в строительной практике грунты имеют удельный вес

  • .22 кН/м3.

[image]

Влажность грунта ш — отношение массы воды к массе твердых частиц (сухого грунта)

ха = таТ или т= [тгр — тт)//лт. (1.10)

Для определения влажности (ГОСТ 5180—78) образец грунта после его взвешивания высушивают до постоянной массы (тТ). Как правило, влажность для большинства грунтов меняется в пределах

  1. ,01...0,6, но встречаются грунты (например, илы), у которых влажность достигает 1...2 и более. Иногда влажность грунта выражают в процентах.

[image]

Плотность частиц грунта р8 определяют как отношение массы твердых частиц (сухого грунта) к объему самих твердых частиц

р а = тт/Уг (1-11)

Плотность частиц грунта зависит только от их минерального состава и в большинстве случаев изменяется от 2,4 до 2,8 г/см®. Для кварцевых песков р8 = 2,65 г/см3, а для многих глин 2,70...2,75 г/см8.

Г Плотность частиц грунта определяют в лаборатории пикнометри- ческим методом (ГОСТ 5181—-78). В основу способа принято определение объема частиц грунта по массе вытесненной ими воды (закон Архимеда) путем определения массы сосуда известного объема (пикнометра) с водой и с водой и грунтом.

Следует подчеркнуть, что эти три основные физические характеристики грунта ргр, ш и р3 определяются только экспериментальным

путем и служат для расчета других приводимых ниже параметров.[image]

Плотность сухого грунта или плотность скелета грунта рск определяют как отношение массы сухого грунта (частиц грунта) к объему всего грунта

рск = тт/1/Гр. (1.12)

№ — (Ргр Рск)/Рск> откуда Рск^Ргр/О ~Ь ®)- (1-13)

Пористость представляет собой отношение объема пор ко всему объему грунта или объем пор в единице объема

Удельный вес сухого грунта (скелета грунта)

Тск = РскёГ= ТгР/(1 +о»).

[image][image][image]

Выражение (1.10) можно представить в виде

п = Упг р. (1.14)

Аналогично, величина т = Утгр и

т + п — 1. (1-15)

Иногда величины пит определяются в процентах. Для большинства грунтов пористость колеблется от 30 до 50%, но в случае илистых и лёссовых грунтов достигает 60% и более.

Величину т легко подсчитать, зная плотности сухого грунта и частиц грунта: /я = рск8, а учитывая (1.15),

п — 1 —Рск/Рз- (1-16)

[image]

 

Коэффициент пористости равен отношению объема пор к объему скелета грунта

Степенью водонасыщения или степенью влажности называют отношение объема воды к объему пор:

е = УиТ, или е = п/т — п/(1 — я),

откуда

п = е/(1 + е) и т = 1/(1 + ё). (1-17)

[image]

 

 

 

 

[image]

 

8Г = У*/Уа. (1.18)[image]

Умножая числитель и знаменатель на одинаковые величины, получим

5г== = ч^.1у^_ = т/ (1Л9)

тТ I тпт тт I тт

где р — плотность воды; шн — влажность при полном заполнении пор водой, которую называют влагоемкостью (полной влагоем- костью) грунта[image]

И’к = ^ пр/т1 = ^пр/(1/тр6) = ер/р„ (1.20)[image]

отсюда выражение (1.19) приобретает вид

5Г = шр8/(ер).

Степень влажности, характеризующая степень заполнения пор водой, естественно может меняться от 0 в случае сухого грунта до 1 при полном заполнении пор водой. По степени заполнения пор водой крупнообломочные и песчаные грунты весьма условно разделяют на маловлажные при 5Г< 0,5, влажные при 0,5 < 5ГС 0,8 и насыщенные при 5Г> 0,8. Более существенной является степень водо- насыщения, при которой вода в песчаных грунтах или супесях становится гидравлически непрерывной, передающей гидростатическое давление. Для мелких и особенно пылеватых песков или супесей эта величина составляет более 0,6...0,7, в более крупнозернистых грунтах более 0,7...0,8. Степень влажности естественных суглинков и глин, как правило, 0,8... 0,9 и во многих случаях близка к 1. Например, очень плотная и внешне сухая глина может иметь все поры, заполненные водой (5Г == 1), т. е. быть полностью водонасыщеиной.

Содержание газа в грунте можно оценивать по величине 5 = = Уггр. Тогда условие (1.15) приобретает вид

т п' 5 = 1, (1.21)

[image]

 

где п' — Кц/Угр, т. е. объем воды в единице объема грунта. Величины 5Г и 5 связаны между собой зависимостью

[image]

 

5Г = У^/Уп = (Уа - УГ)/Уп = 1 - з/п.

Характеристики консистенции глинистых грунтов, число пластичности. При изменении влажности свойства глинистых грунтов существенно меняются. Сильно увлажненная глина обладает способностью легко растекаться, при уменьшении влажности глина постепенно становится пластичной. Поэтому в зависимости от влажности для глинистых грунтов ввели (К- Терцаги, 1925 г.) три состояния по консиспуенции (рис. 1.8): твердая, пластичная и текучая.

Для оценки консистенции глинистых грунтов введены границы между ними (пределы), характеризуемые величинами влажности (рис. 1.8). Влажность, при которой грунт переходит из твердого состояния в пластичное, называют нижним пределом пластичности или пределом раскатывания пир (границей пластичности или раскатывания). Влажность на границе пластичной и текучей консистенции называют пределом текучести или верхним пределом пластичности (граница текучести).

Свойства глинистых грунтов с изменением их влажности меняются постепенно, и введение границ между консистенциями (пределов Аттерберга) достаточно условно. При нахождении этих пределов следует тщательно выполнять условия стандартности испытаний, кото
рые предусматриваются для предела пластичности и предела текучести (ГОСТ 5183—77).

 

Рис. 1.8. Консистенция и изменение показателя консистенции в зависимости от влажности по

Предел или граница пластичности выявляется раскатыванием руками теста из грунта в «проволоку». Считается, что влажность грунта достигает значения, соответствующего границе пластичности (раскатывания) тогда, когда «проволока» из грунта, достигнув диаметра 3 мм, начинает при дальнейшем раскатывании распадаться на отдельные кусочки. Границу, или предел текучести, определяют по погружению в замес грунта с водой специального стандартного конуса (конус А. М. Васильева), имеющего метку (риску). Влажность на пределе текучести считается достигнутой, если конус погружается в грунт до метки.

Зная естественную влажность грунта ха и определив для него в лабораторных условиях границы ха и ха^, легко сделать заключение о консистенции грунта в природных условиях (см. рис.

1.8).[image]

Для численной оценки консистенции грунта введен показатель текучести, или показатель консистенции I ь:

1Ь =(ха — х0р )/(хюь — шр ,. V—/

При /ь < 0 грунт находится в твердом состоянии (консистенции), при 0< /ь< 1 — в пластичном, а при /ь> 1 —в текучем (см. рис. 1.8). Для суглинков и глин введено более детальное деление пластичной консистенции на полутвердую (0...0,25), тугопластичную (0,25...0,5), мягкопластичную (0,5 ... 0,75) и текучепластичную (0,75...1,0).[image]

Как показали многочисленные опыты, с увеличением в грунте содержания глинистых частиц растет разность числовых значений влажности на пределе текучести и пластичности, которая названа числом пластичности

1р-хаь—хар. (1.23)

Учитывая, что содержание глинистых частиц определяет вид грунта, число пластичности применяют для классификации видов грунтов. По числу пластичности глинистые грунты разделяют на виды: супеси 1р = 0,01...0,07, суглинки 1р = 0,07...0,17, глины 1Р > >0,17.

Песчаные грунты в «проволоку» не раскатываются или имеют

  1. р < 0,01. Следует отметить, что для некоторых глинистых грунтов классификации по зерновому составу и числу пластичности дают разные наименования вида грунта. В соответствии со СНиПом в основу строительной классификации видов грунта принято число пластичности.

В заключение необходимо обратить внимание на некоторую условность оценки консистенции грунтов природного сложения по величинам Юь и ьс>у>, получаемым в лаборатории на образцах нарушенной структуры. Например, благодаря наличию структурных связей многие природные грунты, оцениваемые по /ь, как находящиеся в текучем состоянии, в натурных условиях ненарушенного состояния могут не проявлять свойств текучести, поэтому иногда для таких грунтов применяют термин скрытотекучее состояние-

 

Рис. 1.9. Изменение степени плотности сложения Iв в зависимости от коэффициента пористости е

[image]

Характеристики плотности сложения песчаных грунтов. Для несвязных грунтов важнейшей характеристикой их свойств является плотность сложения, т. е. плотность укладки- упаковки частиц. Основной характеристикой плотности сложения несвязных грунтов является величина степени плотности слощения, или коэффициент относительной плотности сложения:

/д ~ (^шах ^)/(^шах ®т!п)> (1-24)

ГД6 ^тах> ^ И #тт — коэффициент пористости грунта соответственно в максимально рыхлом, естественном и максимально плотном состояниях. При /0 = 0 грунт находится в самом рыхлом состоянии, а при Уд = 1 грунт имеет самое плотное сложение. Весь диапазон изменения /д от нуля до единицы (рис. 1.9) обычно делят на три равные части и вводят следующую условную классификацию несвязных грунтов по величине относительной плотности сложения: рыхлые —0< /д < 0,33; средней плотности — 0,33 <

<С /д <0,66; плотные — 0,66 < /д < 1,0.

Для подсчета /д по зависимости (1.24) необходимо иметь данные результатов полевых определений величины е и для этого грунта в лабораторных условиях определить етах и етт- Для нахождения ^тах обычно используют осторожную рыхлую отсыпку грунта в мерный сосуд, а для определения еты — динамические методы уплотнения грунта в мерном сосуде.

Различные по зерновому составу грунты имеют существенно отличные значения етах и етш , причем с увеличением крупности они уменьшаются. На предельные значения коэффициентов пористости не меньшее влияние оказывает форма частиц, и с увеличением окатанности и сферичности они уменьшаются. Поэтому использование в качестве характеристики плотности сложения величины относительной плотности /д, учитывающей как зерновой состав, так и форму частиц, дает наиболее объективный критерий плотности сложения.

Влияние формы частиц можно проиллюстрировать следующими примерами (рис. 1. 10). При намыве ряда крупных плотин использовались мелкие пески практически одинакового зернового состава, но благодаря различной форме частиц, характеризуемой Кф, были

получены значения коэффициентов пористости намытых грунтов е, менявшиеся от 0,62 для наиболее окатанных Шульбинских песков до 0,85...0,90 для очень остроугольных Кайраккумских песков и продуктов дробления горных пород (хвостов). По коэффициенту пористости могло создаться впечатление, что одни пески уложены плотнее других. Однако определение предельных значений коэффициентов пористости показало, что они соответственно смещены (рис. 1.10) и значения /о практически для всех намытых плотин одинаковы (0,40...0,45). Однотипный способ надводного намыва привел к одинаковой плотности сложения — укладке частиц по пляжу намыва. С увеличением окатанности и сферичности частицы песка в рыхлом и плотном сложении, а также при намыве укладываются более компактно, что ведет к уменьшению характерных коэффициентов пористости.

Рис. 1.10. Предельные изменения коэффициентов пористости для мелких песков с различными коэффициентами формы частиц Кф (черными кружками показаны коэффициенты пористости, полученные при намыве плотин):

1 — Шульбинской ГЭС; 2 — Волжской ГЭС им. В. И. Ленина; 3 — Братской ГЭС; 4 — Кайраккумской ГЭС; 5 — хвосто- хранилнща Краснореченского ГОКа

Таким образом, при одном и том же коэффициенте пористости одинаковые по зерновому составу пески могут находиться в состоянии различной плотности сложения.

К сожалению, в ряде нормативных документов (СНиП П-15—74, П-16—76 и др.) плотность сложения песков неправильно оценивается по величине их коэффициентов пористости. Так, для мелких песков средняя плотность сложения считается достигнутой при коэффициентах пористости от 0,6 до 0,75. Следуя такой неудачной классификации в приведенном выше примере (см. рис. 1.10), плотину Шульбинской ГЭС следует признать в состоянии, находящемся близко к плотному, плотину Волжской ГЭС — в состоянии средней плотности сложения, Кайраккумскую плотину в рыхлом состоянии, а пески хвостохранилищ — в сверхрыхлом сложении. На самом деле все эти сооружения имеют одинаковую среднюю плотность сложения 0,4.

Следует подчеркнуть, что коэффициент пористости, или пористость, и тем более плотность грунта не могут приниматься в качестве характеристики свойств и, в частности, плотности сложения несвязных грунтов. Для этой цели следует использовать относительные характеристики, в частности, степень плотности сложения /д.

массивов являются характеристики деформируемости и прочности грунтов, получаемые путем их лабораторных и полевых испытаний.

В лабораториях испытанию подвергаются малые элементы грунта. Для этой цели используют образцы грунта, отобранные из скважин, шурфов или шахт с максимальным сохранением их структуры, так называемые образцы ненарушенной структуры. В некоторых случаях образцы для испытаний формируются непосредственно в лаборатории из грунтов нарушенной структуры, например, для испытаний карьерных грунтов проектируемых грунтовых сооружений. В зависимости от натурных условий испытания проводят при действии статических или статических и динамических нагрузок.

Схемы и приборы для испытаний грунтов статическими нагрузками. Простейшую схему испытаний — одноосное сжатие образца (рис. 1.11, а) — применяют относительно редко и только для достаточно связных, прочных грунтов, из которых можно вырезать образец заданной, обычно цилиндрической, формы. Особенностью этой схемы испытаний является отсутствие бокового давления и каких-либо ограничений боковых деформаций образца грунта.

 

Рис. 1.11. Схема одноосного (а) и компрессионного (б) испытаний грунта

В этой и других схемах испытаний образцов возможны две методики проведения опытов. По первой методике задаются с помощью любых грузов или домкратов сжимающие напряжения и измеряют осадку образца, а относя ее к начальному размеру получают вертикальную (продольную) деформацию г2 (методика управляемых нагрузок— напряжений). В результате по мере увеличения вертикальных сжимающих напряжений 0Х наблюдается характерный для этой и подобных схем испытаний график развития вертикальных

[image]

Рис. 1.12. Зависимость вертикальных деформаций ег от сжимающих напряжений ст при одноосном сжатии (1) и компрессионном испытании

деформаций ег(а) (рис. 1.12, кривая 1). При малых напряжениях зависимость е2(а) близка к линейной, а затем наблюдается все более интенсивное нарастание вертикальных деформаций и при = апр, происходит разрушение образца грунта.

По второй методике задаются величиной деформации е2 и измеряют необходимые для ее создания напряжения ах (методика ?управляемых деформаций). Заданная деформация грунта может, например,

Рис. 1.13. Схема одноосного испытания грунта по методике управляемых деформаций и график связи 01 с величиной гг:

1 — образец; 2— динамометр; 3 — винтовой домкрат

[image]

создаваться винтовым домкратом В) (рис. 1.13, а), а контроль напряже

Рис. 1.14. Схема компрессионного прибора:

1 — грунт; 2 — кольцо; 3 — пор- шень-штамп; 4 — фильтр

ний вестись по показаниям динамометра. В этом случае в зависимости  (рис. 1.13, б) на участке после достижения апр часто наблюдается снижение напряжений ах, т. е. после нарушения прочности грунта, находящемся в так называемом запредельном состоянии, требуются меньшие напряжения для развития деформаций.

Следует отметить, что схема испытаний с неограниченной возможностью бокового расширения весьма абстрактна и не имеет аналогов в натурных условиях работы любого элемента грунта.

Крайне противоположна по условиям деформирования грунта схема испытаний в широко применяемых всеми лабораториями компрессионных приборах (см. рис. 1.11, б). Образец грунта помещают в жесткую обойму (кольцо) и к нему прикладывают вертикальное сжимающее напряжение о, тем самым обеспечивая деформирование грунта только в вертикальном направлении, т. е. происходит сжатие грунта без возможности бокового расширения (гх = еу = 0). Поэтому характер связи вертикальных деформаций е2 с величиной а крайне противоположен случаю одноосного сжатия — с увеличением а наблюдается затухание развития деформаций (см. рис. 1.12, кривая 2). При испытании грунта по такой схеме разрушение образца грунта невозможно и наблюдается только процесс его уплотнения.

Для того чтобы уменьшить влияние сил трения сжимающегося грунта о стенки кольца, его диаметр обычно в 3...4 раза больше высоты. В процессе сжатия грунта из его пор отжимается вода и по
этому как в базе прибора, так и в штампе, передающем вертикальную нагрузку, устраивают фильтры (пористые камни или дырчатые пластинки) для отвода воды (рис. 1.14).

В природных условиях всегда имеет место какая-либо возможность бокового расширения грунта, т. е. ех Ф О и Ф 0. Однако характер деформаций грунта в компрессионном приборе теоретически соответствует условиям работы бесконечно простирающегося грунта, загруженного по всей бесконечной поверхности равномерно распределенной нагрузкой. В натурных условиях это оказывается близким к условиям работы грунта при равномерном загружении основания по большой площади и сравнительно небольшом по мощности слое грунта, ограниченным снизу несжимаемой подстилающей толщей, причем в зонах, достаточно удаленных от краев сооружения. Еще больше соответствует компрессионной схеме деформирования сжатие однородного слоя грунта под действием собственного веса при далеко простирающейся горизонтальной поверхности грунта. Во всех остальных случаях прямой перенос результатов компрессионных испытаний на оценку деформаций натурных сооружений ■будет приводить к погрешностям.

Несмотря на широкое применение компрессионных испытаний, оценка напряженного состояния грунта в них по сравнению со всеми другими схемами наиболее неопределенная. Горизонтальные нормальные напряжения (ох — оу) в компрессионных приборах не могут быть практически измерены. Известны только вертикальные нормальные напряжения (ст2 = о), да и то без учета влияния касательных напряжений, развивающихся по контактам жесткого штампа и базы прибора с грунтом, а также грунта с кольцом. Конечно, экономичность, простота и доступность таких испытаний многое оправдывают.

Более ясными в отношении напряженного состояния образца грунта и, что особенно существенно, позволяющими управлять боковыми деформациями, являются приборы трехосного сжатия (ста- билометры). Впервые испытание в стабилометрах было предложено Н. Н. Довиденковым и независимо от него Г. И. Покровским.

В отличие от случая одноосного сжатия в схеме трехосного испытания кроме вертикального создается боковое давление на образец грунта (рис. 1.15, а) и тем самым ограничивается величина боковых деформаций образца. Для создания бокового давления образец грунта помещают в камеру (рис. 1.16), которая заполняется находящейся под давлением жидкостью (водой, глицерином и др.). Для того чтобы жидкость из камеры не попадала в поры грунта, образец грунта цилиндрической формы помещают в тонкую резиновую оболочку. Так как боковое давление создается гидравлическим путем, то по вертикальным граням образца касательные напряжения не возникают и поэтому они являются главными площадками исследуемого элемента грунта. Тогда, учитывая взаимную перпендикулярность главных площадок, торцовые грани образца также можно считать главными площадками с напряжениями ах (см. рис. 1.15, а). В действительности по торцам образца на контакте с жестким штампом и базой прибора при боковом деформировании грунта возникают искажающие схему испытания касательные напряжения. Поэтому, чтобы уменьшить их влияние, применяют удлиненные (3...4 диаметра) образцы и тогда в качестве «рабочей» принимают среднюю часть образца.

Рис. 1.16. Схема прибора трехосного сжатия: 1—кран; 2— отвод отжимаемой воды; 3 — шток; 4 — штамп вертикальной нагрузки; 5 — резиновая оболочка; 6 — жидкость под

давлением; 7 — камера для создания бокового давления;.

8 — образец грунта

Основной особенностью схемы трехосных испытаний в стабило- метрах является равномерное боковое обжатие образца (а2 = а3). В результате не представляется возможным выявить роль третьего главного напряжения на деформационные и прочностные свойства грунта. Увеличивая постепенно вертикальное главное напряжение при постоянных о2 = а3, можно получить связь между продольными деформациями е2 и ог, ана-

[image]

Рис. 1.15. Схема трехосного испытания в стабилометре (а) и в приборе с независимыми тремя главными напряжениями (б)

 

логичную приведенной на рис. 1.12 (кривая 1), и предельное — разрушающее значение ах = апр. Кроме того, на стабилометре можно проводить испытания и по методике управляемых деформаций.

Наиболее универсальной является схема испытания кубических образцов (см. рис. 1.15, б) в приборах, создающих независимо управляемые три главных напряжения (рис. 1.17). Первая удачная конструкция такого прибора была создана в Советском Союзе в 1968 г. (Г. М. Ломизе, А. Л. Крыжановский). В этих приборах давление по каждым двум противоположным граням куба создают отдельные нагрузочные устройства, обычно гидравлического типа. Для обеспечения приложения главных напряжений применяют гидравлическую передачу нагрузки через резиновые мембраны. Конструкция и техника проведения испытаний на таких приборах достаточно сложны и поэтому их используют в основном для исследовательских целей.

Каждая производственная лаборатория использует для получения прочностных характеристик грунтов сдвиговые приборы (приборы прямого или плоского среза) (рис. 1.18, а). В принципе это тоже компрессионный прибор (см. рис. 1.14), кольцо которого разрезано на две части, причем между ними создается небольшой зазор и одна часть может горизонтально смещаться относительно другой. Образец грун

та помещают в кольца и так же, как в компрессионном приборе, уплотняют заданным нормальным напряжением ст. Для отвода отжимаемой из пор воды в штампе, передающем вертикальную нагрузку, и в базе прибора имеются фильтры. После стабилизации вертикальных перемещений (осадок) штампа к подвижной части кольца постепенно ступенями прикладывают горизонтальную нагрузку Т, создающую в плоскости зазора между частями кольца касательные напряжения т = Т/Р, где Р — площадь поперечного сечения образца внутри

[image]

Рис. 1.18. Схема сдвигового прибора и зависимость горизонтального смещения образца 5* от величины касательных напряжений т

 Рис. 1.17. Схема (разрез) прибора с тремя независимыми главными напряжениями:

/ — кубический образец грунта; 2 — штампы для создания давлений по граням куба; 3 — резиновые мембраны

кольца. По мере увеличения Т наблюдается горизонтальное смещение (5Х) обоймы (рис. 1.18, б). Как при испытании по методике управляе- емых напряжений т (/), так и по методике управляемых смещений (деформаций) (2) зависимости т (5Х) аналогичны получаемым на приборах одно- и трехосного сжатия (см. рис. 1.12 и 1.13). По методике управляемых напряжений — нагрузок предельное сопротивление грунта сдвигу (срезу) тпр определяют из условия неограниченного незатухающего смещения (5 х) одной части грунта относительно другой без дальнейшего увеличения сдвигающей нагрузки Тпр (рис. 1.18, кривая 1). По методике управляемых деформаций величину тпр определяют по началу спада касательных напряжений на графике зависимости х (5х) (рис. 1.18, б, кривая 2).

Основной особенностью сдвиговых испытаний является заданная конструкцией прибора (зазором) плоскость развития сдвиговых деформаций и разрушения (среза) грунта. Образец грунта принудительно срезается только по фиксированной плоскости, не всегда являющейся самой «слабой» в элементе грунта. В природных условиях это больше всего соответствует оценке условий возможности сдвига сооружений в плоскости подошвы фундамента. Кроме того, следует
учитывать, что так же, как и в компрессионном приборе, напряженное состояние в сдвиговом приборе весьма неопределенно, причем к этому добавляется не учитываемое обжатие грунта стенками сдвигаемых колец.

 

Рис. 1.19. Схемы приборов:

а — кольцевого сдвига; б — перекашивания; в — кручения трубчатого образца со схемой действующих нагрузок по торцу образца

Кроме описанных выше основных схем испытаний и приборов иногда применяют приборы кольцевого сдвига (рис. 1.19, а), приборы с перекашиванием образца (рис. 1.19, б) и схемы испытаний сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (рис. 1.19, б). 15 приборе кольцевого сдвига при любых сдвиговых дефор- мациях сохраняется постоян-

иая площадь среза образца, что невозможно обеспечить в обычных сдвиговых приборах (см. рис. 1.18). На приборе с перекашиванием образца (рис. 1.19, б) можно исследовать формоизменение грунта. При испытании полых цилиндрических образцов на кручение (рис. 1.19, в) можно изменять вертикальное

в), боковое наружное (аг)

н внутреннее давления (о'г). В результате создается широкий диапазон возможных вариантов сложного напряженного состояния элемента грунта. Такая схема испытаний очень сложна, и применяют се в исследовательских целях и в основном для образцов нарушенной структуры.

Методы испытаний при динамических воздействиях. Лабораторные методы испытаний грунтов при действии динамических нагрузок преимущественно основаны на использовании известных методов статических испытаний с добавкой динамических воздействий.

В лабораторных условиях воспроизводятся как простейшие динамические воздействия в виде установившихся вибраций, ударов или импульсов, так и более сложные, например сейсмические, воздействия или действия взрывов.

Динамические воздействия создаются обычно двумя путями: 1) установкой приборов на вибрационные и виброударные столы или сейсмические платформы; 2) подключением к системе статического нагружения приставок, создающих дополнительные динамические нагрузки.

Динамические воздействия на столы и платформы создаются механическими вибраторами, ударами грузов, гидравлическими пульсаторами и др. На некоторых платформах возможно создание динамических воздействий во всех трех направлениях (трехкомпонентные платформы), но чаще создаются воздействия одного направления, вертикальные или горизонтальные. На рис. 1.20 в качестве примера показана схема простейшего виброударного стола с механическим вибратором. Благодаря встречному вращению одинаковых эксцентри
ков (рис. 1.21, о) создается направленная возмущающая сила. Горизонтальные составляющие центробежных сил взаимно гасятся, а вертикальные складываются и создают воздействия и колебания стола по гармоническому закону (рис. 1.21, б). Подвешивая вибратор в торце стола, можно создать горизонтальные колебания. Кроме того, имеется маятниковый ударник, с помощью которого можно создавать импульсные воздействия (рис. 1.21, в).

 

Рис. 1.20. Схема виброударного стола:

1 — вибратор механического типа (см. рис. 1.21,а); 2 — стол; 3 — маятниковый ударник; 4 — пружины; 5 — компрессионный прибор

При компрессионных испытаниях инерционные воздействия колеблющегося стола передаются на образец грунта и на инерционную пригрузку (рис. 1.22, а), например, создаваемую весом гирь. При этом в дополнение к статическому воздействию о действуют меняющиеся во времени напряжения ±Асг, вызванные весом колеблющейся на вибростоле пригрузки. При синусоидальных колебаниях стола максимальная величина Да определяется как ОАы2/(§1:), где С — вес пригрузки; А — амплитуда; а> — частота колебаний стола; Р — площадь образца; § ■— ускорение свободного падения.

Иногда применяют системы создания безынерционных статических нагрузок о путем давления на грунт с помощью резинового баллона, заполненного сжатым газом или жидкостью (рис. 1.22, б), сжатой пружины и др. В этом случае инерционные воздействия стола передаются только частицами грунта, не вызывая практически изменения напряженного состояния грунта по сравнению со статическим, так как толщина слоя грунта и, как следствие, его масса малы.

Рис. 1.22. Схемы динамических компрессионных испытаний с инерционной и безынерционной нагрузкой на вибростолах и при пульсации давления в гидропневмодомкрате:

1 — виброударный стол; 2 — пригрузка; 3 — резиновый баллон со сжатым газом или жидкостью

Рис. 1.21. Схема действия механического вибратора направленного действия, изменение возмущающей силы такого вибратора и характер горизонтальных смещений 5х стола во времени I при воздействиях маятниковым ударником

[image]

Во многих случаях динамические воздействия создаются только- пульсацией давления Лег над поршнем компрессионного прибора (рис. 1.22, в). В этом случае практически отсутствуют инерционные воздействия на частицы образца грунта. Изменяющаяся динамиче
ская нагрузка создается с помощью различного рода гидравлических или пневматических пульсаторов, в ряде случаев применяется резкий впуск газа под большим давлением (рис. 1.23, а), создающий импульсное ударное (рис. 1-23, б) воздействие («пневмопушки»). В результате применения различных, иногда весьма сложных, гидравлических или пневматических систем можно создавать весьма широкий диапазон характера изменения давления Да, воспроизводя сложный вид природных динамических воздействий.

Рис. 1.23. Схема «пневмопушки» и изменения давления а во времени I:

[image]

Для динамических испытаний в условиях сдвига применяют приборы плоского сдвига, в которых статические и динамические напряжения создаются так же, как в описанных выше динамических компрессионных приборах.

I — камера высокого давления; 2 — мембрана; 3 — устройство для быстрого разрушения мембраны; 4 — поршень; 5 —образец грунта; 6 — устройство для регистрации смещений поршня

Как и при статических испытаниях, более универсальными и имеющими более четкую схему напряженного состояния являются приборы трехосного сжатия с приложением динамических нагрузок.

Как правило, сами приборы трехосного сжатия такие же, как и для статических испытаний. Основной особенностью динамических ста- билометров являются устройства (рис. 1.24, а) для создания дополнительных динамических вертикального Дах и бокового До3 давлений (рис. 1.24, б). В большинстве конструкций они создаются гидравлическими пульсаторами и домкратами. Например, дополнительное динамическое боковое давление Дст3 создается путем давления плунжера на жидкость, заполняющую камеру и всю систему. Периодическое движение плунжера определяется вращением кулачкового эксцентрика и работой пружины. В результате на имеющийся уровень статических напряжений сг3 накладываются действующие по гармоническому закону напряжения Дс3 (рис. 1.24, в). Амплитуда давлений Дс^ и Да3 может изменяться путем поворота эксцентрика кулачков, а частота-—скоростью их вращения.

[image]

Рис. 1.24. Схема создания динамической нагрузки и характер изменения суммарных вертикальных или боковых давлений на образец в динамическом стабнлометре:

/ — кулачковый эксцентрик; 2— пружина; 3 — плунжер

Оставьте свой комментарий

Оставить комментарий от имени гостя

0
  • Комментарии не найдены

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:3971 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:7160 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:4141 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Отсутствие

Деревни Олонии – большие и маленькие, но все больше маленькие или вовсе покинутые. Но и большие перенимают черты мелких, копируют, сливаются воедино – в своем духе, в своей атмосфере; и...

03-03-2011 Просмотров:4014 Комплексные географические характеристики

Блоки, картеры и головки цилиндров

Блок цилиндров и картер у большинства современных автомобильных и тракторных двигателей выполняют в совместной отливке из чугуна или алюминиевого сплава. Совместная отливка блока цилиндров и верхней половины картера дает возможность при...

25-08-2013 Просмотров:3403 Основы конструирования автотракторных двигателей

Перенос осей й позначок на монтажні обрі…

Під монтажним обрієм розуміється умовна плоскість, що проходить через опорні майданчики зведених несучих конструкцій споруджуваного поверху або ярусу надземної частини будинку. Для детальної розбивки осей на монтажному обрії точки базисної мережі...

30-05-2011 Просмотров:4946 Інженерна геодезія