Испытания грунтов на сдвиг при простом и трехосном сжатии.

Испытание на простое беспрепятственное (не ограниченное с боков) сжатие возможно лишь для тугопластичных и твердых глинистых грунтов, из которых могут быть вырезаны образцы ци­линдрической или призматической формы. Испытание же на трех­осное сжатие применимо не только для связных, но и для сыпучих грунтов, так как оно производится с образцами, заключенными в тонкую резиновую оболочку, при всестороннем боковом давлении и добавочном (сверх всестороннего) осевом.

При испытании на простое одноосное сжатие образцов грунта (цилиндров с высотой в 1,5—2 раза большей диаметра) увеличива­ют сжимающую нагрузку до тех пор, пока не произойдет хрупкого разрушения образца или не возникнут прогрессивно возрастающие его деформации. Величину разрушающей нагрузки относят к едини­це площади поперечного сечения образца, принимая распределение давлений равномерным (в1=Р/Р, где Р — нагрузка; Р — площадь поперечного сечения образца), что, однако, как показано проф. А. Н. Зелениным, дает несколько заниженные величины сопротив­лений вследствие неучета неравномерности распределения давлений по краевым поверхностям образца.

Если выделить по оси образца бесконечно малый элемент (рис. 24, а), то треугольная призмочка с углом а к оси давлений

будет испытывать лишь напряжения, указанные на рис. 24, б (если не учитывать сопротивления трению по наклонной грани призмоч-ки). Проектируя все силы на направление наклонной грани приз-мочки, получим

та из-1 — 01 йх зт а-1 = 0, (31)

откуда

йх -

та = 01—-эта (з2)

аз

Та == 2а- (Зз)

Рис. 24. К испытанию связных грунтов на одноосное сжатие

Рис. 25. Диаграмма предельных напряжений при простом сжатии

Максимальное сдвигающее напряжение будет при зш 2а = 1, т. е.

тахт = у (Ц.26)

или, полагая шах т = с, получим:

Диаграмма предельных напряжений для рассматриваемого слу­чая приведена на рис. 25.

Опыты на трехосное сжатие позволяют испытывать об­разцы любых грунтов при обжатии их наперед заданным боковым давлением, что ближе отвечает работе грунта в природных услови­ях и дает наиболее надежные результаты определения их проч­ностных и деформативных свойств.

Это испытание было впервые предложено в СССР (профессора­ми Г. Б. Яппу и Н. В. Лалетиным) и в настоящее время широко применяется как у нас, так и за рубежом.

Схема прибора на трехосное сжатие — «стабилометра» показана на рис. 26. Этот прибор состоит из камеры 4, наполненной жид­костью и соединенной с источником боковых давлений, в которой между специальными поддонами 3 (фильтрующими или водонепро­ницаемыми, смотря по условиям испытания) устанавливается обра­зец грунта /, помещаемый с помощью особого приспособления в тонкую резиновую оболочку 2.

Осевая нагрузка передается на образец с помощью специально­го поршня 7. Во все время испытания ведется замер нейтрального (порового) давления во­ды по торцам образца грунта (по манометрам 5), всестороннего давле­ния в испытательной ка­мере (по манометру 6). осевых деформаций (по индикатору — мессуре) и объемных изменений (по волюмометричес'кой труб­ке) испытываемого образ­ца грунта.

Испытание грунтов иа трехосное сжатие по стан­дартной методике произ­водится следующим обра­зом: вначале образцу грунта, помещенному в испытательную камеру, сообщается всестороннее

давление, равное а2 = ст3 (как при дренированных, так и недрениро-ванных испытаниях); затем, после загасания деформаций от всесто­роннего давления, дается осевая нагрузка увеличивающимися сту­пенями д04 до разрушения образца или потери им устойчивости

Результаты испытания дают возможность определить [по фор­муле (11.17)] величину эффективных напряжений в момент разру­шения образца:

Схема прибора на трехосное сжатие — «стабилометра» показана на рис. 26. Этот прибор состоит из камеры 4, наполненной жид­костью и соединенной с источником боковых давлений, в которой между специальными поддонами 3 (фильтрующими или водонепро­ницаемыми, смотря по условиям испытания) устанавливается обра­зец грунта /, помещаемый с помощью особого приспособления в тонкую резиновую оболочку 2.

Осевая нагрузка передается на образец с помощью специально­го поршня 7. Во все время испытания ведется замер нейтрального

(порового) давления -во­ды по торцам образца грунта (по манометрам 5), всестороннего давле­ния в испытательной ка­мере (по манометру 6). осевых деформаций (по индикатору — мессуре) и объемных изменений (по волюмометричес'кой труб­ке) испытываемого образ­ца грунта.

Испытание грунтов на трехосное сжатие по стан­дартной методике произ­водится следующим обра­зом: вначале образцу грунта, помещенному в испытательную камеру, сообщается всестороннее

Рис. 26. Схема прибора на трехосное сжа­тие

давление, равное а2 = а3 (как при дренированных, так и недрениро-ванных испытаниях); затем, после загасания деформаций от всесто­роннего давления, дается осевая нагрузка увеличивающимися сту­пенями Ао1 до разрушения образца или потери им устойчивости

Результаты испытания дают возможность определить [по фор­муле (11.17)] величину эффективных напряжений в момент разру­шения образца:

где и — величина порового давления.

Кроме того, по данным испытаний определяются: величина отно­сительной продольной деформации

бг = |, . (и2)

где 5г- — осадка для любой 1-й ступени нагрузки;

К — первоначальная высота образца грунта, и величина относительной объемной деформации

где V—первоначальный объем образца;

ДУ— изменение объема образца (определяется с помощью волюмометра).

По полученным данным вычерчивают графики (рис. 27) изме­нений

— = !(вг),

01 и

по которым и определяют максимальное значение шах— и графи-

ки зависимости общих продольных и объемных деформаций грунта от приращения осевого давления Д0Ь по которым определяют мо­дули деформируемости.

В пределах линейной зависимости между общими деформация­ми (продольными или объемными) и приращением осевого давле­ния Д01 имеем:

модуль общей (линейной) деформации

Е0 = ^-\ (П.27)

модуль объемной деформации

А01

6* = —. (И.2Ч

Как известно из курса сопротивления материалов, между моду­лем объемной и модулем общей линейной деформации существует взаимосвязь:

Ео6=т^Ж0' (к)

откуда коэффициент относительной поперечной деформации (анало­гичный коэффициенту Пуассона упругих тел) будет равен

Определив максимум отношения 01/02 по графику рис. 27 и поль­зуясь для сыпучих грунтов условием (11.24), в правой части которого разделим и числитель и знаменатель на ог, получим

1-1

51Пф = -^-. (11.24')

=-+1 . Ог

По выражению (11.24') и вычисляется угол внутреннего трения грунта ф.

Рис. 27. Результаты опыта на трехосное сжатие для грунтов: 1—плотных; 2— рыхлых

Рис. 28. Определение угла внут- реннего трения сыпучего грунта по результатам трехосного сжатия

Для сыпучих грунтов угол внутреннего трения может быть опре­делен и по кругу предельных напряжений, который легко построить, так как непосредственно из опыта на трехосное сжатие определяют­ся О! и о2 (рис. 28).

Для определения же параметров диаграммы сдвига связных грунтов требуется знать результаты испы­тания на трехосное сжатие не менее двух идентичных образцов грунта при различной величине бокового дав­ления (72 = о-з, а следо­вательно, и разной ве­личине разрушающего осевого (главного) на­пряжения оь что вы­полнено на рис. 29.

Результаты испытаний на трехосное сжатие дают возможность применить для оценки прочности грунтов не только теорию прочности Мора, базирующую­ся на законе Кулона, но и октаэдрическую теорию прочности, учи­тывающую пространственное напряженное состояние грунтов по октаэдрическим площадкам, равнонаклоненным к плоскостям глав­ных напряжений.

Рис. 29. Определение параметров сдвига по

результатам трехосного сжатия связного

грунта

Нормальные и касательные напряжения на эти площадки, по данным общей механики сплошных сред, будут равны:

нормальное аокт = —(оч + 02 + а3);

О

касательное токт = — У(01 — о2)2 + (о2 — о3)2 + (оз — оч)2.

О

Согласно теории прочности Мизеса —■ Боткина октаэдрическое касательное напряжение при разрушении есть прямая функция от нормального октаэдрического напряжения, т. е.

- токт — Р(оот) (Н.ЗО)

или, следуя А. И. Боткину (ВНИИГ, 1940 г.) и введя наши обозна­чения, будем иметь

Токт = 1§ фокт (Ре окт + Оокт). (11.31)

Для описания деформаций при разрушении, как показывают со­ответствующие опыты, хорошие результаты дает степенная зависи­мость вторых инвариантов напряженно-деформированного состоя­ния грунтов:

т = 1гт, (11,32)

_ /~о

где т = |/ —(т12+ %2 + гз) _ интенсивность напряжений сдвига;

Г— (у1 + у22+уз2) —интенсивность деформаций сдвига;

Ть т2, тз — наибольшие сдвигающие напряжения;

Уь у2, Уз — наибольшие (главные) деформации сдвига;

^ и ш — переменный во времени (^) и постоянный (т) для

данного грунта параметры, определяемые опытным

путем.

Иные методы испытания связных грунтов на сдвиг. Кроме опи­санных основных методов определения предельного сопротивления грунтов сдвигу (метод прямого среза, метод трехосного сжатия), существует ряд иных методов испытаний на сдвиг, из которых отме­тим наиболее широко применяемые на практике лопастные испыта­ния пластичных грунтов на сдвиг и испытание связных грунтов по методу шарового штампа (Н. А. Цытовича).

Лопастные испытания на сдвиг при кручении, которые проводят­ся в полевых условиях с помощью специальных лопастей (крыль­чаток), были впервые предложены в Швеции под названием «уапе 1ез1» и в настоящее время широко применяются для испытания пластичных слабых глинистых и илистых грунтов, а также водонасыщенных супесчаных грунтов, пробы которых взять трудно, не на­рушив их структуру.

При лопастных испытаниях в забой скважины ниже конца об­садной трубы в грунт вдавливается лопастная крыльчатка (кресто­вина /, рис. 30), после чего враще­нием рукоятки с помощью двойного червячного редуктора производится полный поворот (на 360°) и грунт срезается по цилиндрической по­верхности высотой к и диаметром й, при этом с помощью торсиометра по отсчетам специального циферблата 8 измеряется максимальный скручи­вающий момент Мкр.

Рис. 30. Полевая установка для испытания грунтов по методу лопастного среза: 1 — крыльчатка с четырьмя лопа­стями; 2 — штанга; 3 — центрирую­щая обойма; 4 — обсадная труба; 5 — зажимное устройство; 6 — ого­ловок прибора; 7 — рукоятка чер­вячного редуктора; 8 — циферблат торсиометра для определения М к

Рис. 31. Одноштоковый ша­ровой штамп для определе­ния сил сцепления связных г рунтов по методу проф. Н. А. Цытович а: 1 — образец грунта; 2 — шаро­вой штамп; 3—стопорный винт; 4 — груз; 5 — мессура

На рис. 30 показан разрез лопастной установки «Фундаментпро-екта», которая дает возможность (при высоте крыльчатки 160 и диа­метре 80 мм) испытывать грунт на предельное сопротивление сдви­гу до 1 кГ/см2, а при меньших размерах крыльчатки — до 2— 2,5 кГ/см2.

Приняв треугольное распределение сдвигающих напряжений ха по площади поперечного сечения цилиндра среза (верхней и ниж­ней) и равномерное распределение по его боковой поверхности, бу­дем иметь

<* , Л ли*2 2 й Л1КР = т.5д йН — + 2т5 —. —._,

откуда

-!Л12^_.. („.33,

я«(.+-)

Метод лопастных.испытаний широко применяется при определе­нии общего предельного сопротивления сдвигу слабых илистых и глинистых грунтов и соответствует недренированному их состоянию.

Рис. 32. Установка для полевых испытаний связных грунтов по ме­тоду

шарового штампа проф. Н. А. Цытовича в разработке ИСнА БССР:

а — для твердых глинистых грунтов; б — для слабых глинистых и торфяни­стых грунтов; Л 5 — часть сферы диаметром 30—50 см; 2 — домкрат; 3— упо­ры; 4 — трубка к насосу с редуктором, поддерживающим постоянное давле­ние; 6 — шток с грузовой площадкой; 7 — штатив; 8—мессура

При расчетах принимают обычно, что получаемое по лопастным ис­пытаниям сопротивление сдвигу т8 приближенно равно общему сцеплению грунта, т. е. т8~с.

Испытание грунтов по методу шарового штам­па (проф. Н. А. Цытовича, 1947 г.) дает возможность для дисперс­ных связных грунтов и вязких пород (илистых, глинистых, лёссо­вых, льдистых вечномерзлых и т. п.) весьма просто и удобно в мас­совом масштабе определять величину сил сцепления с учетом изменения их во времени.

При испытании на специальном приборе (рис. 31) или в натуре на особой установке (рис. 32) измеряются осадки шарового штам­па 5 при некоторой постоянной нагрузке Р.

В отличие от испытаний грунтов на сдвиг, а особенно методом полевой пробной нагрузки, где приходится последовательно нагру­жать плоский штамп возрастающими ступенями нагрузки, при испытании шаровым штампом достаточно замерить осадки от одной какой-либо нагрузки (не очень малой) так, чтобы отношение осад­ки к диаметру шарового штампа было больше примерно 1/200, тогда упругими деформациями грунта можно пренебречь.

Из теоретических соображений также вытекает, что отношение осадок штампа 5 к его диаметру Б должно быть менее 0,1, т. е. «/!)<;0,1, тогда испытания шаровыми штампами разного диаметра будут давать практически тождественные результаты.

По результатам испытания определяется сцепление грунта по формуле теории пластично-вязких сред

Сш = 0,18-4-. (11.34)

Коэффициент 0,18 найден теоретически на основе установленно­го акад. А. Ю. Ишлинским для пластичных тел постоянства отноше­ния величины твердости к пределу текучести.

Как показывают соответствую­щие исследования, величину сцеп­ления сш, определяемую по мето­ду шарового штампа [формула (11.34)], следует рассматривать как некоторую комплексную ха­рактеристику, позволяющую оце­нить не только сцепление, но для пластичных грунтов в известной мере и внутреннее трение, что мо­жет быть использовано, напри­мер, для вычисления предельной нагрузки на глинистые грунты по формулам идеально связанных тел (без учета трения, которое автоматически учитывается вели­чиной сш).

Определение сцепления по методу шарового штампа позволяет для связных грунтов, как это впервые предложено автором книги, ограничиться при определении параметров сдвига испытаниями од­ного монолита грунта, что очень важно. При этом вначале монолит испытывается по торцам в нескольких точках с помощью шарово­го штампа для определения сил сцепления (производя замеры оса­док штампа через 10 сек от начала его загрузки), а затем образец подвергается прямому срезу или трехосному раздавливанию для оп­ределения полного сопротивления сдвигу при некоторой величине внешнего давления.

Рис. 33. Диаграмма предельных напряжений

при сдвиге, построен­ная по результатам

испытания од­ного монолита связного грунта

Результаты испытания одного монолита дают возможность по­строить полностью диаграмму предельных напряжений при сдвиге (рис. 33).

Следует отметить, что осадки шарового штампа на вязкоплас-тичных глинах не возникают мгновенно, а нарастают постепенно, достигая некоторого предела (установившейся деформации).

По результатам измерений для разных промежутков времени от начала загружения определяют силы сцепления, которые для вязко-пластичных грунтов будут изменяться во времени от наиболь­шей величины Смгн (мгновенной) до установившейся сдл (длитель­ной) (рис. 34), которую и необходимо принимать в расчетах проч­ности (несущей способности) грунтов.

Рис. 34. Кривая изменения сил сцепления вязкого

глинистого грунта во времени

Отметим, что определение длительного сцепления сдл по методу шарового штампа занимает не более одного или нескольких часов времени, тогда как определение длительного сопротивления сдвигу по методу прямого среза или трехосного сжатия требует несколь­ких месяцев.