Стабилометрический метод исследования деформируемостии прочности грунтов. Типы стабилометров.

Механические свойства твердых горных пород обычно характеризуют механической прочностью, твердостью и крепостью.

Механической прочностью твердых горных пород называют их способность сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих под нагрузкой.

Различают механическую прочность на сжатие, растяжение, изгиб, срез и удар. Для инженерно-геологических целей наибольший практический интерес представляет испытание твердых пород на сжатие.

Прочность на сжатие характеризуют пределом прочности на сжатие, или временным сопротивлением сжатию R_сж, под которым понимают величину напряжения, вызывающего разрушение образца при одноосном сжатии.

У некоторых полускальных пород (мертели, аргиллиты и др.) под влиянием увлажнения происходит уменьшение прочности. Это свойство называют размягчаемостью породы и характеризуют коэффициентом размягчаемости, который представляет собой отношение пределов прочности на сжатие после и до насыщения водой. Чем ниже коэффициент размягчаемости, тем больше снижается прочность породы при насыщении водой.

Для изверженных пород коэффициент размягчаемости практически равен единице. Осадочные породы, породы с глинистым или легко растворимым в воде цементом обладают низким коэффициентом размягчаемости (меньше 0,5). Определение коэффициента размягчаемости, как правило, производят только для полускальных пород с глинистым или другим слабым цементом. Предел прочности породы определяют путем раздавливания образцов правильной геометрической формы (куб, цилиндр) под прессом. Образцы цилиндрической формы высверливают на сверлильных станках с помощью специальных коронок. Образцы кубической формы изготовляют при помощи специальных дисковых пил.

Расчет и проектирование фундаментов зданий и сооружений производятся на основе механических характеристик грунтов, определяемых с помощью полевых и лабораторных исследований. Внешняя нагрузка, передаваемая на основание через фундаменты зданий, приводит к уплотнению грунта. Процесс уплотнения включает деформации твердых частиц скелета грунта и уменьшение объема пор. При относительно небольших давлениях деформации твердых частиц незначительны, и уплотнение происходит в основном из-за уменьшения пористости. Основные закономерности этого деформирования подчиняются закону уплотнения – изменение коэффициента пористости пропорционально изменению давления.

Многих недостатков в сдвиговых и компрессионных приборах удается избежать, исследуя прочность и деформируемость грунтов в более совершенных прибо-

рах – стабилометрах или приборах трехосного сжатия.

Ниже приведена схема и общий вид прибора стабилометра, который представляет собой толстостенный цилиндр с помещенным внутри образцом грунта в резиновой оболочке. Образец грунта окружает вода, поэтому при приложении вертикальной нагрузки или давления Р₁, со стороны воды на образец грунта будет действовать боковое давление Р₂.

Схема испытаний образца грунта в стабилометре в условиях объёмного напряжённого состояния.

Таким образом, образец грунта в стабилометре будет находиться в объемно-напряжённом состоянии.

Если вырезать из образца грунта элементарный параллелепипед с гранями перпендикулярно главным нормальным напряжениям Р₁ и Р₂, то такой образец будет испытывать лишь сжатие со всех сторон без возможности разрушения. Однако параллелепипед грунта, ориентированный под углом α по своим граням будет испытывать кроме сжимающих усилий Р_α еще касательные усилия τ_α (касательные напряжения).

Именно касательные напряжения τ_α вызывают смещение отдельных частиц грунта относительно друг друга и приводят к разрушению образца грунта в целом. В момент такого разрушения или предельного состояния грунта определяются его прочностные и деформационные свойства.

Проведение испытаний или доведение образца грунта до разрушения (предельного состояния) зависит от соотношения значений главных нормальных напряжений и условий испытаний.

В практике исследований используется большое число стабилометров различной модификации и размеров в зависимости от решения поставленной задачи, предназначенные для исследования мелкодисперсных грунтов и крупнодисперсных грунтов.

Напряжённое состояние в элементарном образце грунта (в данной точке) весьма наглядно отображается при помощи эллипса напряжений, построенного на осях главных напряжений.

В этом случае любая точка на эллипсе (за исключением точек, расположенных на его осях) будет испытывать как нормальные Р_α, так и касательные напряжения τ_α или полные напряжения Р_полн., величина которых будет изменяться в пределах от Р₂ до Р₁.

Р₁ ≥ Р_полн ≥ Р₂

x²/P²+y²/P²=1 – общее уравнение эллипса

Наиболее просто напряжённое состояние в точке грунта М может быть выражено кругом Мора (сопротивление материалов). Круг Мора (достаточно изобразить его половину) строится на оси абсцисс Р с диаметром, равным разности величин главных нормальных напряжений Р₁ – Р₂. Тогда ордината любой точки М на круге Мора будет определять величину касательных напряжений τ_α в этой точке.

Круг Мора - графическое представление изменений напряжений в точке грунта в зависимости от ориентации рассматриваемой площадки

Положение точки М или угол наклона рассматриваемой площадки будет определяться углом α. Рассмотрим граничные изменения угла α:

- при α=0° точка М будет расположена на оси Р в точке, соответствующей напряжению Р₁ (горизонтальная площадка), касательные напряжения здесь будут равны 0, а следовательно разрушение невозможно;

- при α=90° точка М также будет расположена на оси Р в точке, соответствующей напряжению Р₂ (вертикальная площадка), касательные напряжения здесь будут равны 0, а следовательно разрушение невозможно.

Поскольку предельное состояние (разрушение в грунте) возникает от действия касательных напряжений, то оно может произойти тогда, когда точка М (ее положение) коснется прямой Кулона, прямой предельного состояния грунта. В процессе испытаний оставляем неизменным Р₂ и увеличиваем Р₁. Максимальное значение Р₁ будет, когда круг Мора коснется прямой Кулона. τ_пр=P*tgφ - уравнение, описывающее предельное сопротивление грунта сдвигу для песчаного грунта, т.е. процесс разрушения.

Может быть применена и другая методика испытаний. В процессе испытаний оставляем неизменным Р₁ и уменьшаем (сбрасываем боковое давление) Р₂. Минимальное значение Р₂ будет, когда круг коснется прямой Кулона. Данная методика испытаний также схематично представлена в правой части рисунка.

Из представленной схемы в момент предельного состояния, когда точка М круга Мора коснется прямой Кулона (точка В на левом рисунке), можно записать, что треугольник ОВС – прямоугольный, ВС – радиус, тогда:

sin φ=BC/OC BC= Р₁- Р₂/2 OC= Р₁- (Р₁- Р₂)/2= Р₁+Р₂/2;

sin φ=(Р₁- Р₂)2/2(Р₁+Р₂)= Р₁- Р₂/Р₁+Р₂

sin φ= Р₁- Р₂/Р₁+Р₂ –

уравнение, описывающее предельное сопротивление грунта сдвигу при трёхосном напряжённом состоянии (для сыпучих грунтов).

Для связных грунтов необходимо подобным образом испытать не менее двух образцов с различной величиной главных напряжений Р₁- Р₂; Р₁- Р₂

Определим давление связности Р_е (суммарно заменяющее действие сил сцепления).

Р_е=C*ctg φ

Выполняя аналогичные геометрические построения, что и в предыдущем случае, для прямоугольного треугольника О'В'С получим:

sin φ= BC/OC= (Р₁- Р₂/2) / C*ctg φ + Р₂+(Р₁- Р₂/2)= Р₁- Р₂/ Р₁+Р₂+2C*ctg φ

sin φ= Р₁- Р₂/ Р₁+Р₂+2C*ctg φ – уравнение, описывающее предельное сопротивление грунта сдвигу при трёхосном напряжённом состоянии (для связных грунтов).

Наиболее совершенными в настоящее время разработано много модификаций приборов трехосного сжатия. Наиболее совершенными в настоящее время являются стабилометры, позволяющие испытывать образцы кубической формы, к каждой грани которых можно прикладывать независимо друг от друга нормальные напряжения и регулировать величину любого напряжения по заданному закону. Нормальные напряжения, прикладываемые к граням образца, обычно считают главными. Поэтому такие приборы называют приборами с независимо управляемыми главными напряжениями и деформациями.

За рубежом широко применяются стабилометры, в которых исследуются образцы грунта в виде полых цилиндров. Изменение главных напряжений в этих приборах создается путем независимого изменения внутреннего и внешнего давлений в цилиндрическом полом образце и осевого давления по торцам. Модификацией стабилометров такого типа являются приборы, позволяющие создавать деформацию кручения образца.

Приборы этих двух типов довольно сложны в изготовлении и в настоящее время используются в основном для исследовательских целей.

В производственной практике нашли применение более простые по конструкции стабилометры, в которых два главных напряжения одинаковы.