Испытания грунтов на сдвиг путем среза по заданной плоскости

Испытание грунтов на сдвиг проводится для определения максимального предельного сопротивления сдвигу и последую­щего определения коэффициента внутреннего трения tgj и сцеп­ления с.

Коэффициент внутреннего трения и сцепления представ­ляют собой параметры графика, выражающего зависимость ка­сательных напряжений t от сжимающих давлений Р при сдвиге.

В отдельных случаях определяют коэффициент общего сдвига tgy.

Испытания проводят для глинистых и песчаных грунтов на образцах ненарушенной структуры и естественной влажности, а также на образцах нарушенной структуры. Иногда образцы грунта предварительно увлажняют до насыщения.

В зависимости от условий работы грунта под давлением от сооружения или собственного веса различают испытания на не­консолидированный (по закрытой системе) и консолидировано-дренированный сдвиг (по открытой системе).

В первом случае осуществляют так называемый быстрый сдвиг, три котором влажность и плотность грунта после прило­жения сжимающего давления в процессе испытания практиче­ски не меняется. При этом касательные напряжения быстро уве­личивают сразу после приложения сжимающего давления. Такое испытание применимо к глинистым грунтам.

Во втором случае грунт после приложения сжимающего давления выдерживают до стабилизации деформации, а каса­тельные напряжения в плоскости сдвига увеличивают ступе­нями.

Так как испытания проводят на 2 - 3 образцах при различ­ных сжимающих давлениях, то для обеспечения при испытании одинаковой влажности и плотности к этимобразцам приклады­вают наибольшее сжимающее давление, после чего отдельные образцы разгружают до требуемого давления.

Это предварительное сжатие образцов проводят или в приборах для испытания на сдвиг, или в специальных прибо­рах предварительно­го уплотнения. Это испытание примени­мо к глинистым и песчаным грунтам.

Коэффициент вну­треннего трения и сцепление являются прочностными харак­теристиками грун­тов и входят в рас­четные формулы по определению вели-

чины нормативного давления R_н, давления на ограждения, устой­чивости откосов и т. п.

Для испытания грунтов на сдвиг применяют сдвиговые прибо­ры различной конструкции: ГГП-30 с прибором предварительного уплотне­ния ГГП-29, ВСВ-1, машина ЦНИИ МПС.

Ниже рассматривае­тся проведение консо­лидированно - дрениро­ванного испытания на сдвиг глинистого грун­та ненарушенной струк­туры и естественной влажности в сдвиговом приборе ПСГ - 2М с прибором для предварительного уплотнения грунтов перед сдвигом УГПС РЭ.

Необходимые при­боры:

· сдвиговый при­бор ГТП-30;

· прибор предварительного уп­лотнения УГПС РЭ;

· пресс для зарядки грунтоотборочных колец;

· два индикатора ИЧ-10;

· нож с прямым лезвием;

· технические весы с разновесом;

· сушиль­ный шкаф;

· бюксы алюминиевые;

· эксикатор;

· фильтровальная бу­мага;

· часы.

Устройство и принцип работы прибора.Прибор для испытания грунтов на сдвиг состоит из следующих основных узлов (рис.11.1): стола I; механизма вертикального давления II; срезывателя III; выдвижного ящика IV.

Все узлы прибора смонтированы на столе. Стол должен быть выверен в горизонтальной плоскости ключом 1008-I.

I – стол; II – механизм вертикального давления; III – срезыватель; IV – выдвижной ящик;

1 – верхняя подвеска; 2 - стопорная шпилька; 3 – секторный рычаг; 4 – противовес; 5 – рычаг противовеса; 6 – упор; 7 – противовес; 8 – верхнее коромысло; 9 – индикатор; 10 тяга; 11- маховичек; 12 – нижнее коромысло; 13 –натяжной винт; 14 – палец; 15 – направляющая ползуна; 16 – сектор; 17 – нижняя подвеска; 18 – регулировочная муфта; 19 – винт; 20 – наконечник под противовес.

Рис. 11.1. Прибор для испытания грунтов на сдвиг ПСГ – 2 М

Сдвиг грунта на приборе осуществляется путем приложения сдвигающей нагрузки грузами через секторный рычаг 3 (рис.11.1). Вертикальное давление на образец грунта передаётся с помощью сектора 16.

Конструкция срезывателя показана на рис. 11.2. Гнездо под нижнюю обой- му 2 вместе с нижней обоймой 3 и установочным вкладышем 1 крепится неподвижно к панели прибора при помощи установочного винта 20. Предварительно в кольцевую канавку гнезда укладывается резиновая прокладка.

Тяговый цилиндр срезывателя соединен с механизмом горизонтального среза с помощью стопорной шпильки 4.

Образец грунта в тонкостенной гильзе помещается в срезыватель так, чтобы стык верхней 16 и нижней 17 гильз совпал со стыком верхней 15 и нижней 3 обоймами срезывателя.

1 – установочный вкладыш; 2 – гнездо под нижнюю обойму; 3 – нижняя обойма; 4 - стопорная шпилька; 5 - установочная шпилька; 6 – штамп; 7 – кронштейн натяжного устройства; 8 – стакан натяжного устройства; 9 – винт подъёмный; 10 – маховичек к хвостовику штампа; 11 – хвостовик штампа; 12 – гайка; 13 – упор индикатора 14 – тяговый цилиндр; 15 – обойма верхняя; 16 – гильза верхняя; 17 – гильза нижняя; 18 – вкладыш перфорированный; 19 – днище нижней обоймы; 20 –винт установочный; 21 – коромысло верхнее.

Рис. 11.2. Срезыватель

Механизм горизонтального среза (рис.11.1) имеет упор 6, ограничивающий ход секторного рычага 3. Для регулировки положения секторного рычага механизм имеет наконечник под противовесы 20, два противовеса 4 и регулировочную муфту 18.

Вертикальная нагрузка на образец грунта создаётся грузами, которые укладываются на подвеску 17. Далее нагрузка на образец, помещённый в срезыватель, передаётся через сектор 16, рамку, состоящую из вертикального коромысла 8, нижнего коромысла 12 и тяг 10.

При сдвиге грунта механизм вертикального давления перемещается на шариках каретки по направляющим 15.

При создании вертикальной сжимающей нагрузки на образец следует учитывать вес рамы, передающей её. Поэтому в комплект прибора входят грузы массой 1,5 кг и 3,5 кг. Первый груз совместно с рамой создает давление на грунтовый образец 0,05 МПа, второй – 0,1 МПа.

Определение величины собственного сопротивления прибора сдвигающему усилию.Для определения величины собственного сопротивления прибора сдвигающему усилию используется тарировочное приспособление (рис.11.3).

1 – направляющая; 2 – каретка; 3 – сепараторы с шариками; 4 – стойка каретки; 5 – запорный штифт; 6 – вилка; 7 – установочный угольник; 8 – канал с наконечниками; 9 – ролик; 10 – кронштейн.

Рис. 11.3. Тарировочное приспособление

Тарировочное приспособление устанавливается на панели прибора ПСГ-2М вместо срезывателя и механизма горизонтального среза (рис. 11.3). На панели прибора крепится направляющая 1. На верхнюю каретку 2 помещается стойка каретки 4, на которую передаётся вертикальная нагрузка. Между направляющей и верхней кареткой в канавках установлены шарики.

Установочный угольник 7 с роликом 9 крепится к панели вместо механизма горизонтального среза. Верхняя каретка с помощью пальца соединяется с канатом 8. К канату с наконечниками крепится верхняя подвеска прибора.

Для создания вертикальной нагрузки на образец 200 кг, 400 кг на подвеску 17 (рис.11.1) необходимо положить грузы соответственно 20 кг и 40 кг. И для каждой нагрузки следует определять величину сопротивления. С этой целью на верхнюю подвеску 1 (рис.11.1) следует класть мелкие грузы до тех пор, пока верхняя каретка не придет в движение. Допустимая величина собственного сопротивления сдвигу прибора с тарировочным приспособлением должна составлять 0,05% от нормального давления. Величина сопротивления определяется как отношение величины сдвигающей силы к величине вертикальной нагрузки на образец грунта.

Проведение опыта.Лабораторные испытания начинают с предварительного уплотнения грунта на приборе, фотография которого показана на рис.11.4

1 – стол; 2 – подвеска; 3 – грузовой канат; 4 – шкала; 5 – стрелка; 6 – удлинитель индикатора; 7 – индикатор; 8 – консоль индикатора; 9 – кольцо консолей индикатора; 10 – нажимной винт; 11 – верхнее коромысло; 12 – стяжка; 13 – стакан с ванной; 14 – нижнее коромысло; 15 – тяговый канат; 16 – сектор; 17 – стопорный винт.

Рис. 11.4. Прибор для предварительного уплотнения грунтов перед сдвигом

Прибор для уплотнения грунтов перед сдвигом (УГПС) предназначен для обеспечения в пробах связных грунтов соответствия между давлением и плотностью перед их испытанием на сдвиг. Это достигается путем обжатия заданной нагрузкой проб грунта, помещенных в ванну с водой.

На плите стола 1 установлены стаканы с ванной 13, в которых и производится уплотнение грунта. Конструкция стаканов позволяет переносить у плотненную пробу грунта в срезыватель прибора для испытания её на сдвиг.

Передача вертикальной сжимающей нагрузки на образец осуществляется при помощи сектора 16 (рис.11.4) и рамы, состоящей из верхнего коромысла 11, нижнего коромысла 14 и стяжек 12. В верхнее коромысло ввернут нажимной винт 10, который непосредственно и давит на грунт в стакане. Винт должен быть ввернут до предела, когда сектор займет горизонтальное положение.

Для проведения лабораторных исследований вставляют гильзу 4 (рис.11.4) в нижнюю обойму 3, а верхнюю гильзу 5 в верхнюю обойму 6 прибора предварительного уплотнения грунта. Свинчивают верхнюю и нижнюю части стакана с помощью специального ключа, поставляемого вместе с прибором.

Собранный стакан острым краем ставят на монолит грунта. Лишний грунт удаляют острым ножом с таким расчётом, чтобы стакан вдавливался в грунт с небольшим усилием. Срезание грунта следует выполнять тонким слоем, начиная сверху. Затем разбирают стакан, зачищают грунт вровень с краями гильзы и собирают стакан. Если отбор пробы грунта производится верхней гильзой, то после её отбора зачищают грунт вровень с краями гильзы и собирают стакан.

После этого в ванну 1 (рис.11.5) помещают нижний штамп 2. Пробу грунта в стакане покрывают с двух сторон фильтровальной бумагой и стакан устанавливают на нижний штамп. При этом следует убедиться, что штамп вошел в стакан.

Сверху на грунт ставят верхний штамп 7 и продавливают грунт до соприкосновения его с нижним штампом. Ванну со стаканом ставят на стол прибора, так, чтобы шпенёк ванны вошел в отверстие стола. В углубление верхнего штампа помещают стальной шарик, а рамку с ввернутым в верхнее коромысло нажимным винтом ставят на стакан таким образом, чтобы углубление в нижнем диске легло на шарик.

1 – ванна; 2 – нижний штамп; 3 – нижняя обойма; 4 – нижняя гильза; 5 – верхняя гильза; 6 - верхняя обойма; 7 – верхний штамп; 8 – стальной шарик.

Рис. 11.5. Стакан с ванной

Сектор 16 прибора для уплотнения грунта (рис.11.4) освобождают от стопорения, ослабив стопорный винт 17, и вворачивают нажимной винт до такого предела, при котором сектор занимает горизонтальное положение. Затем приступают к установке индикаторов 7 на консоли индикаторов 8 , закрепляют их винтом и производят загрузку подвески. Груз массой 0,8 кг создает давление на образец 0,05 МПа. Последующие грузы, помещённые на подвеску, создают давление: 0,025 МПа при массе 1 кг; 0,05 МПа при массе 2 кг и 0,1 МПа при массе 4 кг. Наблюдение за осадкой грунта производят по индикатору или по шкале. Фиксация прекращения осадки или разбухания грунта ведётся при помощи стрелки 5 и шкалы 4 прибора (рис. 11.4). Более точное определение момента прекращения осадки (разбухания) грунта производится индикаторами 7, установленными на консоли 8.

Сдвиг грунта на приборе ПСГ-2М (рис.11.1) производится путём приложения сдвигающей нагрузки грузами через секторный рычаг 3. Нормальное давление на образец грунта передается с помощью сектора 16. Для этого грузы укладываются на подвеску 17. Далее нагрузка передается через сектор 16, рамку, состоящую из верхнего коромысла 8, нижнего коромысла 12 и тяг 10, на образец, расположенный в срезывателе.

Устанавливают два индикатора: один - для контроля вер­тикальных деформаций грунта, другой - для замера деформаций сдвига.

К образцу прикладывают требуемое сжимающее давление. При этом давлении образец выдерживают 15 мин. Испытания начинают при меньшем значении вертикального давления. На­грузку на рычаге рассчитывают по формуле

где: Р - сжимающее давление в Н/см²,

F - площадь образца в см²,

т - силавеса тяговой рамы прибора в Н,

z - кратность увеличения нагрузки рычагом.

В данном приборе для получения сжимающего давления Р = 10 Н/см² на подвеску рычага нужно установить груз массой:

Таким образом, для получения сжимающих давлений 10; 20 и 30 Н/см² нужно соответственно установить на подвеске грузы массой: 3,57; 7,57 и 11,57 кг.

Первая ступень касательных напряжений в плоскости сдви­га принимается равной 20% сжимающего давления. В дальней­шем касательные напряжения увеличиваются ступенями, рав­ными 2,5 - 1,25 Н/ см². При этом нужно иметь в виду, что 10 Н горизонтального усилия на подвеске дает касатель­ное напряжение, равное 2,5 Н/см².

Добавление нагрузки каждой последующей ступени производят после того, как деформация сдвига от предыдущей ступени нагрузки не будет превы­шать 0,01 мм за 2 мин.

После стабилизации деформации сдви­га каждой ступени снимают показания горизонтального инди­катора.

Касательные напряжения увеличивают ступенями до разру­шения образца (среза). При четко проявившемся срезе стрелка индикатора сделает ряд быстрых оборотов. При отсутствии чет­ко выраженных признаков среза момент разрушения и соот­ветствующие касательные напряжения устанавливают по гра­фику (рис. 11.6).

Рис. 11.6. График зависимости деформаций сдвига от касательных напряжений.

Затем производят испытания при других значениях сжима­ющих давлений. Минимальное количество срезов - два. Эти два среза можно сделать на одном образце. В этом случае нужно с помощью ключа поднять дно нижней обоймы 3 (рис.11.5)так, чтобы ниж­ний перфорированный диск 2 вошел в нижнее кольцо на 0,5 его высоты.

Обычно испытывают три образца при различных сжимающих давлениях. Обработку результатов испытания проводят в следующем порядке. Результаты замера деформаций сдвига записывают в виде таблицы 11.1 и строят график, выражающий зависи­мость деформаций сдвига от касательных напряжений (рис. 11.6).

Таблица 11.1

Форма записи данных испытания на сдвиг

(Начальный отсчёт по индикатору – 2; испытание проводится без замачивания образца)

№ образца	Горизонтальное усилие на подвеске, Н	Касательные напряжения t, Н/см2	Показания индикатора деформаций сдвига	Деформация сдвига х, мм	№ образца	Горизонтальное усилие на подвеске, Н	Касательные напряжения t, Н/см2	Показания индикатора деформаций сдвига	Деформация сдвига х, мм
Давление на грунт Р = 10 Н/см2	Давление на грунт Р = 30 Н/см2
		2,5	2,09	0,09				2,12	0,12
	5,0	2,23	0,23		7,5	2,22	0,22
	7,5	2,48	0,48			2,35	0,35
	8,0	2,56	0,56		12,5	2,51	0,51
	8,5	2,72	0,72	5,5	13,75	2,64	0,64
	9,0	-	Разрушение			2,85	0,85
			6,2	15,5
			6,4		-	Разрушение

Затем строят график зависимости касательных напряжений от сжимающих давлений (рис. 11.7).

		t, МПа

С

y2

y1

0

0,4

0,3

0,2

0,1

Р, МПа

Рис. 11.7. График зависимости касательных напряжений в грунте от величины вертикального давления

Окончательно результаты испытания записывают в виде таблицы 11.2.

Таблица 11.2

Форма записи результатов испытания грунта на сдвиг

Давление уплотнения Н/см2	Давление испытания Р, Н/см2	Предельное касательное напряжение t, Н/см2	Коэффициент сдвига, tgj	Коэффициент внутреннего трения, tgy	Угол внутреннего трения, j 0	Сцепление С, Н/см2
		8,5	0,85	0,35
		15,5	0,52

Примечание: Физические характеристики грунта: W_T = 34%; W_P = 20%; W_{П =} 12; W = 18,3%; g_у = 2,7 г/см³; g₀ = 1,79 г/см³; e₀ = 0,78; G = 0,63.

Коэффициент внутреннего трения tgj (а по нему - угол внутреннего трения j ⁰)определяют по формуле

где t₂ и t₁ — предельные касательные напряжения в Н/см²;

Р₂ и Р₁ - вертикальное давление на грунт в Н/см².

Сцепление вычисляют по формуле

Величину коэффициента общего сдвига tgy получают no формуле

где: t - предельное касательное напряжение в Н/см²;

Р - вертикальное давление в Н/см².

По данным табл. 11.1 с учетом графика на рис. 11.6 имеем: коэффициент внутреннего трения

угол внутреннего трения j = 19⁰;

сцепление С = 8,5 - 10×0,35= 5,0 Н/см²;

коэффициент общего сдвига (рис. 11.7)