Испытание грунтов на трехосное сжатие

Для испытания грунтов в условиях трехосного сжатия при­меняют стабилометры (рис. 12.1) Они служат не только для определения коэффициента внутреннего трения tgj и сцепления С, но и также модуля общей де­формации и величины порового давления.

1 - база прибора; 2 - верхняя дре­нажная трубка; 3 - резиновые ман­жеты; 4 - стяжной болт; 5 - стенка прозрачного цилиндра; 6 - шток; 7 - диск штока; 5 - стопорный винт; 9 - крышка прибора; 10 — тяга гру­зовой рамы; 11 - подвижный пор­шень; 12 - образец грунта; 13 - ре­зиновая оболочка; 14 - неподвижный поршень; 15 - трубка для подачи во­ды; 16 - нижняя дренажная трубка.

Рис. 12.1. Схематический разрез стабилометра типа ДИИТ.

Характерной особенностью стабилометров является то, что образец грунта находится в них под действием бокового дав­ления, которое является одновременно и всесторонним. Осевое давление не может быть меньше этого давления.

При сжатии образца грунта объем воды в камере стабило­метра меняется как за счет того, что часть штока входит в ка­меру, так и за счет деформации образца.

В зависимости от конкретных условий испытания грунтов в условиях трехосного сжатия бывают: неконсолидированными (по закрытой системе) и консолидированно-дренированными (по от­крытой системе).

При испытании глинистых грунтов нужно иметь не менее двух образцов, при испытании песчаного грунта можно ограничиться одним. Ниже дается описание консолидированно-дренированного испытания глинистого грунта ненарушенной структуры в стабилометре ДИИТ.

Необходимые приборы:

· стабилометр типа ДИИТ (см. рис. 12.1);

· баллон для сжатого воздуха;

· компрессор;

· пресс для зарядки грунтоотборочных гильз d = 6,18 см;

· индикатор с ходом 2,0 или 1,0 см;

· резиновые оболочки d=Q см и h=l7 см;

· резино­вые манжеты d=5,5 см;

· ножи с прямым лезвием;

· технические весы с разновесом;

· сушильный шкаф;

· бюксы; эксикатор;

· фильт­ровальная бумага;

· часы;

· грунтоотборочная гильза.

Проведение опыта.Образец грунта ненарушенной структуры и естественной влажности высотой h =12 см и диаметром d = 6,18 см ( F = 30 см²) отбирают из крупного монолита грунтоотборочной гильзой с помощью пресса. Грунт с гильзой взве­шивают и определяют его объемный вес. Отбирают часть грунта для определения влажности. Затем вычисляют коэффициент по­ристости e₀.

На образец натягивают резиновую оболочку 13 толщиной около 0,2 мм (см. рис. 12.1), а на его торцы накладывают листоч­ки фильтровальной бумаги и перфорированные поршни 11, 14. Если толщина оболочки больше 0,2 мм, то следует учитывать влияние оболочки на результаты испытания.

Образец грунта в резиновой оболочке с верхним и нижним перфорированными поршнями устанавливают в камере на вы­ступе базы стабилометра. Камера прибора ограничена прозрач­ным плексигласовым цилиндром 5.

После установки образца резиновую оболочку закрепляют на перфорированных поршнях и на выступе базы резиновыми манжетами 3.

Цилиндр камеры плотно соединяют с крышкой 9 и базой прибора 1 болтами 4. Для обеспечения плотного примыкания цилиндра в углублении крышки и базы прибора уложены коль­цевые резиновые прокладки.

В камеру через втулку с сальником вводят шток 6 до сопри­косновения с шариком упора и закрепляют его стопорным вин­том 8. После этого, открыв на время отверстие в крышке ста­билометра, камеру заполняют водой через трубку 15 и создают нужное всестороннее давление воды, равное боковому s₂ = s₃. В дальнейшем это давление поддерживается неизменным. Для создания давления воды в камере используется сжатый воздух.

На диск штока 7 устанавливают индикатор. Под действием всестороннего давления происходит предварительное всесторон­нее сжатие образца (уплотнение). Процесс сжатия можно приб­лиженно контролировать с помощью индикатора. Для этого нужно открыть стопор штока и привести шток вновь в соприкос­новение с шариком упора. Индикатор покажет вертикальную де­формацию сжатия при всестороннем давлении.

Начальная нагрузка на шток прибора определяется выра­жением

Q₀ = Q_выт+ Q_тр – Q₁ – Q₂,

где: Q_выт - выталкивающая сила, действующая на шток в Н;

Q_тp – сила трения штока в сальнике при заданном давлении в Н, определяемое тарировкой при нескольких значе­ниях давления воды в камере;

Q₁ – сила веса рамы в Н;

Q₂ - силавеса платформы в Н.

Q_выт = F_шs₃.

здесь F_ш - площадь штока в см²;

s₃ — давление воды в камере в Н/см².

Определенная таким образом начальная нагрузка устанавли­вается на платформе и в дальнейшем не учитывается. В случае отрицательного значения начальной нагрузки Q_o нужно взять более легкую платформу.

Затем записывают начальный отсчет по индикатору, откры­вают стопор штока и производят сжатие образца грунта. Для этого к его торцам прикладывают возрастающее давление q =s₁ - s₃.

Давление q представляет собой девиатор напряжений, т. е. дополнительное давление к всестороннему давлению (рис.12.2).

Рис.12.2. Напряженно-деформированное состояние образца грунта при испытании в стабилометре

Нагрузку на образец увеличивают ступенями. Величину сту­пени нагрузки лучше принимать равной 150; 60 и 30 Н, что по отношению к первоначальной площади сечения образца F=30 см² соответственно создает давление, равное 5; 2 и 1 Н/см².

При каждой ступени давления образец выдерживают до ус­ловной стабилизации практически 5-10 мин. Вертикальные деформации замеряют с помощью индикатора. Сжатие производят до разрушения образца. Разрушение грунта про­исходит вследствие сдвига по наклонной площадке (рис.12.2).

Таким же образом испы­тывают второй образец при другом значении бокового давления s_з.

Обработку результатов испытания проводят в следующем порядке.

Определяют вертикальные деформации образца грунта у в мм и затемотносительные вертикальные деформации

где h^* - высота образца грунта, обжатого всесторонним давлением, в мм.

Определяют площадь поперечного сечения образца с учетом его бокового расширения F₁ и величину дополнительного давле­ния q= Q/F₁ .

Так как на втором этапе трехосного сжатия вертикальная деформация развивается за счет изменения главным образом формы, а не объема образца, то

Затем строят графики, выражающие зависимость относительной вертикальной деформации l_z от девиатора напряжений q, и определяют дополнительное давление а конце интервала, где имеет место линейная зависимость деформации от давления q_np и q_кр (рис. 12.3).

Из рис. 12.3 видно, что при s₃ = 10 Н/см² q_пр = 20 Н/см², q_кр =30 Н/см², а при s₃ = 25 Н/см² q_пр = 30 Н/см², q_кр =40 Н/см².

По этому же графику определяют значение относительной вертикальной деформации l_пр, соответствующей нагрузке q_пр. В данном случае при s₃ = 10 Н/см² l_пр = 0,02, а при s₃ = 25 Н/см² l_пр = 0,024.

Модуль деформации при трёхосном сжатии равен

Затем строят предельные круги напряжений и проводят прямую, касательную к ним (рис. 12.4). При этом большее главное напряжение s₁ = s₃ + q_кр.

Угол внутреннего трения грунта j⁰ и сцепление С определяют графически из рис. 12.4.

Результаты лабораторных исследований сводят в таблицы 12.1 и 12.2.

Рис. 12.3. Графики зависимости относительной вертикальной деформации l_z от девиатора напряжений q при различных значениях бокового давления на образец грунта

Рис. 12.4. Предельные круги напряжений

Таблица 12.1

Форма записи результатов испытания грунтов в стабилометрах

№ образца	Груз на подвеске Q, Н	Показания индикатора	Вертикальная деформация грунта y, мм	Относительная деформация грунта lz×10 -3	Площадь поперечного сечения образца F1, см2	Давление q, Н/см2
	Боковое давление s2 = s3 = 10 Н/см2
	1,50	0,50		30,1
	2,05	1,05		30,3	9,9
	2,62	1,62		30,4	14,8
	3,53	2,53		30,6	19,5
	4,22	3,22		30,8	24,3
	5,00	4,00		31,0
	6,42	5,42		31,4	33,4
	6,90	5,90		31,6	35,1
	7,83	6,83		31,8	36,2
	-	Разрушение	-	-	-
Боковое давление s2 = s3 = 25 Н/см2
	1,38	0,38		30,1
	1,80	0,80		30,2	9,9
	2,31	1,31		30,3	14,8
	2,85	1,85		30,5	19,7
	3,42	2,42		30,6	24,5
	4,06	3,06		30,8	29,2
	5,01	4,01		31,0	33,9
	6,10	5,10		31,4	38,2
	7,00	6,00		31,6	42,8
	8,21	7,21		32,0	44,0
	9,82	8,82		32,5	45,2
	-	Разрушение	-	-	-

Примечание: 1. При s₂ = s₃ = 10 Н/см² начальный отсчёт по индикатору 1,0; h = 120 мм; h^* = 118 мм; начальная нагрузка Q = 0 (без платформы);

2. . При s₂ = s₃ = 25 Н/см² начальный отсчёт по индикатору 1,0; h = 120 мм; h^* = 116 мм; начальная нагрузка Q = 7 Н.

Таблица 12.2

Форма записи результатов испытания грунтов в стабилометрах, необходимых для определения j⁰ и С

Боковое давление s3, Н/см2	Предельное давление qпр, Н/см2	Относительная деформация lпр	Модуль деформации Еот, Н/см2	Критическое давление qкр, Н/см2	Главное напряжение s1, Н/см2	Угол внутреннего трения j 0	Сцепление С, Н/см2
	33,4	0,046		36,8	46,8		12,4
	40,1	0,049		45,2	70,2

Примечание: физические характеристики грунта: W_Т = 26%; W_Р = 18%; W_П = 8; W =16,8%; g_у = 2,71 г/см³; g₀ = 1,83 г/см³; e₀ = 0,73; G = 0,62.

Более точные численные значения параметровj⁰ и С можно получить, используя содержание раздела 1«Методика обработки результатов измерения параметров, характеризующих различные свойства грунтов»данной работы

Вероятностные значения a и b равны

где: n – число опытов в данном испытании;

s₁ и s₃ – большее и меньшее главные напряжения соответственно в Н/см².

При испытании песков, когда С = 0, угол внутреннего трения определяют из выражения

Используя численные значенияs₁ и s₃, представленныев таблице 12.2, получим:

Тогда