Штамповые испытания грунта
В полевых условиях исследование деформационных свойств грунтов производится поэтапным нагружением жестких штампов, установленных в породах, которые будут находится в пределах сферы взаимодействия с сооружением, и заключается в измерении осадок штампа от каждой ступени нагрузки, а также в изучении характера деформации во времени. Методика испытания пород штампами отличается сложностью я трудоемкостью, что связано с монтажем тяжелого оборудования, специальной подготовкой грунтов к испытаниям, значительными затратами времени на изучение характера осадки. Поэтому испытания пород штампами производится лишь на последних стадиях инженерно-геологических исследований под строительство, когда выбрано место "посадки", установлены габариты и ориентировка сооружения, а также передаваемые на грунты нагрузки, тип и глубина заложения фундамента, геологическое строение участка и прочее.
Модуль деформации является показателем cжимаемоcти грунтов, поведение которых описывается теорией линейно-деформируемых тел. Модуль деформации, являющийся при принятых ограничениях величиной постоянной для грунта данного состава и состояния, служит для вычисления осадок сооружений. Его принимают за эталон при оценке модуля деформации, полученного по данным зондирования и прессиометрических испытаний. Кроме определения модуля деформации по данным испытаний грунтов статическими нагрузками на штамп можно оценить осадку грунта под нагрузкой, упругую деформацию грунта, характер развития деформации пород под нагрузкой во времени, критическую (разрушающую) нагрузку, дополнительную осадку (просадку) в просадочных грунтах при их увлажнении под нагрузкой.
В соответствии с представлениями Н.М. Герсеванова (1930г.), процесс осадки, проекающий в грунте под жестким фундаментом и моделируемый с помощью нагрузок на штамп, характеризуется несколькими стадиями.
Стадия уплотнения (участок 1) характеризуется деформациями сжатия скелета грунта, выражающимися в уменьшении пористости. Эту стадию характеризует прямолинейная (либо близкая к ней) зависимость S =f (P ).
Стадия сдвигов (участок 2) соответствует предельному равновесию грунта. Кривая S =f (Р) приобретает криволинейный характер, что свидетельствует о возникновении местных сдвигов, развивающихся в первую очередь по краям подошвы фундамента.
Стадия разрушения (участок 3) характеризуется полным разрушением боковых стенок грунта, т.е. отвечает деформациям, сопутствующим образованию поверхностей скольжения. Конусообразный уплотненный объем грунта перемещается со штампом вниз, почти не встречая сопротивления, а боковое выпирание пород из-под штампа происходит свободно. Этот процесс сопровождается резким возрастанием деформаций при незначительном увеличении нагрузок либо незатухающими деформациями при постоянном значении нагрузок.
Определим модуль деформаций по данным полевых испытаний. Исходные данные представлены в таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Результаты штамповых
испытаний
| Давление P, МПа | S, мм |
| 0,1 | 0.78 |
| 0,2 | 1.94 |
| 0,3 | 3.41 |
| 0,4 | 4.89 |
Испытанный грунт – суглинок полутвёрдый. Глубина испытания – 5,5 м, место испытания – котлован, диаметр штампа – 27,7 см. Коэффициент Пуассона для глины υ=0,35, коэффициент Kp=1.
Модуль деформации определяется по формуле
 | (5.1) |
где υ – коэффициент Пуассона;
Kp – коэффициент,принимаемый в зависимости от заглубления
Штампа;
K1 – коэффициент, принимаемый равным 0,79 для жесткого
круглого штампа;
D – диаметр штампа;
ΔР – приращение давления на штамп в интервале давлений
Р=0,1…0,2 МПа;
ΔS – приращение осадки штампа в интервале давлений
Р=0,1…0,2 МПа.
Подставив исходные данные (υ=0,35; Kp=1; K1=0,79; D=27,7 см; Р1=0,1 МПа; Р2=0,2 МПа; S1=0,078 см; S2= 0,194см) в формулу (5.1) и получим значение модуля деформации.
 МПа |
Таким образом, модуль деформации Е=16,55 МПа.
Зависимость осадки штампа от нагрузки представлена на рисунке 5.2.
Рисунок 5.2 – График осадки штампа
Испытание грунта на сдвиг
Изучение сопротивления грунтов сдвигающим усилиям, возникающим в результате воздействия различных инженерных сооружений, имеет большое значение для правильного расчета устойчивости оснований (несущей способности оснований), оценки устойчивости откосов, расчета давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов.
В настоящее время нет единой точки зрения на природу сопротивления глинистых пород сдвигу. Одни исследователи считают, что сопротивление глинистых пород сдвигу обусловлено только сцеплением между частицами, показателем которого является коэффициент сцепления. Другие полагают, что сопротивление глинистых пород сдвигу зависит как от сил трения, так и от сил сцепления. Показателями сил трения, действующих в грунте, считают угол внутреннего трения и коэффициент трения.
Вследствие неясности природы сопротивления глинистых пород сдвигу и условности разделения его на внутреннее трение и сцепление, некоторые исследователи предлагают вообще отказаться от такого разделения и характеризовать сопротивление глинистых пород сдвигу так называемым углом сдвига φ соответственно тангенс этого угла называют коэффициентом внутреннего трения tgφ.
Сопротивление сдвигу одного и того же грунта непостоянно и зависит от физического состояния грунта - степени нарушенности естественной структуры, плотности, влажности, а также от условий производства испытаний (конструкция прибора, размеры образца, скорость сдвига и т. д.). Для получения наиболее достоверных данных испытания на сдвиг должны всегда проводиться в условиях, максимально приближающихся к условиям работы грунта под сооружением или в самом сооружении.
Показатели сопротивления грунта сдвигу определяются различными способами, среди которых можно выделить три группы:
- способы определения сопротивления сдвигу по одной или двум заранее фиксированным плоскостям в сдвиговых приборах;
- способы определения сопротивления сдвигу путем раздавливания при одноосном и трехосном сжатии;
- способ определения сопротивления сдвигу по углу естественного откоса.
Способы первой группы могут быть в свою очередь разделены на две подгруппы:
- способы поперечного сдвига с конечной плоскостью сдвига;
- способы кольцевого сдвига с бесконечной (замкнутой) плоскостью сдвига.
Лабораторные испытания грунтов для определения показателей трения и сцепления способом поперечного сдвига производят путем среза нескольких образцов исследуемого грунта. При этом в зависимости от характера предварительной подготовки образцов к опыту различают:
- сдвиг нормально уплотненных образцов (завершенное уплотнение), когда образцы перед опытом предварительно уплотняются под разными нагрузками до окончания процесса консолидации; срез каждого образца производится при той же вертикальной нагрузке, под которой он предварительно уплотнялся;
- сдвиг переуплотненных образцов, когда образцы предварительно уплотняются до окончания процесса консолидации, а сдвигаются без нагрузки или при меньших нагрузках;
- сдвиг недоуплотненных образцов (незавершенное уплотнение), когда образцы предварительно не уплотняются или уплотняются в продолжение короткого времени, за которое не наступает полная консолидация; срез производится при различных вертикальных нагрузках.
В зависимости от скорости приложения сдвигающего усилия в процессе опыта различают медленный сдвиг и быстрый сдвиг. При медленном сдвиге сдвигающую силу увеличивают только после прекращения деформации, вызванной предыдущей ступенью этой силы. При быстром сдвиге увеличение сдвигающей силы производят быстро, не дожидаясь прекращения деформаций.
Результаты испытания сопротивления грунтов сдвигу выражаются выражаются виде графика, построенного в осях «σ–τ».
Математически сопротивление грунтов сдвигу выражается уравнением Кулона:
- для песчаных и крупнообломочных грунтов
 | (6.1) |
где τ – сдвигающее касательное напряжение, МПа;
σ – нормальное уплотняющее давление, МПа;
tgφ – коэффициент внутреннего трения.
- для пылевато–глинистых грунтов
 | (6.2) |
где τ – сдвигающее касательное напряжение, МПа;
σ – нормальное уплотняющее давление, МПа;
tgφ – коэффициент внутреннего трения;
с – сцепление, МПа.
Построим график зависимости касательного напряжения τ от нормального напряжения σ и вычислим значения прочностных характеристик грунта φ и с.
Результаты испытаний проб грунта на сдвиг представлены в таблице 6.1.
Таблица 6.1 – Результаты испытания грунта на сдвиг
| Нормальные напряжения σ, кПа | Касательные напряжения τ, кПа |
Строим график по данным на сдвиг, для этого в системе прямоугольных координат в одинаковом масштабе откладываем по оси абсцисс значения нормального напряжения σ, а про оси ординат– значения касателього напряжения τ. Через полученные точки проводим прямую до пересечения с осью ординат. График представлен на рисунке 6.1.
Коэффициент внутреннего трения определяется при помощи графика из соотношения сторон треугольника по формуле
 | (6.3) |
где τ – касательные напряжения;
σ – нормальные напряжения.
Подставим исходные данные (τ3=111 кПа; τ1=56 кПа; σ3=300 кПа; σ1=100 кПа) в формулу (6.3) и получим коэффициент внутреннего трения:
 |
Таким образом, коэффициент внутреннего трения равен 0,28.
Угол внутреннего трения находится как арктангенс коэффициента внутреннего трения:
 |
Значение удельного сопротивления определяем из уравнения Кулона для пылевато–глинистых грунтов по формуле (6.2), подстановкой в неё данных (τ=35 кПа; σ=100 кПа; tgφ=0,2) :
 кПа |
Таким образом, значение удельного сцепления равно 15 кПа.
График сдвига представлен на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 – График сдвига