Описание прибора и оборудования

В состав установки для испытания входят компрессионно-фильтрационный прибор (одометр) (рис.2.1.а) и рычажный пресс секторного типа (рис.2.1.б).

Основой прибора служит база 1, с верхней стороны которой выточено углубление, в котором уложено перфорированное дно 2. Вода через отверстия в дне 2 отводится или подводится к образцу грунта через штуцер 3.

Кольцо-обойма 4 ввинчивается в базу 1 и является направляющим для зажимного кольца 5, в котором находится образец грунта. С одного конца зажимное кольцо 5 заточено в виде ножа.

Стяжное кольцо 6 ввинчивается в кольцо-обойму 4 и прижимает кольцо 5 с грунтом к днищу 2. На образец устанавливается штамп 7, который имеет возможность вертикального перемещения в направляющем зажимном кольце 6. Внутренняя поверхность кольца 4 должна быть смазана машинным маслом.

Система измерения вертикальных перемещений штампа 7 включает консольный держатель 8, на котором закрепляется индикатор перемещений часового типа 9 с ценой деления 0,01 мм.

Рычажный пресс секторного типа включает загрузочную рамку 10, соединенную с тяговым тросом 11 посредством натяжного винта 12 с гайкой 13. К сектору 14 прикрепляется грузовой трос 15 с подвеской 16. Секторный рычаг уравновешивается противовесом 17.

Рычажная система увеличивает вертикальную нагрузку от веса гирь 18 в 10 раз.

Кроме того, необходимо иметь: нож с прямым лезвием, фильтровальную бумагу, ветошь.

Рис. 2.1. Компрессионно-фильтрационный прибор (одометр) конструкции Гидропроекта.

Рис.2.2. Схема установки испытания

2. ПОРЯДОК РАБОТЫ

2.1.ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ

Работа проводится с заранее подготовленным глинистым грунтом пластичной консистенции нарушенной структуры.

2.1.1. Кольцо 5 ставится острым краем на образец грунта и легким нажимом постепенно врезается в грунт. Лишний грунт вокруг кольца 5 удаляется ножом. Верхний и нижний торцы образца очень тщательно выравниваются ножом вровень с краями кольца. После этого кольцо 5 с внешней стороны тщательно очищается, протирается ветошью и смазывается. На торцы образца укладываются кружки фильтрованной бумаги, смоченные водой.

2.1.2. Кольцо 5 с образцом устанавливается острым краем вверх на днище 2 одометра.

2.1.3. На кольцо 5 одевается кольцо-обойма 4, строго соблюдая соосность и исключая перекосы. Силу не применять! Кольцо-обойма 4 ввинчивается в базу 1 до упора.

2.1.4. В верхнюю часть кольца-обоймы 4 ввинчивается стяжное кольцо 6, обращенное острым краем вниз. Оно должно прижать кольцо 5 с грунтом к днищу 2.

2.1.5. Сверху на образец устанавливается штамп 7.

2.1.6. На штамп 7 устанавливают консольные держатели 8 с индикаторами 9.

2.1.7. Смонтированный одометр ставится на панель стола 19 пресса так, чтобы углубление в дне одометра попало на штифт, выступающий из панели стола 19.

2.1.8. В гнездо штампа 7 укладывается шарик.

2.1.9. Упор загрузочной рамки 10, передающий вертикальное усилие, опускается так, чтобы верхняя половина шарика заняла место в углублении упора рамки 10.

2.1.10. Вращением гайки 13 выпрямляется тяговый трос 11. При этом сектор 14 должен занять горизонтальное положение.

2.1.11. Поворотом шкалы индикаторов устанавливают начальный нулевой отсчет стрелок приборов.

2.2. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

Вертикальная нагрузка на образец создается с помощью гирь, устанавливаемых на подвес 16. Гири необходимо ставить очень плавно, без ударов.

Испытание ведется при ступенчато-возрастающей нагрузке. Каждая ступень нагрузки выдерживается до тех пор, пока не наступит условная стабилизация деформации грунта.

По ГОСТу 12248-96 за критерий условной стабилизации деформаций принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм за последние 4 часа наблюдений для песков, 16 часов – для глинистых грунтов и 24 часа – для биогенных грунтов. Учебный опыт производится ускоренно: каждая ступень нагрузки выдерживается 7 минут. Испытание производится при трех ступенях давления: Р₁ = 50 кПа; Р₂ = 100 кПа; Р₃ = 200 кПа.

2.2.1. Загрузить подвеску 16 гирей 3 кг (Р₁=50 кПа) и взять нулевой отсчет времени.

2.2.2. Записать в журнал испытаний отсчеты по индикаторам 9 через 1,3,5,7 минут с момента приложения ступени.

2.2.3. Аналогично произвести испытания при Р₂ = 100 кПа (масса гирь 6 кг) и Р₃=200 кПа (масса гирь 12 кг).

2.2.4. Произвести постепенную разгрузку по ступеням в течение 6 минут (2 минуты на ступень разгрузки) и записать показания индикаторов 9 в журнал.

2.2.5. Произвести разборку прибора в следующей последовательности:

1. Открутить гайку 13 и натяжной винт 12.

2. Снять индикатор 9

3. Снять упор загрузочной рамки 10

4. Разобрать одометр, промыть и протереть ветошью.

2.3.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ.

Результаты испытаний заносятся в журнал:

Журнал испытания грунта методом компрессионного сжатия:

Дата испытаний	№ ступени нагрузки	Время снятия отсчета по индикатору от начала опыта, мин	Масса груза на подвеске рычага, кг.	Давление на образец грунта Р, МПа	Показание индикатора деформации образца, S , мм	Относительная деформация образца	Коэфф. пористостости грунта еi=е0– – (1+е0)
лев	прав

2.3.1. По результатам испытания для каждой ступени нагружения вычисляют:

а) относительную стабилизированную вертикальную деформацию образца _i, за которую принимают деформацию при выдерживании ступени нагрузки в течение 7 минут

(2.1)

где S_i – вертикальная деформация образца к моменту завершения выдержки очередной ступени нагрузки; h – начальная высота образца, равная 25 мм.

б) значение коэффициентов пористости е_i грунта при давлении Р_i в момент окончания выдержки очередной ступени нагрузки, вычисляемые по формуле:

е_i = е₀ – e_i (1+е₀)

где е₀ – начальный коэффициент пористости грунта при нулевом давлении (задается преподавателем).

2.3.2. По вычисленным значениям е_i строят график компрессионной зависимости е_i = f(P_i)

Рис.2.3 График компрессионной зависимости

2.3.3.По графику определяют коэффициент сжимаемости m₀, равный тангенсу угла наклона компрессионной кривой, выровненной в интервале давлений Р_i и P_i+1

m₀ = , МПа^–1 (2.2)

где е_i и е_i+1 – коэффициенты пористости, соответствующие давлениям Р_i и P_i+1.

2.3.4.Модуль деформации Е, МПа в интервале давлений Р_i и P_i+1 вычисляют по формулам:

или Е = (2.3)

где e_i и e_i+1 – значения деформаций относительного сжатия, соответствующие давлениям Р_i и P_i+1;

b – коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе, вычисляемый по формуле

b = 1 – (2.4)

где u – коэффициент поперечной деформации, принимаемый равным: 0,3–0,35 – для песков и супесей; 0,35-0,37 – для суглинков; 0,2-0,3 – при I_L<0, 0,3-0,38 при 0£I_L£0,25; 0,38-0,45 при 0,25<I_L£1,0 – для глин. При этом меньшие значения u принимают при большей плотности грунта.

Модули деформации пылевато-глинистых грунтов, определенные при компрессионных испытаниях, не считаются вполне достоверными. Поэтому они должны корректироваться. Для зданий I и II класса корректировка должна производиться путем параллельно проводимых сопоставительных испытаний штампами, зондированием, либо прессиометрами. Для зданий III класса допускается производить расчет осадок по результатам компрессионных испытаний глинистых грунтов с показателем текучести 0,5< I_L ≤1 с использованием корректировочной формулы:

Е = m_k E_k (2.5)

где Е_к – модуль деформации, определенный по компрессионным испытаниям в интервале давлений 0,1 – 0,2 МПа; m_к – корректировочный коэффициент, определенный на основе массовых сопоставительных испытаний грунтов в компрессионных приборах и штампами в полевых условиях:

Вид грунта	Значение коэффициентов mк при коэффициенте пористости е0 , равном
0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05
Супеси			3,5			-	-
Суглинки			4,5			2,5
Глины	-	-			5,5		4,5

3. ЗАДАЧА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КОНЕЧНОЙ СТАТИЛИЗИРОВАННОЙ ОСАДКИ СЛОЯ ГРУНТА ПРИ СПЛОШНОЙ РАВНОМЕРНО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ НАГРУЗКЕ

Такая задача является одномерной, так как деформации возникают только в вертикальном направлении. Горизонтальных деформаций, как и в компрессионном приборе, нет.

Для определения осадки слоя используют результаты компрессионных испытаний. При расчете принимают, что давление на грунт изменяется от начального природного, рассчитанного для середины слоя, до конечного.

В качестве конечного давления принимают сумму среднего природного давления и дополнительного.

Конечная стабилизированная осадка слоя вычисляется по формуле:

S = (2.6)

Исходные данные: мощность слоя h = 10 м, дополнительное давление Р₀ = 0,2 МПа. Плотность грунта задает преподаватель.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ СДВИГУ

Цель работы – ознакомление с методом одноплоскостного среза и применение параметров прочности при расчете устойчивости подпорной стенки.

Задачи работы: 1) проведение испытания на прямой срез; 2) определение прочностных характеристик грунта; 3) решение задачи с применением прочностных характеристик.

Сопротивление сдвигу характеризует прочность грунтов. В настоящее время считается, что разрушение грунта происходит в тот момент, когда величина касательных напряжений на поверхности разрушения достигает своего предельного значения, равного сопротивлению грунта сдвигу

(3.1)

где j – угол внутреннего трения грунта; С – удельное сцепление; Р и t_пр – нормальные и касательные напряжения, соответственно, действующие на поверхность разрушения.

Цель испытания грунтов на прочность – определить значения t_пр, соответствующие различным значениям Р, выписать систему уравнений (как минимум двух) (3.1), и найти из решения системы два неизвестных – параметры прочности j и С.

Параметры прочности могут быть найдены с помощью разных приборов, например, трехосного сжатия, одноосного сжатия с фиксированной плоскостью разрушения, кручения, вращательного сдвига. Однако наиболее простое и наглядное испытание производят на приборах прямого сдвига, которые по ГОСТ 12248-96 называют приборами одноплоскостного среза.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ МЕТОДОМ

ОДНОПЛОСКОСТНОГО СРЕЗА

1. СУЩНОСТЬ МЕТОДА

1.1.Образцы грунта испытывают в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой. Сдвиг производят возрастающей касательной (горизонтальной) нагрузкой при одновременном воздействии на образец постоянной нагрузки, нормальной к плоскости среза.

1.2.Сопротивление срезу определяют как предельное касательное напряжение, при котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при заданном напряжении Р.

Рис.3.1 Общий вид прибора П10-С для испытания грунтов на сдвиг.

1 – основная часть прибора; 2 – рычажная система для вертикальной нагрузки с подвесками для грузов; 3 – противовес рычажной системы 2; 4 – струбцина для крепления прибора и рычажной системы 2; 5 – рычаг для горизонтальной нагрузки с подвеской и грузами; 6 – индикатор вертикальных перемещений поршня; 7 – индикатор горизонтальных перемещений нижней каретки; 8 – грузовой подвес вертикальной нагрузки; 9 – грузовой подвес горизонтальной нагрузки; 10 приспособление для перемещения образца грунта из гильзы в прибор; 11 – грунтоотборная гильза

Рис.3.2 Разрез по основной части прибора:

1 – индикатор; 2 – шток с поршнем; 3 – цилиндр; 4 – винт тормозной; 5 – разрезная гильза; 6 – каретка; 7 – рычаг; 8 – держатель рычага, 9 – винт упорный; 10 – основание прибора.

2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

Испытание производится на приборе П 10-С (рис.3.1 и 3.2).

В состав прибора входят (рис.3.2):

– Срезная коробка, состоящая из разрезной гильзы 5, имеющей верхнюю неподвижную и нижнюю подвижную часть; внутренний диаметр гильзы 56.5 мм, площадь сечения 25 см², высота 20 мм.

– Подвижная каретка 6, на которую устанавливается нижняя часть разрезной гильзы 5.

– Перфорированный поршень со штоком 2 .

– Два индикатора 1 для измерения вертикальных и горизонтальных перемещений с ценой деления 0.01 мм.

Механизм для вертикального нагружения образца грунта (рис.3.1) состоит их рычажной системы, включающей телескопический рычаг 2 с подвесками для грузов 8 и противовеса 3.

Механизм для горизонтального нагружения (создания касательной нагрузки) (рис.3.1) состоит из рычага 5 с подвеской для грузов 9.

Рычажные системы дают 25 – кратное увеличение нагрузки.

Противовес 3(рис.3.1) служит для предварительного уравновешивания веса рычажной системы вертикальной нагрузки. До загружения подвеса 8 давление на шток поршня 2 (рис. 3.2)должно быть равно 0.

Кроме того, в комплект оборудования должны входить: 1 – грунтоотборная гильза 11 (рис.3.1);2 – приспособление 10 для перемещения образца грунта из гильзы 11 в прибор (рис.3.1); 3 – лопатка;4 – пестик для уплотнения грунта в гильзе; 5 – нож с прямым лезвием;6 – фильтровальная бумага.

3. ПОРЯДОК РАБОТЫ

3.1.ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ

Работа проводится с песчаным влажным грунтом нарушенного сложения. Плотность образцов принимается одинаковой во всех опытах.

3.1.1. Устанавливается прибор на край стола. При помощи струбцины 4 (рис.3.1) основание прибора 10 (рис.3.2) надежно прикрепляют к столу.

3.1.2. С верхней части прибора снимают направляющий цилиндр 3 с траверсой и поршнем 2 (рис.3.2).

3.1.3. Горизонтальными упорными винтами 9 ( рис.3.2), находящимися у основания прибора, завинчивая их до отказа, фиксируют неподвижность каретки 6.

3.1.4. В пазы каретки 6 укладывают нижнюю часть разрезной гильзы 5, а сверху соосно с ней устанавливают верхнюю часть разрезной гильзы 5.

3.1.5. На перфорированное днище прибора укладывают кружок фильтровальной бумаги, смоченной водой.

3.1.6. Образец грунта нарушенной структуры изготавливают в грунтоотборной гильзе 11 (рис.3.1). Для этого гильза ставится на лист бумаги, уложенный на гладкую поверхность стола, и заполняется влажным песчаным грунтом с трамбованием пестиком. Трамбование производится легкими ударами пестика при послойной укладке песка в гильзу. У торцов грунт тщательно выравнивается вровень с краями гильзы. Затем гильза с грунтом взвешивается. Вес гильзы с грунтом не регламентируется, однако во всех опытах должен быть постоянным.

Один из членов бригады определяет влажность грунта (см. лабораторную работу №1)

3.1.7. На режущую заостренную часть гильзы 11 надевают направляющий цилиндр приспособления 10 (рис.3.1) для перемещения образцов грунта и при помощи поршня-выталкивателя образец грунта перемещают в прибор. На верхний торец образца укладывают кружок смоченной фильтровальной бумаги.

3.1.8. Устанавливают на место верхнюю часть прибора с поршнем 2 (рис.3.2) и закрепляют ее с помощью четырех гаек.

3.1.9. Плотно прижимают к поверхности грунта поршень 2, и фиксируют его положение винтом 4 (рис.3.2).

3.1.10. В соответствующих гнездах закрепляют два индикатора 1 (рис.3.2): один для замера деформации сжатия, другой – деформации сдвига. Индикаторы закрепляют в таком положении, чтобы подвижные части ножек были вдвинуты на 70-80 % свободного хода.

3.1.11. Устанавливают телескопический рычаг 2 (рис.3.1) для вертикальной нагрузки, закрепляя его на струбцине 4 (рис.3.1).

3.1.12. Устанавливают подвесы для груза и противовеса 3 и 8 (рис.3.1). Уравновешивают эту рычажную систему, используя гирю противовеса массой 0,5 кг.

3.1.13. Отпускают тормозной винт 4 поршня (рис.3.2).

3.1.14. Устанавливают рычаг для горизонтальной нагрузки 5 с подвеской (рис.3.1)

3.1.15. Поворотные шкалы индикаторов деформации 1 (рис.3.2) устанавливают на нулевые деления.

3.2. ПРОВЕДЕНИЕ КОНСОЛИДИРОВАННО-ДРЕНИРОВАННОГО ИСПЫТАНИЯ

Схема консолидировано – дренированного испытания применяется для определения прочностных характеристик грунта при его 100% консолидации под действием заданного нормального напряжения.

Нагружение образца проводят плавно без ударов, загружая подвесы гирями. Стандартные гири имеют массу 0,1; 0,2 и 0,5 кг. Расчет напряжений, передаваемых на образец, производят из следующих соображений. Рычажные системы вертикальной и горизонтальной нагрузок дают 25-кратное увеличение веса груза. Площадь среза равна 25 см² или 25×10^-4 м².

Нормальная N и сдвигающая Т силы, действующие на плоскость среза равны:

N = 25×Q₁×g, H (3.2)

T = 25×Q₂×g, H (3.3)

где Q₁ и Q₂ – массы грузов на рычагах, создающих вертикальное и горизонтальное усилия, кг.

Нормальные и касательные напряжения вычисляются по формулам:

Р = (3.4)

= (3.5)

Рычаг горизонтальной нагрузки неуравновешен и его собственный вес создает дополнительное сдвигающее напряжение, равное 0,0108 МПа. Поэтому полная величина касательного напряжения равна:

= ^*+0,0108 МПа (3.6)

при расчетах допускается округление (например, Р = 0,0981 МПа= 0,1 МПа)

В дальнейшем описании воспользуемся округленными значениями напряжений.

3.2.2. Определение сопротивления срезу производится не менее чем при трех различных значениях Р. Рекомендуется выполнить три опыта на срез при вертикальных напряжениях: Р₁ = 0,1; Р₂ = 0,2; Р₃ = 0,3 МПа.

Для первого опыта при Р = 0,1 МПа необходимо поставить на подвес 8 (рис.3.1) гири массой 1 кг.

Вертикальную нагрузку выдерживают до условной стабилизации деформации сжатия. Для учебных опытов принимают, что деформация стабилизировалась, если деформация сжатия не превышает 0,1 мм за 1 минуту.

3.2.3. После условной стабилизации вертикальной деформации сжатия образца вывинчивают горизонтальные винты 9 (рис.3.2) на 5-6 мм для обеспечения возможности горизонтального перемещения каретки 6 (рис.3.2)

3.2.4. Горизонтальную нагрузку прикладывают ступенями. Для этого нагружают гирями подвес 9 (рис. 3.1). Гири для каждой ступени выбирают так, чтобы приращение касательных напряжений в плоскости среза не превышало 10 % значения нормального напряжения. Например, при Р₁=0,1 МПа D должно быть не более 0,01 МПа, то есть масса очередной гири не должна превышать 0,1 кг. При Р₂ = 0,2 МПа масса очередной гири не должна превышать 0,2 кг, при Р₃ = 0,3 МПа – 0,3 кг. При достижении 0,6 – 0,7 от ожидаемой величины предельной нагрузки среза ступени нагружения уменьшают в 2-3 раза.

Каждую ступень горизонтальной нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформации сдвига. За условную стабилизацию принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм/мин.

Показания индикатора горизонтальных деформаций при каждой ступени нагружения записывают в журнал испытаний.

3.2.5.Испытание считают законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общая деформация сдвига превышает 5 мм. При срыве в журнале испытаний вместо величины деформации сдвига пишут слово «срез».

3.2.6. После среза прибор перезаряжают, приготовив образец грунта такой же плотности, как и первый. Второй опыт проводят при Р₂ = 0,2 МПа, а третий при Р₃ = 0,3 МПа.

3.2.7. На основании проведенных испытаний сразу же строят график сдвига (см. ниже). Если какая-либо точка графика весьма существенно отклоняется от положения осредняющей прямой, это испытание делают вновь.

3.2.8. После окончания испытаний необходимо разобрать прибор и тщательно очистить от грунта.

Журнал испытаний на срез

Дата испытаний	Давление на образец грунта. Рi , МПа	Масса груза на подвесе рычага сдвигающей нагрузки, Q2i, кг	Сдвигающее касательное напряжение ti = Q2i g 10-2 +0,0108; МПа	Показание индикатора деформации сдвига Dl, мм	Абсолютная деформация грунта в момент среза D lпр, мм

3.3.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

3.3.1. По измеренным в процессе испытания значениям сдвигающей и нормальной нагрузки по формулам (3.4) и (3.6) вычисляют касательные и нормальные напряжения t_i и Р_i и заносят в журнал испытаний.

3.3.2. По измеренным в процессе испытания значениям деформаций сдвига, соответствующим возрастающим касательным напряжениям, строят графики зависимостей Dl = f(t) (см. рис….3) для каждого из трех испытаний.

Рис.3.3 График Dl = f(t)

Рис.3.4 График сдвига пр = f(Р)

3.3.3. При построении графика сдвига t_пр = f (Р) значения t и Р откладываются в одном и том же масштабе: 0,1 МПа – 2 см. По полученным точкам проводится осредненная прямая, которая и называется графиком сдвига.

Угол внутреннего трения j и удельное сцепление С определяют как параметры линейной зависимости (3.1.). Угол j определяется по значению тангенса угла наклона прямой графика сдвига к оси абсцисс; С определяется величиной отрезка, отсекаемого прямой на оси ординат.

Угол внутреннего трения j и удельное сцепление С вычисляют по формулам:

tg j = ; (3.7)

C = ; (3.8)

где n – число испытаний; t_i = t_пр,i – опытные значения сопротивления срезу, определенные при различных значениях Р_i.