Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




20.04.2018


20.04.2018


20.04.2018


20.04.2018


20.04.2018


20.04.2018


19.04.2018


18.04.2018


18.04.2018


18.04.2018





Яндекс.Метрика
         » » Лабораторные исследования грунтов

Лабораторные исследования грунтов

28.11.2015

В последние годы интенсивно развивается нелинейная механика. Грунты рассматривают с позиций механики сплошной упругопластической среды. Особое значение приобретают испытания грунтов в условиях двух и трёхосного деформирования.
Рассмотрим основные методы лабораторных определений физико-механических свойств грунтов. Гранулометрическим составом называют содержание в породе частиц различной крупности (фракций), выраженное в процентах к массе абсолютно сухого грунта. Для связных грунтов гранулометрический состав определяют ареометрическим методом или методом пипетки. Эти методы основаны на различной скорости оседания частиц в воде. Скорость оседания рассчитывают по формуле Стокса. Гранулометрический состав несвязных пород определяют с помощью ситового анализа путём просеивания грунта через набор сит и взвешивания остатков на каждом сите. По результатам определений строят кривую гранулометрического состава (интегральная кривая или кривая однородности) в полулогарифмическом масштабе; циклограммы, треугольники Фере. Коэффициент неоднородности грунта
U60/10 = d60/d10,

где d60 и d10 - диаметры частиц, меньше которых в данной породе содержится 60 и 10% частиц по массе.
Основными физическими характеристиками являются: плотность твёрдых частиц рs, плотность грунта р, естественная влажность ω, границы пластичности ωw, и ωp. По этим данным вычисляют производные характеристики:
Лабораторные исследования грунтов

где ρd - плотность сухого грунта; n - пористость; е - коэффициент пористости; Jp - число пластичности; Jw - показатель текучести; Sr - степень влажности; ω0 - полная влагоёмкость; ρw - плотность воды.
Песчаные грунты классифицируются по гранулометрическому составу, плотности сложения, степени влажности. Классификацию по плотности сложения выполняют по коэффициенту пористости, удельному сопротивлению зонда при статическом зондировании и по условному динамическому сопротивлению погружения зонда при динамическом зондировании. Песок часто характеризуют величиной относительной плотности
Лабораторные исследования грунтов

где ddрых и ddпл - плотности песка в предельно рыхлом и предельно плотном состояниях. При D ≤ 1/3 - грунт рыхлый; D = 1/3...2/3 -средней плотности; D = 2/3...1 - плотный.
Компрессионные испытания. Проводят с целью определения деформационных характеристик грунта: модуля деформации Е, коэффициента уплотнения а, коэффициента относительной просадочности δst. Испытания выполняют на компрессионных приборах (одометрах) и стабилометрах (рис. 1.1).
Лабораторные исследования грунтов

Модуль деформации вычисляют по формуле
Лабораторные исследования грунтов

где е0 - начальный коэффициент пористости; β - коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта (для песка β = 0,74; суглинка - 0,62; глины - 0,4);
α = (e1-e2)/(p1-p2),

p1 - природное, p2 - предлагаемое давление под подошвой фундамента.
Лабораторные исследования грунтов

Модули деформации, определённые с помощью компрессионных испытаний Ес, корректируют путём умножения на коэффициент mk (табл. 1.1). Корректировка осуществляется путём сопоставления результатов испытаний того же грунта в полевых условиях штампом (Est).
Е = Еst = Еcmk.

Оценка напряжённого состояния грунтов по изменению потока инфракрасного излучения. Известно, что при нагружении материала происходит изменение его напряжённого состояния. Функциональная зависимость имеет вид
ΔT = αT0/ρсφ * ΔП,

где ΔТ - изменение температуры материала, К; α - коэффициент линейного расширения, 1/К; Т0 - начальная температура материала, К; сφ - удельная теплоёмкость, Дж/кг*К; ρ - плотность материала; АП -изменение первого инварианта тензора напряжений, Па.
Лабораторные исследования грунтов

Изменение температуры может быть зарегистрировано с помощью инфракрасной радиометрии. На рисунке 1.2 приведена схема компрессионного прибора конструкции МИСИ с одновременной регистрацией вертикального и бокового давления в образце, осадок, плотности потока излучения ΔW.
Результаты опытов представлены графиками
s = f[ΔП = Δ(σ1 +σ2 + σ3) = Δ(1 + 2ξ0)σ1] и s = F(ΔW).

Зависимость ΔW = f(АП) в песках имеет линейный характер. Коэффициент термоактивности грунта
Δ = ±ΔW/ΔП

в значительной степени зависит от начальной плотности и влажности грунта.
Лабораторные исследования грунтов

Предложен метод компрессионных испытаний грунтов в режиме релаксации напряжений. Суть метода заключается в ступенчатом, условно-мгновенном деформировании образца при последующем контроле изменения напряжений и деформаций.
В последнее время начинают уделять внимание воздействию на грунт повторных и импульсных нагрузок. Для проведения испытаний требуется более сложное лабораторное оборудование. На рисунке 1.3 приведена схема установки для испытания на сжимаемость оттаивающих песчаных грунтов.
Лабораторные исследования грунтов

В ряде случаев испытания грунтов необходимо проводить в условиях изменяемой силы тяжести (в центрифугах) или с заданной скоростью деформирования.
Испытания на плоский сдвиг. Основными прочностными характеристиками грунта являются: удельное сцепление С и угол внутреннего трения φ. Определяют их на сдвиговых приборах (рис. 1.4) и в стабилометрах (рис. 1.5). Сдвиговые испытания ведут по следующим схемам: медленный срез предварительно уплотнённого до полной консолидации образца грунта (консолидировано-дренированное испытание) и быстрый срез без предварительного уплотнения (неконсолидировано-недренированное испытание). В приборах трёхосного сжатия проводят следующие испытания: недренированное, консолидировано-недренированное, дренированное. Недренированные испытания проводят при отсутствии дренирования воды в течение всего опыта. Консолидированно-недренированное испытание отличается тем, что дренирование обеспечивается в процессе приложения гидростатического давления, и образец полностью уплотняется. При приложении осевых нагрузок дренирование отсутствует. Дренированное испытание характеризуется возможностью дренирования в течение опыта.
Лабораторные исследования грунтов
Лабораторные исследования грунтов

Ползучесть при сдвиге. Установлены следующие виды деформаций сдвига глинистых грунтов во времени:
- начальная условно-мгновенная;
- деформация неустановившейся (затухающей) ползучести, завершающаяся: полной стабилизацией деформации; переходом в установившуюся ползучесть; переходом в прогрессирующую ползучесть (рис. 1.6).
Деформация прогрессирующей ползучести. Кривые ползучести грунта строят в координатах «γ-t» при различных величинах касательных напряжений (γ - сдвиговые деформации).
Лабораторные исследования грунтов

Кривую длительной прочности представляют в координатах «τ-t». Чем больше величины сдвигающей нагрузки, тем быстрее наступает момент прогрессирующей ползучести.
Такие исследования проводили на кафедре КЗиС ФГБОУ ВПО «ТГТУ» (В. В. Леденёв, В. М. Антонов). В опытах изменяли уровень нагрузки, угол и эксцентриситет приложения силы.
Приборы трёхосного нагружения. По характеру приложения нагрузки различают статические и динамические приборы, по принципу работы - четыре типа: А, Б, С, Д. Стабилометры типа А имеют следующие особенности: образец находится под воздействием всестороннего давления, равного боковому; при сжатии образца объём воды в камере меняется как в результате бокового расширения, так и вследствие вхождения в камеру части штока. Цилиндрический образец грунта помещают в резиновую оболочку и устанавливают между верхним и нижним пустотелыми поршнями в герметически закрытую камеру. Поверхности поршней со стороны торцов образца снабжены пористыми или перфорированными металлическими дисками. Внутренние поверхности поршней при помощи трубок соединены с устройствами для насыщения грунта водой и приёма воды, отжимаемой во время опытов. Создают всестороннее давление воды или воздуха на образец. Затем через шток при помощи пресса передают добавочное давление на торцы образца. В процессе испытания замеряют осевые и поперечные деформации. Можно сохранять или снижать боковое давление при постоянном вертикальном, либо менять то и другое в соответствии с программой.
В стабилометре типа Б передачу осевого давления на образец осуществляют через поршень одинакового с ним диаметра без входящего в камеру меньшего диаметра. Вследствие этого, расширение при сжатии возможно лишь при удалении части воды. Отличительной особенностью стабилом типа А и Б является асимметричное напряжённое состояние при сжатии.
В стабилометрах типа С можно произвольно и независимо друг от друга менять главные напряжения или деформации по всем трём осям. Рабочую полость прибора изготавливают в форме куба. Полость ограничена шестью стенками, в каждой из которых имеется камера давления, закрытая резиновой мембраной. Давление в рабочих камерах создают нагнетанием в них глицерина. Камеры давления соединены с тарировочными трубками из барометрического стекла - волюмометрами, служащими для замера деформаций.
В приборах типа Д давление передают на боковые и торцевые поверхности полого цилиндрического образца, помещённого между жёсткими дисками. Верхний диск может создавать деформацию кручения. Разрушение образца происходит при определённом соотношении наружного и внутреннего давлений, осевого усилия и крутящего момента.
Принимают две основные схемы нагружения: управляемого усилия и управляемой деформации. Во втором случае давление от штока передают на образец при принудительном его перемещении с определённой скоростью. Для подачи штока часто используют винтовой домкрат, приводимый в движение мотором через редуктор. Циклические и импульсные нагрузки создают при помощи пульсационных вставок.
Наблюдения показывают, что разрушение происходит путём среза (сдвига) массива по определённым поверхностям скольжения.
Кулоном Ш. в 1773 г. предложено следующее уравнение прочности в виде зависимости между касательным т и нормальным σn напряжениями по площади сдвига:
τn = σn tgφ + с.

Условие прочности Мора имеет вид
sinφ = σ1 - σ2 / σ1 + σ2 + 2c ctgφ

По предложению Хилла-Треска разрушение происходит по площадкам, которые параллельны σ2 и наклонены к направлению σ1 под углом 45°
τn = σn tgφ45 + c45.

Маслов Н.Н. предложил уравнение прочности глинистых грунтов на сдвиг в виде
Sp,ω = pn tgφω + Σω + cc,

где pn - действующее на площадке среза нормальное напряжение; φω - истинный угол внутреннего терния; Σω - связность водноколлоидной структуры; cc - структурное сцепление.
По теории Мизеса-Шлейхера-Боткина рассматривается предельное напряжённое состояние по октаэдрической (равнонаклонённой в осях σ1, σ2, σ3) площадке
τoct = σoct tgpoct + koct,

где σoct, τoct - значение нормального и касательного напряжений на октаэдрической площадке
Лабораторные исследования грунтов

где рoct, koct - характеристики прочности, аналогичные углу внутреннего трения и удельного сцепления.
При испытании тугопластичных и твёрдых грунтов на одноосное сжатие
τ = c ≈ σ1/2.

Пенетрация. Погружение наконечников на глубину, меньшую высоты наконечника (h < hкон), называют пенетрацией, а на глубину, превышающую высоту наконечника, - зондированием. Основной характеристикой пенетрации является удельное сопротивление, равное отношению усилия пенетрации к квадрату глубины погружения конического наконечника h2, т.е.
R = F/h2.

Важным является условие инвариантности однородных грунтов, т.е. независимость результатов испытаний от действующего усилия и соответствующей глубины погружения наконечника:
R = F1/h1 = F2/h2 = const.

В практике, как правило, используют наконечники с углом при вершине 30° и массой 76 г. Удельное сопротивление пенетрации на границе текучести Rf = 0,0075 МПа, на границе пластичности Rp = 0,218 МПа. Коэффициент консистенции водонасыщенных связных грунтов нарушенной структуры
Мk0 = 0,715 1gR0/Rf = 1,522 + 0,715 lg R0.

Испытание грунтов методом вращательного среза. Удельным сопротивлением вращательному срезу τ называется отношение максимального момента, вызывающего поворот наконечника к статическому моменту поверхностей среза Kτ (константе наконечника):
τ = Mmax/Kτ.

При погружении наконечника в грунт на высоту крылок вращательный срез выполняется по цилиндрической и одной круговой поверхностям:
Лабораторные исследования грунтов

Учёт структурной прочности грунтов природного сложения. Сведения по этому вопросу можно найти в работах Н.Я. Денисова, А.К. Ларионова, Н.Я. Цытовича, М.Н. Гольдштейна, В.Д. Ломтадзе.
Шишкиным А.Г. рассмотрена вязкоупругопластическая модель слабого глинистого грунта. В ней воплощается идея раздельного описания сдвиговой и объёмной упругости. Деформации уплотнения εvp(р, v) и формоизменения γp(р, v) определяют из стандартных испытаний. Набор зависимостей полностью определяет вектор пластических деформаций при заданном приращении напряжений.
Нарушение природной структуры слабых грунтов приводит к кардинальному увеличению деформативности образцов. Прочность грунта при этом изменяется менее значительно. Расструктуривание образцов при отборе и транспортировке является причиной значительного различия скоростей деформирования в лабораторных и полевых испытаниях.