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




22.04.2019


22.04.2019


21.04.2019


21.04.2019


19.04.2019


17.04.2019


09.04.2019


09.04.2019


03.04.2019


03.04.2019





Яндекс.Метрика

Контакты | Карта сайта
         » » 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.