Подготовка к испытаниям

Подготовку грунта производят по той же методике, как и при определении границы текучести или используют часть грунта (40–50 г), подготовленного для определения текучести.

Проведение испытаний

Подготовленную грунтовую пасту тщательно перемешивают, берут небольшой кусочек и раскатывают ладонью на стеклянной или пластмассовой пластинке до образования жгута диаметром 3 мм. Если при этой толщине жгут сохраняет связность и пластичность, его собирают в комок и вновь раскатывают до образования жгута диаметром 3 мм. Раскатывать следует, слегка нажимая на жгут, длина жгута не должна превышать ширины ладони. Раскатывание продолжают до тех пор, пока жгут не начинает распадаться по поперечным трещинам на кусочки длиной 3–10 мм.

Кусочки распадающегося жгута собирают в стаканчики, накрываемые крышками. Когда масса грунта в стаканчиках достигнет 10–50 г, определяют влажность. Влажность определяется по вышеприведенной методике.

В табл. 16 показана допустимая разница Δ результатов параллельных определений при определении физических свойств грунтов.

Таблица 16 – Допустимая разница Δ результатов параллельных

определений

Тема 5. Компрессионные свойства грунтов. Методика изучения.

Обработка результатов

Цель работы. Изучение процесса компрессионного сжатия грунта для определения характеристик деформируемости грунта.

Задание.

1. Ознакомиться с принципиальными особенностями существующих типов приборов, используемых для определения сжимаемости грунтов (одометры, стабилометры, компрессионно-фильтрационные приборы).

2. Ознакомиться с методикой проведения опыта на сжимаемость в компрессионном приборе и кратко описать методику лабораторных испытаний грунта. При описании методики отразить особенности выбора схем испытаний, обоснование размера ступеней. Методика определения компрессионных характеристик регламентируется ГОСТ 12248-96 " Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости". Она изложена в разделе 5.4, стр. 24–34 указанного гос. стандарта и кратко приведена ниже.

3. По представленным данным (в соответствии с заданным вариантом), полученным при испытании образца на сжатие без возможности бокового расширения, подсчитать для всех интервалов нагрузок коэффициент сжимаемости (m), модуль общей деформации (Е) и построить компрессионную кривую в координатах e = f (p).

4. Дать оценку сжимаемости грунта по коэффициенту сжимаемости:

m_о ³ 0, 01 – сильносжимаемый, m_о = 0, 01–0, 001 – среднесжимаемый,

m_о < 0, 001 – слабосжимаемый.

5. Сравнить вычисленные значения модуля деформации с нормативными значениями по СНиП 2.02.01–83 " Основания зданий и сооружений".

Контрольные вопросы.

1. Охарактеризовать принципиальные особенности существующих типов приборов для определения сжимаемости грунтов (одометры, компрессионно-филь-трационные и стабилометры).

2. В чем заключается сущность процесса компрессионного сжатия? Какие показатели определяются процессе компрессионных испытаний?

3. Какие разновидности грунтов выделяются по коэффициенту сжимаемости.

4. Какие показатели определяются при компрессионно-фильтрационных испытаниях?

Компрессионные испытания проводятся для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости (m_о), модуля деформации (E), структурной прочности на сжатие P_str, коэффициентов фильтрационной С_υ и вторичной консолидации С_α для песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов с показателем текучести I_L > 0, 25, органно-минеральных и органических грунтов.

Для засоленых (содержащих легко- и среднерастворимые соли) песков (кроме гравелистых), супесей и суглинков в компресионно-фильтрационных приборах определяются характеристики относительного суффозионного сжатия (ε _sf) и начального давления суффозионного сжатия (Р_sf).

Результаты испытаний должны быть оформлены в виде графиков зависимостей деформаций образца от нагрузки и их изменения во времени.

5.1. Общие сведения о методе компрессионного сжатия

и используемом оборудовании

Под компрессией следует понимать сжимаемость образца под действием нагрузок без возможности бокового расширения. При этом диаметр образца не изменяется. Деформация грунта выражается в изменении его высоты (h), которая происходит, главным образом, за счет уменьшения коэффициента пористости (е).

Испытания грунта методом компрессионного сжатия проводят в компрессионных приборах (одометрах) и компрессионно-фильтрационых приборах.

Испытания проводят в диапазоне давлений, которое либо принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт, либо определяется в программе испытаний.

Для испытаний используются образцы различного состояния:

- ненарушенного сложения с природной влажностью;

- водоносыщенные;

- нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности (насыпные грунты).

В состав установки для испытаний грунта в условиях компрессионного сжатия должны входить:

- компрессионный прибор (одометр), состоящий из рабочего кольца с внутренними размерами образца цилиндрической формы диаметром не менее 71 мм и отношение высоты к диаметру 1: 3, 5;

- механизм для вертикального нагружения образца грунта;

- устройство для измерения вертикальных деформаций образца грунта.

Принципиальная схема одометра и компрессионно-фильтрационного приборов приведена на рис. 3 и рис. 4.

Рис.3. Принципиальная схема одометра. Кольцо Терцаги.

1 – бронзовое кольцо; 2 – сосуд; 3 – второе кольцо; 4 – поршень с гнездом для стального шарика, который передает давление от пресса на грунт

Рис. 4. Принципиальные схемы компрессионно-фильтрационных приборов:

1 – корпус; 2 – поддон корпуса; 3 – основание корпуса; 4 – рабочее кольцо; 5 – направляющее кольцо; 6 – перфорированный вкладыш; 7 - перфорированный штамп; 8 – крышка; 9 – втулка; 10 – шток; 11 – спусковая пробка; 12 – штуцер; 13 – резиновая прокладка; 14 – заглушка; 15 – прижимное кольцо верхнее; 16 – прижимное кольцо нижнее; 17 – гайка; 18 – стойка; 19 – шланг; 20 – стеклянная трубка; 21 - индикатор; 22 – держатель индикатора; 23 – опорная пятка индикатора; 24 – шарик; 25 – образец испытываемого грунта

Компрессионный и компрессионно-фильтрационный прибор тарируют на сжатие с помощью металлического вкладыша. Максимальное давление при тарировке принимают равным 1, 0 МПа, нагружение ступенями давления – 0, 05 МПа с выдержкой по 2 мин.

На рис. 5 приведена принципиальная схема установки для испытаний грунта методом трехосного сжатия, дающей возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения при σ 1 ≥ σ 2 = σ 3, где σ 1 – максимальное главное напряжение; σ 2, σ 3 – минимальные, или же промежуточные главные напряжения.

Рис. 5. Принципиальная схема установки для испытаний грунта методом трехосного сжатия

1 – основная камера; 2 – корпус камеры; 3 – вентиль для выпуска воздуха; 4 – шток; 5 – образец грунта в оболочке; 6 – верхний штамп; 7 – нижний штамп; 8 – трубка для дренирования и измерения давления в поровой жидкости; 9 – трубка для заполнения камеры и измерения давления в камере; 10 – манометр; 11 – индикатор; 12 – уплотнитель.

Особенности тарировки камеры трехосного сжатия описаны в гос. стандарте (ГОСТ 12248 – 96 “Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости”, стр. 74 – 75).

5.2. Методика компрессионных испытаний

5.2.1. Подготовка к компрессионным испытаниям

Образец грунта указанного выше размера помещают в рабочее кольцо, взвешивают, покрывают с торцов влажными фильтрами и помещают в компрессионный прибор. При этом проводят следующие операции:

- устанавливают образец на перфорированный штамп;

- регулируют механизм нагружения образца;

- устанавливают прибор для измерения вертикальных деформаций;

- записывают начальные показания приборов.

При необходимости водонасыщение образца проводят путем фильтрации воды снизу вверх под арретиром. Для этого заполняют поддон водой. Водонасыщение проводят для глинистых грунтов в течение 2 – 5 суток, для песков – до момента появления воды под штампом.

При испытании для определения характеристик суффозионной сжимаемости дополнительно к физическим характеристикам должны быть определены: коэффициент фильтрации по ГОСТ 25584 – 90 “Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации”, количество легко- и среднерастворимых солей (степень засоленности) и их качественный состав (по результатам анализа водной и солянокислой вытяжек). По специальному заданию для засоленных глинистых грунтов определяют емкость поглощения и состав обменных катионов.

5.2.2. Проведение испытаний

Определение коэффициента сжимаемости (m_o), модуля деформации (E), структурной прочности на сжатие P_str:

Испытания проводят посредством равномерного нагружения образцов ступенями нагрузки. Первая и последующие ступени давления назначаются в зависимости от типа грунта.

При испытании песков, в том числе заторфованных, первая ступень нагрузки (Р₁) принимается в зависимости от коэффициента пористости – е по табл. 15. Последующие ступени давления Р_i принимают равными 0, 0125; 0, 025; 0, 05; 0, 1 МПа и далее с интервалом 0, 1 МПа до заданного значения нагрузки.

Таблица 17 – Величины ступеней давления в зависимости от коэффициента пористости

Глинистые грунты обладают структурной прочностью. Для определения структурной прочности на сжатие P_str глинистых, в том числе органно-минеральных, первую и последующие ступени давления принимают равными 0, 0025 МПа до момента начала сжатия образца грунта. Начало сжатия следует считать при относительной вертикальной деформации образца грунта ε > 0, 005. Дальнейшее нагружение образца осуществляется ступенью давления, которая равна большему ближайшему значению вышеуказанных ступеней давления Р_i.

При определении структурной прочности P_str глинистых водонасыщенных грунтов следует учитывать возможность их разуплотнения после отбора образца и подъема его на поверхность посредством определения величины относительного разуплотнения (ε _i), вычисляемой по формуле (3)

, (3)

где – увеличение высоты образца при разуплотнении, см;

– высота образца до испытания, см;

е_о – начальный коэффициент пористости грунта после подъема образца на поверхность;

S_r – коэффициент водонасыщения грунта после подъема образца на поверхность.

На каждой ступени нагружения образца грунта снимают отсчеты по приборам для измерения вертикальных деформаций. Отсчеты снимают в следующей последовательности: первый отсчет – сразу после приложения нагрузки, затем через 0, 25; 0, 5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 минут и далее с интервалом 1ч в течение рабочего дня, а затем в начале и конце рабочего дня до условной стабилизации деформации образца.

За критерий условной стабилизации деформации образца принимают скорость деформации образца, не превышающую 0, 01 мм за последние 4 ч наблюдений для песков, 16 ч – для глинистых и 24 ч – для органно-минеральных и органических грунтов.

Вышеизложенное о назначении ступеней давления и времени их выдержки рекомендуется применять при испытании насыпных грунтов с заданными плотностью и влажностью. Для данных грунтов ступени давления и время их выдержки могут назначаться в зависимости от начального коэффициента увлажнения К_w по таблице 18.

Таблица 18 – Величины ступеней давления и времени их выдержки в зависимости от начального коэффициента увлажнения

При разгрузке образца регистрация деформации образца производится в последовательности обратной порядку нагружения с учетом упомянутого выше критерия условной стабилизации.

После окончания испытания образца грунта необходимо удалить воду сверху образца и из поддона, опустить арретир, снять нагрузку, взвесить рабочее кольцо с грунтом, определить влажность и массу сухого грунта.

Результаты испытаний заносятся в журнал, имеющий нижеприведенную форму.

Журнал

испытания грунта методом компрессионного сжатия

Номер образца___________

5.2.3. Обработка результатов

По результатам испытаний грунта в компрессионном приборе определяется величина относительной деформации сжатия образцов грунта (e) при соответствующих значениях давлениях (Р, МПа) по формуле 4:

(4)

где Dh_i – абсолютная деформация, мм; h – высота образца, мм

По величинам относительной деформации строится график зависимости относительных деформаций от вертикального давления e = f (p). На рис. 6. приведен образец графического оформления результатов испытания грунта.

Вычисляют коэффициенты пористости (е_i) по значениям относительной деформации (e_i) взятым с графика при любом давлении (Р_i) по формуле:

е_i = е_о – e_i (1+ е_о), (5)

где е_о – начальный коэффициент пористости.

Коэффициент сжимаемости m_o, МПа^-1, в заданном интервале давлений Р_i и P_i+1. вычисляется с точностью 0, 001 МПа^-1 по формуле:

(6)

где е_i, е _i+1 – коэффициенты пористости, соответствующие давлению P_{i+1 ……}Р_i;

Модуль деформации Е, МПа в интервале давления от Рi и Р_i+1. Вычисляют с точностью 0, 1 МПа по формуле:

, (7)

где m_i - коэффициент сжимаемости, е_о – коэффициент пористости, b - поправка, учитывающая отсутствие бокового расширения грунта в компрессионном приборе, принимаемая для песков – 0, 8, супесей – 0, 7, суглинков – 0, 5, глин – 0, 4.

5.3. Варианты заданий для определения характеристик m_i, Е_i

Во всех заданиях приведены результаты компрессионных испытаний грунтов при естественной влажности. В таблице 19 приведены показатели физических свойств, полученные лабораторными методами. По известным формулам (табл. 10) рассчитать остальные показатели и заполнить таблицу 19.

В таблице 20 для вышеуказанных вариантов приведены значения абсолютной деформации грунта, полученные в результате компрессионных испытаний грунта.

В таблице 21 по ниже приведенной форме привести результаты обработки компрессионных испытаний.

Таблица 19 – Физические свойства грунтов

Продолжение таблицы 19

Таблица 20 – Результаты компрессионных испытаний

Условия испытаний. При естественной влажности. Высота кольца – 2, 5 см

Продолжение таблицы 20

Таблица 21 – Обработка результатов компрессионных испытаний

Построить график зависимости относительной деформации от давления. Структурную прочность грунта (Р_str) принять равной 0, 01МПа.

Рис. 6. График e = f (p)

Масштаб графиков: по горизонтали 10 мм – 0, 025 МПа для Р; по вертикали 10 мм – 0, 02 для e.

А – точка графика, принимаемая по ординате равной e = D h_н / h; Р_str – структурная прочность при испытании грунта в компрессионном приборе

Вывод сделать по следующей схеме: Наименование типа грунта, разновидности по показателю текучести, привести значения показателей природной влажности, плотности и коэффициента пористости, отметить особенность изменения величины относительной деформации, коэффициента уплотнения и модуля деформации в интервале нагрузок.

Тема 6. Прочностные свойства грунтов. Методика изучения.

Обработка результатов

Цель работы. Ознакомиться с методом и методикой определения сопротивления срезу образцов грунтов на одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза, применяемых при исследованиях грунтов оснований фундаментов зданий и сооружений.

Задание.

1. Ознакомиться с ГОСТ 12248 – 96 " Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости". Дать краткое описание прибора, используемого для определения прочностных характеристик по методу одноплоскостного среза.

2. Ознакомиться с методикой проведения опыта на срез. Описать методику лабораторных испытаний грунта. При описании методики отразить применяемые схемы испытаний, особенности их выбора и обоснование размера ступеней прилагаемой нагрузки.

3. По представленным данным, полученным при испытании образца на срез построить график зависимости сопротивления грунта срезу от нормального давления, τ = ƒ (σ).

4.Вычислить по формуламугол внутреннего трения φ ^о и удельное сцепление С, МПа.

5. По результатам лабораторных испытаний сделать вывод о прочности исследованного образца грунта.

Контрольные вопросы.

1. В чем заключается сущность метода одноплоскостного среза?

2. Охарактеризуйте основные схемы испытаний грунтов методом одноплоскостного среза. Каковы основные критерии выбора схемы испытаний и размера ступеней нагрузок?

3. Охарактеризовать принципиальные особенности установки, используемой для испытаний образцов грунта методом одноплоскостного среза

4. В чем заключаются особенности проведения испытаний образцов по схеме консолидированного-дренированного одноплоскостного среза?

5. В чем заключаются особенности проведения испытаний образцов по схеме неконсолидированного-недренированного одноплоскостного среза?.

6. Какие способы используются при обработке результатов, полученных при испытании образцов грунтов методом одноплоскостного среза? В чем суть этих способов?

6.1. Общие сведения о методе одноплоскостного среза

и используемом оборудовании

Испытание грунта методом одноплоскостного среза проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивления грунта срезу (τ, МПа); угла внутреннего трения ( φ ^о); удельного сцепления (С, МПа) для песков (кроме гравелистых и крупных), глинистых и органо-минеральных грунтов.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза. Недопускается испытывать грунты, выдавливаемые в процессе испытания в зазор между подвижной и неподвижной частями срезной коробки.

Сопротивление грунта срезу определяют как предельное среднее касательное напряжение, при котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при заданном нормальном напряжении. Для определения удельного сцепления (С, МПа) и угла внутреннего трения ( φ ^о) необходимо провести не менее трех испытаний при различных значениях нормального напряжения.

Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или в водонасыщенном состоянии, или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности (в т.ч. при полном водонасыщении), или образцы, отобранные из уплотненного массива, для искусственно уплотненных грунтов.

Образцы просадочных грунтов испытывают в водонасыщенном состоянии. В необходимых случаях сопротивление срезу для просадочного грунта может определяться при природной влажности или при влажности на границе раскатывания, если последняя превышает природную.

Образцы набухающих грунтов испытывают при природной влажности. В необходимых случаях - в условиях полного водонасыщения после стабилизации свободного набухания или набухания (уплотнения) при заданном нормальном давлении.

Образцы засоленного грунта испытывают после предварительно выщелоченного грунта после стабилизации суффозионной осадки при заданном нормальном давлении.

Образцы насыпных грунтов – при их максимальной, требуемой или достигаемой плотности.

Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой от 1/2 до 1/3 диаметра. Для однородных глинистых грунтов (без включений) допускается при испытаниях в полевых лабораториях уменьшать диаметр образца до 56 мм.

В состав установки для испытания грунта методом одноплоскостного среза должны входить:

- срезная коробка, состоящая из подвижной и неподвижной частей и включающая рабочее кольцо с внутренними размерами не менее 70 мм, жестких сплошного и перфорированного штампов;

- механизм для вертикального нагружения образца;

- механизм создания касательной нагрузки;

- устройства для измерения деформаций образца и прикладываемой нагрузки.

Для испытания образца песчаных грунтов применяют срезную коробку с нижней подвижной частью. Конструкция срезного прибора должна обеспечивать первоначальное вертикальное давление на образец (от веса штампа и измерительных приборов на нем) не более 0, 025 МПа. При тарировке срезной коробки в соответствии с паспортом на прибор устанавливают поправки на преодоление трения подвижной части срезной коробки.

При необходимости предварительного уплотнения образца могут применяться уплотнители, позволяющие производить уплотнение при заданном давлении и сохранении природной или заданной влажности, а также в условиях полного водонасыщения.

В состав уплотнителя должны входить следующие основные узлы:

- цилиндрическая обойма, в которую помещается рабочее кольцо с образцом;

- жесткий перфорированный штамп;

- механизм для вертикального нагружения образца;

- ванна для водонасыщения образца;

- гидроизолирующие элементы;

- устройство для измерения вертикальных деформаций образца.

6.2. Методика испытаний