Испытание песчаных грунтов на сдвиг. Критическая пористость

Испытание на сдвиг производится в сдвиговых приборах. В настоящее время наиболее распространены одноплоскостные сдвиговые приборы (рис. 35). Испытание песчаного грунта на сдвиг сводится и установлению вида экспериментальной зависимости: =tg

Для этого к образцу прикладывается нормальное давление, после чего постепенно увеличивается сдвигающая нагрузка до среза образца. Опыт повторяется при других значениях нормального давления. Методика приложения нагрузок подробно будет рассмотрена ниже при испытаниях глинистых грунтов. По полученным данным строят искомую за­висимость и определяют угол трения грунта  (рис. 36).

Необходимо иметь в виду малую сжимаемость песков. Поэтому для получения сопоставимых результатов нужно брать одина­ковые исходные плотности.

На величину угла трения  влияют следующие факторы;

1) минералогический состав грунтов;

2) гранулометрический состав; 3) форма зерен.

Рис. 35. Схема испытания грунта на срез: 1 - нижняя неподвижная обой­ма; 2 - верхняя подвижная обойма; 3 - кольцо; 4 - грунт; 5 - штамп; 6 - ин­дикатор часового типа; l - горизонтальное смещение обоймы при сдвиге

Рис. 36. Результаты испытания песчаного грунта на сдвиг

Для одного и того же по составу песка на величину угла трения влияют плотность, и в меньшей степени, влажность.

В процессе сдвига песка пористость в зоне сдвига меня­ется. Испытание рыхлого грунта сопровождается уплотнением, испытание плотного - разрыхлением. Эти явления вызваны пе­ремещением зерен в процессе сдвига. Предполагают, что для каждого типа песка существует такое значение пористости, при котором смещение зерен в зоне сдвига не приводит к из­менению плотности песка. Эта плотность называется критичес­кой. Значение ее необходимо для установления границы между рыхлым и плотным состоянием песчаного грунта.

Более поздние исследования показали, что критическая по­ристость не является постоянной величиной, так как она зави­сит не только от состава песка, но и от других факторов, в частности, от условий испытания.

Иногда песчаный грунт характеризуют углом естественного откоса. Полагают, что угол естественного откоса равен углу трения песка в предельно рыхлом его состоянии.

Испытание глинистых грунтов

Вследствие того, что уплотнение глинистых грунтов под нагрузкой, растягивается во времени, вводятся два понятия:

1. сопротивление грунта сдвигу по методу консолидированного среза.

2. сопротивление грунта сдвигу по методу неконсолидированного среза.

В зависимости от решаемых задач применяется та или иная методика испытания.

Метод консолидированного среза следует применять для определения сопротивления срезу грунтов в условиях стабилизи­рованного состояния: глинистых грунтов с показателем консистенции I_L  1, коэффициен­том пористости для супесей и суглинков е  1 и для глин е  1.

Метод неконсолидированного среза следует применять для определения сопротивления срезу грунтов в условиях нестабили­зированного состояния: водонасыщенных суглинков и глин (при степени влажности . G>0,85), имеющих: I_L 0,5. Сопротивление срезу следует определять в результате ис­пытания образцов грунта на одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза, как было сказано выше. В процессе испытания надлежит производить срез одной части образца относительно другой его части постепенно возрастающей касательной нагрузкой при одновременной передаче на образец грунта нагрузки, нормальной к плоскости среза.

Примечание. Не допускается испытывать грунты, выдавливаемые в процессе испытания в зазор между подвижной и неподвижной частями срезной коробки.

Сопротивление образцов грунта  следует определять как касательное напряжение:

при котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при нормальном давлении , кгс/см²: где P и Q – соответственно нормальная и касательная нагрузки к плоскости среза, кгс; F – площадь среза, см². Определение  необходимо производить не менее чем при трех различных значениях  на образцах грунта, вырезанных из одного однородного по строению и составу монолита или, в необходимых случаях подготовленных в лабораториях.

Метод консолидированного среза.

В зависимости от вида грунта сопротивление срезу следует определять:

для песчаных грунтов— на подготовленных в лаборатории образцах с заданной плотностью сложения и влажностью или в условиях, полного водонасыщения; для глинистых грунтов—на образцах не нарушенного (природного) сложения при природной влажности или в условиях полного водонасыщения. Предварительное уплотнение образцов грунта, за иск­лючением просадочных, испытываемых в водонасышенном состоянии, надлежит производить при нормальных давле­ниях , при которых в последующем определяют сопротивление образцов срезу . Нормальное давление  при предельном уплотнении следует передавать на образец грунта последовательно ступенями . Величины  и  указаны в табл. 13,

таблица 13.

Вид и состояние грунта	Нормальные давления р при предварительном уплотнении, кгс/см	Ступени давления , кгс/ч
Пески средней крупности плотные. Глины с показателем консистенции IL 0	1,0; 3,0; 5,0	1,0
Пески средней крупности, средней плотности; мелкие плотные и средней плотности. Супеси и суглинки с IL< 0,5; глины с 0<IL< 0,5	1,0; 2.0; 3,0	0,5
Пески средней крупности и мелкие рыхлые; пылеватые независимо от плот­ности. Супеси, суглинки и глины с IL>0,5	1,0; 1,5; 2,0	0,25 до =1 и далее 0,5

После переноса образца грунта из уплотнителя в срезной при­бор необходимо принять меры для сохранения влажности грунта в процессе среза. На образец грунта, установленный в срезной коробке, надлежит передать то же нормальное давление, при котором про­исходило предварительное уплотнение грунта. Нормальную нагрузку следует передать на образец в одну сту­пень и выдерживать ее не менее: для песчаных грунтов— 5 мин для суглинков и глин—30 мин. После передачи нормальной нагрузки следует устано­вить индикатор деформаций среза l образца грунта, записать на­чальное показание. При передаче касательной нагрузки ступенями их величина должна составлять 5% величины нормальной нагрузки, при ко­торой производится срез. Не реже чем через каждые 2 мин после передачи ступени нагрузки необходимо регистрировать в журнале испытаний показания индикатора для измерения деформаций среза l, уменьшая интервал между измерениями до 1 мин в период затухания деформаций l до ее условной стабилизации. За условную стабилизацию деформации среза надлежит при­нимать скорость деформации, не превышающую 0,01 мм/мин.

После достижения условной стабилизации деформации среза при данной ступени нагрузки следует передать следующую сту­пень касательной нагрузки.

При непрерывно возрастающей касательной нагрузке скорость среза должна быть постоянной и соответствовать указанной в табл.2. Отсчеты по индикатору для измерения l следует произ­водить не реже чем через 2 мин. Испытания следует считать законченными, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общая деформация среза превысит 5мм.

(см. рис. 37).

Метод неконсолидированного среза. Методом неконсолидированного среза следует испыты­вать образцы ненарушенного сложения суглинков и глин, которые в природном залегании находятся в водонасыщенном состоянии, а также образцы просадочных грунтов, приведенных в водонасыщенное состояние замачиванием без приложения на­грузки.

Рабочее кольцо с образцом грунта следует поместить в срезную коробку и закрепить в ней. Далее необходимо устано­вить штамп, произвести регулировку механизма нагруз­ки, установить зазор 0,5—1 мм между подвижной и неподвижной частями срезной коробки, установить индикатор деформаций среза. На образец грунта необходимо передать сразу в одну ступень нормальное давление , при котором будет производиться срез образца. Величины  следует принимать по табл. 1

Таблица 14

Вид грунта	Нормальные давления , кгс./см2
Глинистые грунты с 0,,5 <IL<1,0 Илы и глинистые грунты с IL1,0	0,5; 1,0; 1,5 0,25; 0,75; 1,2.5

Если при давлениях 1,25 и 1,5 кгс/см² происходит выдавлива­ние грунта в зазор между подвижной и неподвижной частями срезной коробки, необходимо их уменьшить на 0,25 кгс/см².

Сразу после передачи нормальной нагрузки следует при­вести в действие механизм для создания касательной нагрузки и произвести срез образца грунта не более чем за 2 мин с момента приложения нормальной нагрузки.

При передаче касательной нагрузки в виде ступеней их вели­чина не должна превышать 10% величины нормального давления, при котором производится срез и приложение ступеней должно следовать через каждые 10—15 секунд.

При передаче непрерывно возрастающей касательной нагрузки скорость среза следует принимать в интервале 2—3 мм/мин, так чтобы срез происходил в течение указанного времени. Момент окончания испытания устанавливают в соответствии с указаниями консолидированного среза т.е. считаются законченными, если при приложении очередной ступени нагрузки происходит мгновенный срез или общая деформация превысит 5см (см. рис. 37). По окончании испытания следует записать в журнал максимальную касательную нагрузку в про­цессе испытания и вычислить сопротивление образца грунта сре­зу . Далее следует разгрузить образец, из­влечь рабочее кольцо с образцом из прибора и отобрать две про­бы на влажность из зоны среза образца.

Студенты проводят лабораторную работу по методу неконсолидированному срезу.