Днес Savo Kusić се фокусира върху дървени прозорци, дърво-алуминиеви прозорци, прозорци по поръчка, врати и заявки за оферта. Този текст остава като геотехнически архив и не е оферта за лабораторни изпитвания, геотехническо проектиране или земни работи.
Има няколко начина за определяне на елементите на вътрешното съпротивление на почвата, кохезията и ъгъла на вътрешно триене с помощта на лабораторни експерименти, сред които тестовете за директно срязване и триаксиално натиск са най-известните.
Опит с директно срязване
Тестът се провежда на апарат с правоъгълно сечение тип A. Casagrandea или на кръгъл апарат тип Hvorsleva. Ще опишем експеримента с устройството с правоъгълно сечение, което е най-широко използваното. И в двата случая изпитването се извършва с ненарушена проба или с нарушена проба при границата на провлачване, в който случай изпитването има сравнителна стойност.
Апарат за директно рязане на правоъгълно сечение (фиг. 1)
Фиг. 1_Напречно сечение на апарата за директно срязване на Casagrande_
Устройството се състои от две части, горна и долна рамка, като долната е статична, а горната е подвижна и може да се движи върху долната под въздействието на хоризонталната сила Z, която действа върху равнината на контакт на горната и долната рамка.
Почвената проба се поставя в стоманен правоъгълен пръстен, обикновено с размер 100 × 100 × 30 mm, или тези размери, когато се остъргват точно. Филтърни камъни се поставят върху горната и долната част на пробата и след това всичко се поставя в пръстена на апарата, който след това се пълни с вода. Върху образеца се поставя устройство за вертикално натоварване. Горният филтърен камък е свързан със системата за вертикално натоварване на пробата, докато долният е свързан с водни канали, с помощта на които пробата може да се поддържа в наситено състояние по време на теста, за да се изключи видимата кохезия.
За да се изключи триенето на контактните повърхности между горната и долната рамка, има устройства с усукана горна рамка, с помощта на които горната рамка се движи под действието на хоризонтална сила на срязване. В допълнение, контактните повърхности на горната и долната рамка са покрити с петролно желе. В устройството е включен още един компаратор 2 за регистриране на вертикални и хоризонтални деформации.
Директен тест на срязване
Има основно 2 видове директен тест на срязване: бърз и бавен тест. Бързият тест се състои в натоварване на пробата с определено вертикално налягане, което обикновено възлиза на 0,50, след като бъде въведена в апарата; 1,0; 2,0; 3,0 и 4,0 kp/cm2, изчакайте за консолидация, която се предполага, че е постигната, ако се сляга през 24 часа Δh ≤ 0,02 mm, и след това приложете хоризонтална сила на срязване Z, размер 1/20 или 1/40 част от вертикалната сила P, която се увеличава всяка минута със същата стойност, докато земята се счупи. По време на прилагането на хоризонталната сила на срязване ходът на движение на горната рамка се следи постоянно чрез отчитане на компаратора и хоризонталните деформации се записват в дневника непосредствено преди всяко ново натоварване. Моментът, в който компараторът показва внезапно движение, се приема като новаторски.
Бързият тест се прилага за глинести почви, чиято естествена консолидация при ново натоварване е бавна и отговаря на този метод на извършване на теста.
Бавният тест се извършва по подобен начин както преди с единствената разлика, че хоризонталната сила на срязване нараства в по-дълъг интервал от време, който може да бъде 2, 5 и 15 mминути или до консолидация, т.е. докато хоризонталните деформации станат напълно незначителни. Ходът на консолидация под въздействието на хоризонтална сила се следи на компаратора 9 (фиг. 1).
Бавният тест се прилага за песъчлива или прашна почва, където в случай на увеличаване на хоризонталната сила на срязване за кратък интервал от време, срязването на пробата в апарата би се ускорило поради ефекта на напрегната вода в порите, което не би съответствало на естествен процес. Следователно интервалът от време се увеличава с фиността на несвързаните почвени частици, така че да се даде възможност за изравняване на водното налягане в почвените пори с външното водно налягане. Това изравняване се постига чрез оставяне на достатъчно време под въздействието на всяко ниво на хоризонтално натоварване, така че излишната вода в порите да се изстиска през филтърния камък.
В допълнение към горните тестове, в определени случаи се извършва бърз тест без консолидация при вертикално натоварване, т.е. хоризонталната сила на срязване се прилага веднага след въвеждане на пробата в апарата и натоварването й с вертикално натоварване. Този метод на изпълнение обаче се прилага при специални условия, като например прясно монтиран насип от глинеста почва, която се натоварва веднага след насипа без предварително уплътняване.
Определяне на ъгъла на вътрешно триене и кохезия
Въз основа на резултатите от теста се изчислява напрежението на срязване
τ=Z/A в kp/cm²,
, което се получава от силата на срязване Z в kp в момента на повреда и площта на напречното сечение на пробата A в cm². Тестът се извършва с апарат от 3 до 4, натоварен с различно нормално налягане σ=P/A в kp/cm², където P е вертикалното натоварване на пробата в kp. Обикновено се вземат следните стойности на нормалното налягане: 1,0; 2,0; 3,0 и 4,0 kp/cm².
Фиг. 2. Диаграма на хоризонталните деформации
Въз основа на диаграмата на елементите с вътрешно триене се получават два вида диаграми 1 и диаграма на хоризонталните деформации (фиг. 2).
Диаграмата на хоризонталните деформации се получава чрез прилагане на хоризонталното изместване ΔL в mm на горната рамка на устройството към долната по абсцисната ос, което се получава чрез отчитане на компаратора 9, а по ординатната ос съответното напрежение на срязване τ в kp/cm² (фиг. 2).
В зависимост от уплътняването на почвата се получава диаграмата 1 за уплътнения и диаграмата 2 за насипния материал.
За уплътнен материал напрежението на срязване τ нараства първоначално доста рязко по отношение на хоризонталното изместване ΔL до границата на пропорционалност P, след това по-бавно, при което кривата на диаграмата 1 се увеличава и достига максимална височина B, след което диаграмата намалява на определена дължина, за да достигне в крайна сметка хоризонтален поток. Зоната на праволинейно изкачване на хоризонталната диаграма на деформация, в която нарастването на напрежението на срязване е пропорционално на увеличаването на деформацията, се приема за зона на еластична деформация. Отвъд границата P нарастването на напрежението на срязване намалява в съответствие с нарастването на деформациите ΔL до най-високата точка B на диаграмата. В тази зона материалът започва да “тече” и се приема като област на пластична деформация. Най-високата точка B на диаграмата 1 представлява максималното напрежение на срязване max τ и се приема, че в тази точка възниква счупване на почвата, т.е. че точка B е точката на счупване. Отвъд точка B материалът е в течно състояние, якостта на срязване намалява и се приема, че в тази зона, където връзката между частиците е прекъсната, има само съпротивление на плъзгане, което се противопоставя на хоризонталната сила на срязване. Точката G, където диаграмата 1 завива в хоризонтална посока, се приема като плъзгаща се граница.
Напрежението на срязване при границата на разрушаване B се нарича якост на срязване или чиста якост на срязване τf, докато напрежението на срязване при границата на провлачване G се нарича якост на приплъзване τg.
За насипен материал диаграмата на хоризонталното изместване също има еластичен участък с граница на пропорционалност P, но надолу по течението е пластична област до границата на приплъзване G, т.е. максималното напрежение на срязване е равно на граничната якост, плъзгане (τ=τg), отвъд която течното състояние на материала.
Фиг. 3. Диаграма на срязване, a) за кохерентни почви, b) за некохерентни почви
Диаграмата на срязване се получава, когато нормалното налягане σ в kp/cm2 се приложи към абсцисната ос, а съответната якост на срязване τf в kp/cm2 се приложи към ординатната ос, при което и двете от тези стойности се прилагат в същото съотношение (фиг. 3). Тъй като якостта на срязване τf на почвата се увеличава с нормалното налягане σ, за различни налягания σ1 ще се получат точки A, B, C и D, които представляват съответните якости на срязване.
За да се получат отделни точки A, B, C и D на диаграмата 3 за кохерентни почви (фиг. 3a), се приема силата на плъзгане _τ_g. Въпреки това, в случай на глинеста почва, материалът започва да тече много преди да се достигне границата на приплъзване G и има тенденция да се приеме якостта на срязване на границата на пропорционалност P, за да се определи кохезията c и ъгълът на вътрешно триене на почвата, но тъй като тя е сравнително малка, често се приема якостта на срязване, за която деформацията ΔL на диаграмата 2 е два пъти по-голяма деформация при предишното ниво на натоварване в апарата. Тази сила е някъде между границата на P и B, тоест G (фиг. 2).
Свързването на точки A, B, C и D на диаграма 76a дава диаграма на срязване, която е права линия при успешни тестове. Чрез разширяване на диаграмата до пресечната точка с ординатната ос, за σ = 0, се получава въз основа на модела на Кулон τf = c+σ tgϕ, че τf = c = кохезия на почвата, докато наклонът на диаграмата към хоризонталата дава ъгъла на вътрешно триене. Чрез разширяване на диаграмата на срязване от другата страна на ординатната ос, напрежението, дължащо се на кохезия pk се получава по абсцисната ос, когато големината на кохезия c се изразява като еквивалент на съпротивление на триене:
c = pk tgϕ, откъдето pk = c/tgϕ
За некохерентни почви, като пясък, диаграмата на фиг. 3b, който минава през началото на координатите, тъй като за σ = 0 получаваме τ = 0. Ако обаче пясъкът е дребнозърнест и мокър, диаграма, подобна на тази на фиг. 3a, с по-малка кохезия c, което представлява привидна кохезия. В този случай напрежението pk върху разширената абсцисна ос от другата страна на координатния произход представлява капилярното напрежение.
Трябва да се отбележи, че определянето на кохезията и триенето на почвата чрез директен тест на срязване има няколко недостатъка, най-важните от които са, че счупването на почвата се случва на предварително определена повърхност на срязване, а не на повърхността с най-малко съпротивление на срязване, че по време на срязване на пробата в апарата повърхността на срязване намалява поради движението на горната рамка върху долната, след това, че деформациите на пробата по време на срязване може да се наблюдава само на малка дължина, така че съпротивлението на плъзгане извън границата на счупване не може да се контролира достатъчно, особено в случай на мека почва, когато деформациите по време на срязване са големи и т.н.
Тест за триаксиална компресия
Тестът се извършва на триаксиален апарат, който има различни конструкции, но всички те се основават на един и същ принцип, който е както следва. Ненарушената проба под формата на ролка се поставя вертикално върху стойката и се излага на страничното налягане на течната маса от всички страни и след това на вертикалното налягане, което постепенно се увеличава, докато се предизвика счупване на пробата върху повърхността с най-малко съпротивление на срязване. Въз основа на якостта на срязване при скъсване се изчислява кохезията и ъгълът на вътрешно триене на почвата.
Описание на триосно устройство
Фиг. 4. Триаксиален апарат
Триаксиалният апарат (фиг. 4) се състои в долната част на основната плоча на камерата, върху която лежи стойката за пробата, и в горната част на буталото за вертикално натоварване на пробата и горната плоча, която затваря камерата. Най-често срещаните размери на примера са диаметър ϕ=36 mm, височина h=2,2-2,5_ϕ_. Диаметърът на камерата е D=135mm, височината H = 180 mm. Тясна тръба K1 започва от центъра на стойката за проби за източване на пробата от дъното, която приема вода от пробата през пореста плоча и я отвежда извън камерата във вертикална стъклена тръба C1. Ако тестът се извършва без източване на пробата, този канал служи за измерване на водното налягане в порите. В бронзовата основа на камерата има канал K2 за подаване на течна маса с цел запълване на камерата и постигане на странично налягане в камерата върху пробата.
През горната плоча на камерата преминава дръжката на буталото за зареждане на пробата. Пробата в камерата е обградена от гумена мембрана, която е удължена в двата края и е свързана с буталото и основата посредством гумени пръстени. В средата на буталото има канал K3 за източване на пробата от горната страна.
Страните на камерата са херметически затворени с плексигласов цилиндър, който е фиксиран към горната и долната плоча на камерата чрез гумени пръстени.
Камерата е поставена върху здрава основа. Нормалното натоварване на пробата става чрез лост с тежести, чието съотношение най-често е 1: 10. Системата за постигане на странично налягане върху пробата в камерата се състои от бутилка с течна маса В, която се вкарва в камерата с помощта на тръба, манометър за измерване на налягането на въздуха и бутилка със сгъстен въздух. Компаратор е поставен над буталото за зареждане на пробата, за да се измери слягането на пробата под товар.
Страничното налягане на течната маса в камерата може да се регулира по желание с помощта на въздушното налягане в бутилка B, чрез клапаните V1 и V2. Това налягане причинява хоризонтални напрежения в пробата σ2 и σ3, които поради кръговото сечение на пробата се изравняват σ2 = σ3.
Течната маса може да бъде дестилирана вода или масло, което е за предпочитане за по-добро уплътнение, тъй като водата може да премине през винтовете. Под въздействието на налягането на въздуха в бутилка B течната маса изпълва камерата до клапан V6, който след това се затваря. Вертикалното натоварване на пробата P, което се прехвърля почти без триене върху пробата чрез дръжката на буталото, разделено на площта на напречното сечение на пробата A дава вертикалното напрежение σ1 = P/A
Извършване на тест за триаксиална компресия
За пробната проба се обработва в отделен апарат, така че да се получи ролка с диаметър 36 mm, височина 78 mm или 90 mm, върху която се поставят филтърни камъни отгоре и отдолу и се поставя гумена мембрана. След това пробата заедно с филтърните камъни се поставя на стойката в камерата, краищата, гумените мембрани се изтеглят върху стойката и зареждащото бутало и се закрепват с гумени пръстени. Според практиката на някои лаборатории, като проф. Скемптън в Лондон, източването на пробата в камерата по време на теста се ускорява чрез облицоване на страните на пробата с филтърна хартия, която се поставя преди издърпване на гумената мембрана. Когато пробата се въведе в апарата и плексигласовият цилиндър е фиксиран в горната и долната плоча, е възможно да се извършат тестове, които могат да се извършат по няколко начина, като например следния:
-
Недренирани тестове. При тези тестове не е позволено източване на пробата по време на прилагането на страничния и вертикалния тест, докато клапаните V4 и V5 са затворени.
-
Неизточени тестове с консолидация. По време на прилагане на странично налягане пробата се дренира (клапаните V4 и V5 са отворени), докато по време на прилагането на вертикално налягане дренажът не е разрешен (V4 и V5 са затворени).
3_) Изцедени тестове_. Пробата се дренира за цялото времетраене на теста (клапани V4 и V5 са отворени), така че да настъпи пълна консолидация и да не се създава вода под напрежение в порите по време на прилагането на вертикално налягане σ1. Този тест отнема много време, особено при слабо пропусклива почва, тъй като вертикалното натоварване σ1 трябва да се извърши на голям брой малки етапи и консолидацията трябва да се изчака на всеки етап. В допълнение, споменатите тестове могат да бъдат извършени с наситени и частично наситени проби_._
С оглед на гореспоменатите възможности, тестовете за триаксиална компресия могат да се извършват в различни варианти и да се коригират според вида на почвата при условия на натоварване.
Описаните устройства, процедури, единици, стойности и модели се предават от исторически източник. Текстът не е геотехническо проучване, лабораторен протокол, проект за фундиране, доказателство за стабилност на откоса или план за изкоп. Изборът на проба и метод за изпитване, състояние на дренаж и консолидация, подпочвени води, режим на натоварване, сеизмични влияния и безопасност на изкопа трябва да се определят за конкретната почва и сграда, съгласно действащите разпоредби, със съответната лаборатория и оторизиран геотехнически експерт.