Определение сцепления и угла внутреннего трения

Сегодня Саво Кусич специализируется на деревянных окнах, дерево-алюминиевых окнах, окнах на заказ, дверях и запросах цен. Этот текст остается геотехническим архивом и не является предложением для лабораторных испытаний, геотехнического проектирования или земляных работ.

Существует несколько способов определения элементов внутреннего сопротивления грунта, сцепления и угла внутреннего трения с помощью лабораторных экспериментов, среди которых наиболее известными являются испытания на прямой сдвиг и трехосное сжатие.

Опыт прямого сдвига

Испытание проводится на аппарате прямоугольного сечения типа _А. Касаграндеа или на круговом аппарате типа Хворслева. Опишем эксперимент с устройством прямоугольного сечения, которое получило наибольшее распространение. В обоих случаях испытание проводится с ненарушенным образцом или с нарушенным образцом при пределе текучести, и в этом случае испытание имеет сравнительную ценность.

Аппарат для прямой резки прямоугольного сечения (рис. 1)

Рис. 1_Поперечное сечение аппарата прямого сдвига Касагранде_

Устройство состоит из двух частей, верхней и нижней рамы, причем нижняя неподвижна, а верхняя подвижна и может перемещаться по нижней под действием горизонтальной силы Z, действующей на плоскость контакта верхней и нижней рамы.

Образец почвы помещается в стальное прямоугольное кольцо, обычно размером 100 × 100 × 30 mm или таких же размеров при точном соскабливании. Фильтровальные камни кладут сверху и снизу образца, а затем все помещают в кольцо аппарата, которое затем заполняется водой. На образец помещают устройство для вертикальной загрузки. Верхний фильтрующий камень соединен с системой вертикальной загрузки образца, а нижний – с водными каналами, с помощью которых образец может поддерживаться в насыщенном состоянии во время испытания, чтобы исключить кажущееся сцепление.

Для исключения трения на контактных поверхностях между верхней и нижней рамой существуют устройства с привинченной верхней рамой, с помощью которых верхняя рама перемещается под действием горизонтальной срезающей силы. Кроме того, контактные поверхности верхней и нижней рамы покрыты вазелином. В устройство включено больше2компаратор для регистрации вертикальных и горизонтальных деформаций.

Испытание на прямой сдвиг

Существуют в основном типы 2 испытаний на прямой сдвиг: быстрое и медленное испытание. Быстрый тест заключается в нагружении образца определенным вертикальным давлением, которое обычно составляет 0,50, после введения в аппарат; 1,0; 2,0; 3,0 и 4,0 kp/см2, дождитесь консолидации, которая считается достигнутой, если расчет произойдет в течение 24 часов Δh ≤ 0,02 mm, а затем примените горизонтальную поперечную силу Z, размер 1/20 или 1/40 часть вертикальной силы P, которая увеличивается каждую минуту на одно и то же значение, пока не произойдет разрушение земли. Во время приложения горизонтальной перерезывающей силы ход движения верхней рамы постоянно контролируется по показаниям компаратора и горизонтальные деформации фиксируются в журнале непосредственно перед каждой новой нагрузкой. Момент, в котором компаратор показывает внезапное движение, считается прорывом.

Экспресс-тест применяется к глинистым грунтам, естественная консолидация которых под новой нагрузкой происходит медленно и соответствует данному методу проведения теста.

Slow проводится аналогично предыдущему с той лишь разницей, что горизонтальная поперечная сила увеличивается в более длительном временном интервале, который может составлять 2, 5 и 15 mминуты или до момента консолидации, т.е. до тех пор, пока горизонтальные деформации не станут совсем незначительными. Ход уплотнения под действием горизонтальной силы контролируется на компараторе 9 (рис. 1).

Медленный тест применяется к песчаному или пыльному грунту, где в случае увеличения горизонтальной сдвиговой силы за короткий промежуток времени сдвиг образца в аппарате ускорился бы из-за воздействия напряженной воды в порах, что не соответствовало бы естественному процессу. Следовательно, временной интервал увеличивается с увеличением крупности несвязанных частиц почвы, чтобы обеспечить выравнивание давления воды в порах почвы с внешним давлением воды. Это выравнивание достигается за счет того, что под действием каждого уровня горизонтальной нагрузки остается достаточно времени, чтобы лишняя вода в порах выдавливалась через фильтрующий камень.

Помимо упомянутых испытаний, в некоторых случаях проводят быстрое испытание без консолидации под вертикальной нагрузкой, т.е. горизонтальную сдвиговую силу прикладывают сразу после введения образца в аппарат и нагружения его вертикальной нагрузкой. Однако этот метод выполнения применяется в особых условиях, например, в случае свежеустановленной насыпи из глиняного грунта, которая загружается сразу после насыпи без предварительного уплотнения.

Определение угла внутреннего трения и сцепления

На основании результатов испытаний рассчитывается напряжение сдвига

τ=Z/A в кп/см², ​

, которая получается из поперечной силы Z в кп в момент разрушения и площади поперечного сечения образца A в см². Испытание проводится с использованием аппарата от 3 до 4, нагруженного различным нормальным давлением σ=P/A в кП/см², где P — вертикальная нагрузка образца в кП. Обычно принимают следующие значения нормального давления: 1,0; 2,0; 3,0 и 4,0 кп/см².

Рис. 2. Диаграмма горизонтальных деформаций

На основе схемы элементов внутреннего трения получаются два типа диаграмм 1 и диаграмма горизонтальных деформаций (рис. 2).

Диаграмма горизонтальных деформаций получается путем приложения горизонтального смещения ΔL в мм верхней рамы устройства к нижней по оси абсцисс, которое получается отсчетом компаратора 9, а по оси ординат соответствующего напряжения сдвига τ в кп/см² (рис. 2).

В зависимости от уплотнения грунта получается диаграмма 1 для уплотненного и диаграмма 2 для сыпучего материала.

Для уплотненного материала напряжение сдвига τ сначала увеличивается довольно резко по отношению к горизонтальному смещению ΔL до предела пропорциональности P, затем более медленно, в результате чего кривая диаграммы 1 увеличивается и достигает максимальной высоты B, после чего диаграмма уменьшается на определенной длине, чтобы в конечном итоге достичь горизонтального течения. За область упругого деформирования принимается зона прямолинейного подъема диаграммы горизонтального деформирования, в которой увеличение касательного напряжения пропорционально увеличению деформации. За пределом P увеличение напряжения сдвига уменьшается по мере увеличения деформаций ΔL до самой высокой точки B диаграммы. В этой зоне материал начинает «течь» и она принимается за область пластической деформации. Самая высокая точка B диаграммы 1 представляет максимальное напряжение сдвига max τ, и предполагается, что в этой точке происходит разрушение грунта, т. е. что точка B является точкой разрушения. За точкой В материал находится в жидком состоянии, прочность на сдвиг снижается, и предполагается, что в этой зоне, где связь между частицами нарушена, существует только сопротивление скольжению, противодействующее горизонтальной силе сдвига. Точка G, в которой диаграмма 1 поворачивается в горизонтальное направление, принимается за границу скольжения.

Напряжение сдвига на пределе текучести B называется прочностью на сдвиг или чистой прочностью на сдвиг τf, а напряжение сдвига на пределе текучести G называется прочностью скольжения τg.

Для сыпучего материала диаграмма горизонтального перемещения также имеет упругую область с пределом пропорциональности P, но ниже по потоку находится пластическая область до предела скольжения G, т.е. максимальное напряжение сдвига равно пределу прочности скольжения (τ=τg), за пределами которого наступает жидкое состояние материала.

Рис. 3. Диаграмма сдвига, а) для связных грунтов, б) для несвязных грунтов

Диаграмма сдвига получается, когда нормальное давление σ в кп/см2 прикладывается к оси абсцисс, а соответствующая сила сдвига τf в кп/см2 прикладывается к оси ординат, при этом оба эти значения применяются в одном масштабе (рис. 3). Поскольку прочность грунта на сдвиг τf увеличивается при нормальном давлении σ, для различных давлений σ1 будут получены точки A, B, C и D, которые представляют соответствующие значения прочности на сдвиг.

Для получения определенных точек A, B, C и D на диаграмме 3 для связных грунтов (рис. 3a) принимается сопротивление скольжению _τ_g. Однако в случае глинистого грунта материал начинает течь задолго до достижения предела скольжения G, и существует тенденция принимать сдвиговую прочность на пределе пропорциональности Р для определения сцепления с и угла внутреннего трения грунта, но поскольку она сравнительно невелика, часто принимают такую ​​сдвиговую прочность, за которую деформация ΔL на диаграмме 2 в два раза превышает деформацию на предыдущем уровне нагружения в аппарате. Эта сила находится где-то между границей P и B, то есть G (рис. 2).

Соединение точек A, B, C и D на диаграмме 76a дает диаграмму сдвига, которая в успешных испытаниях представляет собой прямую линию. Продолжая диаграмму до пересечения с осью ординат, для σ = 0 на основе кулоновской закономерности τf = c+σ tgφ получаем, что τf = c = сцепление грунта, а наклон диаграммы к горизонтали дает угол внутреннего трения. Расширяя диаграмму сдвига по другую сторону от оси ординат, напряжение, вызванное сцеплением pk, получается на оси абсцисс, когда величина сцепления c выражается как эквивалент сопротивления трения:

c = pk tgφ, откуда pk = c/tgφ

Для рыхлых грунтов, таких как песок, диаграмма на рис. 3b, которая проходит через начало координат, так как для σ = 0 получаем τ = 0. Однако если песок мелкозернистый и влажный, то схема, подобная рис. 3a, с меньшим сцеплением c, которое представляет собой кажущееся сцепление. В этом случае напряжение pk на расширенной оси абсцисс по другую сторону от начала координат представляет собой капиллярное напряжение.

Следует отметить, что определение сцепления и трения грунта методом прямого испытания на сдвиг имеет ряд недостатков, наиболее важными из которых являются то, что разрушение грунта происходит на заданной поверхности сдвига, а не на поверхности наименьшего сопротивления сдвигу, что при сдвиге образца в аппарате поверхность сдвига уменьшается из-за перемещения верхней рамы на нижнюю, а также то, что деформации образца при сдвиге можно контролировать только в течение непродолжительного времени. длина, так что сопротивление скольжению, выходящее за пределы предела, не может в достаточной степени контролировать разрушение, особенно в случае мягкого грунта, когда деформации во время сдвига велики и т. д.

Испытание на трехосное сжатие

Испытание проводится на трехосном аппарате, который имеет разную конструкцию, но все они основаны на одном и том же принципе, который заключается в следующем. Невозмущенный образец в виде валика размещают вертикально на штативе и подвергают воздействию бокового давления жидкой массы со всех сторон, а затем вертикального давления, которое постепенно увеличивается до тех пор, пока не произойдет разрушение образца на поверхности наименьшего сопротивления сдвигу. На основе прочности на сдвиг при разрыве рассчитываются сцепление и угол внутреннего трения грунта.

Описание триаксиального устройства

Рис. 4. Триаксиальный аппарат

Трехосный аппарат (рис. 4) состоит из нижней части опорной плиты камеры, на которую опирается штатив для образцов, и верхней части поршня для вертикальной загрузки образца и верхней пластины, закрывающей камеру. Наиболее распространенными размерами образцов являются диаметр φ=36 mm, высота h=2,2-2,5_φ_. Диаметр камеры D=135mm, высота H = 180 mm. Узкая трубка K1 для слива пробы снизу начинается от центра штатива для проб, куда поступает вода из пробы через пористую пластину и сливается за пределы камеры в вертикальную стеклянную трубку C1. Если испытание проводится без слива пробы, этот канал служит для измерения давления воды в порах. В бронзовом основании камеры имеется канал К2 для подачи жидкой массы с целью заполнения камеры и достижения бокового давления в камере на образец.

Через верхнюю пластину камеры проходит ручка поршня для загрузки образца. Образец в камере окружен резиновой мембраной, расширенной с обоих концов и соединенной с поршнем и основанием посредством резиновых колец. В середине поршня имеется канал К3 для слива пробы с верхней стороны.

Бока камеры герметично закрыты цилиндром из оргстекла, который крепится к верхней и нижней пластинам камеры посредством резиновых колец.

Камера установлена на прочном основании. Обычная загрузка образца осуществляется с помощью рычага с грузами, соотношение которых чаще всего составляет 1: 10. Система достижения бокового давления на образец в камере состоит из баллона с жидкой массой Б, подаваемой в камеру с помощью трубки, манометра для измерения давления воздуха и баллона со сжатым воздухом. Над поршнем для загрузки образца расположен компаратор для измерения осадки образца под нагрузкой.

Боковое давление жидкой массы в камере можно регулировать по желанию, используя давление воздуха в баллоне B через клапаны V1 и V2. Это давление вызывает в образце горизонтальные напряжения σ2 и σ3, которые за счет круглого сечения образца выравниваются σ2 = σ3.

Жидкая масса может представлять собой дистиллированную воду или масло, что является предпочтительным для лучшей герметизации, поскольку вода может проходить через винты. Под действием давления воздуха в бутылке Б жидкая масса заполняет камеру до клапана V6, который затем закрывается. Вертикальная нагрузка образца P, которая практически без трения передается образцу через ручку поршня, разделенная на площадь поперечного сечения образца A, дает вертикальное напряжение σ1 = P/A

Проведение испытания на трехосное сжатие

Для исследуемого образца его обрабатывают в отдельном аппарате, в результате чего получается валик диаметром 36 mm, высотой 78 mm или 90 mm, на который сверху и снизу укладывают фильтрующие камни и надевают резиновую мембрану. Затем образец вместе с фильтрующими камнями укладывают на подставку в камере, концы, резиновые мембраны натягивают на подставку и загрузочный поршень и закрепляют резиновыми кольцами. Согласно практике некоторых лабораторий, таких как лаборатория профессора Скемптона в Лондоне, осушение образца в камере во время испытания ускоряется путем прокладки стенок образца фильтровальной бумагой, которую помещают до натягивания резиновой мембраны. Когда образец вводится в аппарат и цилиндр из оргстекла закрепляется в верхней и нижней пластинах, можно проводить испытания, которые можно проводить несколькими способами, например следующими:

1. Испытания без дренирования. В этих испытаниях дренаж образца не допускается во время проведения бокового и вертикального испытания, пока клапаны V4 и V5 закрыты.

2. Недренированные тесты с консолидацией. При приложении бокового давления проба дренируется (клапаны V4 и V5 открыты), а при приложении вертикального давления дренирование не допускается (V4 и V5 закрыты).

3_) Осушенные образцы_. Образец осушают в течение всего времени испытания (клапаны V4 и V5 открыты), чтобы произошло полное уплотнение и в порах не образовалось воды под напряжением во время приложения вертикального давления σ1. Это испытание занимает много времени, особенно при плохо проницаемом грунте, поскольку вертикальное нагружение σ1 необходимо проводить большим количеством мелких этапов и на каждом этапе ожидать уплотнения. Кроме того, упомянутые тесты можно проводить с насыщенными и частично насыщенными образцами_._

Ввиду вышеперечисленных возможностей испытания на трёхосное сжатие могут проводиться в различных вариантах и корректироваться в зависимости от типа грунта в условиях нагрузки.

Описанные устройства, процедуры, единицы, значения и закономерности перенесены из исторического источника. Текст не является геотехническим исследованием, лабораторным протоколом, проектом фундамента, доказательством устойчивости склона или планом раскопок. Выбор образца и метода испытаний, состояние дренажа и консолидации, грунтовые воды, режим нагрузки, сейсмические воздействия и безопасность земляных работ должны быть определены для конкретного грунта и здания в соответствии с действующими нормами с соответствующей лабораторией и уполномоченным геотехническим экспертом.