Сьогодні Savo Kusić зосереджується на дерев’яних вікнах, дерево-алюмінієвих вікнах, вікнах на замовлення, дверях і запитах на пропозиції. Цей текст залишається як геотехнічний архів і не є пропозицією щодо лабораторних випробувань, геотехнічного проектування чи земляних робіт.
Існує кілька способів визначення елементів внутрішнього опору ґрунту, когезії та кута внутрішнього тертя за допомогою лабораторних експериментів, серед яких найвідоміші випробування на прямий зсув і триосьове стиск.
Досвід прямого зсуву
Випробування проводять на апараті з прямокутним перетином типу A. Casagrandea або на круговому апараті типу Hvorsleva. Опишемо дослід із приладом прямокутного перетину, який є найбільш поширеним. В обох випадках випробування проводять із непорушеним зразком або з порушеним зразком на межі текучості, у цьому випадку випробування має порівняльну цінність.
Апарат для прямого різання прямокутного перетину (рис. 1)
Мал. 1_Поперечний переріз апарату прямого зсуву Касагранде_
Пристрій складається з двох частин верхньої та нижньої рами, де нижня нерухома, а верхня рухома і може переміщатися по нижній під дією горизонтальної сили Z, яка діє на площину контакту верхньої та нижньої рами.
Зразок ґрунту поміщають у сталеве прямокутне кільце, зазвичай розміром 100 × 100 × 30 mm, або таких розмірів, якщо точно зіскобити. Зверху та знизу зразка поміщають фільтрувальні камені, а потім усе поміщають у кільце апарату, яке потім заповнюють водою. На зразок розміщують пристрій для вертикального навантаження. Верхній фільтрувальний камінь підключений до системи вертикального завантаження зразка, а нижній підключений до водяних каналів, за допомогою яких зразок може підтримуватися в насиченому стані під час тесту, щоб виключити видиму когезію.
Для виключення тертя на контактних поверхнях між верхньою та нижньою рамою існують пристрої зі скрученою верхньою рамою, за допомогою яких верхня рама переміщується під дією горизонтальної зсувної сили. Крім того, контактні поверхні верхньої та нижньої рами покриті вазеліном. У прилад входить ще один компаратор 2 для реєстрації вертикальних і горизонтальних деформацій.
Прямий тест на зсув
Існують переважно типи 2 випробування на прямий зсув: швидке та повільне випробування. Швидкий тест полягає в навантаженні зразка певним вертикальним тиском, який зазвичай становить 0,50, після введення в апарат; 1,0; 2,0; 3,0 та 4,0 kp/cm2, дочекайтеся консолідації, яка, як припускається, досягнута, якщо осідання протягом 24 годин Δh ≤ 0,02 mm, а потім прикладіть горизонтальну поперечну силу Z, розмір 1/20 або 1/40 частина вертикальної сили P, яка збільшується щохвилини на однакову величину, доки земля не зруйнується. Під час застосування горизонтальної сили зсуву хід руху верхньої рами постійно контролюється шляхом зчитування на компараторі, а горизонтальні деформації записуються в журнал безпосередньо перед кожним новим навантаженням. Момент, коли компаратор показує раптовий рух, приймається як переломний.
Швидкий тест застосовується для глинистих ґрунтів, природне закріплення яких під новим навантаженням відбувається повільно, і відповідає цьому методу проведення тесту.
Slow виконується подібним чином, як і раніше, з тією лише різницею, що горизонтальна сила зсуву зростає протягом більш тривалого інтервалу часу, який може становити 2, 5 та 15 mхвилини або до консолідації, тобто поки горизонтальні деформації не стануть зовсім незначними. Хід консолідації під дією горизонтальної сили контролюється на компараторі 9 (рис. 1).
Повільний тест застосовується для піщаного або пилового ґрунту, де у разі збільшення горизонтальної зсувної сили за короткий проміжок часу зсув зразка в апараті прискорився б через вплив напруженої води в порах, що не відповідало б природному процесу. Таким чином, інтервал часу збільшується з дрібністю незв’язаних частинок ґрунту, щоб забезпечити вирівнювання тиску води в порах ґрунту із зовнішнім тиском води. Це вирівнювання досягається, залишаючи достатньо часу під дією кожного рівня горизонтального навантаження, щоб надлишок води в порах видавлювався через камінь фільтра.
На додаток до згаданих випробувань, у деяких випадках виконується швидке випробування без консолідації під вертикальним навантаженням, тобто горизонтальна сила зсуву прикладається відразу після введення зразка в апарат і навантаження на нього вертикальним навантаженням. Однак цей спосіб виконання застосовується в особливих умовах, наприклад, у випадку свіжо встановленої насипу з глинистого ґрунту, який навантажується відразу після насипу без попереднього ущільнення.
Визначення кута внутрішнього тертя та когезії
На основі результатів випробувань розраховується напруга зсуву
τ=Z/A у кп/см²,
, який виходить із сили зсуву Z в kp в момент руйнування та площі поперечного перерізу зразка A в см². Випробування проводиться за допомогою приладів від 3 до 4, навантажених різним нормальним тиском σ=P/A в kp/cm², де P — вертикальне навантаження зразка в kp. Зазвичай приймаються такі значення нормального тиску: 1,0; 2,0; 3,0 та 4,0 кп/см².
Мал. 2. Діаграма горизонтальних деформацій
На основі схеми елементів внутрішнього тертя отримано два типи діаграм 1 та діаграму горизонтальних деформацій (рис. 2).
Діаграма горизонтальних деформацій отримується шляхом прикладання горизонтального зсуву ΔL в мм верхньої рами пристрою до нижньої по осі абсцис, отриманої зчитуванням компаратора 9, а по осі ординат відповідної напруги зсуву τ в кп/см² (рис. 2).
Залежно від ущільнення ґрунту виходить діаграма 1 для ущільненого та діаграма 2 для сипучого матеріалу.
Для ущільненого матеріалу напруга зсуву τ спочатку досить різко зростає відносно горизонтального переміщення ΔL до межі пропорційності P, потім повільніше, у результаті чого крива діаграми 1 зростає і досягає максимальної висоти B, після чого діаграма зменшується на певній довжині, щоб зрештою досягти горизонтального потоку. Областю пружної деформації прийнято зону прямолінійного сходження горизонтальної діаграми деформації, в якій зростання напруги зсуву пропорційно зростанню деформації. За межею P збільшення напруги зсуву зменшується відповідно до збільшення деформацій ΔL до найвищої точки B діаграми. У цій зоні матеріал починає «текти» і вона приймається за область пластичної деформації. Найвища точка B діаграми 1 представляє максимальне напруження зсуву max τ, і передбачається, що в цій точці відбувається руйнування ґрунту, тобто точка B є точкою розриву. За точкою B матеріал знаходиться в рідкому стані, міцність на зсув зменшується, і передбачається, що в цій зоні, де зв’язок між частинками розривається, існує лише опір ковзанню, який протидіє горизонтальній зсувній силі. Точка G, де діаграма 1 повертає в горизонтальному напрямку, приймається як межа ковзання.
Напруга зсуву на межі руйнування B називається міцністю на зсув або чистою міцністю на зсув τf, тоді як напруга зсуву на межі текучості G називається міцністю на ковзання τg.
Для сипучого матеріалу діаграма горизонтального переміщення також має пружну область з межею пропорційності P, але нижче за потоком є пластична область до межі ковзання G, тобто максимальне напруження зсуву дорівнює граничній міцності ковзання (τ=τg), за якою рідкий стан матеріалу.
Мал. 3. Діаграма зсуву, a) для когерентних ґрунтів, b) для некогерентних ґрунтів
Діаграма зсуву отримується, коли нормальний тиск σ у кп/см2 прикладається до осі абсцис, а відповідна міцність на зсув τf у кп/см2 прикладається до осі ординат, при цьому обидва ці значення застосовуються в одному масштабі (рис. 3). Оскільки міцність ґрунту на зсув τf збільшується з нормальним тиском σ, для різних тисків σ1 будуть отримані точки A, B, C і D, які представляють відповідні міцності на зсув.
Для отримання певних точок A, B, C і D на діаграмі 3 для когерентних ґрунтів (рис. 3a) приймається сила ковзання _τ_g. Однак у випадку глинистого ґрунту матеріал починає текти задовго до того, як буде досягнуто межі ковзання G, і існує тенденція приймати міцність на зсув на межі пропорційності P для визначення когезії c та кута внутрішнього тертя ґрунту, але оскільки вона відносно мала, часто приймається міцність на зсув, для якої деформація ΔL на діаграмі 2 вдвічі більша. деформація при попередньому рівні навантаження в апараті. Ця сила знаходиться десь між кордоном P і B, тобто G (рис. 2).
З’єднання точок A, B, C і D на діаграмі 76a дає діаграму зсуву, яка в успішних тестах є прямою лінією. Розширюючи діаграму до перетину з віссю ординат, для σ = 0, на основі моделі Кулона τf = c+σ tgϕ отримуємо, що τf = c = когезія ґрунту, тоді як нахил діаграми до горизонталі дає кут внутрішнього тертя. Якщо продовжити діаграму зсуву з іншої сторони осі ординат, напруга через когезію pk буде отримано на осі абсцис, коли величина когезії c виражається як еквівалент опору тертя:
c = pk tgϕ, звідки pk = c/tgϕ
Для незв’язних ґрунтів, таких як пісок, діаграма на мал. 3b, яка проходить через початок координат, оскільки для σ = 0 отримуємо τ = 0. Однак, якщо пісок дрібнозернистий і вологий, діаграма, подібна до наведеної на рис. 3a, з меншою когезією c, яка представляє явну когезію. У цьому випадку напруга pk на розширеній осі абсцис з іншого боку від початку координат представляє капілярну напругу.
Слід зазначити, що визначення когезії ґрунту та тертя методом прямого випробування на зсув має декілька недоліків, найважливіші з яких полягають у тому, що руйнування ґрунту відбувається на заздалегідь визначеній поверхні зсуву, а не на поверхні найменшого опору зсуву, що під час зсуву зразка в апараті поверхня зсуву зменшується через рух верхньої рами на нижній, а потім деформації зразок під час зсуву можна контролювати лише на короткій довжині, так що опір ковзанню за межею не може контролювати руйнування в достатній мірі, особливо у випадку м’якого ґрунту, коли деформації під час зсуву є великими тощо.
Випробування на тривісне стиснення
Тест проводиться на тривісному апараті, який має різні конструкції, але всі вони засновані на одному принципі, який полягає в наступному. Непорушений зразок у формі валика поміщають вертикально на підставку і піддають боковому тиску рідкої маси з усіх боків, а потім вертикальному тиску, який поступово збільшується, доки зразок не руйнується на поверхні з найменшим опором зсуву. На основі міцності на зсув при розриві розраховується когезія та кут внутрішнього тертя ґрунту.
Опис тривісного пристрою
Мал. 4. Триаксіальний апарат
Триосьовий апарат (рис. 4) складається з нижньої частини базової плити камери, на яку спирається підставка зразка, а у верхній частині поршня для вертикального завантаження зразка та верхньої пластини, яка закриває камеру. Найпоширеніші розміри зразків: діаметр ϕ=36 mm, висота h=2,2-2,5_ϕ_. Діаметр камери D=135mm, висота H = 180 mm. Вузька трубка K1 для дренування зразка знизу починається від центру підставки для зразків, яка приймає воду зі зразка через пористу пластину та відводить її за межі камери у вертикальну скляну трубку C1. Якщо тест проводиться без зливу зразка, цей канал служить для вимірювання тиску води в порах. У бронзовій основі камери є канал K2 для подачі рідкої маси з метою заповнення камери та досягнення бокового тиску в камері на зразок.
Крізь верхню пластину камери проходить ручка поршня для завантаження зразка. Зразок в камері оточений гумовою мембраною, яка розширена з обох кінців і з’єднана з поршнем і основою за допомогою гумових кілець. У середині поршня є канал K3 для зливу зразка з верхньої сторони.
Бічні сторони камери герметично закриті циліндром з оргскла, який закріплений на верхній і нижній пластинах камери за допомогою гумових кілець.
Камера розміщена на твердій основі. Нормальне навантаження зразка здійснюється за допомогою важеля з вагами, співвідношення яких найчастіше 1: 10. Система досягнення бічного тиску на зразок у камері складається з пляшки з рідкою масою В, яка подається в камеру за допомогою трубки, манометра для вимірювання тиску повітря та пляшки зі стисненим повітрям. Компаратор розташований над поршнем для завантаження зразка для вимірювання осідання зразка під навантаженням.
Бічний тиск рідкої маси в камері можна регулювати за бажанням за допомогою тиску повітря в пляшці B через клапани V1 та V2. Цей тиск викликає горизонтальні напруги у зразку σ2 та σ3, які завдяки круглому перетину зразка вирівнюються σ2 = σ3.
Рідка маса може бути дистильованою водою або маслом, що є кращим для кращого ущільнення, оскільки вода може проходити через гвинти. Під впливом тиску повітря в пляшці B рідка маса заповнює камеру до клапана V6, який потім закривається. Вертикальне навантаження зразка P, яке майже без тертя передається зразку через ручку поршня, поділене на площу поперечного перерізу зразка A, дає вертикальне напруження σ1 = P/A
Проведення тесту на тривісне стиснення
Для досліджуваного зразка його обробляють в окремому апараті, щоб отримати валик діаметром 36 mm, висотою 78 mm або 90 mm, на який зверху і знизу поміщають фільтрувальні камені та надягають гумову мембрану. Потім зразок разом з фільтруючими каменями поміщають на підставку в камеру, кінці, гумові мембрани натягують на підставку і завантажувальний поршень і закріплюють гумовими кільцями. Згідно з практикою деяких лабораторій, наприклад професора Скемптона в Лондоні, стікання зразка в камері під час тесту прискорюється шляхом вистилання боків зразка фільтрувальним папером, який поміщається перед натягуванням гумової мембрани. Коли зразок вводиться в апарат, а циліндр з оргскла закріплюється у верхній і нижній пластинах, можна виконувати тести, які можна виконати кількома способами, наприклад:
-
Недреновані випробування. У цих випробуваннях зливання зразка не допускається під час застосування бокового та вертикального випробування, коли клапани V4 та V5 закриті.
-
Недреновані тести з консолідацією. Під час застосування бічного тиску зразок дренується (клапани V4 та V5 відкриті), тоді як під час застосування вертикального тиску дренаж не допускається (V4 та V5 закриті).
3_) Зціджені зразки_. Зразок дренується протягом усього часу випробування (клапани V4 та V5 відкриті), щоб відбулася повна консолідація та не утворювалася вода під напругою в порах під час застосування вертикального тиску σ1. Це випробування займає багато часу, особливо з погано водопроникним ґрунтом, оскільки вертикальне навантаження σ1 має виконуватися великою кількістю невеликих етапів, і на кожному етапі потрібно чекати ущільнення. Крім того, згадані тести можна проводити з насиченими та частково насиченими зразками_._
З огляду на вищезазначені можливості, випробування на тривісний стиск можна проводити в різних варіантах і регулювати відповідно до типу ґрунту в умовах навантаження.
Описані пристрої, процедури, одиниці, значення та шаблони перенесено з історичного джерела. Текст не є геотехнічним дослідженням, лабораторним протоколом, проектом фундаменту, підтвердженням стійкості схилу чи планом земляних робіт. Вибір зразка та методу випробування, стан дренажу та консолідації, ґрунтові води, режим навантаження, сейсмічні впливи та безпека земляних робіт повинні бути визначені для конкретного ґрунту та будівлі відповідно до чинних норм відповідною лабораторією та уповноваженим геотехнічним експертом.