Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве (стр. 85 )

б) инструкция применима только в испытаниях на приборах трехосного сжатия типа ПТС, характеризуемых осесимметричным нагружением (при s2 = s3) и работающих по схеме задания испытаний с фиксацией соответствующих деформаций;

в) инструкция применима только в испытаниях крупнообломочных материалов, содержащих не более 10% глинистых либо илистых заполнителей.

3. Основные обозначения:

s1, s3 - соответственно большее и меньшее главные напряжения в процессе опыта, МПа, или кг/см2;

, - главные напряжения при разрушении, МПа, или кг/см2;

j, c - параметры сопротивления сдвигу (j0 - характеризует внутреннее трение, c - сцепление, МПа, или кг/см2);

tg y = tn / sn - коэффициент сдвига;

e1, e3, eV - соответственно осевая, боковая и объемная относительные деформации образца, в %;

H0, S0, V0 - начальные геометрические параметры образца, соответственно высота (см), площадь поперечного сечения (см2), объем (см3);

Sд - площадь поршня домкрата, см2;

DH, DV, Ds - изменение параметров в процессе опыта;

Hi, Si - соответственно высота образца и площадь его поперечного сечения при данной нагрузке;

D0 - начальный диаметр рабочей камеры прибора, см;

dmax - диаметр наиболее крупных частиц материала, см;

rs - плотность частиц исходной горной породы, г/см3;

rd - плотность сухого материала, численно равная массе твердых частиц в единице объема грунта, г/см3;

rd min - плотность сухого материала в предельно рыхлом сложении, г/см3;

rd max - плотность сухого материала в предельно плотном сложении, г/см3;

Id - относительная плотность сложения крупнообломочного материала.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Теоретические основы исследования прочности крупнообломочных материалов

1. В расчеты устойчивости откосов, сложенных крупнообломочными грунтовыми материалами, в соответствии со СНиП II-53-73, входят параметры, определяемые условием прочности Кулона-Мора.

2. Предельное сопротивление сдвигу грунтовых материалов по Кулону-Мору определяется следующими общими соотношениями:

- на площадках сдвига выполняется условие

tn = f (sn), (1)

где tn и sn - касательная и нормальная компоненты напряжений на площадке сдвига;

- площадки сдвига наклонены к направлению наибольшего главного напряжения s1 под углами

45° ± j/2,

где угол j, называемый углом внутреннего трения, определяется равенством

tgj = ¶ f (sn) / ¶ sn. (2)

3. Нормальная и касательная компоненты напряжения sn и tn на площадке сдвига выражаются через предельные значения главных напряжений и в виде:

. (3)

Предельное сопротивление сдвигу при этом может быть записано:

t = F (S). (4)

4. Предельное сопротивление сдвигу крупнообломочных материалов при статических воздействиях в большинстве случаев характеризуется линейным соотношением типа

tn = f (sn) = c + sn tgj. (5)

Здесь c - сопротивление сдвигу при отсутствии нормальной нагрузки обусловлено фактором "зацепления" частиц неправильной геометрической формы в крупнообломочном материале (рис. 9.1, а).

Рис. 9.1. Диаграммы сопротивления сдвигу грунтов

В главных компонентах напряжений условие прочности Кулона-Мора записывается

t = H + S tg a, (6)

где H = c · cos j; tga = sinj.

5. Исследование прочностных свойств крупнообломочных материалов на приборах трехосного сжатия сводится к установлению зависимости в общем случае типа (1) или (4). При линейном виде предельного условия типа (5) или (6) прочность крупнообломочного материала характеризуется двумя параметрами: углом внутреннего трения j и величиной "зацепления" c.

6. Результаты экспериментов обрабатываются в координатах "t¸S" по данным непосредственных значений предельных напряжений и , полученных в опыте (рис. 9.1, б).

7. Параметры линейного условия прочности (6) H и tga рассчитываются методом наименьших квадратов в соответствии с ГОСТ 20522-75 [10] и ГОСТ 26518-85 [39] по формулам:

; (7)

Соответствие экспериментальных данных линейной зависимости (6) оценивается по коэффициенту корреляции:

. (8)

При условии R > 0,9 зависимость (6) принимается линейной и параметры условия прочности определяются по формулам:

j = arcsin (tga), c = H / cos j (9)

8. Для многих видов крупнообломочных материалов линейное предельное условие (5) или (6) не выполняется. Наиболее сильно нелинейность проявляется при нормальных напряжениях до S0 < 0,3¸0,5 МПа. В этом случае условие прочности выражается двумя линейными соотношениями (6) для двух участков (рис. 9.2)

t1 = H1 + S tga1 при S < S0,

(10)

t2 = H2 + S tga2 при S > S0.

Рис. 9.2. Диаграммы сопротивления сдвигу грунтов при аппроксимации двумя линейными участками

По значениям H1, a1 и H2, a2 определяются величины соответственно c1, j1 и c2, j2 по формулам (9).

9. При расчетах устойчивости откосов иногда используется тангенс угла сдвига tgy, определяемый как отношение:

tgy = tn / sn. (11)

Связь между tgy и параметрами уравнения (5) определяется выражением:

tgy = tga + (c / sn). (12)

10. Угол сдвига совпадает с углом внутреннего трения только в случае линейного предельного условия для идеально сыпучей среды (c = 0). Во всех остальных случаях угол сдвига является переменным и уменьшается с увеличением sn (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Зависимость угла сдвига от напряжений

11. Зависимость угла сдвига y от относительной плотности Id (рис. 9.4) записывается в виде:

y = a (sn) + b · Id, (13)

где a (sn) - параметр, представляющий собой угол сдвига y при значении Id = 0 и зависящий от уровня напряжений sn; b - угловой параметр линейной зависимости y от Id при любом фиксированном значении sn.

Рис. 9.4. Зависимость угла сдвига от плотности сложения гравийно-галечникового материала Нурекской плотины (по результатам трехосных испытаний)

1) y = 36,1 + 12,06 Id; sn = 0,35¸0,36 МПа; 2) y = 31,7 + 12,06 Id; sn = 10 МПа;

3) y = 26,6 + 12,01 Id; sn = 1,98¸2,03 МПа; 4) y = 26,1 + 12,13 Id; sn = 3,30¸3,34 МПа.

(В диапазоне изменения mL5 = 10-40%).

12. Значения показателей прочности определяются в испытаниях для всего диапазона напряжений, действующих в сооружении.

Серией экспериментов устанавливается корреляционная зависимость угла сдвига y от уровня напряжений на площадке сдвига sn при некотором постоянном значении Id (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Зависимость угла сдвига y от нормального напряжения на площадке сдвига sn в диапазоне mL5 = 10-40%

1 - расчетные средние значения при Id = 0,9; 2 - то же при Id = 0,7.

Для нахождения параметров a и b уравнения (13) необходимо выполнить еще один опыт (с тройной повторностью) при любом из уже исследованных значений sn, но для другого Id. Имея два значения y для двух Id при sn = const, можно найти параметры уравнения (13) по выражениям:

; .

13. На приборах ПТС-300 показатели прочности определяются в условиях осесимметричного сжатия (s2 = s3). В то же время, из опыта отечественных и зарубежных исследований сыпучих материалов известно, что с учетом промежуточного главного напряжения значения показателя прочности могут быть существенно повышены. Рекомендуется в расчетах, связанных с плоской деформацией, величину угла сдвига (или внутреннего трения), полученную по результатам осесимметричных трехосных испытаний, увеличить на 10%.

Прибор трехосного сжатия ПТС-300. Технические возможности прибора

14. Прибор (см. схему рис. 9.6) позволяет испытывать цилиндрический образец крупнообломочного материала диаметром 300 мм и высотой 650 мм, который формуется непосредственно в рабочей камере прибора (при установке в камеру на время формирования образца тонкостенного стального цилиндра) путем послойной укладки материала определенной заданной влажности до получения заданного значения плотности.