Определение сопротивления глинистых грунтов сдвигу в условиях завершенного уплотнения

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Сибирский государственный индустриальный университет

Кафедра инженерных конструкций

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ СДВИГУ В УСЛОВИЯХ ЗАВЕРШЕННОГО УПЛОТНЕНИЯ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу “Механика грунтов, основания и фундаменты”. Специальности: 29.03 “Промышленное и гражданское строительство”, 29.08 “Водоснабжение, водоотведение, рациональное использование и охрана водных ресурсов”

Новокузнецк

2003

УДК 624.131.37

Рецензент

Кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительного производства и управления недвижимостью СибГИУ

Определение сопротивления глинистых грунтов сдвигу в условиях завершенного уплотнения: Метод. указания/Сост.: : СибГИУ. - - Новокузнецк, 2003.- с.

Определены показатели сопротивления грунтов сдвигу. Даны материалы и оборудование, порядок проведения эксперимента.

Предназначено для студентов специальностей 29.03 “Промышленное и гражданское строительство”, 29. 08 “Водоснабжение, водоотведение, рациональное использование и охрана водных ресурсов”.

ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Разрушение сооружений по причинам, зависящим от работы грунтового основания, обычно является следствием развития в последних недопустимых по величине деформаций. При этом особую опасность представляют деформации выпирания и скольжения, которые в отличие от деформаций уплотнения носят незатухающий характер, т. е. растут во времени с постоянной или увеличивающейся скоростью. В этом смысле для инженерной практики представляет исключительную важность определение условий, обуславливающих появление в грунтовых основаниях и в откосах насыпей или котлованов первоначальных деформаций сдвига, являющихся предвестниками появления деформаций выпирания, т. е. наступления предельного напряженного состояния по прочности и устойчивости. По терминологии СНиП такое состояние именуется первым предельным состоянием.

Характерными случаями появления предельного состояния являются: выпирание грунтов из-под фундаментов зданий и сооружений (рис.1, а) и подпорных стенок (рис.1, б), сползание откосов насыпей и котлованов (рис.1, в).

Потеря прочности и устойчивости имеет катастрофические последствия, так как приводит к потере устойчивости располагающихся на грунте фундаментов и сооружений. Широко известен случай с Трансконским элеватором (Канада), который вследствие потери устойчивости основанием дал с одной стороны осадку более 6 метров. Сооружение при этом наклонилось на 27 и значительно деформировалось.

Критерием наступления предельного состояния по несущей способности является появление в любых точках поверхностей выпирания грунта основания или поверхности скольжения земляных сооружений касательных напряжений , равных сопротивлению грунта сдвигу .

Отсюда очевидно, что очень важно для инженера знания механических показателей, характеризующих сопротивление грунтов сдвигу, а так же знакомство с методами экспериментального определения таких показателей.

а)

б)

в)

Рис. 1. Случай предельного состояния грунтов оснований по прочности (устойчивости).

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Разрушение грунтов, проявляющиеся нарушений их сплошности и смещении одной части массива относительно другой, называется сдвигом.

Сопротивление сдвигу при фиксированной нормальной нагрузке к площадке сдвига - это минимальное касательное напряжение, вызывающее не затухающее смещение.

Сопротивление сдвигу грунта не постоянно. Для песчаных грунтов оно зависит от плотности, для глинистых - от плотности-влажности грунта и скорости сдвига.

При решении практических задач необходимо в каждом конкретно случае проводить испытание грунтов по методике, наиболее полно

соответствующей работе грунта в основании сооружения. Различают две основные схемы испытания грунтов на сдвиг методом среза:

1. Испытание по первой схеме проводят без предварительного уплотнения образцов грунта с сохранением природной плотности-влажности в процессе опыта. Эта схема соответствует работе грунта под действием сил собственного веса, а так же в основании сооружений при незавершенном уплотнении, т. е. в процессе строительства.

2. Испытание по второй схеме производится следующим образом. В поставленные одна на другую две обоймы кольцевого сечения в плане помещается образец и на него передается вертикальная сжимающая нагрузка N. Так как в практической деятельности чаще всего приходится сталкиваться не с чисто сдвиговыми деформациями, когда нормальные напряжения соответствуют, а со сложно-напряженным состоянием грунта, при котором возможно как изменение объема при сжатии, так и форма при сдвиге. Затем к верхней обойме прикладывается горизонтальная нагрузка Т, величину которой увеличивать до тех пор, пока она не вызывает сдвиг одной обоймы относительно другой со срезом грунта по всей поверхности, проходящей по их контакту.

Рис.2 Схема срезанного прибора

Величина сопротивления сдвига при этом получается наибольшей. Такое испытание позволяет оценить прочность грунтов оснований сооружений при их эксплуатации.

Существующий стандарт (ГОСТ 12248-66) распространяется на песчаные и глинистые грунты при нормальных напряжениях не более

0,6 МПа (6 кгс/см). Стандарт не распространяется на крупные песчаные и гравелистые грунты, а также на глинистые грунты текучей консистенции с коэффициентом пористости более 1 для суглинков и супесей, и больше 1,5 для глин.

Рис.3. Прибор для испытания образцов грунта на сдвиг

ОБОРУДОВАНИЕ И ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ К ИСПЫТАНИЮ

Для выполнения работы, необходимы следующие приборы и материалы:

Три образца предварительно уплотненного грунта нарушенной структуры, индикатор часового типа, гири, прибор ГГП-30 (рис.3), который работает по принципу поперечного сдвига образца грунта в одной плоскости прибор включает: рабочий столик, срезыватель, ванну, загрузочное устройство вертикального давления, кронштейн с рычагом горизонтального усилия и тормоз.

ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ К ИСПЫТАНИЮ

Изменения влажности грунтов, оказывая влияние на характер внутренних связей между их частицами, приводит к изменению их сопротивления сдвигу. В этой связи, при испытании образцов по второй схеме, необходимо добиться одинакового состояния грунта по влажности и плотности. Для обеспечения практически одинаковых величин влажности и плотности испытываемых образцов их вначале уплотняют ступенями до давления , а затем необходимые для испытаний величины давлений получают путем разгрузки. При этом используются свойство ветви разуплотнения компрессионной кривой (рис.4), заключающиеся в незначительном

изменении пористости при разгрузке образцов от =0,6 МПа(кгс/см) до давления =0,05 МПа (0,5 кгс/см).

Рис.4. Компрессионные кривые: 1- ветвь

уплотнения; 2- ветвь набухания--(разуплотнения)

Это позволяет считать, что испытание образцов данного грунта на сдвиг (при давлениях =0,1 МПа, =0,2 МПа, =0,3 МПа) практически выполняется для одного состояния грунта по влажности-плотности.

В лаборатории перед испытанием на сдвиг все образцы предварительно уплотняются давлением =0,4 МПа (4 кгс/см).

ПОРЯДОК И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

1. Образец из прибора предварительного уплотнения быстро переносят и помещают в обойму уплотнителя сдвигового прибора.

2. Размещают в ванне уплотнителя обойму с образцом грунта и передают на последний вертикальную сжимающую нагрузку =40 Н (4 кгс). При этом на образце создается давление =0,1 МПа.

3. Создают зазор между нижней и верхней обоймами величиной порядка 0,5-1,0 мм при помощи специальных винтов.

4. Устанавливают индикатор часового типа для регистрации горизонтального смещения подвижной обоймы.

5. Прикладывают к образцу грунта ступенями Т (величиной не более 5%10% от значения N) сдвигающую нагрузку Т, укладывая грузы на подвеску рычага горизонтального усилия. При этом горизонтальное смещение подвижной обоймы регистрируют через каждую минуту.

К следующей ступени переходят после достижения условной стабилизации сдвиговой деформации (скорость деформации должна составлять не более 0,01 мм /мин, т. е. разность между предыдущим и последующим отчетами, снимаемыми через одну минуту, должна быть меньше или равной 0,01 мм).

Критерием разрушения образца - среза является постоянная или возрастающая скорость сдвиговой деформации и, кроме того, смещение подвижной обоймы на 5-7 мм.

Срез при данном значении дает одну точку М графика (рис. 6) с координатами (,) и для того, чтобы построить график сдвига, необходимо испытать несколько образцов одного и того же грунта (не менее трех)

6. Разгружают сдвиговой прибор после испытания образца, снимая сначала грузы с подвески рычага горизонтального усилия, а затем с рычага вертикального усилия.

7. Испытывают в описанной выше последовательности второй и третий образцы грунта при давлении =0,2 МПа и =0,3 МПа. Для этого прикладывают вертикальные нагрузки равные, соответственно, =80 Н (8 кгс) и =120 Н (12кгс).

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Все данные, полученные в процессе опыта, записываются в таблицу.

По табличным данным строят график зависимости горизонтальных деформаций от сдвигающих напряжений и график сдвига. Графики строятся в прямоугольной системе координат. Масштаб по обеим осям принимают одинаковым.

Для первого графика по оси абсцисс откладывают горизонтальные деформации, а по оси ординат - касательные напряжения. Экспериментальные точки наносят на график для каждой ступени

Рис. 5. График зависимости горизонтальной деформации образца грунта от касательного напряжения при сдвиге

а) б)

Рис. 6. Графики сдвига песчаного (а) и глинистого (б) грунтов.

горизонтальной нагрузки. Типичная кривая изменения горизонтальных деформаций образца грунта при сдвиге показана на рис. 5.

Для графика сдвига по оси абсцисс откладывают нормальные напряжения в плоскости среза, а по оси ординат - величины касательных напряжений в момент среза. Соединяя экспериментальные точки, полученные при срезе нескольких образцов при различных значениях , получают график зависимости между нормальными и касательными напряжениями при срезе.

Обычно этот график (рис. 6) представляет наклонную прямую, которая для песчаных грунтов проходит через начало координат, а для глинистых - пересекает ось координат на некотором расстоянии от начала.

Уравнение графика сдвига будет иметь в первом случае вид:, а во втором , где - угловой коэффициент прямой; c- отрезок, отсекаемый графиком сдвига на оси ординат.

Эти уравнения носят название уравнений Кулона.

Параметры сопротивления грунтов сдвигу по результатам трех и более испытаний на приборах прямого сдвига определяются также способом наименьших квадратов по формулам:

,

,

где - знак суммы, которую надо распространить от 1 до n; n - - количество испытанных образцов грунта; - нормальные напряжения; - предельные касательные напряжения.

В заключение остановимся на характеристиках сопротивления глинистых грунтов сдвигу. Большинство считает ошибочным стремление придавать этим характеристикам физический смысл и считать их соответственно коэффициентом внутреннего трения и сцеплением.

Непосредственный физический смысл имеет только полная величина сопротивления сдвигу, параметры. в одной из своих работ пишет: “Как можно различать силы трения или прилипания в том случае, когда действующая сила стремится вызвать перемещения одного тела вдоль поверхности другого. Очевидно, что назвать в одних случаях сопротивление этому движению статическим трением, а в других случаях, которые от первых четко ограничить невозможно, прилипанием, было бы полнейшим произволом и привело бы к путанице не только терминов, но и понятий”

Это мнение в равной степени относится к понятиям трения и сцепления в глинистых грунтах. Очевидно, что трение и сцепление должны рассматриваться лишь как параметры зависимости сопротивления грунтов сдвигу от нормального давления, действующего в опыте.

Лишь сопротивление сдвигу связных грунтов при различных сжимающих напряжениях, но при быстром сдвиге (без изменения содержания влаги) и наличия малых деформаций сдвига будет определяться их сцеплением, а чисто сыпучих грунтов - только их трением.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.Чем обеспечивается устойчивость (прочность, несущаяся способность) грунтов в основаниях сооружений и откосах траншей, котлованов?

2.Что называется сдвигом?

3.От чего зависит сопротивление грунтов сдвигу для песчаных и пылевато - глинистых грунтов?

4.Какие основные схемы испытания грунтов на сдвиг применяют при решении практических задач?

5.Что является критерием наступления придельного состояния основания до прочности (устойчивости, несущей способности)?

6.Диаграммы сдвига для песочных и пылевато-глинистых грунтов. Закон Кулона.

7.Что такое сопротивление сдвигу при фиксированной нормальной нагрузке к площадке сдвига?

8.Порядок определения сопротивления грунтов сдвигу в лаборатории.

9.Правомочно ли разделение сопротивления сдвигу глинистых грунтов на силы трения и сцепления?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 25100-82. Грунты. Классификация. - М.: Издательство стандартов, 1983. - 9с.

2. Цытович грунтов. Краткий курс. - М.: Высшая школа, 1983. - 288с.

3. Цытович грунтов. Изд. 4-е. - М.: Стройиздат, 1963. - 636с.

4. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений/Госстрой СССР. - Стройиздат, 1985. - 40с.

5. Берлинов и фундаменты. - М.: Высшая школа, 1998.- 319с.

6. Швецов геология, механика грунтов, основания и фундаменты. - М.: Высшая школа, 1997.-317с., ил.

План 2003

Составители:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ СДВИГУ В УСЛОВИЯХ ЗАВЕРШЕННОГО УПЛОТНЕНИЯ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу “Механика грунтов, основания и фундаменты”. Специальности: 29.03 “Промышленное и гражданское строительство”, 29.08 “Водоснабжение, водоотведение, рациональное использование и охрана водных ресурсов”

Напечатано в полном соответствии с авторским оригиналом

Подписано в печать 29.11.93 г. Формат бумаги 6084 1/16.

Усл. печ. л. . Уч.-изд. л. . Тираж экз. Заказ.

Сибирский государственный индустриальный университет

654007, .

Издательский центр СибГИУ