И. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ НАБУХАНИЯ (схема 6)

Подготовку грунта для испытания следует производить в соответствии с п.3 раздела В настоящего приложения. Однако при подготовке грунта особое внимание следует уделять возможным источникам ошибок в определении давления набухания, которыми являются:

- некачественная загрузка образца в рабочее кольцо за счет образования зазора между кольцом и грунтом;

- образование зазоров между грунтом и нижним вкладышем одометра, а также грунтом и верхним штампом из-за недостаточно качественной подготовки поверхностей образца при их зачистке;

- недоучет рассеивания давления набухания при сжимаемости фильтров и наличия неучтенных объемов на поверхности верхнего штампа и нижнего вкладыша;

- пространство, образующееся за счет непараллельности поверхности грунта и плоскостей нижнего вкладыша и верхнего штампа;

- дефекты структуры грунта в виде трещин, пор, пустот, вывалов агрегатов частиц, наличие грубодисперсных включений, неоднородности состава и т.п.;

- компоновка измерительного оборудования, его подгонка, тарировка, калибровка.

После записи нулевого отсчета рекомендуется обжать фильтры и поверхности испытываемого образца давлением 0,025 МПа, при этом показания индикаторов следует считать начальными, фиксирующими объем образца, неизменность которого следует контролировать в процессе испытания.

Далее залить воду в поддон прибора и на верхний штамп. Этот момент считается началом водонасыщения и началом отсчета времени испытания. Насыщение следует производить при постоянном градиенте напора, равном 1-1,1. В процессе водонасыщения необходимо поддерживать уровень воды в пьезометрических трубках прибора и наблюдать за изменениями показаний индикаторов, контролирующих объем испытываемого образца.

При контроле неизменности объема образца в процессе водонасыщения может быть использована компоновка измерительных средств в количестве двух индикаторов и тогда учитывается их среднеарифметическое значение, или используется один индикатор, установленный по центру образца. Могут быть использованы индикаторы с ценой деления 0,01 или 0,001 мм. В этой связи точность определения неизменности объема может находиться в пределах 0,004-0,04 см³.

Если в процессе водонасыщения регистрируется набухание грунта на 0,001-0,01 мм, то эти деформации надлежит компенсировать дополнительной внешней силой. При испытании в компрессионном приборе компенсация производится приложением ступени давления такой величины, чтобы компенсировать не только деформации набухания, но и тарировочную поправку на сжатие фильтров так, чтобы их сумма была равна нулю. Аналогичная компенсация деформаций набухания производится при использовании устройств для определения давления набухания, где нагружение образца производится через динамометр (см. рис. 7.6).

Наблюдение за деформациями набухания и их компенсация производятся до тех пор, пока в течение 3-4 часов не будет зарегистрировано отсутствие изменений показаний индикаторов. Регистрация времени производится в момент приложения очередной ступени давления. В промежутке между ступенями давления наблюдения за показаниями индикаторов ведут через 1, 2, 5, 10, 20, 30, 60 мин от момента приложения очередной ступени давления. Допускается регистрация наблюдений и через равные промежутки времени, исходя из особенности развития процесса в течение опыта. Все измерения заносить в журнал испытаний (приложение 1, форма 13).

В случаях, когда величина последней компенсирующей ступени давления будет несколько больше ожидаемого давления набухания и произойдет сжатие образца на величину, большую, чем деформации фильтров, то за давление набухания следует принять давление после приложения предпоследней ступени, увеличенное на 1/2 или 2/3 части последней ступени, в зависимости от величины происшедшего сжатия.

2. По результатам измерений следует рассчитать:

- величину абсолютной деформации на каждой ступени давления как среднее арифметическое значение показаний индикаторов за вычетом поправки на деформацию фильтров, при этом должно соблюдаться условие проведения испытания:

h_i  n_i – n₀ - m_i; (35)

- величину относительной деформации грунта (_i) на каждой ступени компенсирующего давления (p_i) с точностью 0,001

_i = h_i / h. (36)

По величинам относительной деформации надлежит построить график зависимости  = f (p) (см. табл. 7.2, схема 6). При качественном проведении испытания точки графика должны располагаться на оси абсцисс или параллельно оси.

Подготовку грунта для проведения испытания следует производить в соответствии с разделом В и рекомендациями п.7.5 настоящего Руководства.

Определение величины давления набухания необходимо произвести в соответствии с п.1 раздела И.

Далее произвести сжатие образцов грунта ступенями давления в соответствии с пп.1, 2 раздела Е.

После достижения условной стабилизации деформаций грунта на конечной ступени давления испытание считается законченным и, если не предусматривается испытание грунта по ветви декомпрессии (разгрузки), необходимо приступить к разгрузке прибора в соответствии с п.4 раздела Д. По завершении разгрузки определяются параметры сложения грунта после опыта в соответствии с п.3 раздела Е. Данные измерений заносятся в журнал испытаний (приложение 1, форма 13).

По результатам измерений определяются:

- величина деформации (h_i) на каждой ступени давления, компенсирующих деформации набухания

h_i  n_i – n₀ - m_i; (37)

- величина абсолютной деформации грунта на конечной ступени давления (h_к)

h_к = n_к – n₀ – m_к; (38)

- величина поправки на деформацию (h_ti) на каждой ступени давления в интервале от величины давления набухания (p_sw) до конечной ступени (p_к) по формуле:

, (39)

- величина деформации грунта (h_i) на каждой ступени давления в интервале от давления набухания (p_sw) до конечной ступени (p_к)

h_i = h_t + h_ti (40)

- величина относительной деформации грунта (_i) на каждой ступени давления (p_i) с точностью 0,001.

По величинам относительной деформации следует построить график зависимости  = f (p) (см. табл. 7.2, схема 7) и уточнить величину давления набухания.

По участку графика, расположенному за пределами давления набухания, необходимо рассчитать параметры сжимаемости грунта по характерным участкам деформируемости:

- коэффициент уплотнения (a) по формуле

a = (e_i – e_i+1) / (p_i+1 - p_i); (41)

- модуль деформации E по формуле

где e_i и e_i+1, _i и _i+1 - величины коэффициентов пористости и относительного сжатия, соответствующие давлениям p_i и p_i+1;  - поправка, учитывающая отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе.

Подготовку грунта для проведения испытания следует производить в соответствии с п.3 раздела В этого приложения и рекомендациями п.7.5А настоящего Руководства.

Определение величины давления набухания необходимо произвести в соответствии с указаниями п.1 раздела И.

После достижения величины давления набухания (p_sw) разгрузка должна производиться ступенями давления с регистрацией деформаций набухания на каждой ступени. Набухание сопровождается поглощением воды, поэтому в процессе испытания необходимо следить за поддержанием необходимого количества жидкости в поддоне прибора, осуществляя контроль по пьезометрическим трубкам и на верхнем штампе прибора.

Ступени давления при разгрузке должны быть определены техническим заданием на проведение испытаний либо:

при величине давления набухания около 0,3±0,05 МПа - p_sw: 0,2; 0,1; 0,05; 0,025; 0; МПа

при величине давления набухания около 0,6±0,05 МПа - p_sw: 0,4; 0,2; 0,1; 0,05; 0,025; 0; МПа

при величине давления набухания около 1,2±0,1 МПа - p_sw: 0,8; 0,4; 0,2; 0,1; 0,05; 0,025; 0; МПа.

При более высоких величинах давления набухания ступени давления при разгрузке выбираются в зависимости от условий задач испытаний, характера сооружений, особенностей деформируемости грунта в ходе испытания. В пределах предлагаемых ступеней разгрузки допускается применение более дробных ступеней.

Регистрацию деформаций на каждой ступени давления надлежит проводить два раза в течение рабочего дня (в сутки) до достижения условной стабилизации деформаций. При изучении кинетики набухания грунта при разных ступенях давления регистрацию деформаций следует производить через 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 60 мин, через час в течение рабочего дня и далее два раза в сутки.

На конечной ступени давления (p = 0) одометр извлекается из-под траверсы нагрузочного устройства и наблюдение за деформациями осуществляются до достижения условного критерия стабилизации. За условный критерий стабилизации деформаций набухания следует принимать величину деформации 0,01 мм за 16 часов.

После завершения набухания следует произвести разборку прибора, определить плотность и влажность грунта после опыта в соответствии с указаниями п.3 раздела Е. Результаты всех измерений записывать в журнал испытаний (приложение 1, форма 13).

По результатам измерений следует определить:

- величину абсолютной деформации (h_i) на каждой ступени давления по формуле

h_i = n_i – n₀ - m_i; (43)

- величину относительной деформации (_i) на каждой ступени давления (p_i) в интервале от давления набухания до нуля с точностью 0,001.

По величинам относительной деформации необходимо построить график зависимости  = f (p) (см. табл. 7.2, схема 8), выделить участок графика, характеризующий определение давления набухания, уточнить графически величину давления набухания, выделить ветвь набухания при уменьшении ступеней давления.

По величинам относительной деформации при набухании нужно рассчитать коэффициент набухания по формуле:

Измерение образцов производится в следующей последовательности: размечаются три направления диаметра под углом в 60°; образец помещается на подкладку (рис. 7.7) так, чтобы измерение диаметра выполнялось по средней части образца и из измерения трех диаметров вычисляется средняя величина; образец кладется на образующую цилиндра и измеряется его высота. Измерения осуществляются 2-3 раза в сутки.

Сушка образца при усадке производится в три этапа. На первом этапе ведется сушка в закрытом сосуде при температуре 18-20° и изменении массы образца от 0,5 до 2 граммов в сутки. Критерием условного завершения испытаний на 1-м этапе является отсутствие изменений линейных размеров образца в двух последовательных измерениях.

На втором этапе, после преодоления предела усадки, что контролируется графиками (рис. 7.17) хода испытания, сушка образца ведется на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы. На этом этапе образец необходимо предохранять от резкого перепада температур. Критерием условного завершения испытаний на втором этапе является отсутствие изменений в массе образца грунта.

На первом этапе сушки должно быть получено не менее шести точек измерений, на втором - не меньше пяти. Точки измерения, построенные на графике, должны полно и равномерно отображать оба этапа усадки. В случае образования трещин, исключающих достоверное определение объема образца в течение опыта, его необходимо повторить.

При определении характеристик усадки грунта нарушенного сложения следует подготовить образец с влажностью на 5-10% большей, чем влажность грунта на границе текучести. Далее производится монтаж измерительной линейки и всего оборудования в соответствии с рис. 7.9. Отсчет показаний и взвешивание образца с поддоном производится не реже трех раз в сутки с соблюдением осторожности при работе с измерительной линейкой.

Результаты измерений записываются в журнал испытаний. По результатам испытаний следует:

- определить объем грунта на каждый момент измерения по формуле:

, (45)

где d_i - диаметр образца в момент измерения, определенный как среднее арифметическое значение трех измерений по размеченным направлениям, см; h_i - высота образца в момент измерения, см;

- рассчитать влажность грунта на каждый момент измерения по формуле:

W = (m_i - m) / m, (46)

где m_i - масса образца грунта в момент измерения, г; m - масса образца сухого грунта, г;

- рассчитать усадку по высоте, диаметру и объему по формулам соответственно:

_sh = (h - h_к) / h; _sd = (d - d_к) / d; _SV = (V - V_к) / V, (47)

где h; d; V и h_к; d_к; V_к - соответственно начальные и конечные значения высоты, диаметра и объема образца грунта.

По величинам объема и влажности на каждый момент времени следует построить график зависимости изменения объема образца от влажности V = f (W).

За величину влажности на пределе усадки (W_sh) следует принимать влажность, соответствующую точке перегиба графика (V = f (W)). Допускается нахождение точки перегиба путем восстановления перпендикуляра к графику из точки пересечения касательных к двум ветвям кривой, соответствующим первому и второму этапам сушки образца.

Приложение 8

2. Определение сопротивляемости грунтов срезу в соответствии с ГОСТ 12248-78 следует проводить методами консолидированного и неконсолидированного среза.

3. Изучение сопротивления грунтов срезу необходимо для правильного расчета прочности оснований, устойчивости сооружения, определения давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов.

4. Зависимость срезающего усилия от нормального давления определяется выражением:

 = p · tg  + c, (1)

где  - угол внутреннего трения в грунте, град; c - сцепление, МПа.

Графически под углом внутреннего трения грунта () понимается величина угла наклона графика к оси абсцисс, а под сцеплением (c) - отрезок на оси ординат, отсекаемый этой прямой.

5. Сопротивление срезу данного грунта зависит от степени нарушенности естественной структуры, плотности, влажности, условий дренирования (открытая или закрытая система), схемы уплотнения, скорости среза.

Испытания грунтов для определения сопротивления их срезу следует проводить на образцах ненарушенного сложения или подготовленных с заданными значениями плотности и влажности, а также в условиях полного водонасыщения.

6. Испытания на срез проводятся не менее чем при трех значениях нормального давления, которые выбираются с учетом реальных нагрузок от проектируемого сооружения, характера деформируемости грунта при сдвиге, состояния и особенностей структуры.

7. Испытания грунтов на срез надлежит проводить на приборах одноплоскостного среза. Испытываются образцы цилиндрической формы диаметром не менее 70 мм, высотой не более 1/2 и не менее 1/3 диаметра. При испытаниях на срез в полевых лабораториях однородных глинистых грунтов с показателем текучести I_L > 0, допускается применять образцы диаметром не менее 56,5 мм.

8. Рассматриваемые методы испытаний грунта не распространяются на: гравелистые и крупные пески; глинистые грунты, содержащие крупнообломочные включения размером более 5 мм или свыше 20% по массе включений размером до 5 мм; средне- и сильнозаторфованные грунты и торфы, а также на все виды грунтов в мерзлом состоянии.

9. В зависимости от предварительной подготовки грунта по продолжительности испытания существуют различные методики проведения испытания на срез.

При предварительной подготовке грунта к испытанию необходимо выделять:

- срез грунта с параметрами плотности и влажности естественного сложения;

- предварительное дополнительное водонасыщение грунта до практически полного водонасыщения с сохранением его естественной плотности (водонасыщение грунта без возможности изменения его объема - водонасыщение под арретиром);

- уплотнение грунта под нагрузкой до прекращения изменений пористости;

- предварительное уплотнение грунта до полной консолидации под нагрузками, при которых будет производиться срез грунта;

- стабилизация пористости грунта при его набухании под нагрузками и последующий срез под этими нагрузками;

- срез грунта с оптимальными значениями плотности и влажности.

В зависимости от продолжительности испытания получают:

- неконсолидированный (быстрый) срез продолжительностью до 2-х минут;

- неконсолидированный (ускоренный) срез продолжительностью до 5-6 минут;

- консолидированный (замедленный или медленный) срез продолжительностью 40-50 мин и более.

Продолжительность испытания включает промежуток времени от приложения вертикального давления до завершения среза и снятия вертикального давления.

10. Метод консолидированного среза следует применять для определения параметров среза грунтов в условиях стабилизированного состояния: песчаных; глинистых - с показателем текучести I_L  1, коэффициентом пористости для супесей и суглинков e  1 и для глин e  1,5.

11. В зависимости от вида грунта сопротивление срезу в консолидированном состоянии следует определять:

- для песчаных грунтов с заданной плотностью сложения и влажностью в условиях полного и неполного водонасыщения;

- для глинистых грунтов на образцах ненарушенного сложения при природной влажности или в условиях полного водонасыщения;

- для искусственно уплотненных глинистых грунтов из массива или подготовленных в лаборатории с заданной плотностью и влажностью.

12. Метод неконсолидированного среза следует применять для определения сопротивления срезу грунтов в условиях нестабилизированного состояния: водонасыщенных суглинков и глин (при степени влажности S_r  0,85), имеющих показатель текучести I_L  0,5, набухающих, засоленных, искусственно приготовленных грунтов с заданной плотностью и влажностью, в том числе дополнительно водонасыщенных, а также просадочных грунтов, замоченных до полного водонасыщения.

13. В условиях одноплоскостного среза определяются параметры ползучести глинистых грунтов: порог ползучести * = f (p); коэффициент динамической вязкости _t = f (t); критическая деформация ползучести l_cr = f (t); критическое время разрушения образца t_cr = f (u).

14. Скорость деформации ползучести выражается следующими уравнениями:

- для глинистых грунтов без необратимых цементационных связей:

- для глинистых грунтов с коагуляционными и цементационными структурными связями

- для общего случая

где u - скорость деформирования, см/с;  - действующее касательное напряжение, МПа; p_z - вертикальное давление на глубине z, МПа; tg_w - тангенс угла внутреннего трения, град; c_c - структурное сцепление, МПа; _t - коэффициент динамической вязкости, Па.

Знак минус в приведенных выражениях отвечает обратному соотношению значений скорости деформации u и глубины z рассматриваемого слоя грунта.
Аппаратура
Определение характеристик прочности грунтов в лаборатории осуществляется на приборах: ПГС, ВСВ-25, ПСП-3, СПФ-2М, ЛУС-100 и других.

Конструкция одноплоскостного срезного прибора должна обеспечивать:

- центрированную передачу и вертикальность нормальной нагрузки на штамп;

- приложение касательной нагрузки в фиксированной плоскости среза;

- возможность передачи нормальной и касательной нагрузок ступенями или в виде непрерывно возрастающей нагрузки (создаваемой в случае касательной нагрузки в результате непрерывного перемещения с постоянной скоростью);

- измерение вертикальных деформаций (сжатия или набухания) и горизонтальных деформаций (среза) с точностью 0,01 мм;

- возможность тарировки прибора для установления величин поправок на преодоление трения между подвижной и неподвижной частями срезной коробки.

Срезные приборы должны иметь жесткое основание, предохраняющее в процессе испытаний образец грунта от сотрясений и вибраций. Части приборов, соприкасающиеся с водой, должны быть изготовлены из некоррозионного материала. Тарировка должна производиться не реже одного раза в год.