Подготовка грунтов перед испытаниями на срез

2. Предварительное уплотнение образца грунта надлежит производить при нормальных давлениях p, при которых в последующем определяют сопротивление образцов срезу. Нормальное давление при предварительном уплотнении следует передавать на образец грунта последовательно ступенями p.

Величины p и p указаны в табл. 8.1.
Таблица 8.1

Вид и состояние грунта	Нормальные давления при предварительном уплотнении, МПа	Ступени давления p, МПа
Пески средней крупности, плотности; глины с показателем текучести IL = 0	0,1; 0,3; 0,5	0,1
Пески средней крупности и средней плотности; мелкие, плотные и средней плотности	0,1; 0,2; 0,3	0,05
Супеси и суглинки, IL  0,5	0,1; 0,2; 0,3; 0,5
Глины, 0  IL  0,5	0,05; 0,1; 0,2; 03
Пески средней крупности и мелкие, рыхлые; пылеватые - независимо от плотности	0,1; 0,15; 0,2	0,025 (до 0,1 МПа) и далее - 0,05
Супеси, суглинки и глины, IL > 0,5	0,05; 0,1; 0,15; 02

В случаях проведения специальных испытаний допускается изменение величин нормального давления и ступеней их приложения.

3. Для предварительного уплотнения грунта перед срезом следует использовать приборы УГПС-1 и УГПС-2 (рис. 8.1, 8.2).

4. Каждую ступень давления при предварительном уплотнении необходимо выдерживать:

- для песчаных грунтов - не менее 5 мин,

- для глинистых грунтов - не менее 30 мин, а конечную ступень - до условной стабилизации вертикальных деформаций.

Дополнительное водонасыщение грунтов перед испытанием может производиться в процессе предварительного уплотнения.

5. За условный критерий деформаций сжатия при предварительном уплотнении следует принимать величину перемещения 0,01 мм за время:

- для песчаных грунтов - не менее 20 мин,

- для глинистых грунтов (непросадочных, набухающих, засоленных): супесей - не менее 3 часов, суглинков и глин - не менее 16 часов,

- для просадочных грунтов - не менее 3 часов.

Эти же критерии стабилизации следует использовать для оценки при дополнительном водонасыщении грунтов.

6. Замачивание образцов грунта следует производить кипяченой питьевой водой. В отдельных случаях, определяемых заданием, замачивание следует производить грунтовой водой с места отбора образца или химическими растворами заданного состава и концентрации.

7. Дополнительное водонасыщение грунта производится в специальном приспособлении (см. рис. 7.4, 7.5). Для водонасыщения проб рабочие кольца с грунтом покрываются с двух сторон бумажными фильтрами и помещаются между двумя перфорированными дисками, которые препятствуют набуханию грунта. Диски с кольцами помещают в сосуд с водой, а для ускорения водонасыщения рекомендуется использовать вакуумный шкаф.

8. Режим вакуумирования устанавливается на практике, для чего первые пробы водонасыщают, периодически взвешивая до достижения постоянной массы. При достижении максимального разрежения следует периодически заполнять камеры воздухом.

9. В процессе предварительного уплотнения образцов грунтов, а при их испытаниях в водонасыщенном состоянии и в период замачивания, необходимо регистрировать вертикальные деформации образцов в журнале испытаний. Отсчеты по индикаторам следует делать в конце каждой ступени нагрузки, а на последней ступени так, чтобы зафиксировать наступление условной стабилизации вертикальных деформаций грунта.

Для набухающих грунтов необходимо достигать условной стабилизации деформаций набухания.

10. Подготовка грунтов перед неконсолидированным срезом предусматривает дополнительное водонасыщение грунтов, а также изменение плотности сложения грунтов до заданных значений.

11. При испытании набухающих глинистых грунтов в условиях ограниченного набухания может производиться подготовка как всего монолита в целом, так и каждого отдельного образца.

При подготовке всего монолита рекомендуется его дополнительное водонасыщение вести во влажной среде, в качестве которой может быть взят песок. Монолит освобождается от парафиновой оболочки и заворачивается в бумагу (допускается использование газетной бумаги). Затем в удобную емкость насыпается мелкий песок, на который укладывается монолит и также засыпается песком так, чтобы сверху был слой около 5 см. Далее песок увлажняется небольшими порциями воды вплоть до полного водонасыщения и в течение подготовки глинистого грунта поддерживается влажность песка. Выдерживание монолита производится в течение 1-5 суток в зависимости от размера образца и предполагаемого разуплотнения. Максимальное время выдерживания требуется для полного набухания монолита.

Далее монолит извлекается из песка (операция извлечения производится осторожно) и из него вырезаются образцы рабочими кольцами в установленном порядке.

Подготовка возможна путем водонасыщения предварительно подготовленных образцов. Для этого из целого монолита готовятся образцы с диаметром, равным диаметру необработанного монолита, если эти монолиты отобраны из скважин, или образцы прямоугольного сечения, подготовленные путем деления большого монолита прямоугольного сечения на мелкие части, из которых можно приготовить образцы для рабочих колец. Каждый подготовленный образец заворачивается в бумагу и помещается в песок. Из насыщенных образцов отбираются пробы в установленном порядке.

Аналогично описанным способом можно готовить образцы, в качестве начальных используя образцы, отобранные режущими кольцами.

12. Подготовка набухающих грунтов перед сдвигом может быть осуществлена путем предварительного расчета. В этом случае необходимо знать предварительно величину свободного набухания, ориентировочно начальные влажность и плотность.

Пример: Пусть известно, что испытываемые глинистые грунты набухают на 14%. Необходимо приготовить пробы на сдвиг с величиной набухания на 7%, что составляет 50% от свободного набухания. Подготовка ведется следующим образом.

Рабочим кольцом сдвигового прибора из грунта вырезается образец объемом 140 см³ и рассчитывается его масса (например, 264,6 г) и плотность ( = 1,89 г/см³) и при известной величине естественной влажности рассчитывается плотность сухого грунта. Если предположить, что естественная влажность составляет 0,30, то плотность сухого грунта будет

_d =  : (1 + W) = 1,89 : 1,30 = 1,45 г/см³.

Рассчитывают плотность сухого грунта при его набухании на 7%, которая при массе грунта 264,6 г, массе сухого грунта 203 г, объеме грунта после набухания 149,8 см³ будет равна 1,35 г/см³, а затем рассчитывают массу сухого грунта при набухании на 7%

и массу влажного грунта при влажности 0,30

Далее пробу, подготовленную по указаниям п.2.3.13, следует обработать так, чтобы довести до массы 245,7 г. Для этого по торцевой поверхности грунт обрезают так, чтобы масса пробы оказалась равной 255,1 г, а затем по образующей цилиндра обрезают грунт, доведя массу пробы до расчетной величины (245,7).

После подготовки пробу вновь помещают в сдвиговое кольцо, покрывают с двух сторон фильтрами и кольцо с пробой помещают в приспособление для водонасыщения перед сдвигом и водонасыщают пробу при атмосферном давлении в течение нескольких часов, а затем в вакуум-шкафу. Сдвиг производят при вертикальных давлениях, не вызывающих уплотнения грунта, которые подбираются экспериментально.

13. Испытание на срез песчаных грунтов с заданной плотностью производится по специальным заданиям. Испытания производятся при относительной плотности I_d = 0,5, которая определяется по формуле:

где e_min - коэффициент пористости песка в предельно рыхлом сложении; e_max - коэффициент пористости песка в предельно плотном сложении; e - коэффициент пористости при заданной относительной плотности.

Формула относительной плотности при расчете через плотность сухого грунта имеет вид:

I_d = [_d,max (_d - _d,min)] / [_d (_d,max - _d,min)], (6)

где _d,max и _d,min - соответственно плотность сухого песка в предельно плотном и предельно рыхлом сложениях.

Уплотнение до заданного значения I_d производится в срезывателе сдвигового прибора путем легкого постукивания. Количество песка, которое необходимо для обеспечения заданной плотности, рассчитывается по формуле

m_d = V · _d, (7)

где V - объем срезывателя; _d - плотность сухого грунта, соответствующая заданной величине относительной плотности.

Учитывая, что испытание песка чаще всего производится под водой, укладка с величиной I_d = 00,2 не может быть достигнута, так как укладка песка в предельно рыхлом сложении вызывает уплотнение грунта в процессе его замачивания.

14. При проведении реологических испытаний на приборе ПСГ с большим (1-1,5 см) зазором следует предусмотреть подъем на 1-1,5 см рычага касательного напряжения, что обеспечит условие сохранения горизонтальности тросика, передающего срезающее усилие. Кроме того, образец заключают в резиновую оболочку, плотно прилегающую к образцу, но не создающую на него бокового давления.

Для предотвращения выдавливания грунта из зазора на образец в этом интервале надевают несколько тонких пластмассовых или металлических колец. Первоначальная высота образца должна быть не менее 5 см.
Проведение испытаний на срез
1. Подготовленный образец грунта необходимо перенести в срезную коробку, закрепить, установить перфорированный штамп, отрегулировать механизм передачи вертикального давления, установить зазор между подвижной и неподвижной частями срезной коробки: для однородных песков - 0,1 мм; для глинистых грунтов - 0,5-1 мм, а при проведении реологических испытаний - 10-15 мм с изменением положения рычага касательных напряжений.

После переноса образца из прибора предварительного уплотнения следует принять меры по сохранению его влажности в процессе испытания равно как и при испытании образцов с природной влажностью. Установить индикатор вертикальных деформаций.

2. При проведении консолидированного среза на образец передается вертикальное давление в одну ступень и выдерживается:

Для песчаных грунтов	не менее 5 мин
Для супесей	не менее 15 мин
Для суглинков и глин	не менее 30 мин

На грунты, прошедшие предварительное уплотнение, передают вертикальные давления, равные предварительному давлению уплотнения, при которых и производят срез. После передачи вертикального давления необходимо установить индикатор для измерения горизонтальных деформаций.

Результаты всех измерений следует заносить в журнал проведения испытаний (приложение 1, форма 14). При испытании по схеме неконсолидированного среза после приложения вертикального давления в одну ступень срез производится немедленно без выдерживания под нагрузкой.

3. Касательное напряжение при сдвиге передается на образец ступенями, величина которых должна составлять около 5% величины нормального давления. Регистрацию перемещений следует производить через 2 мин, допуская уменьшение интервала между измерениями до 1 мин в период затухания деформаций. После достижения условной стабилизации горизонтальных перемещений при данной ступени давления надлежит передать очередную ступень касательного напряжения.

При испытании с непрерывно возрастающим касательным напряжением скорость среза должна быть постоянной и не превышать:

Для песков	0,5 мм/мин
Для супесей	0,1 мм/мин
Для суглинков	0,05 мм/мин
Для глин	0,02 мм/мин

Для определения порога незатухающей ползучести и коэффициента вязкости на стадии незатухающей ползучести следует принимать скорости среза глинистых грунтов 10^-5...10^-6 мм/с или 6х10^-4...10^-5 мм/мин (или 0,01 мм за 20-200 мин).

4. При неконсолидированном срезе ступени касательного напряжения должны составлять около 10% от величины нормального давления, их необходимо прикладывать с интервалом 10-15 мин. В этом случае будет обеспечена скорость среза 2-3 мм/мин и срез произойдет через 2 мин после приложения нормального давления. Величины нормального давления рекомендуется принимать:

для глинистых грунтов (0,5  I_L  1,0) - 0,05; 0,1; 0,15;

для илов и глинистых грунтов (I_L > 1,0) - 0,025; 0,075; 0,125.

5. Испытание считается законченным, если:

произошел срыв одной части образца относительно другой;

общее перемещение при срезе превысило 5 мм или 6-7 мм при реологических испытаниях.

При проведении среза образца с постоянной скоростью касательное напряжение, измеряемое динамометром, принимается по максимально зарегистрированной величине, или на момент достижения общей деформации среза, равной 5 мм.

После окончания испытаний следует разгрузить образец, извлечь рабочее кольцо из прибора и из нижней части образца отобрать пробу для определения плотности и влажности в зоне среза по ГОСТ 5180-84.

Рассчитать величину срезающего напряжения , полученную на приборе одноплоскостного среза по формуле

 = (P · k) / F, (8)

где P - нагрузка на подвеске прибора, Н; k - отношение плеча большого рычага к плечу малого рычага, которое для приборов ПСГ равно 10; F - площадь поперечного сечения образца в срезывателе, м².

Примечание. Величины срезающего усилия, полученные на приборах ВСВ-25, ПСП-3, СПФ-2М и ЛУС-100, принимаются по вспомогательным графикам, составленным для каждого динамометра на основании его паспортных данных.
2. Построить график зависимости с учетом поправки на трение в приборе. При величине поправки менее 0,05% от P она не учитывается. За сопротивление образца грунта срезу  следует принимать максимальное значение, полученное по графику l = f ()или диаграмме среза на отрезке l, не превышающем 5 мм. При монотонном возрастании  за расчетное значение следует принять  при l = 5 мм.

3. Для определения величин характеристик прочности грунта  и c по полученным в опытах на срез величинам P и  выполняется расчет в соответствии с указаниями ГОСТ 20522-88, изложенными в разделе 10 настоящего Руководства (метод математической статистики).

Результаты определений  и c необходимо выражать с точностью 0,01 МПа, а  с точностью до одного градуса.

4. По результатам реологических испытаний строятся графики зависимости абсолютной деформации грунта от времени  = f (t) и роста срезающего усилия  во времени t. Схематические графики представлены на рис. 8.12.

Масштаб графиков: для  (по оси ординат) 10 мм - 0,02 МПа; для  (по оси ординат) 10 мм - 0,1 см; для t (по оси абсцисс) 10 мм - 10 (50) мин.

Интенсивность процесса ползучести характеризуется коэффициентом динамической вязкости, который в стадии неустановившейся (затухающей) ползучести является величиной переменной и может быть вычислен на любой момент времени t:

_t = [( - *) / u] · d. (9)

 = ( / u) · d (при * = 0). (10)

Для стадии установившейся ползучести коэффициент вязкости вычисляется для прямолинейного участка кривой по формуле:

_t = [(_lim - *) / u] · d, (11)

где  - касательное напряжение при срезе в данный момент времени; * - напряжение, соответствующее порогу ползучести; _lim - предельное срезающее усилие, при котором произошло разрушение образца (срез); u - скорость деформации ползучести, (см/с); d - величина зазора.

По результатам серии опытов, выполненных из одного монолита при различных вертикальных нагрузках, можно построить графики зависимости:

* = f (P) и _lim = f (P) (12)

и определить минимальные параметры прочности грунта.

Приложение 9
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПЛОТИН НА ПРИБОРЕ ПТС-300

(в соответствии с ведомственной инструкцией ВИ 20-80)
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Назначение инструкции
Настоящая инструкция имеет целью:

а) регламентировать основные положения методики исследований прочностных свойств крупнообломочных материалов на приборе ПТС-300;

б) рекомендовать методику обработки экспериментальных данных и форму документов, представленных по результатам испытаний с целью определения показателей прочности;

в) изложить технические возможности и конструктивные особенности крупногабаритного прибора трехосного сжатия ПТС-300 и правила безопасной работы на нем;

г) дать практические рекомендации исследователям по подготовке, проведению эксперимента и обслуживанию крупногабаритного прибора трехосного сжатия ПТС-300.
2. Область использования
Области использования и применения настоящей инструкции:

а) инструкция рекомендуется к использованию в центральных научно-исследовательских лабораториях при проведении комплексных исследований показателей прочности крупнообломочных материалов на крупногабаритных приборах трехосного сжатия ПТС-300, а также в практике контрольных испытаний крупнообломочных материалов, уложенных в тело, либо находящихся в основании реальных сооружений и подвергаемых испытаниям в лабораториях при строительстве;

б) инструкция применима только в испытаниях на приборах трехосного сжатия типа ПТС, характеризуемых осесимметричным нагружением (при ₂ = ₃) 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.

, c - параметры сопротивления сдвигу (₀ - характеризует внутреннее трение, c - сцепление, МПа, или кг/см²);

tg  = _n / _n - коэффициент сдвига;

e₁, e₃, e_V - 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);

S_д - площадь поршня домкрата, см²;

H, V,  - изменение параметров в процессе опыта;

_s - плотность частиц исходной горной породы, г/см³;

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

_{d min} - плотность сухого материала в предельно рыхлом сложении, г/см³;

_{d max} - плотность сухого материала в предельно плотном сложении, г/см³;

I_d - 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

_n = f (_n), (1)

где _n и _n - касательная и нормальная компоненты напряжений на площадке сдвига;

- площадки сдвига наклонены к направлению наибольшего главного напряжения ₁ под углами

45° ± /2,

где угол , называемый углом внутреннего трения, определяется равенством

tg =  f (_n) /  _n. (2)

3. Нормальная и касательная компоненты напряжения _n и _n на площадке сдвига выражаются через предельные значения главных напряжений и в виде:

Предельное сопротивление сдвигу при этом может быть записано:

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

_n = f (_n) = c + _n tg. (5)

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

где H = c · cos ; tg = sin.

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  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 tg 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:

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

 = arcsin (tg), c = H / cos  (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)

(10)

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

tg = n / _n. (11)

Связь между tg и параметрами уравнения (5) определяется выражением:

tg = tg + (c / _n). (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 _n (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Зависимость угла сдвига от напряжений
11. Зависимость угла сдвига  от относительной плотности I_d (рис. 9.4) записывается в виде:

 = a (_n) + b · I_d, (13)

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

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

1)  = 36,1 + 12,06 I_d; _n = 0,350,36 МПа; 2)  = 31,7 + 12,06 I_d; _n = 10 МПа;

3)  = 26,6 + 12,01 I_d; _n = 1,982,03 МПа; 4)  = 26,1 + 12,13 I_d; _n = 3,303,34 МПа.

(В диапазоне изменения m_L5 = 10-40%).

Серией экспериментов устанавливается корреляционная зависимость угла сдвига  от уровня напряжений на площадке сдвига _n при некотором постоянном значении I_d (рис. 9.5).

13. На приборах ПТС-300 показатели прочности определяются в условиях осесимметричного сжатия (₂ = ₃). 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%.