IX. Данные определения сжимаемости

В графу 8 таблицы 35 записывают значения поправок на сжатие прибора для каждого переданного на образец грунта давления и вычитают эту поправку из данных графы 7. Результаты вычитания (h) записывают в столбец 9 той же таблицы.

7.15.9.2. Вычисляют относительное сжатие l = h / h для каждой величины давления по стабилизованным деформациям образца грунта. Для этого каждое показание графы 9 (табл. 35), взятое при условной стабилизации деформации (п.7.15.1.8), делят на начальную высоту образца h. Результаты записывают в графу 10 той же таблицы.

7.15.9.3. Результаты определения сжимаемости представляют в виде графика зависимости l от p (рис. 22) и табл. 36.

В этом случае результаты вычисления коэффициентов пористости также приводят в табл. 36. Построение компрессионной кривой рассмотрено в приложении 7.

7.15.9.4. По специальному заданию могут быть определены и другие показатели деформируемости грунтов (например, структурная прочность, коэффициент консолидации и др.) после проведения испытаний по одной из схем, приведенных в приложении 7.

Тарировка прибора

7.15.9.5. Помещают в прибор вместо образца грунта стальную болванку, равную по высоте кольцу-обойме, а также два кружка влажной фильтровальной бумаги: один - под болванку, другой - на болванку. Заполняют пп.I-V табл. 37.
Таблица 37
Тарировка прибора
I. Прибор № _____________________________________________________________________

II. Система прибора: ______________________________________________________________

III. Площадь штампа: _____________________________________________________________

IV. Отношение плеч рычага: _______________________________________________________

V. Масса деталей, не уравновешиваемых противовесом: _______________________________
VI. Данные тарировки:

Нагрузка m, кг	Давление p, МПа	Показания индикаторов, мм				Деформация сжатия прибора, мм				Средняя поправка на сжатие прибора, мм
		1	2	3	4	1	2	3	4

7.15.9.6. Выполняют операции, указанные в п.7.15.5.2 и записывают начальное показание индикатора, соответствующее нулевому давлению, в графу 3 п.VI табл. 37.

7.15.9.7. Передают на образец через штамп последовательно давление p_i = 0,01; 0,02; 0,03; 0,05 МПа и далее увеличивают его ступенями по p = 0,05 МПа до величины порядка p = 1 МПа.

Вычисление массы грузов m (кг), соответствующих величинам давления p (МПа) производят по формуле (71).

7.15.9.8. Выдерживают каждую ступень давления в течение 2-3 минут и записывают величины давления и соответствующие показания индикатора в графы 1, 2 и 3 п.VI табл. 37.

Вычитают из начального показания индикатора последующие показания, соответствующие различным давлениям, и результат показания индикатора записывают в графу 4 п.IV табл. 37.

7.15.9.9. Повторяют тарировку прибора не менее 3-х раз и рассчитывают по полученным данным среднее арифметическое значение деформации прибора h_s в миллиметрах (поправка на сжатие) для каждого значения давления p. Величину средней деформации прибора заносят в п.VI табл. 37.

7.15.9.10. Строят в прямоугольных координатах график зависимости h_s = f (p), откладывая по оси абсцисс значения величины p и по оси ординат соответствующие им величины h_s. Этот график будет показывать величины поправок на деформацию при сжатии прибора для каждого давления.

7.15.9.11. Для установления поправок к прибору на деформацию при его разгрузке загружают прибор до заданного давления p, затем разгружают его до нулевого значения давления, загрузку и разгрузку прибора выполняют согласно пп.7.15.9.5-7.15.9.10.

Остаточные деформации прибора при каждом значении давления p будут являться поправками при разгрузке.

Во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева созданы большие компрессионные приборы БО-660 и БО-1560 для определения характеристик сжимаемости крупнообломочных грунтов. Эти приборы представляют собой мощные прессовые установки, рассчитанные на усилия 500-1000 т.

Комплект БО-660 (рис. 23) состоит из пресса ПСУ-500 и трех типов стальных одометров диаметром 660 и высотой 200, 660 и 1320 мм.

Комплект БО-1560 (рис. 23) состоит из двух прессов ПСУ-500, двух стальных траверс, толстостенного ( = 30 мм) одометра диаметром 1560 и высотой 470 мм.

7.16.2. Давление штампа на образец передается ступенями 0; 0,5; 1; 2; ...; 9; 10 МПа.

Диапазон нагрузок выбран с учетом напряжений, которые могут возникать в различных по высоте слоях тела плотины практически неограниченной высоты.

На каждой ступени нагрузки давление следует выдерживать постоянным до условной стабилизации деформаций образца (менее 0,001 мм/мин), скорость нагружения между ступенями должна составлять ~0,1 МПа в мин. Общая продолжительность экспериментов может быть различной (от 40 до 450 мин).

Рис. 23. Компрессионные приборы

а) БО-660; б) БО-1560;

7.17.1.2. В процессе возведения плотины следует определять характеристики прочности по образцам, отобранным из сооружения на разных этапах строительства с поверхности насыпи и с глубины, соответствующей структуре грунта после его уплотнения.

7.17.1.3. Исследование прочностных характеристик следует производить в диапазоне вертикальных нагрузок, имеющих место в сооружениях и основаниях, с учетом условий строительства. Испытания надлежит производить не менее, чем при трех вертикальных давлениях величиной до 1 МПа; при давлениях, превышающих 1 МПа, ступени нагрузок должны быть не более 0,5 МПа. При каждой вертикальной нагрузке рекомендуется производить не менее двух опытов.

7.17.1.4. Основными методами лабораторного определения характеристик прочности грунтов являются методы среза и раздавливания (трехосного сжатия).

Прибор состоит из следующих основных деталей (рис. 24):

а) срезной коробки, состоящей из неподвижной верхней части 4 и подвижной нижней - каретки 5; на дно каретки помещают гладкую металлическую пластинку 6 с вертикальными отверстиями диаметром не более 1 мм; с нижней стороны пластинка должна иметь круговые концентрические и радиальные бороздки, обеспечивающие свободное поступление воды к помещенному на пластинку образцу грунта и ее отвод;

б) обоймы 2 для образца грунта; она должна состоять из двух отдельных равных по высоте частей, скрепляемых болтами или иным приспособлением; между этими частями должен оставаться зазор (от 1 до 2 мм); для определения сопротивления срезу образцов грунта нарушенного сложения обойма должна иметь дно такого же устройства, как и металлическая пластинка 6;

в) рычажного устройства для передачи нормального усилия образцу грунта при предварительном уплотнении или при сдвиге; рычажное устройство должно обеспечивать центральное приложение нормального усилия к образцу грунта;

г) сдвигающего устройства, (ворот, рычаг, электромотор), с помощью которого к образцу грунта прикладывается усилие сдвига. В случае использования для сдвига образца электромотора, сдвигающее устройство оборудуется редуктором, пружинным динамометром и самописцем. Сдвигающее усилие должно прикладываться строго в плоскости сдвига и по оси симметрии обоймы; перемещения каретки при сдвиге измеряются индикатором 1;

д) штампа 3 с гладкой нижней поверхностью и вертикальными сквозными отверстиями диаметром не более 1 мм, обеспечивающими свободное поступление воды к поверхности образца грунта и ее отвод.

Рис. 24. Срезной прибор для определения прочности песчаных и глинистых грунтов

1 - индикатор часового типа с ценой деления 0,01 мм; 2 - обойма для образца грунта;

3 - штамп; 4 - неподвижная верхняя часть срезной коробки; 5 - подвижная нижняя часть срезной коробки - каретка; 6 - металлическая пластинка с отверстиями.
7.17.2.2. Значения характеристик прочности грунта существенно зависят от режима испытаний и прежде всего от способа подготовки образца, проведения опыта и условий дренирования образца. В соответствии с этим методика лабораторных исследований характеристик прочности песчаных и глинистых грунтов должна учитывать влияние этих факторов и в зависимости от конкретных условий применять ту или иную схему испытаний, главными из которых являются следующие:

а) испытание грунтов по схеме быстрого сдвига (схема 1) без предварительного уплотнения, при уплотняющих нагрузках, не превышающих структурной прочности пород, природной нагрузки или массы сооружений. В этом случае сдвигающее (разрушающее) усилие передается равномерно и непрерывно в возрастающем порядке до разрушения образца грунта;

б) испытания пород по схеме медленного сдвига (схема 2) после предварительного полного уплотнения в условиях завершенной консолидации, при уплотняющих нагрузках, соответствующих нагрузке от сооружения. В этом случае сдвигающая (разрушающая) нагрузка передается ступенями до разрушения породы.

Каждая новая ступень нагрузки прикладывается после завершения деформаций от предыдущей. Эту схему часто называют "стандартной", она рекомендуется ГОСТ 12248-78.

в) испытания пород в условиях свободного оттока воды в течение опыта, или, как принято говорить, в условиях открытой системы. При такой схеме обеспечивается полная консолидация грунтов от каждой ступени нагрузки. Следовательно, эта схема выполнима только при медленном сдвиге;

г) испытания грунтов в условиях невозможности оттока воды, т.е. в условиях закрытой системы. В этом случае не вся внешняя нагрузка передается на скелет грунта, так как часть ее воспринимается поровой водой. Эта схема выполнима при применении стабилометров.

7.17.2.3. Выбор схемы испытаний грунтов на сдвиг определяется видом исследуемого грунта (песок, глина, суглинок), его состоянием (ненарушенная или нарушенная структура), влажностью, условиями работы грунта в основании или сооружении (темп роста нагрузки, условия фильтрации и оттока воды). При исследовании песков целесообразно применять главным образом срезные приборы, испытывать их при нагрузках, соответствующих природным или массе сооружений, без предварительного уплотнения, по схеме быстрого сдвига и, естественно, в условиях открытой системы.

7.17.2.4. Выбор схемы испытаний глинистых пород более труден. В этом случае надо учитывать их состав, особенно минеральный, физическое состояние, степень водонасыщенности, склонность к набуханию или к просадкам. Важно знать прочность структурных связей по компрессионным испытаниям, величину природной нагрузки, которую они испытывали и предполагаемую нагрузку от сооружений.

7.17.2.5. Государственным стандартом ГОСТ 12248-78 рекомендуется схема 2, т.е. медленный сдвиг после полного предварительного уплотнения. В этом случае целесообразно применять главным образом одноплоскостные срезные приборы с фиксированной плоскостью среза, испытания вести в условиях открытой системы под водой или при естественной влажности пород, при уплотняющих нагрузках, соответствующих массе сооружения или природных.

7.17.2.6. Удельное сопротивление образца грунта срезу  вычисляют как наименьшее касательное напряжение:

 = Q / f_c, (73)

при котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при нормальном напряжении:

 = N / f_c, (74)

где N и Q - соответственно нормальная и касательная силы к плоскости среза, кг; f_c - площадь среза, см².

Результаты вычисления  используют для оценки сопротивляемости грунтов сдвигу.

7.17.2.7. Опыты на срез производят после предварительного уплотнения образца грунта под напряжением   0,1 МПа на образцах ненарушенного сложения с сохранением природной влажности или в водонасыщенном (подводном) состоянии; на образцах нарушенного сложения при заданной плотности и влажности (для песчаных грунтов в воздушно-сухом или водонасыщенном состояниях).

При предварительном уплотнении образца грунта нагрузку передают последовательно ступенями, соответствующими напряжениям :

а) для глинистых грунтов, имеющих показатель текучести 0,75 < I_L  1,0-0,01; 0,03 и 0,05 МПа до суммарной величины 0,3 МПа и далее по 0,1 МПа;

б) для глинистых грунтов, имеющих показатель текучести I_L  0,75, и песчаных грунтов, - по 0,05 МПа до суммарной величины 0,3 МПа и далее по 0,1 МПа.

Каждую ступень нагрузки выдерживают не менее: для песчаных грунтов - 5 мин; для глинистых грунтов - 30 мин.

Конечную ступень нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформации сжатия образца. За условную стабилизацию деформации сжатия принимают деформацию образца грунта, не превышающую 0,01 мм за время не менее: для песчаных грунтов - 30 мин; для супесей - 3 ч; для суглинков и глин - 12 ч.

Примечание. Для суглинков с числом пластичности I_p  12, при условии равноценности результатов параллельных определений, допускается сокращение времени стабилизации до 6 ч.

а) ступенями - в этом случае величина ступени не должна превышать 5% от значения , при котором производят срез; каждую последующую ступень передают образцу после достижения им условной стабилизации деформации среза l мм, за которую принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм/мин;

б) в виде непрерывно возрастающей нагрузки - в этом случае скорость среза принимается равной 0,01 мм/мин.

7.17.2.9. Величины напряжений , при которых производят срез образца грунта, его состояние по влажности и сложению (ненарушенное или нарушенное), а также количество параллельных определений устанавливаются заданием. Количество параллельных определений при каждом значении  должно быть не менее двух.

Примечание. Допускается для параллельных определений использование образцов грунта, вырезанных из различных монолитов, отобранных из одного и того же слоя грунта.
7.17.2.10. Для определения сопротивления срезу используют образцы грунта в форме круглого прямого цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой не более 1/2 и не менее 1/3 диаметра.

Примечания. 1. Для однородных глинистых грунтов допускается применять образцы, имеющие диаметр не менее 56 мм.

2. Для образцов нарушенного сложения допускается использовать образцы в форме прямого параллелепипеда с отношением меньшей стороны к большей не более 1:1,5 и высотой, равной половине меньшей стороны параллелепипеда.
Насыщение образца водой при подготовке к определению  в водонасыщенном состоянии производят кипяченой питьевой водой. Образцы грунта, засоленные легкорастворимыми солями (хлористыми, сернокислыми солями натрия, магния и калия), насыщают грунтовой водой, взятой с места отбора образца, или другой, близкой по химическому составу к грунтовой.

7.17.2.11. Предварительное уплотнение образца грунта производят на отдельных уплотнителях (п.7.17.2.2. схема 1) или непосредственно в срезной коробке срезного прибора (п.7.17.2.2 схема 2).

7.17.2.12. Предварительное уплотнение и срез образца грунта выполняют в одном и том же кольце-обойме. Измерение продольных и поперечных деформаций образца производят с точностью до 0,01 мм; взвешивание - с точностью до 0,01 г.

7.17.2.13. Связь между сопротивлением срезу  и нормальным напряжением  по плоскости среза выражается уравнением прямой

 = tg  ·  + c, (75)

где tg  - тангенс угла внутреннего трения; c - удельное сцепление для глинистых грунтов или линейный параметр для песчаных грунтов.

Для установления величин tg  и c исследуемого грунта производят определение  не менее чем при трех различных значениях .

Результаты определений , а также вычислений tg  и c выражают с точностью двух десятичных знаков;  - с точностью до 30 минут.

- ванну для водонасыщения образца грунта и арретир, предотвращающий возможность набухания грунта в процессе его водонасыщения;

- приспособление, обеспечивающее сохранение природной или заданной влажности в процессе уплотнения;

- индикатор для измерения сжатия образца грунта.

7.17.2.15. Срезная коробка должна состоять из верхней неподвижной части и нижней подвижной каретки. Конструкция срезной коробки должна обеспечивать:

- приложение срезающей нагрузки Q строго в фиксированной плоскости среза и по оси симметрии помещенного в нее разъемного кольца-обоймы с образцом грунта;

- подачу и отвод воды из образца грунта, а также сохранение влажности образца в процессе опыта в условиях природной или заданной влажности;

- возможность тарировки - установления величин поправок на преодоление трения подвижной каретки о неподвижные части срезной коробки в зависимости от напряжения .

Примечание. Для образцов глинистых грунтов допускается применение срезных коробок с верхней подвижной кареткой и нижней неподвижной частью.
7.17.2.16. Срезная коробка должна монтироваться на жестком массивном основании в целях исключения внешних динамических воздействий и снабжаться индикаторами для измерения продольных и поперечных деформаций. Если срез осуществляется электротягой, то электромотор с редуктором выносится за массивное основание. При предварительном уплотнении образца грунта в условиях водонасыщения и непосредственно в срезной коробке последняя снабжается арретиром.

7.17.2.17. Разъемное кольцо-обойма должно состоять из двух примерно равных по высоте частей, жестко скрепляемых между собой при приготовлении и предварительном уплотнении образца.

Для помещения образца, не сохраняющего формы, обойма должна снабжаться жестким пористым дном.

7.17.2.18. Штамп, передающий образцу грунта заданное напряжение , должен обеспечивать поступление воды к образцу и ее отвод.

7.17.2.19. Части срезной коробки и другие, соприкасающиеся с водой, должны изготовляться из материала, не подвергающегося коррозии.

7.17.2.20. Индикаторы, измеряющие продольные и поперечные деформации образца грунта, должны крепиться на массивном жестком основании, иметь паспорт, подтверждающий точность измерений (0,01 мм) и прохождение государственной проверки.

7.17.2.22. Для определения  приготавливают несколько образцов грунта, предварительно установив и закрепив зазор между разъемными частями кольца-обоймы. Величину зазора принимают не более 1 мм.

7.17.2.23. Образцы песчаных грунтов приготавливают путем укладки навески воздушно-сухого песка в кольцо-обойму с дном. Укладку производят так, чтобы обойма с дном была полностью заполнена. Массу навески m₂ в граммах находят по формуле:

m₂ = V · _d, (76)

где V - внутренний объем кольца-обоймы, см³; _d - плотность сухого грунта, г/см³, вычисляемая по ГОСТ 5180-84.

7.17.2.24. Образцы глинистых грунтов нарушенного сложения заданной плотности и влажности приготавливают следующим образом: переносят в заранее взвешенную чашку (фарфоровую или металлическую) образец грунта объемом, примерно в два раза большим объема кольца-обоймы, разминают его пестиком с резиновым наконечником до исчезновения комков крупнее 3 мм и определяют влажность W по ГОСТ 5180-84; взвешивают чашку с размельченным грунтом и, вычитая из полученной массы массу чашки, определяют массу содержащегося в ней грунта m₁ в граммах.

Массу m_1,W в граммах, которую должен иметь грунт в чашке при заданной влажности W₁ в процентах, вычисляют в зависимости от установленных значений W и m₁ по формуле:

Если влажность грунта в чашке W будет меньше или больше заданной влажности W₁, то добавляют в грунт недостающее количество воды или подсушивают грунт на воздухе до тех пор, пока его масса станет равной массе m_1,W. Масса воды, которую надо добавить или удалить, определяется разностью масс m₁ и m_1,W. После каждой добавки воды грунт тщательно перемешивают; подсушивание также сопровождается перемешиванием.

Необходимую для заполнения кольца-обоймы массу грунта m_s в граммах, соответствующую заданной плотности и влажности, находят по формуле:

, (78)

где e - коэффициент пористости, соответствующий заданной плотности; _s - плотность частиц, г/см³, определяемая по ГОСТ 5180-84.

Примечания. 1. Укладку приготовленного образца песчаного или глинистого нарушенного сложения грунта в кольцо-обойму сопровождают послойным трамбованием, а в случае необходимости применяют пресс. Поверхность грунта в обойме тщательно выравнивают и покрывают влажной фильтровальной бумагой.

2. При необходимости приготовления большего количества образцов глинистого грунта с одной и той же заданной плотностью и влажностью допускается их приготовлять в сосуде, имеющем емкость, обеспечивающую одновременное приготовление всех образцов. Уплотнение грунта в сосуде производят прессом.

где W - влажность грунта, %;  - плотность грунта в кольце-обойме, определяемая методом режущего кольца по ГОСТ 5180-84, г/см³; _W - плотность воды, г/см³, принимаемая равной единице.

7.17.2.26. Для предварительного уплотнения переносят приготовленный в кольце-обойме образец грунта в уплотнитель или срезную коробку, устанавливают на образец штамп, закрепляют над ним индикатор для измерения деформации сжатия, записывают его показание и передают образцу заданное напряжение .

При определении сопротивления срезу в условиях насыщения глинистого образца грунта водой фиксируют высоту образца с помощью арретира и заполняют ванну уплотнителя или срезной коробки водой до уровня верхней поверхности образца, не заливая его поверхность в первую половину времени насыщения. Необходимость применения арретира для набухающих грунтов устанавливается заданием. Время насыщения образца водой определяется из условий стабилизации его деформаций, но должно быть не менее: для песчаных грунтов - 10 мин; для супесей и суглинков, имеющих число пластичности I_p  6, - 12 ч; для суглинков, имеющих I_p > 12, и глин, имеющих I_p  12, - 22 ч; для глин, имеющих I_p > 22, - 48 ч.

7.17.2.27. После условной стабилизации деформаций сжатия образца грунта под напряжением  вычисляют коэффициент пористости е_п образца по формуле

е_п = е₀ – l (1 + e₀), (81)

где е₀ - коэффициент пористости образца грунта до уплотнения его вертикальным давлением; l = h / h₀ - относительное сжатие образца после уплотнения, равное отношению приращения деформации h мм к первоначальной высоте h₀ мм (h₀ принимается равным высоте кольца-обоймы).