РУКОВОДСТВО

ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПРОЧНОСТИ

илов

И ЗАТОРФОВАННЫХ ГРУНТОВ

Ё0

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЙ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИМ. Н. М. ГЕРСЕВАНОВА ГОССТРОЯ СССР (НИИОСП)

РУКОВОДСТВО

ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ

ПРОЧНОСТИ

ИЛОВ

И ЗАТОРФОВАННЫХ ГРУНТОВ

Москва Стройнздат 1977

2. Требования к аппаратуре и подготовке образцов для испытания на прочность в условиях сложного напряженного состояния

Подготовка образцов

2.1.    Для определения прочности глинистых грунтов ненарушенного сложения образцы должны отбираться из скважин с уровня зачищенного забоя грунтоносами, желательно обуривающими, обеспечивающими ненарушенное сложение и сохранение природной влажности образцов или из открытых выработок в виде монолита 20X20X20 см, а для илов, не сохраняющих формы без жесткой тары, методом режущего кольца по ГОСТ 5182-64. Диаметр образцов должен быть не менее 90—100 мм¹ при высоте не более двух диаметров.

2.2.    Для определения прочности грунтов нарушенного сложения для обеспечения однородности образцов рекомендуется готовить грунт заданной плотности в лотке размером 15X15X15 см для испытания серии образцов диаметром 38 мм. В лоток следует закладывать грунт природной влажности текучей или текучепластичной консистенции и доводить его до заданной плотности по методике, изложенной в прил. 2.

2.3.    Для определения прочности в трехосных приборах образцы грунтов должны иметь форму правильных цилиндров для разрушения осевым сжатием и полых цилиндров для разрушения кручением с отношением диаметра к высоте 1:2; 1 :2,2. Рекомендуется применять образцы диаметром 38 мм, высотой 76—80 мм для однородных грунтов без включений размером более 2 мм; диаметром 100—80 мм, высотой 200—100 мм для неоднородных грунтов с включениями размером более 2 мм. При кручении полых цилиндров толщина стенки цилиндра должна составлять не более ¹/б его внешнего диаметра.

2.4.    Для получения образцов в виде сплошного цилиндра диаметром 100, 92, 38 мм из грунтов рекомендуется применять прибор, снабженный заменяемой многозубой полой фрезой. Описание прибора дано в прил. 3.

Монолит грунта помещают на стол прибора, закрепляют через жесткие стенки в тисках и с помощью механизма подъема стола подводят к основанию полой фрезы. Затем включают электродвигатель в электросеть. Фреза начинает вращаться, врезается в монолит и выбуривает образец. Когда верхняя плоскость фрезы совместится с поверхностью монолита, стол с монолитом постепенно опускают механизмом до упора. Электродвигатель выключают из электросети. Фрезу с образцом отвинчивают от верхней крышки, и образец выдавливают штампом снизу вверх.

Вырезать цилиндрические образцы диаметром 38 мм также допускается тонкостенным металлическим стаканом с тонким режущим краем.

2.5.    Для получения образца из грунтов в виде полого цилиндра рекомендуется применять указанный в п. 2.4 прибор или тонкостенные металлические трубки (рис. 5).

Подготовку образца на приборе следует начинать с выбуривания цилиндрического отверстия в монолите двухперовым сверлом.

Затем сверло заменяют на фрезу и при сохранении того же положения монолита на столе производят выбуривание из него образца.

Выбуривание отверстия следует начинать от центра образца, заключенного в цилиндрическую разъемную обойму, трубкой диаметром 4 мм, затем трубками больших диаметров и, наконец, трубкой диаметром, равным заданному внутреннему диаметру образца. Подготовленный образец в форме трубы (полый цилиндр) показан на рис. 6.

2.6.    Для каждого образца исследуемого грунта должна быть определена плотность у (ГОСТ 5182-64) до консолидации, после консолидации и после испытания на прочность и влажность. Для полностью водонасыщеиных грунтов после испытания на прочность можно ограничиться только определением влажности из трех сечений образца.

2.7.    Для каждого исследуемого на прочность грунта должны быть определены: пределы пластичности и ITj> (ГОСТ 5183—64, ГОСТ 5184-64), плотность твердых частиц уг (ГОСТ 5181-64), структурная связность методом расплющивания («Инструкция по определению структурной связности пластичных глинистых грунтов».

М., Машстройиздат, 1950), количество органических остатков и гумуса (Е. В. Арипуш-кина. «Руководство по химическому анализу почв»).

Аппаратура

2.8.    Для испытания прочности глинистых грунтов в условиях сложного напряженного состояния осевым сжатием может быть использован (рис. 7) трехосный прибор типа А любой конструкции, допускающей испытание образцов с отношением высоты к диаметру от 2 до 3, свободное боковое расширение образца, постоянство в течение длительного времени всестороннего гидростатического давления и специальное нагрузочное устройство рычажного типа, обеспечивающее плавность приложения нагрузки и постоянство вертикального давления на образец в течение опыта.

2.9.    Всестороннее гидростатическое давление на образец следует передавать посредством давления жидкости (вода или глицерин), которое создается сжатым воздухом, подаваемым из бал-

2* 11

Рис. 7. Схема прибора для трехосных испытаний I — вентиль для выпуска воздуха; 2 — нагрузочный шток; 3 — верхний штамп; 4 — пористый диск; 5 — гибкая трубка; 6 — образец, заключенный в резиновую оболочку; 7 — уплотняющее кольцо; 8 — трубки для дренирования или измерения порового давления; 9 — резиновое кольцо; 10 — вода; II — механический манометр; /2 —трубка для заполнения камеры и контроля давления в камере

лона через ресивер и систему соединительных трубок компрессором или автомобильным насосом.

Прибор должен обеспечивать максимальное гидростатическое давление lie менее 0,4 МПа, измеряемое по шкале манометра с точностью до 0,003—0,005 МПа.

2.10.    Осевая нагрузка на образец может передаваться методами принудительного нагружения или принудительного деформирования.

Для передачи осевой нагрузки методом принудительного нагружения рекомендуется пользоваться рычажными прессами типа пресса системы В. М. Веселовского (см. прил. 4).

Для проведения испытаний грунтов на прочность принудительным деформированием рекомендуются прессы с автоматическим непрерывным увеличением нагрузки, вызывающей постоянную заданную скорость деформирования образца, устанавливаемую с помощью коробки скоростей. В коробке скоростей должны быть предусмотрены скорости 4; 2; I; 0,5; 0,25; 0,1; 0,05; 0,01 мм/мин.

При автоматической передаче нагрузки с помощью мотора конструкция прибора должна обеспечивать отсутствие вибраций основания камеры трехосного прибора.

2.11.    Осевую деформацию образца грунта следует определять по перемещению штока, а измерение осевой деформации производить самописцем или индикатором часового типа (мессура) с точностью до 0,01 мм. Индикаторы должны иметь паспорт, подтверждающий точность измерений и прохождение государственной поверки.

2.12.    Измерение объемных деформаций для полностью водонасыщенных грунтов допускается осуществлять волюмометром (измерительная трубка типа бюретки) с точностью измерения 0,1 см⁸. Волюмометр должен подключаться к трехосному прибору для дренирования образца, как показано на рис. 8.

Контроль состояния консолидации грунта можно также производить путем измерения порового давления в грунте поропьезомет-рамн, принцип действия которых основан на компенсации давления.

2.13.    При передаче осевой нагрузки на образец посредством пресса следует провести тарировку для определения коэффициента трения рычажного пресса

fi =N'/Q,

где    /1 — коэффициент трения ры

чажного пресса;

W' —усилие, передаваемое на шток рычажным прессом;

Q — задаваемая нагрузка.

Метод тарировки пресса описан в прил. 5.

2.14.    Прибор для определения прочности грунтов методом кручения под гидростатическим давлением (рис. 9) должен состоять из камеры трехосного сжатия, в которую помещают образец, неподвижно закрепленный между верхним и нижним штампами, штока, шкива. установленного на штоке и передающего крутящий момент, блоков и нагрузочного устройства.

Штампы (верхний и нижний) должны иметь сегментные ножи (рис. 10, а) для лучшего соединения с торцами образца. Нижний штамп помещают в насадку (рис. 10, б) для неподвижного соединения с нижним основанием камеры. Верхний штамп помещают в головку (рис. 10, в), соединяемую со штоком. Гидростатическое давление на образец должно передаваться в соответствии с п. 2.9.

2.15.    Деформация кручения должна измеряться по неподвижно закрепленному лимбу со шкалой, проградуированной в градусах, с помощью указателя, закрепленного на подвижном штоке. Для повышения точности измерения деформации при ползучести рекомендуется применять устройство, основанное на отражении светового луча от зеркала на измерительную шкалу (в градусах и минутах), расположенную на расстоянии от прибора. Зеркало закреплено на верхней поверхности шкива и вращается вместе с верхней, подвижной частью образца.

2.16.    Прибор для определения прочности кручением полых образцов должен тарироваться для установления трения в подшипниках и сопротивления резиновых оболочек. Метод тарировки прибора приведен в прил. 6.

Установка в прибор образца, вырезанного из грунта

2.17.    Для определения прочности грунта осевым сжатием под гидростатическим давлением на образец в виде цилиндра, вырезанный в соответствии -с п. 2.4, надевают резиновую оболочку с помощью тонкостенной латунной трубы-расширителя (рис. 11) диаметром на 7—10 мм больше диаметра образца, а высотой на 10— 14 мм больше высоты образца.

Заключают образец в резиновую оболочку следующим образом. Резиновую оболочку вводят в трубу-расширитель и ее концы загибают наружу; воздух, находящийся между оболочкой и трубой, отсасывают резиновой грушей, при этом резиновая оболочка прилегает к внутренним стенкам трубы. Торцы образца покрывают бумажными фильтрами и ставят образец на штамп. На верхнюю пло*-

13

Рис. 9. Схема прибора для определения прочности грунтов методом кручения под гидростатическим давлением

/ — шкив. закрепленный на штоке и передающий крутящий момент; 2 — блоки; 3 — репер, укрепленный на штоке; 4 — лимб; 5 — шток; б — стойки, на кото рых укреплены блоки; 7 — верхний штамп, закрепленный на штоке; 8 — образец грунта; 9 — резиновая оболочка; /0 —нижний штамп, закрепленный на основании прибора; 11 — трос; 12— плита из текстолита на которой монтируется прибор; 13 — траверса; 14 — подвеска для груза; 15 — камера трехосного сжатия с прозрачным колпаком

Рис. 10. Детали ■ прибору дли определении прочности грунтов кручением под гидростатическим давлением

о —штамп с сегментными ножами; б—насадка для неподвижного соединения штампе и образца с нижним основание в — головка для неподвижного соединения верхнего штампа я образца со штоком

ПРЕДИСЛОВИЕ

Широкое развитие строительства на слабых грунтах, к которым следует относить грунты малой степени литификации: илы, за-торфованные, аллювиальные, морские, озерные, пойменные отложения текуче-мягкопластичной консистенции, обусловливает необходимость совершенствования методов определения для них нормативных характеристик прочности.

Разрабатываемые нормативные строительные документы, например по основаниям гидротехнических сооружений, в ряде случаев требуют учитывать фактор времени или порог ползучести при назначении прочностных характеристик.

Достоверность расчета устойчивости оснований сооружений в значительной степени зависит от правильности определения нормативных характеристик.

Для получения достоверной величины порога ползучести грунта необходимо сохранение определенного напряженного состояния образца в процессе всего опыта. Это возможно только при проведении исследования на консолидированных образцах грунта при сохранении постоянства среднего нормального напряжения.

В НИИОСП впервые разработана методика для исследования прочности с учетом ползучести грунтов малой степени литификации. позволяющая сохранить определенное напряженное состояние грунта в процессе опыта. Применительно к предложенным методам исследований создана и усовершенствована аппаратура для подготовки и испытания грунтов.

В результате анализа проведенных исследований в Руководстве даны научно обоснованные рекомендации по методике и технике определения прочности глинистых грунтов малой степени литификации в условиях трехосного сжатия и кручением под гидростатическим давлением.

Руководство составлено лабораторией методов исследования грунтов НИИОСП (канд. техн. наук Г. В. Сорокиной при участии инженеров И. В. Пчелиной и Н. А. Смирновой).

1. Общие положения

1.1.    Руководство предназначено для научно-исследовательских и производственных стационарных грунтовых лаборатории, производящих исследование грунтов при устройстве оснований гражданских, промышленных, гидротехнических и дорожных сооружений.

1.2.    Руководство распространяется на определение характеристик прочности глинистых грунтов малой степени литификации в лаборатории в условиях сложного напряженного состояния, т. е. под всесторонним гидростатическим давлением. К грунтам малой степени литификации относятся осадочные грунты в начальной стадии формирования (илы, аллювиальные, морские, озерные и пойменные отложения, заторфованиые грунты).

1.3.    Илами в соответствии с главой СНнП но проектированию оснований зданий и сооружений следует называть глинистые грунты в начальной стадии своего формирования, образовавшиеся как структурный осадок в воде при наличии микробиологических процессов и обладающие в природном сложении влажностью, превышающей влажность на границе текучести, и коэффициентом пористости е>0,9 для супесий, е> I для суглинков и £>1,5 для глин.

1.4.    Заторфованнымп называют грунты с содержанием растительных остатков от 10 до 60%.

1.5.    Глинистые грунты малой степени литификации характеризуются полным водокасыщением (условно G>0,85), текучей, текучепластичной или мягкопластичной консистенцией /l, способностью непрерывно менять под нагрузкой характеристики деформируемости, фильтрации и прочности, медленным протеканием осадок во времени под постоянной нагрузкой (коэффициент консолидации Сг<110⁷ см²/год), анизотропией, тиксотропией и ползучестью.

Ползучесть — свойство материала (грунта) деформироваться во времени при постоянных напряжениях. Ползучесть грунтов разделяют на сдвиговую (собственно ползучесть), характеризуемую развитием во времени интенсивности деформаций сдвига, и объемную, характеризуемую развитием во времени среднего удлинения (объемной деформации). Объемная деформация водонасыщенных грунтов обусловливается двумя процессами — фильтрационной консолидацией (первичная консолидация) и ползучестью скелета грунта (вторичная консолидация). Фильтрационная консолидация сопровождается изменением перового давления, собственно ползучесть происходит при неизменном поровом давлении.

1.6.    Испытания иод влиянием всестороннего гидростатического давления и касательного напряжения в трехосных приборах следует проводить в два этапа: уплотнение под гидростатическим давлением и разрушение при приложении касательного напряжения.

В соответствии с имеющимися в продолжение каждого этапа условиями дренирования трехосные испытания подразделяют на:

а)    недреинроваиное испытание — дренирование отсутствует как в процессе приложения всестороннего гидростатического давления, так и в процессе приложения касательных напряжений;

б)    консолидироваино-недренированное испытание — в процессе приложения всестороннего давления допускается дренирование и

4

образец полностью уплотняется; в процессе приложения касательных напряжений дренирование отсутствует;

в) дренированное испытание — дренирование допускается в течение всего испытания, под гидростатическим давлением образец уплотняется до полной консолидации. При приложении касательного напряжения не должно возникать избыточного порового давления.

1.7.    При выборе метода определения прочности глинистых грунтов малой степени лнтификации следует, согласно рекомендации главы СНнП II-15-74, учитывать возможность возникновения в результате действия нагрузки нестабнлизированного состояния грунтов основания, сложенного глинистыми водонасыщенными грунтами (G^0,85), медленно уплотняющимися (коэффициент консолидации С_Ю<ЫО⁷ см²/год), илами и заторфованными грунтами вследствие уменьшения касательного напряжения т по площадке скольжения за счет образования избыточного давления и в поровой воде:

т= (о— и) tgcp-f с,    (I)

где а — нормальное напряжение на площадке скольжения;

Ф—угол внутреннего трения грунта;

с — значение удельного сцепления.

1.8.    При выборе метода определения прочности грунтов следует учитывать возможность снижения их прочности под нагрузкой во времени вследствие явлений ползучести.

1.9.    Для установления условий испытания грунта на прочность следует учитывать физическое состояние, которое он имеет в природном залегании и может приобрести в строительный и эксплуатационный периоды.

1.10.    Для определения прочности грунтов в нестабилнзнроваи-ном состоянии рекомендуется схема недренированного испытания.

При полностью нестабилнзированном состоянии грунта (м = о, Ф = 0) формула (1) принимает вил

Т = с.    (2)

Давление в поровой воде, как правило, в данном случае не определяется.

1.11.    Для оценки прочности грунтов при возможности дренирования и уплотнения пол нагрузкой от сооружения (конец строительного периода и период эксплуатации сооружения) следует проводить дренированные испытания и параметры сдвига определять по эффективным напряжениям.

Угол внутреннего трения для различной степени консолидации грунта под сооружением может быть определен по формуле (1) путем учета замеренного в данный период времени порового давления или в зависимости от плотности — влажности грунта (консолидиро-ванно-недренированное испытание). Образны грунта уплотняют заданными давлениями и испытывают на прочность по закрытой схеме.

1.12.    Для определения параметров прочности для каждого однородного слоя грунта должны быть проведены испытания в соответствии с прил. 3 (ГОСТ 20522-75) при средних нормальных напряжениях (гидростатических давлениях), изменяющихся по величине в интервале от давления, соответствующего природной плотности грунта Р₉, до давления, равного предполагаемой проектной нагрузке.

5

Давление Л» рекомендуется называть «давлением, эквивалентным природному давлению». Значение Р» может быть установлено по компрессионной кривой способом, изложенным в прнл. 1.

1.13.    Различают случаи предварительного уплотнения грунта давлением:

равным тому, при котором будут производить разрушение;

большим, чем то, при котором будут производить разрушение;

меньшим, чем то, при котором будут производить разрушение.

1.14.    Излагаемые в Руководстве методы позволяют учитывать влияние фактора времени на прочность: быстрые, медленные испытания и испытания в условиях ползучести.

1.15.    Прочность в условиях ползучести возможно определить только при однородном напряженно-деформированном состоянии образца, что достигается путем сохранения стабилизированного состояния грунта в течение всего опыта.

1.16.    Рекомендуется определять прочность в условиях ползучести для заданной плотности (влажности) при средних нормальных напряжениях а_Ср, равных напряжениям, испытываемым грунтом в природном залегании Р* или от сооружения.

Среднее нормальное напряжение, соответствующее всестороннему давлению, определяется по формуле

а, 4- д_г д₃

°ср — _а

1.17.    Для грунтов оснований характеристики прочности следует определять на образцах с ненарушенной структурой, а для грунтов насыпей, тела плотин — на образцах нарушенной структуры.

1.18.    Метод определения прочности глинистых грунтов, залегающих в основании сооружений, устанавливается в каждом конкретном случае главным специалистом отдела изысканий и проектировщиками.

1.19.    В Руководстве рассматриваются методы определения прочности грунтов малой степени литификации в условиях сложного напряженного состояния, т. е. в трехосных приборах под гидростатическим давлением путем разрушения осевым сжатием цилиндрических образцов (трехосное сжатие) или кручением образцов в форме трубы.

Рис. 1. Схема трехосного сжатия

Напряженное состояние цилиндрического образца в рассматриваемых условиях трехосного испытания (рис. 1) может быть представлено выражениями

_{Л    Л}    N

ох = о_и — Р_г; <т_г = Рг + —; t_xj, = t_w = T;_X = o.

где Р_г — всестороннее гидростатическое давление;

N—осевая нагрузка;

F—площадь поперечного сечения образца.

Если прочность грунта выражается в терминах октаэдрических напряжений *, то инварианты напряженно-деформированного состояния образца при условии а_Ср = Я_г, е_ср=0 должны определяться по формулам:

(3)

е, =КЗе_2>    (4)

где Р_т — всестороннее гидростатическое давление, при котором производилось уплотнение образца грунта;

<Jz=<J| — суммарное вертикальное напряжение от осевой нагрузки и давления Р_г\ е_х — относительная деформация; о,, е, — интенсивность касательных напряжений, интенсивность деформаций сдвига.

1.20. Напряженное состояние полого цилиндрического образца при заданных значениях внутреннего и внешнего гидростатического давления Р_г, осевого сжатия Р\ и касательного напряжения т, вызванного крутящим моментом М_ир (рис. 2), может быть представлено:

средним нормальным напряжением

"ср = у (Я. + 2Р,);    (5)

интенсивностью касательных напряжений

°t=]/~Y (Ъ-Ы' + Ъ    (6)

при Pi —Pi (Ji=T.

Значение касательного напряжения должно вычисляться по формуле теории пластичности

__ЗМкр

2л (Г| — г\)

¹ При испытании грунтов на трехосное сжатие различие между <Мтокт) и максимальными касательными напряжениями Tmakc=

составляет не более 15%.

7

где Мнр — крутящий момент;

Г| — наружный радиус образца, мм; г₂ — внутренний радиус образца, мм.

Относительная деформация грунта в условиях кручения долж на вычисляться по формуле

9 0.0174 '' ^ ’’

У--;-.    С)

где 0 — угол закручивания, град;

0,0174 — коэффициент для перевода угла в радианы; h — высота образца, мм.

1.21.    По значениям интенсивности касательных напряжений на пределе разрушения о< при разных средних нормальных напряжениях могут быть получены параметры прочности по Губеру — Шлейхеру

О/ = tg Ih + Cl,    (9)

где ф —угол внутреннего трения;

С| — сцепление.

1.22.    При массовых определениях характеристик прочности грунтов в производственных грунтовых лабораториях рекомендуется пользоваться наиболее простим методом разрушения образца в условиях трехосного сжатия.

Для установления параметров прочности (угла внутреннего трепня (р и сцепления с) рекомендуется использовать условие прочности Кулона — Мора, выраженное через значения наибольшего о* и наименьшего оз главных напряжений в момент разрушения образца:

Графически зависимость между главными, нормальными и касательными напряжениями, действующими по площадкам, проходящим через данную точку, представляется с помощью кругов напряжений (кругов Мора). Для построения круга напряжений на оси абсцисс откладывают значения главных напряжений 0| и о₃ и на их разности, как на диаметре, строят окружность (рис. 3). Ординаты и абсциссы точек, лежащих на этой окружности, соответствуют значениям нормальных п касательных напряжений для различно направленных площадок в данной точке. Для площадки ппи наклоненной под углом а к главной площадке, по которой действует большее главное напряжение, значения касательных т_а и нормальных о_а напряжений равны соответственно ординате и абсциссе точки N. Эта точка лежит на пересечении окружности и радиуса, составляющего угол 2« с осью абсцисс.

¹ Для определения прочности глинистых грунтов вопрос использования той или иной теории прочности не имеет большого значения.

По результатам испытания серии образцов одного и того же грунта строят ряд предельных кругов (рис. 4), соответствующих различным значениям Оз и 0|. Огибающая (касательная) к этим кругам должна удовлетворять уравнению условия прочности

т = .т tg ф -{- с.    (И)

1.23. Метод кручения полых цилиндрических образцов под гидростатическим давлением на современном уровне исследований, по-видимому, может быть применен только в научио-исследовагель-ских целях, в частности параллельно с трехосным сжатием с целью установления условии прочности грунта. Эксперименты, которые могут ответить на этот вопрос, должны быть проведены с одним и тем же грунтом, но при различных значениях параметра Лодэ (цо). определяемого по формуле

2    —    (ff_t    +    Оз)

<Jl — о₃

Для условий кручения при о^ог-оз Цо=0; при трехосном сжатии, если 02=03,    ■—    1;    при трехосном сжатии, если    02=»

— 0|. Цо— +1.

2-61    9

1

При диаметре образца 100 мм можно на одном уровне вырезать три образца диаметром 38 мм. При меньшем диаметре отобранного образца это исключается.