Откройте актуальную версию документа прямо сейчас
Если вы являетесь пользователем интернет-версии системы ГАРАНТ, вы можете открыть этот документ прямо сейчас или запросить по Горячей линии в системе.
Приложение 3
Методики лабораторных определений показателей физико-механических свойств слабых грунтов
Отбор проб
Целью лабораторных испытаний грунтов является определение классификационных показателей, используемых для установления по таблицам расчетных характеристик грунтов и идентификации слоев слабой толщи, а также непосредственное получение расчетных показателей сжимаемости и сопротивляемости сдвигу. Однако надо иметь в виду, что результаты лабораторных исследований будут достоверны лишь в случае принятия строжайших мер предосторожности при отборе, транспортировании и хранении монолитов слабых грунтов (ГОСТ 12071-84).
Конструкции пробоотборников для отбора проб слабых грунтов приведены на рис. 1 - 5.
Показатели физических свойств
В лаборатории определяют следующие характеристики грунтов: влажность, плотность и плотность частиц грунта, гранулометрический (механический) состав, зольность торфа, степень разложения торфа, пластичность, сжимаемость, сопротивляемость сдвигу.
Влажность слабых грунтов определяют в соответствии с ГОСТ 5180-84.
Торфяные грунты высушивают при температуре не более 110 - 105°С. После высушивания масса сухой навески должна быть не менее 2 - 3 г. Для обеспечения этого условия навеска сырого грунта должна составлять не менее 20 - 30 г.
Для неоднородных торфов и илов высокой естественной влажности рекомендуется проводить не менее трех параллельных определений влажности. За окончательный результат принимают среднее арифметическое полученных значений.
При работе с монолитами для контроля влажности следует отбирать одну пробу порядка 100 г для получения среднего контрольного значения.
Влажность определяют по отношению массы воды в данной навеске торфа к массе сухой навески
, %, (1)
где q - масса сухого бюкса; - масса бюкса с сухим грунтом; - масса бюкса с влажным грунтом.
Допускается определять влажность ускоренным методом на приборе типа S 10/V для скоростного определения влажности сухого вещества.
При определении плотности частиц грунта и зольности воздушно сухого грунта необходимо вводить поправки на гигроскопическую влажность, представляющую собой содержание воды в воздушно-сухом образце, удаляемой при 100 - 105°С, выраженные в процентах от веса воздушно-сухого грунта.
Гигроскопическая влажность определяется также методом высушивания (ГОСТ 5180-84).
Зольность торфа - это масса золы, оставшейся от сжигания торфа, отнесенная к массе сухой пробы и выраженная в процентах.
Зольность определяют в соответствии с ГОСТ 11306-83. Сущность метода заключается в следующем: навеску (1 - 2 г сухого торфа) сжигают в муфельной печи, а остаток прокаливают при температуре °С до постоянной массы (с допустимой разницей с последующей массой до 0,006 г).
Зольность торфа определяют по формуле
, %, (2)
где z - процент золы к абсолютно сухому веществу; р - масса тигля с золой, г; - масса пустого прокаленного тигля, г; - масса сухого торфа, г.
При определении зольности разница двух параллельных определений не должна составлять более 2%.
При использовании навески сухого грунта параллельно с сжиганием торфа определяют влажность и затем пересчитывают массу влажной навески на сухую.
Потерю при прокаливании (или содержании органических веществ для некарбонатных грунтов) вычисляют по формуле
, %. (3)
Содержание органических веществ в мергелистых грунтах следует определять в соответствии с методикой, изложенной в Методическом пособии по определению физико-механических свойств грунтов (СОЮЗДОРНИИ. - М.: Недра, 1975. - 177 с).
Степень разложения торфа - это процентное содержание бесструктурной массы и мельчайших негумифицированных остатков, имеющихся в данной навеске, к величине всей навески.
Степень разложения торфа определяют химическими и физическими методами.
В полевых и лабораторных условиях применяют следующие физические методы: микроскопический, весовой, глазомерно-макроскопический, центрифугирование.
В отчетной документации по обследованию болота необходимо указывать способ определения степени разложения, так как от него зависят результаты.
Микроскопический метод. Пробу торфа 30 - 40 г помещают на листке картона, тщательно перемешивают и разравнивают тонким слоем. Из 10 мест пробы отбирают 3 пробы по 0,5 торфа, помещают их на предметные стекла, разравнивают тонким слоем, добавляют несколько капель воды и покрывают покровным стеклом.
Затем рассматривают на каждом стекле (в равных его частях) до 10 зон под микроскопом (при увеличении в 100 раз) и в процентах оценивают площадь, занятую частицами размером 0,25 мм, относительно всей площади зоны, занятой торфом.
Степень разложения определяют как среднее арифметическое из всех 30 определений с округлением до 5%.
Весовой метод. Навеску 50 г делят на две равные части, одну из которых высушивают в термостате при температуре 105°С и взвешивают с точностью до второго знака, а вторую отмучивают струей воды на сито с диаметром отверстий 0,25 мм. Отмучивание продолжают до тех пор, пока из сита не будет вытекать прозрачная вода. Оставшиеся на сите промытые растительные частицы высушивают в термостате до сухого состояния при t = 105°С и взвешивают. Степень разложения определяют по формуле
%, (4)
где а - масса сухого волокна из отмученной навески; b - то же, неотмученной навески.
При необходимости пересчет степени разложения, определенной весовым методом, на степень разложения по микроскопическому методу приближенно может быть осуществлен с помощью графика (рис. 6).
Степень разложения торфа центрифугированием определяют по ГОСТ 10650-72 с изм.
Глазомерно-макроскопический метод. Пользуясь табл. 1, на глаз оценивают структурно-механические свойства торфа при сжатии его в руке и по цвету отжимаемой из него воды. Комплекс признаков визуального определения дополняют еще одним показателем - мазком торфа. Для этого из нескольких мест торфяного образца, вынутого из залежи, отбирают среднюю пробу объемом 0,5 - 1 и помещают на листке плотной бумаги или на странице полевого дневника. Нажимая указательным пальцем на пробу, делают горизонтальный мазок на 5 - 10 см.
Для оценки степени разложения мазки сравнивают со стандартной шкалой (см. табл. 1).
Таблица 1
Оценка свойств торфяных грунтов
-------------------------------------------------------------------------
Степень| Растительные |Пластично-уп- |Отжимаемая вода| Мазок
разло- | остатки |ругие свойства| |
жения | | | |
--------+----------------+--------------+---------------+----------------
До 10 |Хорошо |Торф не мажет|Отжимается |Бесцветный или
|сохранились и|руку, отжатая|легко, |слабо-желтый с
|составляют почти|масса пружинит|бесцветная или|большим
|всю массу торфа,|и быстро|слабоокрашенная|количеством
|различные мхи,|принимает | |налипшего
|остатки осоковой|первоначальный| |волокна
|растительности |объем | |
| | | |
10 - 20|Хорошо |При сжатии в|Отжимается |Желтый или
|сохранились, но|кулаке не|легко, мутная,|слегка
|измельчены в|продавливается|желтая; |коричневый,
|большей степени |между |коричневая или|светло-серый,
| |пальцами; в|светло-серая. |имеются
| |сжатом торфе| |налипшие
| |заметна | |волокна
| |упругость | |
| | | |
20 - 35|Сохранились, но|Несколько |Отжимается с|Коричневый или
|определить |пластичен, при|некоторым |серовато-корич-
|затруднительно, |сжатии в|усилием, |невый,
|часть из них|кулаке часть|мутная, |налипшего
|гумифицирована |торфа |коричневая или|волокна нет
| |продавливается|бурая |
| |между | |
| |пальцами, при| |
| |растирании | |
| |мажет руку | |
| | | |
35 - 50|Заметны, но|Пачкает руку,|Отжимается со|От коричневого
|распознаются |продавливается|значительным |до
|трудно, много|значительная |усилием, |темно-коричне-
|гумифицированных|часть торфа |мутная, бурая|вого с серым и
|частиц | |или коричневая |черным оттенком
| | | |и с гладкой
| | | |поверхностью
| | | |
Более |Мало заметны или|Большая часть|Почти или|Темно- или
50 |почти незаметны,|полностью |совсем не|черно-коричне-
|преобладает |продавливается|отжимается |вый, хорошо
|гумифицированная|между | |сохраняет
|масса |пальцами, | |отпечатки
| |пачкает руку | |пальцев
| | | |
Степень волокнистости - это содержание в твердой фазе торфа волокнистых остатков размером более 0,25 мм, выраженное в процентах от объема твердой фазы. Степень волокнистости можно определять через степень разложения. Если степень разложения устанавливают микроскопическим способом, то степень волокнистости можно вычислить по формуле
, %. (5)
Если степень разложения определяют весовым методом , то для вычисления Ф необходимо степень разложения в весовых процентах пересчитать на степень разложения в процентах объема, для чего нужно знать плотность частиц, волокнистой и гумусной фракций.
Для упрощенных расчетов можно использовать график (см. рис. 6), с помощью которого можно пересчитать на , после чего степень волокнистости определяют по формуле (5).
Пределы пластичности определяют для минеральных и органо-минеральных болотных грунтов. Границу текучести грунта определяют с помощью "балансирного конуса" по ГОСТ 5180-84.
Определение нижней границы пластичности производят раскатыванием в шнур по указанному ГОСТ 5180-84.
Результаты определения пределов пластичности заторфованных грунтов следует сопровождать указанием процентного содержания (по массе) растительных остатков, если масса их составляет более 5% массы сухой минеральной части грунта.
Плотность частиц грунта может быть определена различными методами.
Пикнометрический метод. Плотность частиц грунта определяют как отношение массы частиц грунта, высушенного при t = 100 - 105°С до постоянной массы, к объему этих частиц в соответствии с ГОСТ 5180-84.
Грунт, высушенный до воздушно-сухого состояния, растирают пестиком в фарфоровой ступке и просеивают через сито с диаметром отверстий 1 мм. Частицы крупнее 1 мм механически дробят и добавляют к пробе.
Из просеянного грунта (100 - 200 г) отбирают среднюю пробу 15 г для минеральных грунтов и 5 г для торфов на каждые 100 вместимости пикнометра. При этом дополнительно отбирают две пробы для определения гигроскопической влажности.
В пикнометр наливают дистиллированную воду (1/3 вместимости) и взвешивают. При помощи воронки вводят пробу грунта в пикнометр и снова взвешивают. Разница первого и второго взвешивания равна массе введенного грунта. Содержимое пикнометра кипятят в течение 1 ч с момента закипания суспензии. Кипячение должно быть спокойным, без разбрызгивания по стенкам пикнометра. После кипячения пикнометр с суспензией охлаждают до 20°С, а затем доливают кипяченую воду до отмеченного уровня таким образом, чтобы вогнутая часть мениска касалась уровня.
Пикнометр с грунтом и водой взвешивают, затем освобождают его от грунта и воды, тщательно моют, наполняют дистиллированной водой (той же температуры, что и вода в пикнометре) и вновь взвешивают.
Плотность частиц грунта вычисляют по формуле
, (6)
где - масса сухого грунта, введенного в пикнометр, г;
; (7)
- масса пикнометра с грунтом и водой, г; - масса пикнометра с водой, г; - влажность воздушно-сухого грунта, %; q - масса воздушно-сухого грунта, г.
За расчетную плотность частиц грунта принимают среднее арифметическое из результатов двух параллельных определений; расхождение допускается не более 0,02 .
Метод высоких давлений. Плотность твердой фазы органических грунтов можно определить с помощью уплотнителя УВД-3 конструкции Калининского политехнического института (рис. 7). Торф в воздушно-сухом состоянии (влажность 10 - 25%) подвергают сжатию в закрытой камере под давлением 350 - 400 МПа (3500 - 4000 ). В сжатом состоянии определяют его объем с последующим пересчетом и вычислением плотности минеральной части.
Порядок определения следующий. Втулки (см. рис. 7) с верхним штоком снимают с нижнего штока и переворачивают при вставленном штоке. В свободное пространство втулки засыпают навеску исследуемого грунта, затем во втулку вставляют нижний шток с индикатором.
Собранный прибор устанавливают на подставку и затем на нижнюю плиту пресса. Далее образец нагружают до 10 кН и выдерживают под этой нагрузкой в течение 2 - 3 мин. При этом деформация образца, регистрируемая индикатором, должна прекратиться. Затем записывают максимальное показание индикатора, по которому вычисляют толщину образца при заданной нагрузке.
Далее нагрузку снимают, вынимают втулку вместе с верхним штоком, и взвешивают шток. Контролируют массу остающегося на штоке уплотненного образца кольцевой формы.
Плотность минеральной части при данной влажности вычисляют по формуле
, (8)
где G - навеска грунта (масса образца), г; D - наружный диаметр образца, см; d - диаметр (внутренний) образца, см; h - толщина образца после уплотнения под давлением, см.
Плотность твердой фазы грунта за вычетом объема влаги определяют по формуле
, (9)
где - влажность, % (по массе); - плотность адсорбционной воды ().
Плотностью грунта называется его масса в единице объема. Определяют методом режущего кольца или методом гидростатического взвешивания образца, покрытого пленкой парафина (ГОСТ 5180-84).
Метод режущего кольца применяют в тех случаях, когда объем и форма отбираемого образца могут быть сохранены только с помощью жесткой обоймы. Метод гидростатического взвешивания можно применять при образцах неправильной формы. Для определения плотности можно рекомендовать также волюменометрический метод.
Метод режущих колец. Режущим кольцом отбирают образец в лаборатории из монолита или в шурфе. Остаток грунта, выступающий из гильзы, срезают ножом. Кольцо с грунтом взвешивают. Плотность вычисляют по формуле
, (10)
где q - масса образца грунта при данной влажности, г; V - объем грунта, заключенного внутри кольца, .
При малоразложившихся торфах метод режущих колец не обеспечивает достаточной точности, так как трудно правильно обработать отобранный образец ножом и, кроме того, он деформируется при перерезании неразложившихся растительных остатков.
Метод парафинирования. Образец грунта многократно опускают на несколько секунд в парафин, чтобы нарастить слой не менее 0,5 мм. Пузырьки воздуха, обнаруженные в застывшей парафиновой оболочке, удаляют, прокалывая иглой и заглаживая образовавшиеся отверстия.
Охлажденный запарафинированный образец взвешивают (). Затем подвешивают к серьге коромысла весов и погружают в стакан с водой для взвешивания в воде (). Контролируют массу в воздухе, чтобы убедиться, что в грунт не попала вода (предварительно обтерев запарафинированный образец). Тщательно удалив парафин с образца, берут пробы для определения влажности. Проводят не менее двух параллельных определений.
Плотность грунта определяют по следующим формулам:
(11)
; (12)
; (13)
, (14)
где - объем парафина, ; - масса образца при данной влажности, г; и - объем и масса запарафинированного образца, , г; - масса запарафинированного образца в воде, г; - удельный вес парафина 9 (0,9 ); - удельный вес воды 10 (1 ); V - объем образца без парафина, ; - плотность образца, .
Волюменометрический метод. Образец торфа взвешивают, а затем помещают в сетчатый каркас и погружают в волюменометр. При этом по трубке устанавливают изменение уровня воды и вычисляют объем исследуемого образца. Делению шкалы трубки соответствует определенный объем вытесненной воды.
Ботанический состав торфа определяют с помощью микроскопа по характеру неразложившихся растительных остатков в соответствии с описанием различных видов торфа*(4).
Предварительно гумус отделяют методом отмучивания, пропуская взвесь через сито с диаметром отверстий 0,10 мм при торфе, сильно разложившемся, и через сито с диаметром отверстий 0,25 мм при торфе с меньшей степенью разложения. Из отмученной массы навеску торфа переносят пинцетом на стекло стандартного размера и под микроскопом (с увеличением не менее, чем в 90 раз) устанавливают процентное содержание растений - торфообразователей).
Название ботанического вида торфу дается по остаткам, которых в данном образце более 15%. Если например, в составе образца осоки 30, древесных остатков 40, гипнума 20 и сфагнума 10%, то торф называют гипново-осоково-древесным.
Показатели механических свойств
Сжимаемость - изменение объема под влиянием сжатия (компрессии) от действующей внешней нагрузки в условиях невозможности бокового расширения - характеризует компрессионные свойства слабых грунтов.
Слабые грунты относятся к сильносжимаемым из-за высокой пористости. Объем грунта под нагрузкой изменяется за счет удаления из пор воды и воздуха (влияние воздуха на компрессионные свойства невелико).
Сжимаемость слабого грунта должна определяться вслед за отбором образцов, пока не претерпели изменения их естественные свойства (структура, пористость и влажность в естественном состоянии).
Общий объем компрессионных, а также консолидационных испытаний зависит от числа выделенных литологически однородных слоев и стадии проектирования. При этом исходят из того, что при выполнении испытаний в полном объеме количество образцов должно быть таким, чтобы для каждого расчетного слоя можно было получить стандартную компрессионную кривую и консолидационные кривые для трех-четырех различных нагрузок при двух разных путях фильтрации.
Под стандартной компрессионной кривой понимается кривая, получаемая при следующих условиях: начальная высота образца 2 см; отношение диаметра к высоте образца близко к 3; дренирование - двухстороннее; нагружение осуществляется с последовательным увеличением, ступенями; за конечную деформацию образца под данной ступенью нагрузки принимается деформация, достигнутая к моменту, когда интенсивность осадки стандартного образца станет равной 0,02 мм/сут (или интенсивность относительной деформации составит 0,001 1/сут).
Стандартную компрессионную кривую строят по результатам испытаний двух параллельных образцов.
Слабые грунты испытывают на компрессию в приборах, используемых для испытаний обычных грунтов, с рабочим кольцом диаметром 7, 14 и высотой 2 см. Для испытаний могут быть использованы также компрессионные приборы с максимальной площадью 60 , высотой 2,5 см, с двумя мессурами на штампе, не требующими перестановки нуля. Приборы должны быть протарированы до испытаний.
Сжимаемость образцов слабых грунтов определяют при ненарушенной структуре с принятием мер, исключающих подсушивание образца в процессе опыта (например, под водой).
Ход определения
Перед опытом замеряют штангенциркулем диаметр и высоту кольца с точностью до 0,1 мм и взвешивают его на технических весах с точностью до 0,01 г.
Монолит грунта очищают от парафина и подсохшего верхнего слоя.
Кольцо устанавливают режущим краем на выровненную поверхность монолита (или стенку выработки), медленно вдавливают в грунт (для торфов с небольшим поворотом кольца) и срезают грунт по наружному диаметру кольца. При этом необходимо следить, чтобы кольцо погружалось вертикально, без перекосов, которые могут вызвать нарушение структуры грунта и исказить величину плотности грунта. Следует обратить особое внимание на качество вырезки образца, так как от ее тщательности зависит точность определения свойств грунта и замера осадки.
С этой целью в процессе вырезки и подготовки образца к испытанию необходимо следить, чтобы грунт не выкрашивался, а также, чтобы образец вплотную прилегал к стенкам кольца. При нарушении естественной структуры образец бракуется.
После заполнения кольца грунтом на него устанавливают насадку и вдавливают в монолит (или в грунт) с превышением на 3 - 4 мм. Затем насадку снимают и осторожно срезают грунт в уровень с краями кольца.
Под кольцом грунт подрезают на конус, и отделяют кольцо с грунтом от монолита (или грунтового массива). В случае мягкопластичных грунтов кольцо с грунтом отделяют от монолита стальной упругой тугонатянутой проволокой. Образец кладут на стеклянную пластину и зачищают грунт вровень с кольцом. Кольцо с грунтом взвешивают с точностью до 0,01 г.
При испытаниях при двухсторонней фильтрации верхний и нижний торцы образца грунта покрывают влажными кружками фильтровальной бумаги, вырезанными строго по внутреннему диаметру кольца. При проведении опыта при односторонней фильтрации воды из образца нижний кружок фильтровальной бумаги заменяют резиновой прокладкой.
Кольцо с образцом ставят на днище прибора, одометр собирают и устанавливают под пресс компрессионной установки. Далее устанавливают индикаторы на нулевой отсчет. При показаниях, отличных от нуля, их записывают в журнале, как начальные. Одновременно из грунта монолита, непосредственно прилегающего к образцу, отбирают две-три пробы для определения влажности и плотности частиц грунта.
Для предотвращения высыхания грунта в местах контакта деталей прибора, где может испариться влага, прокладывают влажную вату или марлю. При испытании образца грунта в водном окружении спустя 2 мин после приложения первой ступени нагрузки через отверстие в нижней части одометра с помощью бюретки прибор заполняют водой до появления ее в отверстиях штампа. Для удаления воздуха из прибора второе отверстие должно быть открыто до появления в нем воды. Уровень воды в бюретке устанавливают по верхней грани рабочего кольца и поддерживают на протяжении всего опыта.
При предварительном насыщении грунта водой прибор с образцом ставят под пресс и опускают винт арретира так, чтобы грунт не мог набухать или доводят арретирное кольцо прибора до соприкосновения с верхним штампом. Если индикаторы показали набухание образца, то арретиром возвращают показания индикатора на начальный отсчет. Насыщать образец лучше грунтовой водой, взятой из места отбора образцов, или грунтовой вытяжкой. При небольшой минерализации можно пользоваться водопроводной водой.
Далее к грунту прикладывают нагрузку возрастающими ступенями.
Для образцов глинистых грунтов текучей консистенции и сапропелей рекомендуются следующие ступени нагрузок: 0,002; 0,003; 0,005; 0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,075; 0,10; 0,15; 0,2 МПа (0,02; 0,03; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2 ) и далее до заданной максимальной нагрузки. Для образцов глинистых грунтов пластичной консистенции и торфов рекомендуются следующие ступени нагрузок: 0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,075; 0,10; 0,20 МПа (0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 0,75; 1; 2 ) и т.д.
В зависимости от состояния грунта количество ступеней может быть сокращено. Величину груза, которую необходимо приложить к подвеске рычага компрессионной установки, определяют по формуле
, (15)
где - задаваемая ступень нагрузки (нормальное напряжение) на образец грунта, МПа (); F - площадь поперечного сечения образца, ; а - масса рамы и поршня одометра с шариком, кг; N - передаточное число системы рычагов; g - ускорение свободного падения.
Каждую ступень выдерживают до условной стабилизации деформации образца. При высоте образца h и двусторонней фильтрации воды интенсивность осадки, принимаемую за условную стабилизацию, вычисляют по формуле , мм/сут. Если дренирование одностороннее, то следует пользоваться формулой мм/сут. В зависимости от вида грунта и условий опыта указанный критерий может быть несколько изменен. Однако во всех случаях, принимаемая за завершение деформации интенсивность относительной осадки не должна превышать 0,003 1/сут для супесей, 0,002 1/сут - для песков и 0,001 1/сут - для суглинков и глин.
При больших осадках образца, приводящих к сильному опусканию рычага пресса, следует выравнивать рычажную систему после завершения осадки от каждой ступени нагрузки, брать нулевой отчет по индикаторам, после чего прикладывать следующую ступень нагрузки.
Одометр с образцом необходимо защищать от сотрясений и температурных колебаний.
По окончании деформации образца грунта от наибольшей нагрузки удаляют воду (если образец находится под водой), и снимают нагрузку с рычажной системы. Далее разбирают одометр, извлекают рабочее кольцо с образцом и снимают фильтрационную бумагу, удаляют сухой фильтровальной бумагой влагу с торцов образца и взвешивают его с указанной выше точностью. Затем образец высушивают для определения конечной влажности. Все данные измерений и взвешивания записывают в журнал.
После опыта определяют объем образца, для чего площадь поперечного сечения образца умножают на его конечную высоту, равную разности между начальной высотой образца (высота рабочего кольца) и его осадкой, определяют плотность и коэффициент пористости образца до и после опыта. Форма записи наблюдений при компрессионных испытаниях приведена ниже.
Обработка результатов. Деформацию образца грунта определяют под каждой ступенью нагрузки, выдержанной до условной стабилизации деформации, вычитая начальные показания индикаторов из показаний при нагрузке.
Из общей деформации образца вычитают значения собственной деформации одометра и кружков фильтровальной бумаги, которые определяют по тарировочной кривой, и получают действительные деформации образца. Затем вычисляют относительные деформации образца грунта по формуле
, (16)
где - начальная высота образца. По вычисленным значениям относительной деформации строят компрессионную кривую вида .
Пример записи показателей состава и состояния испытываемого грунта приведен в табл. 2. Первый этап обработки на этом заканчивается.
Журнал компрессионных испытаний
Объект _________________________________________________________________
Место отбора образца ___________________________________________________
Проба N ________________________________________________________________
Наименование выработки _________________________________________________
Глубина отбора _________________________________________________________
Исходные данные для расчетов
Высота кольца h_0 ______________________________________________________
Площадь кольца F _______________________________________________________
Объем кольца V _________________________________________________________
Масса кольца q_0 _______________________________________________________
Масса грунта до опыта q_1 ______________________________________________
Масса грунта после опыта q_2 ___________________________________________
Плотность грунта ро ____________________________________________________
Влажность грунта до опыта омега_нач ____________________________________
Влажность грунта после опыта омега_кон _________________________________
Коэффициент пористости до опыта, рассчитанный по влажности
эпсилон_нач.вл _________________________________________________________
________________________________________________________________________
То же, после опыта эпсилон_кон.вл ______________________________________
Таблица 2
Показатели состава и состояния грунта
-----------------------------------------------------------------------------------------------
Потеря|Плот- |Волокнис-| Золь- | Плот- |Содержа-|Природ-|Степень|Граница|Грани-|Число |Наиме-
при |ность | тость | ность | ность | ние | ная |водона-|текуче-| ца |плас- |нова-
прока-|грунта| ---- | | | СаСО3 | влаж- |сыщения| сти |раска-|тично-| ние
лива- | | Степень | | | | ность | | |тыва- | сти |грунта
нии | |разложе- | | | | | | | ния | | по
| | ния | | | | | | | | |клас-
| | | | | | | | | | |сифи-
| | | | | | | | | | |кации
-------+------+---------+-------+-------+--------+-------+-------+-------+------+------+-------
| | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | |
Таблица 3
Данные компрессионных испытаний
------------------------------------------------------------------------------------------------
Дата |Время |Нагрузка на |Отчеты |Деформа-| Средняя |Относите- |Модуль |Прираще- |Коэффициент
| | образец. | по | ция |деформа- | льная |осадки | ние |пористости
| | Н/(кгс); |мессуре|образца | ция |деформация| |коэффици-|
| | МПа/ | | | | | | ента |
| | (кгс/см2) | | | | | |пористос-|
| | | | | | | | ти |
-------+------+------------+-------+--------+---------+----------+-------+---------+------------
| | | | | | | | |
| | | | | | | | |
При испытаниях слабых, практически полностью водонасыщенных грунтов, может происходить выдавливание грунта в зазоры в приборе.
Показания мессур могут оказаться искаженными, в этом случае рекомендуется уточнять величину деформации сжатия по изменению влажности грунта в процессе испытания. С этой целью после завершения всего опыта и определения конечных влажности и плотности грунта вносят поправки в компрессионную кривую. Второй этап обработки, заключающийся в уточнении компрессионной кривой, заключается в следующем. Вычисляют величины:
коэффициент пористости образца в конечном состоянии уплотнения
, (17)
где - плотность частиц грунта;
коэффициент пористости грунта в начальном состоянии (до опыта) , используя ту же зависимость с подстановкой вместо конечных значений - начальные;
изменение коэффициента пористости грунта для каждой ступени нагрузки по показанию мессур
, (18)
где - конечная деформация образца под данной нагрузкой, фиксируется по мессурам, мм;
коэффициент пористости для каждой ступени нагрузки
. (19)
Величины и определяют, начиная с конечных значений, соответствующих последней нагрузке.
Уточнение компрессионной кривой заключается во введении в вычисленные по показаниям мессур величины и поправки получаемой по результатам контрольного определения конечной влажности грунта.
Коэффициент рассчитывают по формуле
, (20)
где - конечный коэффициент пористости, рассчитанный по влажности; - то же, по деформации.
Если , то необходимо значения деформации образца на различные моменты времени и при различных ступенях нагрузок, установленные по показаниям мессур, уточнить по формуле .
По исправленным значениям строят кривую , затем определяют значения , соответствующие условной стабилизации деформации, и строят исправленную стандартную компрессионную кривую.
Для построения зависимости следует использовать формулу .
На рис. 8 приведена стандартная компрессионная кривая торфа, начальная влажность которого равна 628, степень разложения 40, зольность 7%. По стандартной компрессионной кривой определяют и рассчитывают следующие параметры: структурную прочность, коэффициент уплотнения, модуль осадки.
Модуль осадки численно равен величине сжатия, мм, столба грунта высотой 1 м в условиях компрессионного опыта
. (21)
Коэффициент уплотнения равен тангенсу угла наклона спрямленного участка в заданном диапазоне нагрузок стандартной компрессионной кривой
, (22)
где - изменение коэффициента пористости в диапазоне изменения нагрузок .
Для определения структурной прочности кривую перестраивают в виде . Определяют точку перегиба А указанной зависимости (см. рис. 8). Через эту точку проводят касательную AB и горизонтальную линию АД, затем биссектрису AM угла ВАД. Прямолинейный участок компрессионной кривой экстраполируют до пересечения с биссектрисой AM и получают точку N; значение , соответствующее точке N, принимают за структурную прочность.
Испытания на консолидацию проводят на тех же приборах, что и на компрессию. Подготовка приборов и образцов аналогична подготовке к компрессионным испытаниям.
Испытания на консолидацию могут быть выполнены при одинаковом пути фильтрации и на образцах-близнецах при различных путях фильтрации, кроме того, могут быть выполнены в специальных одометрах с различными размерами рабочих колец. При этом отношение диаметра к его высоте сохраняют постоянным.
Консолидационные испытания выполняются в полном или сокращенном объемах. При испытаниях в полном объеме должны быть получены шесть-восемь консолидационных кривых: для трех-четырех нагрузок и двух путей фильтрации.
При сокращенных испытаниях ограничиваются получением консолидационных кривых для одной нагрузки (заданной) и двух путей фильтрации.
При описании процесса консолидации зависимостями и для определения консолидационных параметров при полном объеме испытаний необходимы три-четыре пары образцов, в каждой из которых образцы с различными условиями дренирования уплотняются одной из трех-четырех заданных нагрузок. При этом минимальная нагрузка должна быть не менее , а максимальная не должна вызывать выдавливание грунта в зазоры прибора. При сокращенных испытаниях и описании консолидации указанными зависимостями необходимо уплотнять под одной заданной нагрузкой не менее двух параллельных образцов при одном пути фильтрации и столько же при другом.
При полном объеме испытаний в случае использования выражения , необходимо шесть-восемь образцов: два параллельных образца испытывают под каждой из трех-четырех нагрузок (путь, фильтрации один и тот же). При сокращенном объеме испытывают не менее двух параллельных образцов, уплотненных под одной нагрузкой.
Ход определения
Каждый из подготовленных образцов нагружают заданной ступенью нагрузки, и ведут замеры деформации по индикаторам через определенные промежутки времени.
Рекомендуемые интервалы между замерами 5; 10; 30 с, 1; 2; 3; 5; 10; 15; 30 мин., 1; 2; 4 ч и далее 3 раза в сутки. Данные наблюдений заносят в журнал (см. табл. 3).
Одновременно результаты испытаний наносят на график в виде . Испытание считается законченным при достижении интенсивности деформации образца, принятой за условную стабилизацию деформации.
Для сокращения времени испытания опыт может быть закончен, когда экспериментальные точки кривой , построенные в полулогарифмической зависимости, укладываются на прямую. Далее указанную прямую экстраполируют до тех про, пока интенсивность деформации не будет менее 0,02 мм/сут. Осадку, соответствующую моменту достижения этой интенсивности, принимают за конечную. Время достижения интенсивности 0,02 мм/сут может быть определено не только графическим путем, но и рассчитано по формуле
, (23)
где 0,43 - коэффициент перехода от десятичного логарифма к натуральному; - консолидационный параметр; - начальная высота образца; 0,02 - заданная интенсивность осадки.
По окончании испытания разгрузку образцов и дальнейшие операции выполняют так же, как и при компрессионных испытаниях.
В качестве примера на рис. 9 нанесены консолидационные кривые торфяного грунта, свойства которого даны выше.
Обработка результатов. Обработка опытных кривых консолидации может быть выполнена двумя способами: упрощенным; уточненным.
При первом способе по осредняющей кривой консолидации двух параллельных испытаний устанавливают точку, отвечающую интенсивности деформации 0,001 h мм/сут, при двухсторонней и 0,002 h мм/сут при односторонней фильтрации воды. Для этой точки определяют величину относительной деформации . Определяют точку, отвечающую выходу зависимости на прямолинейный участок в полулогарифмическом масштабе, и устанавливают величины и , отвечающие этой точке. Основываясь на этих параметрах, проводят дальнейшие расчеты.
При втором способе обработки для каждой кривой находят отношение . Значения, полученные для образцов с двухсторонней фильтрацией, наносят на сетку координат , и проводят осредняющие кривые (рис. 10). Значения , полученные для всех
образцов, наносят на сетку координат и через точки, отвечающие одинаковому пути фильтрации, проводят осредняющие кривые. При этом следует учитывать, что кривые для различных путей фильтрации должны быть параллельны.
Значения , полученные для всех образцов, наносят на сетку координат и проводят осредняющую кривую (см. рис. 10). При этом исходят из того, что кривая должна быть одной для образцов с различными путями фильтраци#.
Далее определяют параметр как тангенс угла наклона прямолинейного участка к оси абсцисс
, (24)
где - относительная осадка, соответствующая произвольно выбранному моменту .
Наносят значения для всех образцов на сетку координат и проводят осредняющую кривую, позволяющую установить для любого значения р. Принимая за единицу, берут 5 - 6 точек на кривой консолидации при и определяют для этих точек величины и .
Для образцов, уплотненных одной нагрузкой, но имеющих различный путь фильтрации, строят осредненный график (рис. 10) зависимости для участка первичной осадки . Полученные графики позволяют установить для любой заданной нагрузки (в пределах заданного диапазона) значения консолидационных параметров ; ; , а также осредненные значения ординат точек кривой консолидации для участка первичной осадки. По этим данным строят осредненные расчетные консолидационные кривые для рассматриваемой нагрузки и двух путей фильтрации (рис. 11).
По исправленной кривой консолидации для заданной нагрузки получают коэффициенты , осредняющие долю первичной осадки в условной общей (стандартной) осадке.
Далее, взяв стандартную компрессионную кривую и значение , относящиеся к образцам стандартного размера при одних и тех же условиях дренирования, умножают ординаты стандартной компрессионной кривой, отвечающие нагрузкам при консолидационных испытаниях, на соответствующие нагрузки при консолидационных испытаниях, на соответствующие значения .
Полученные значения наносят на график и проводят кривую первичной осадки (см. рис. 8).
По опытным кривым консолидации (при первом способе обработки) или по исправленным кривым консолидации (при втором способе обработки) определяют консолидационные параметры в зависимости от принятой для прогноза времени уплотнения слабого основания формулы пп. 4.16 и 4.18 основного текста.
Параметры консолидационной зависимости вида определяют:
графическим методом - по кривым консолидации двух образцов с различными условиями дренирования, уплотненными под расчетной нагрузкой, находят и для нескольких значения (см. рис. 11). Далее строят график зависимости (рис. 2). Параметр при заданной относительной деформации определяют по оси абсцисс. Параметр определяют как угловой коэффициент прямой ;
по аналитической зависимости - по кривым консолидации двух образцов с различными условиями дренирования, уплотненными под расчетной нагрузкой, - находят время и достижения заданной относительной деформации. Далее определяют и из системы уравнений:
; (25)
.
Если испытывают образцы одной высоты с различными условиями дренирования, то . В этом случае параметры и можно вычислить по формулам:
при ; мин;
, .
Коэффициент консолидации определяют с использованием кривой консолидации образца грунта, уплотненного под расчетной нагрузкой, по формуле
. (26)
где - коэффициент, величина которого зависит от степени консолидации, устанавливаемый по табл. 20; - время завершения заданной степени уплотнения.
По кривой консолидации образца торфяного грунта, уплотненного под нагрузкой р 0,1 МПа (1 ) (см. рис. 11), время достижения степени консолидации U = 50% составляет t = 3,3 мин. Параметр по табл. 20 при U = 50% равен 0,2.
Коэффицент# фильтрации слабых грунтов следует определять по результатам консолидационных испытаний с использованием зависимости
, (27)
где а - коэффициент уплотнения, определяемый по компрессионной кривой; - средний коэффициент пористости, равный ; - коэффициент пористости грунта, соответствующий нагрузке ; - соответствующий нагрузке .
По компрессионной кривой (см. рис. 1) находим а и в интервале нагрузок МПа (1 ) и МПа (2 ), = 4,52; = 3,75; = 4,135.
;
= 0,06 (см. ниже). см/мин = 0,11 см/сут.
Характеристики определяются расчетом по следующим формулам
Плотность сухого грунта определяют по формуле
, (28)
где - плотность грунта, , - весовая влажность, %.
Пористость грунта определяют по формуле
, (29)
где - плотность частиц грунта, .
Коэффициент пористости рассчитывают по формуле
(30)
или
.
Коэффициент водонасыщения определяют по формуле
, (31)
где - удельный вес воды 10 (1 ).
Сопротивляемость сдвигу слабых грунтов в лаборатории оценивается путем испытаний в стандартных приборах прямого сдвига или трехосного сжатия.
При оценке сопротивляемости слабых грунтов сдвигу в лаборатории следует исходить из теории плотности - влажности, в соответствии с которой сопротивляемость сдвигу практически полностью водонасыщеного грунта в общем виде выражается как
, (32)
где р - полное нормальное давление на площадке сдвига, МПа (); - угол внутреннего трения, зависящий от плотности - влажности грунта в момент сдвига; - сцепление, также зависящее от плотности-влажности грунта в момент сдвига, МПа ().
При этом
, (33)
где - часть полного сцепления, имеющая водно-коллоидную природу; - часть полного сцепления, обусловленная наличием невосстанавливающихся связей.
Задача испытаний сводится к установлению зависимости угла внутреннего трения и сцепления от влажности в зоне сдвига, что достигается в результате сдвига под несколькими (не менее трех) нормальными нагрузками нескольких образцов, имеющих различные плотности - влажности.
Ход определения. Выбирают величины нормальных нагрузок, под которыми должен производиться сдвиг, исходя из следующих основных условий: минимальная нагрузка должна быть такой, чтобы сопротивляемость грунта сдвигу не оказалась больше этой нагрузки; максимальная нагрузка не должна вызывать выдавливания образца в зазоре сдвигового кольца. При выборе нормальных нагрузок следует учитывать также возможную величину напряжений в грунте в реальных условиях. Интервал между минимальной и максимальной нормальными нагрузками делят пополам. Таким образом, получают три величины нормальной нагрузки, при которых производят сдвиг. Под каждой из нормальных нагрузок производят сдвиг, как правило, не менее четырех образцов, имеющих различную влажность. В ряде случаев можно выполнять и по два сдвига на одном образце под двумя разными нагрузками, что позволяет сократить количество образцов. Для этого начальная высота образца должна быть не менее 2 см.
Различия по влажности образцов в момент сдвига можно достигать следующими путями.
1. Выдерживанием каждого из образцов, предназначенных для сдвига при одной и той же нормальной нагрузке, при которой производится сдвиг. В этом случае первый образец сдвигается немедленно после приложения заданной нормальной нагрузки, второй образец сдвигается только после выдерживания его под данной нагрузкой до практически полного завершения консолидации, а два других образца перед сдвигом выдерживаются под нагрузкой с таким расчетом, чтобы их влажность в момент сдвига имела два различных промежуточных значения в интервале между влажностями первого и второго образца.
При испытании в сдвиговых приборах предварительное выдерживание образцов под нагрузкой может проводиться как в самих сдвиговых приборах (до установки зазора), так и в приборах предварительного уплотнения.
2. Выдерживанием образцов различное время под одной достаточно большой по величине нагрузкой, величина которой должна быть не менее максимальной нормальной нагрузки при сдвиге. Предельное значение уплотняющей нагрузки определяется возможностью передать ее на образец без выдавливания грунта в щели. Чем больше нагрузка (в пределах возможного), тем меньше времени будет затрачено на испытание. В этом случае по одному образцу под каждой нормальной нагрузкой испытывается без предварительного выдерживания под уплотняющей нагрузкой.
3. Выдерживанием образцов до практически полной консолидации под различными нагрузками, наибольшая из которых должна быть примерно вдвое больше максимальной нормальной нагрузки при сдвиге. Четыре образца из серии в этом случае также не подвергаются предварительному уплотнению.
Контроль за изменением влажности грунта в процессе его уплотнения под нагрузкой в любом из указанных случаев может осуществляться по осадке образца, фиксируемой мессурами.
Каждый из четырех образцов с различной влажностью испытывают на сдвиг под одной и той же нормальной нагрузкой. Аналогично проводят испытания под остальными двумя нагрузками.
Если предварительное уплотнение образца проводилось в приборе предварительного уплотнения, то после загрузки образца в сдвиговой прибор и приложения к нему заданной нормальной нагрузки сдвиг следует производить немедленно, не дожидаясь завершения вертикальной деформации. При этом, если предварительное уплотнение осуществлялось под водой, необходимо перед разгрузкой образца в приборе предварительного уплотнения откачать воду из стакана, чтобы исключить набухание грунта. Сдвиг связных грунтов следует проводить без воды. Интенсивность сдвигающей нагрузки должна быть такой, чтобы сдвиг произошел не более чем за 1 - 3 мин.
При ступенчатом приложении нагрузки (гирями) очередную ступень следует прикладывать, не дожидаясь прекращения деформации от предыдущей ступени. Достаточно убедиться, что деформация сдвига, регистрируемая мессурой, носит затухающий характер. Это устанавливается путем сопоставления четырех-пяти отсчетов по мессуре, взятых с интервалом 3 - 5 с.
При использовании ступенчатой нагрузки целесообразно принимать небольшие ступени - 100 - 200 г на рычаг в зависимости от консистенции грунта. Сдвиг считается завершенным в случае получения незатухающей деформации, заканчивающейся срывом образца. При применении автоматического записывающего устройства момент сдвига определяется непосредственно по диаграмме.
Немедленно после завершения сдвига и извлечения образца из зоны сдвига отбирают пробы грунта на влажность. Если произошел срыв, то пробы следует отбирать из обеих половинок образца.
Для замедления отжатия воды из образцов, испытываемых в приборах прямого сдвига без предварительного уплотнения или под нагрузками, превышающими нагрузки предварительного уплотнения, торцы образца следует закрывать резиновыми кружками.
В случае применения для испытаний грунта приборов трехосного сжатия принципы подготовки образцов и проведения испытаний остаются теми же. Различие заключается в том, что по результатам стабилометрических испытаний строят зависимости вертикального напряжения в момент разрушения образца от величины влажности для двух-трех значений бокового давления . Далее с полученного графика для нескольких значений влажности снимают значения , соответствующие тому или иному значению ; по полученным значениям строят круги Мора и, проводя к ним касательные, определяют величины сцепления и угла трения обычным порядком, после чего строят искомые зависимости
и .
Для получения ориентировочных данных о сопротивляемости слабых грунтов сдвигу в состоянии, соответствующем их природной плотности и заданной влажности, при недостаточном количестве образцов на первой стадии проектирования может применяться методика быстрых сдвигов.
Обработка результатов испытаний на сдвиг. Результаты испытаний наносят в виде точек на сетку координат, где по оси абсцисс откладывают влажность грунта в зоне сдвига, а по оси ординат - сопротивляемость сдвигу . Точки, отвечающие одной и той же нормальной нагрузке при сдвиге, обозначают одинаково. Далее через точки с одинаковыми обозначениями проводят осредняющие кривые, каждая из которых представляет собой зависимость сопротивляемости грунта сдвигу при данной нормальной нагрузке (рис. 13, а). Построенные по точкам графики необходимо проэкстраполировать до значения исходной влажности. Для построения указанного графика рекомендуется использовать полулогарифмическую сетку координат: влажность откладывается в линейном масштабе, а сопротивляемость сдвигу - в логарифмическом. В этом случае зависимости представляют собой прямые линии.
Полученный график перестраивают в зависимость сопротивляемости от нормальной нагрузки для различных влажностей . Через точки проводят осредненные прямые, соответствующие двучленной линейной зависимости (см. рис. 13, б). Параметры их соответствуют искомым сдвиговым характеристикам грунта , и определяются графически. Затем строят искомые зависимости и , также прибегая к осредняющим кривым (см. рис. 13, в). Последние зависимости являются конечным результатом обработки экспериментальных данных.
Значение следует устанавливать с точностью до 30 мин, а - до второго знака после запятой в МПа (). Зависимости и для торфяного грунта даны на рис. 14.
Определение параметров и при . Существуют два метода разделения полного сцепления на соответствующие и повторного сдвига и сдвига "плашки по плашке".
В соответствии с первым методом испытывают две серии образцов: первую - обычным порядком, а во второй каждый образец предварительно сдвигается в срезывателе прибора любым способом по возможности быстро. После сдвига подвижную каретку прибора возвращают в исходное положение и осуществляют повторный сдвиг образца. Предварительный срез образцов следует выполнять при минимальной нагрузке, принятой для испытания. Обработку результатов повторного сдвига ведут так же, как и при первом сдвиге. Величину находят как разность между , получаемой при однократном сдвиге, и , получаемой при повторном сдвиге.
В методе сдвига "плашки по плашке" вместо серии с повторным сдвигом проводят серию испытаний образцов, разрезанных по плоскости сдвига (в срезывателе прибора или в специальной обойме с помощью проволоки). При этом необходимо обеспечить горизонтальность поверхности среза (строгую ориентацию ее по направлению сдвигающего усилия).
Каждый из разрезанных образцов помещают в сдвиговой прибор (предварительно соединив половинки), прикладывают выбранную нормальную нагрузку, и немедленно осуществляют сдвиг.
Обработку результатов ведут обычным методом. Величину устанавливают по разности сцепления, определенного для неразрезанных и для разрезанных образцов.
Определение условных показателей сопротивляемости сдвигу и с' (консолидированный сдвиг). Обобщенные условные показатели сопротивляемости сдвигу и с' имеют сложный физический смысл и отвечают не плотности грунта в момент его сдвига, а условию 100%-ной консолидации грунта под действием заданного напряженного состояния.
Определение показателей и с' регламентируется ГОСТ 12248-78*. Основные особенности методики этого испытания по сравнению с методикой установления истинных параметров сдвига и заключаются в следующем: с' и определяют по результатам испытания на сдвиг образцов после предварительного уплотнения под нагрузками, обычно превышающими 0,1 МПа (1 ).
Для испытания выбирают не менее трех нагрузок предварительного уплотнения, являющихся одновременно и нормальными нагрузками при сдвиге. Каждую нагрузку предварительного уплотнения передают на грунт ступенями, величина и количество которых зависят от исходной консистенции грунта и величины нагрузки.
Для глинистых грунтов, имеющих консистенцию , следует принимать ступени 0,01; 0,03 (01; 0,3) и далее по 0,05 МПа (0,5 ), а имеющих В < 0,75 и для песчаных грунтов - ступени по 0,05 МПа (0,5 ) до нагрузки 0,3 МПа (3 ) и далее по 0,1 МПа (1 ). Каждую ступень нагрузки выдерживают не менее 5 мин для песчаных грунтов и 30 мин для глинистых грунтов. Конечную ступень нагрузки выдерживают до момента, когда интенсивность сжатия образца не будет превышать 0,01 мм за 30 мин для песчаных грунтов, 3 ч для супесей и 12 ч для суглинков и глин.
Сдвигающую нагрузку можно прикладывать ступенями или непрерывно; в первом случае каждая ступень не должна превышать 5% величины нормального напряжения. Следующую ступень прикладывают, если скорость деформации сдвига не превышает 0,01 мм/мин. При непрерывном нагружении скорость деформации сдвига должна быть равна 0,01 мм/мин. При каждой нормальной нагрузке должно быть не менее двух параллельных определений.
При ступенчатом нагружении деформацию сдвига фиксируют с помощью мессуры. За величину сопротивляемости грунта сдвигу принимают нагрузку, вызывающую срыв образца по поверхности скольжения.
Если срыв происходит при деформации сдвига более 5 мм, то за сопротивляемость сдвигу принимают нагрузку, при которой в опыте была достигнута деформация сдвига, равная 5 мм.
Результаты испытаний (в данном случае торфяного образца) наносят на график с осями "нормальная нагрузка" - абсцисса; "сопротивляемость сдвигу" - ордината (рис. 15). Через экспериментальные точки проводят осредняющую прямую. Угол наклона ее к оси абсцисс определяет , а отрезок, отсекаемый на оси ординат - с'. После сдвига из зоны сдвига следует брать контрольные пробы на влажность.
Если вы являетесь пользователем интернет-версии системы ГАРАНТ, вы можете открыть этот документ прямо сейчас или запросить по Горячей линии в системе.