Приложение 1. Определение деформативных характеристик земляного полотна в полевых и лабораторных условиях

Приложение 1

Определение деформативных характеристик земляного полотна в полевых и лабораторных условиях

Определение модуля деформации или упругости грунта состоит в установлении зависимости между его деформацией при нагружении и действующей нагрузкой. В полевых условиях это достигается путем постепенного нагружения земляного полотна через жесткий штамп определенным давлением, создаваемым домкратом или другим нагрузочным устройством. При этом величина давления, передаваемого на грунт, фиксируется по манометру, а значение осадки штампа (или восстановление при разгрузке) - прогибомером. Для исключения влияния перекосов штампа на регистрируемую величину его осадки измерение производится по центру штампа (рационализаторское предложение N 33 от 29 декабря 1973 г., Гипродорнии), как это показано на рис. 1.

Подготовительные работы при проведении штамповых испытаний заключаются в планировании поверхности грунта и сборке штамповой установки. Планирование в месте испытаний производится вручную путем "поддирки" грунта с последующей подсыпкой слоя непылеватого песка толщиной не более 1 см.

Установка штампа производится всей его плоскостью одновременно и с обязательной его притиркой по месту. На штамп устанавливается переходный стакан, гидравлический индикатор давления и домкрат. После сборки штамповой установки устанавливается прогибомер.

Вся штамповая установка распирается в заднюю балку автомобиля, выполняющую функции упора, давлением не более 0,05 . Это значение принимается за ноль отсчета.

Рабочее нагружение земляного полотна производится ступенями - давлением не более 0,1 - 0,25 с выдержкой на каждой ступени до достижения скорости осадки не более 0,02 мм/мин или ее затухания.

Величина максимального давления при испытавнии элементов земляного полотна принимается: при испытании грунтов под дорожными одеждами 2,0 ; неукрепленных обочин - 6 ; грунтов на обочинах для их последующего укрепления - 3 .

После достижения максимальной величины давления производится разгрузка штампа.

Режим разгрузки аналогичен режиму нагружения. Испытания в одном месте проводятся до получения идентичных значений осадки штампа при предыдущем и последующем нагружениях.

На основании результатов опытов строится график испытаний (рис. 2). При этом для расчета модуля деформации с графика снимаются показания, соответствующие полной осадке штампа по первой кривой нагружения при максимальной величине нагрузки; для расчета модуля упругости с кривой последнего нагружения из точки начала нагружения проводится касательная.

Точка отклонения кривой от этой касательной определяет упругую деформацию грунта и соответствующее ей предельное напряжение (давление) .

Частные значения модуля упругости земляного полотна (см. п. 2.4.19) по результатам полевых штамповых испытаний определяют по формуле

, (1)

где - величина предельных давлений на штамп, соответствующих ; D - диаметр штампа (50 см); - коэффициент Пуассона, принимаемый для данных расчетов равным 0,3; - поправочный коэффициент на испытания грунта жестким штампом; - упругая осадка.

Расчет частных значений модуля деформации грунта по каждому испытанию производится по формуле

, (2)

где - давление, ; - относительная осадка, равная ; - абсолютное значение осадки штампа, соответствующее и снимаемое с графика (см. рис. 2); D - диаметр штампа.

Обработка частных значений для получения среднестатистической величины производится в соответствии с ГОСТ 20522-75.

Определение деформативных характеристик грунтов в лаборатории производится с целью подбора значения влажности, при которой удовлетворяются требования по прочности и деформируемости земляного полотна, а также в случаях, когда определение указанных выше характеристик в полевых условиях затруднено или невозможно.

Изучение этих характеристик грунта производится на рычажных прессах или стабилометрах типа А (рис. 3, а) и Б (рис. 3, б).

Подготовка грунта к таким испытаниям производится в соответствии с инструкцией ВСН 46-72 в специальных или цилиндрических формах, обеспечивающих размеры образцов:

для испытания на рычажных прессах - высота и диаметр соответственно 150 X 150 или 200 X 150 мм (при диаметре испытательного штампа 40 - 50 мм);

для испытания на стабилометрах типа А и Б - диаметром 58 мм и высотой 120 мм.

Образцы могут быть вырезаны и из монолитов грунта, взятых на обследуемых участках земляного полотна.

Обеспечение соответствия в опытах значений плотности образцов, имеющих место на дороге, достигается их ударным уплотнением в формах согласно методике, изложенной в ВСН 55-69. При этом количестве ударов подбирается путем сопоставления объемной массы грунта в форме с объемной массой грунта исследуемого элемента земляного полотна в расчетный период года.

При необходимости достижения оптимальной плотности грунтов с использованием стандартного прибора уплотнения необходимо соблюдать режим нагружения: для несвязных грунтов (песок и гравий) - 75 ударов; для суглинков и глин - 120; для жирных глин (число пластичности более 30) - 150 ударов.

При использовании других форм и уплотняющих грузов требуемое количество ударов устанавливается по формуле

, (3)

где А - затраченная на уплотнение 1 образца работа, равная 5,6; 9,3; 11,3  соответственно для 75, 120 и 150 ударов в стандартной форме; F - площадь образца; - высота уплотняемого образца; - высота падения гири; m - масса гири.

Уплотнение образца ведется по частям в пределах каждой его высоты. Уплотненный в форме грунт вместе с надставкой помещают не менее чем на 1 сут. в эксикатор для более полного распределения влаги и восстановления нарушенных в процессе плотнения грунта пленок связной воды.

Для большего соответствия образцов грунта реальным условиям или при подборе влажности грунта, удовлетворяющей требуемому значению , уплотнение может производиться при заданной влажности или при ее оптимальном значении с последующим доувлажнением до необходимой величины. В последнем случае необходимое доувлажнение производится в эксикаторе.

Испытания на рычажном прессе (рис. 4) заключаются в нагружении образца грунта через жесткий штамп до центру формы ступенчатой нагрузкой с выдержкой давления на каждой ступени до достижения скорости осадки не более 0,02 мм/мин. Нагрузка создается гирями с учетом передаточного отношения рычагов пресса. Перемещение штампа фиксируется с помощью двух индикаторов, полусумма отсчетов которых является регистрируемой осадкой штампа. Нагружение ведется ступенями не более 0,1 - 0,25 до предельно заданной нагрузки или появления интенсивных пластических деформаций, характеризующихся резким увеличением осадки штампа. После достижения этой нагрузки производится разгрузка образца с последующим его нагружением аналогично испытаниям грунта в нолевых условиях. По результатам испытаний строится график, аналогичный указанному на рис. 1.2.

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Вместо "рис. 1.2" имеется в виду "рис. 2.1"

Модуль упругости грунта рассчитывается по формуле

. (4)

Модуль деформации грунта определяется по формуле

, (5)

Обозначения в указанных выше формулах соответствуют обозначениям, приведенным на рис. 2, с заменой индекса 1 на индекс 2.

Испытания грунтов в условиях трехосного сжатия (на стабилометрах типа А и Б) производятся ступенями возрастающей нагрузки без цикла разгрузки образца до полного его разрушения. При этом величина коэффициента бокового давления в стабилометрах типа А (или при необходимости на стабилометре типа Б) принимается ориентировочно по таблице

Грунт	Коэффициент бокового давления кси при значениях влажности (по массе)		Грунт	Коэффициент бокового давления (кси) при значениях влажности (по массе)
	до 10 %	более 10%		до 10%	более 10%
Песок	0,10-0,35	0,35-0,42	Суглинок	0,20-0,50	0,50-0,70
Супесь	0,10-0,40	0,40-0,45	Глина	0,20-0,70	0,70-0,74

Возрастание значений в этой таблице соответствует росту осевой нагрузки в стабилометре в среднем в пределах 0,2 - 2,0 .

Стабилометр типа А конструкции Гипродорнии (рис. 5 и 6) представляет собой камеру, внутри которой помещается образец грунта, испытываемый одновременно боковым и осевым давлением. Боковое давление создается с помощью замкнутой гидравлической системы с ручным винтовым прессом, осевое - специальным механизмом со слежением нагрузки. Возникающая в результате нагружения деформация образца для обеспечения постоянства бокового давления компенсируется стабилизатором давления, встроенным в гидросистему.

Гидроизоляция образца осуществляется с помощью резиновой оболочки, защемленной на верхнем и нижнем вкладышах упругими кольцами. Величина бокового давления регистрируется с помощью манометра, осевого давления и деформации образца соответственно по динамометру и индикатору часового типа. Работа на приборе состоит в следующем. Приготовленный по указанной ранее методике образец грунта помещают в резиновую оболочку и закрывают вкладышами с последующей герметизацией. Приготовленный к опыту образец заключают в металлическую разрезную обойму со склейкой ее половинок кусочком бумаги. После установки образца в камеру крышку закрывают, затягивают стяжные болты и при открытых кранах гидросистемы в камеру заливают воду. При этом шток поршня и стабилизатора давления находится в верхнем положении. Заглушка-пробка для залива воды закрывается, и в камере с помощью ручного поршня-насоса создается требуемое боковое давление. После достижения требуемой величины на центральный шток надевается рамка, устанавливается индикатор и подготавливается механизм осевого нагружения. Это положение принимается за начало рабочего состояния.

Механизм нагружения со слежением состоит из двух траверс, соединенных двумя направляющими колоннами, между которыми установлена опорная траверса с пружиной и динамометром. Сквозь нижнюю траверсу проходит винт домкрата, подпирающий опорную траверсу. Работа механизма состоит в следующем. В стакан опорной траверсы устанавливается пружина, соответствующая наибольшей заданной на образец нагрузке. К направляющим, закрепленным в верхней траверсе, подвешивается нижняя траверса так, чтобы обеспечить зазор 10 мм между ней и нижней поверхностью скобы, установленной на винте домкрата. Опорная траверса закрепляется на рамке, нагружающей образец. Поворотом винта домкрата плавно нагружается траверса и через направляющие - верхнюю траверсу и динамометр, сжимая пружину, происходит нагружение рамки и соответственно образца. По мере осадки образца нагрузка поддерживается с помощью пружины или дополнительным подкручиванием винта домкрата. При разрушении образца свободный ход пружины будет соответствовать осадке образца до разрушения.

Испытание на стабилометре этого типа заключается в нагружении образца осевой нагрузкой с одновременным поддержанием его бокового давления стабилизатором. Нагружение ведется без промежуточных циклов разгрузки ступенями до полного разрушения образца. Величина каждой ступени должна находиться в пределах 0,1-0,25 до давления 2 и ступенями 0,25-0,50 при давлении свыше 2 и до разрушения образца. При проведении опыта регистрируется: осевое давление, прикладываемое к образцу на ступенях его нагружения; соответствующая ступеням нагрузки деформация образца; величина бокового давления; давление при разрушении, деформация образца в момент разрушения.

По данным испытаний строится график, образец которого приведен на рис. 7

Величина модуля деформации (упругости) при испытаниях на стабилометре типа А рассчитывается по формулам:

; (6)

, (7)

где , , и - принимаются по графику (см. рис. 7); h - первоначальная высота образца; - коэффициент, зависящий от бокового расширения грунта,

;

- коэффициент Пуассона.

При испытаниях в стабилометрах типа А значение может быть рассчитано по таблицам.

Испытания на стабилометре типа Б и обработка материалов опытов производятся по методике, изложенной в "Практическом руководстве к исследованию механических свойств грунтов с применением стабилометра типа М-2 (Госэнергоиздат, 1959), или в монографии Е. Чаповского "Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов" ("Недра", 1966).

Испытания грунтов по подбору влажности земляного полотна, удовлетворяющей требованию п. 2.4.21, проводятся при дискретно задаваемых значениях влажности с построением зависимостей, аналогичных указанным на рис. 7. Определяя по этим графикам значение строят график в координатах и (см. рис. 8, кривая 1).

По полученным при полевых испытаниях и , а также определенным в лаборатории (согласно рис. 8) значением по номограмме рис. 2.3 определяем действующие в земляном полотне напряжения , которые наносим на график (рис. 8, кривая 2) для соответствующих ординат . Точка пересечения этих кривых определяет влажность, а следовательно, напряжение, при котором земляное полотно будет работать в упругой стадии деформирования при неизменных параметрах дорожной одежды.