Лабораторне заняття № 5

Робота №8. ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК МІЦНОСТІ ҐРУНТІВ МЕТОДОМ ОДНОПЛОЩИННОГО ЗРІЗУВАННЯ

Під дією зовнішнього навантаження або власної ваги ґрунту напруження в окремих точках ґрунтового масиву можуть перевищувати міцність внутрішніх зв'язків між частинками ґрунту, внаслідок чого виникнуть зрушення одних часток або їх агрегатів відносно інших і порушиться суцільність ґрунту – тобто буде вичерпана його міцність. При цьому спостерігається зсув (зрушення) ґрунту.

Показники опору ґрунту зсуву – це головні показники міцності ґрунту. Вони не постійні, залежать від швидкості докладання навантажень, вологості ґрунту, тривалості навантажень тощо.

Згідно з теорією міцності Мора руйнування настає при певному співвідношенні між нормальними σ і дотичними τ нап­руженнями і відбувається на деякій площадці, яку називають площадкою зсуву. Тому під опором ґрунту зсуву розуміють найменше дотичне напруження г при якому ґрунт, що знаходиться під нормальним тиском р, зрушується.

В лабораторних умовах зсув ґрунтів під дією дотичних напружень найчастіше моделюють на зрізних приладах і опір зсуву визначають як опір ґрунтів зрізуванню.

Опір ґрунтів зсуву τ є функцією нормального напруження і збільшується зі збільшенням останнього. Залежність між дотичним і нормальним напруженнями за даними випробувань пісків на зріз фактично зображується кривою, яка без похибок в розрахунках може бути замінена прямою.

Ця залежність установлена в 1773 р. Ш. Кулоном і формулюється так: опір незв'язних ґрунтів зсуву τ є опір тертя, прямо пропорційний нормальному напруженню σ

(21)

де tgφ - коефіцієнт тертя ґрунту;

φ – кут внутрішнього тертя ґрунту.

В глинистих ґрунтах опір зрушуючим зусиллям можна розглядати як суму опору тертя, прямопропорційному нормальному до площини зрізу напруженню і опору зчеплення, яке залежить від нормального напруження

(22)

де с - питоме зчеплення ґрунту, КПа.

Існує велика кількість методик і приладів для визначення опору ґрунтів зрушенню як в лабораторних, так і в польових умовах. В лабораторних умовах опір ґрунтів зрушенню найчастіше визначають методом зрізування зразків ґрунту по одній фіксованій площині в одноплощинних зрізних приладах з верхньою рухомою обоймою (рис.11), або з нижньою рухомою обоймою для випробування пісків. Зразок ґрунту має форму циліндра діаметром не менше 70 мм і висотою не більше 0,5 і не менше 0,33 діаметра. В цих приладах досліджують піски і глинисті ґрунти, на які поширюються стандарти для досліджень [5].

Випробовуваннями ґрунтів методом одноплощинного зрізування визначаються характеристики міцності – опір ґрунту зсуву τ, кут внутрішнього тертя ґрунту φ та питоме зчеплення ґрунту с.

Залежно від роботи ґрунтів в основі споруди опір ґрунтів зсуву визначають за схемами:

· консолідовано-дренове випробування – для пісків та глинистих ґрунтів у стабілізованому стані незалежно від їх ступеня вологості (коефіцієнта водонасичення);

· неконсолідовано-недреноване випробування – для водонасичених глинистих і органо-мінеральних ґрунтів у нестабілізованому стані та просідаючих ґрунтів, що доведені до водонасиченого стану замочуванням без навантаження.

У першому випадку ґрунт, після докладання нормального тиску, витримують до стабілізації деформацій, а зрізуюче напруження в площині зсуву збільшують ступенями.

У другому випадку здійснюють швидкий зсув, коли вологість та щільність ґрунту під час дії нормального тиску в процесі випробовування практично не змінюється.

Одержані за методикою консолідовано-дренованого зрізування міцнісні характеристики φ і с використовують для визначення розрахункового опору ґрунтів, а також для оцінки несучої здатності основи, яка знаходиться в стабілізованому стані (всі напруження від зовнішніх навантажень сприймаються скелетом ґрунту).

Значення φ і с, одержані за методикою швидкого неконсолідовано-недренованого зрізання, використовують для визначення несучої здатності водонасичених суглинків і глин, які поволі ущільнюються, мулів, сапропелей, заторфований ґрунтів, торфів. В таких ґрунтах можливе виникнення нестабілізованого стану (наявність надлишкового тиску в поровій воді) внаслідок їх повільної консолідації або швидкої передачі навантаження від споруди (силоси, резервуари, склади сировини тощо).

У даній навчальній лабораторній роботі ґрунт досліджується за методом консолідовано-дренованого зрізування.

Опір ґрунту зсуву τ визначають не менш ніж для трьох різних значень нормальних напружень σ на зразках ґрунту, взятих з одного однорідного за будовою і складом моноліту, або, в окремих випадках, на зразках, підготовлених в лабораторії.

Після обробки результатів отримують характеристики міцності ґрунту φ і с. Ці характеристики використовують для визначення розрахункового опору ґрунту R, для розрахунків стійкості основ, земляних споруд та укосів і схилів, для визначення бічного тиску ґрунту на огороджуючі конструкції і для рішення інших задач.

Необхідні прилади і матеріали для визначення характеристики міцності ґрунтів:

1. Прилад для зрізування ґрунтів.

2. Прилад для попереднього ущільнення ґрунтів.

3. Паперові фільтри.

4. Індикатори.

5. Зразки ґрунту.

Конструкція приладу для зрізування ґрунту

Дослід виконують на приладі зрізування ґрунту (рис. 12). Прилад змонтований на металевій рамі зі столиком 1. На панелі стола закріплений зрізувач 3. До кронштейна 4 кріпиться індикатор 5 для вимірювання горизонтальних деформацій. Нормальний тиск на ґрунт передається механізмом, який складається із ковзуна 6, секторного важеля 7, рами 8 і рамки 12: Механізм горизонтального зрізування кріпиться на кронштейні 9. Важіль горизонтального зусилля 10, має також форму сектора. Він врівноважується противагами 11. Нормальні і зрізуючі зусилля створюють докладанням гирь 13 на підвіски важелів. Співвідношення плечей важелів 1:10.

Зрізувач (Рис.13) складається з нижньої 1 і верхньої 5 обойм, в котрі вкладають зразок ґрунту б, який знаходиться в розрізній гільзі 7. Нижня обойма зі своїм гніздом 2 і вкладинкою 3 кріпиться нерухомо на панелі приладу за допомогою установлюючого гвинта 4. Верхня обойма вставляється в тяговий циліндр 8, з'єднаний з механізмом горизонтального зрізування шпилькою 9. Знизу і зверху зразка ґрунту розташовані перфоровані вкладники 10 для відведення витісненої води. На верхню вкладнику кладуть штамп 11, для передавання нормального тиску.

Площа поперечного перерізу зразка ґрунту А - 40 см².

Рис. 11. Схема різання грунту.

Рис. 12. Прилад для зрізування ґрунту.

Рис. 13. Зрізувач.

1-нижня обойма; 2-гніздо нижньої обойми; 3-установлююча вкладника; 4 – установлюючий гвинт; 5 – верхня обойма; 6 – зразок грунту; 7 – розрізна гільза; 8 – тяговий циліндр; 9 – з’єднувальна шпилька; 10 – перфоровані вкладники; 11–штамп; 12 – маховичок до хвостика штампа; 13– під’ємний гвинт; 14 – хвостовичок штампа; 15 – стакан натяжного пристрою; 16 – верхнє коромисло механізму вертикального тиску; 17 – гайка; 18 – кронштейн натяжного пристрою; 19 – установлююча шпилька; 20- упор індикатора.

Підготовка зразків ґрунту

В прилад попереднього ущільнення вміщують зразки глинистого ґрунту, замочують їх, після чого ущільнюють перший зразок під тиском Р = 0,1 МПа, другий під тиском Р =0,2 МПа, третій під тиском Р = 0,3 МПа. Нормальний тиск передають ступенями ∆р = 0,025-0,1 МПа згідно з таблицею 5.2. державного стандарту [9]. Кожний ступінь витримують не менше: для пісків 5 хвилин, для глинистих ґрунтів – 30 хвилин, а кінцевий ступінь – до умовної стабілізації деформації стиснення. За умовну стабілізацію деформації слід приймати її приріст, який не перевищує 0,01 мм за час, не менший для пісків – 20 хвилин; для супісків – 2 год; суглинків з числом пластичності І_р < 12% – 6 год; суглинків з І_р > 12% і глин – 12 год; для просідаючих ґрунтів – 3 години.

(Підготовку зразків ґрунту виконують в лабораторії заздалегідь).

Методика визначення опору ґрунту зсуву

Зразок ґрунту 6 в гільзі 7, підготовлений в приладі попереднього ущільнення, зверху і знизу накривають паперовими фільтрами і вміщують в зрізуючий пристрій приладу для зрізування ґрунтів. Зрізуючий пристрій (зрізувач) складають так, як це показано на рис. 14, після чого приладу надають робочий стан. Для цього обертанням маховика 12 підіймають тяговий циліндр 8, до утворення зазору розміром 0,5–1,0мм поміж верхньою і нижньою обоймами. Докладанням гирь на важіль нормального тиску через коромисло механізму вертикального тиску і штамп створюють на зразок обумовлений нормальний тиск.

Встановлюють індикатор для замірювання горизонтальних деформацій. Навантаження М на важіль розраховують за формулою

, кг (23)

де Р – нормальний тиск, МПа;

А – площа поперечного перерізу зразка (А = 40 см²);

m – маса рухомої частини механізму передачі нормального тиску (т =5,0 кг);

n – кратність збільшення навантаження важеля (п = 10).

Для створення нормального тиску 0,1; 0,2; 0,3 МПа треба відповідно покласти гирі загальною масою 3,5; 7,5; 11,5 кг.

Горизонтальні зрушуючі зусилля створюють докладанням гирь на важіль механізму горизонтального зрізування. Величина ступеня зрушуючих зусиль повинна становити 5% від нормального тиску Р,здійсненого на зразок ґрунту. З метою скорочення тривалості досліду під час навчання дозволяється збільшувати величину ступеня до 12,5%.

Для створення певного значення τ необхідно на важіль механізму горизонтального зрізування покласти гирі загальною масою

, кг (24)

Докладання вантажу кожного наступного ступеня виконують після того, коли деформація зсуву від попереднього ступеня навантаження не буде перевищувати 0,01 мм за 1 хвилину, що вважається умовною стабілізацією деформацій зрушення (зсуву). Після настання стабілізації записують показання індикатора. Дослід слід вважати закінченим, якщо з докладанням чергового ступеня дотичного навантаження відбувається миттєвий зсув однієї частини зразка відносно другої, або загальна деформація зрізання перевищує 5 мм. Після цього випробовують інші зразки з іншими значеннями стискуючого навантаження. В навчальних дослідженнях випробовують три зразки ґрунту.

Результати значень деформацій зсуву записують в таблицю.

Таблиця 21. Приклад заповнення таблиці у дослідженнях опору ґрунту зсуву

За даними досліджень будують графік випробувань ґрунту на зрізування. ∆L =f(τ) (рис.14) і графік залежності опору ґрунту зсуву від нормального напруження τ=f(σ) (рис.15). За опір ґрунту зсуву слід прийняти максимальне значення τ, одержане з графіка ∆L=f(τ) на відтинку ∆L, який не перевищує 5 мм. Якщо τ зростає монотонно, то за опір ґрунту зсуву приймають τ при ∆L=5 мм.

Міцнісні характеристики ґрунту – кут внутрішнього тертя φ, град, і питоме зчеплення с, МПа – отримують з графіка залежності τ=f(σ). При цьому величину с визначають як відрізок, відсічений прямою τ=f(σ) на осі ординат, а кут нахилу цієї прямої до осі абсцис вважається кутом внутрішнього тертя φ. Коефіцієнт внутрішнього тертя tg φ_n, а від нього і нормативне значення кута внутрішнього тертя ґрунту φ_n можна визначити в лабораторній роботі за формулою:

(25)

де τ₁ і τ₂ – значення опору зрізуванню, відповідні нормальним напруженням σ₁ і σ₂, МПа (визначаються з графіка).

Нормативне значення питомого зчеплення можна визначити за формулою:

(26)

Рис.14. Графік випробувань грунту на зріз.

Рис.15. Графік залежності опору зсуву від нормального напруження.

За даними таблиці 21 графіка залежності τ=f(σ) (рис.15) коефіцієнт внутрішнього тертя ґрунту дорівнюватиме:

Нормативне значення кута внутрішнього тертя ґрунту φ_n=18°.

Нормативне значення питомого зчеплення:

Всі розрахунки основ повинні виконуватись з використанням розрахункових значень характеристик ґрунтів X, які визначаються за формулою

(27)

де Х_n – нормативне значення даної характеристики;

γ_g – коефіцієнт надійності для ґрунту.

Коефіцієнт надійності для ґрунту γ_g для обчислення розрахункових характеристик γ і с визначається залежно від мінливості цих характеристик, кількості визначень і значення надійної імовірності.

Примітка. Згідно з вимогами державних стандартів і будівельних норм мінімальна кількість однойменних окремих визначень в дослідженнях опору ґрунту зсуву повинна становити для кожного виділеного інженерно-геологічного елемента (ІГЕ) n=6. Обробку результатів для визначення φ і с_n виконують обчисленням за методом найменших квадратів прямолінійної залежності τ= σtgφ+c для всієї сукупності дослідних значень т в інженерно-геологічному елементі (див. розділ 7).

Контрольні запитання

1. Що розуміють під поняттям "опір ґрунтів зсуву"?

2. Які прилади використовують для випробування ґрунтів на зрізування?

3. З якою метою виконують випробування ґрунтів на зрізування?

4. У яких випадках слід застосовувати метод консолідовано-дренованого, а у яких неконсолідованого-недренованого зрізування?

5. Накресліть схему приладу для зрізування ґрунтів.

6. Побудуйте графік залежності опору зсуву від нормального напруження для незв'язних ґрунтів.

7. Як формулюють закон Кулона для незв'язних ґрунтів?

8. Які характеристики міцності ґрунтів Вам відомі?

9. Який кут названо кутом внутрішнього тертя ґрунту?

10. Напишіть формулу закону Кулона для незв'язних ґрунтів.

11. Напишіть формулу закону Кулона для зв'язних ґрунтів.

12. Накресліть графік залежності опору зрізування від нормального напруження за даними лабораторних випробовувань.

13.

13. Визначте за спрощеною формулою кут внутрішнього тертя ґрунту, якщо відомо, що при нормальному напруженню σ₁=0,1 МПа опір зрізуванню τ₁=0,09 МПа, а при σ₂=0,1 МПа τ₂=0,15 МПа.

14. Яка розмірність питомого зчеплення с?

15. Визначте за спрощеною формулою питоме зчеплення с зв'язного ґрунту, якщо при нормальному напруженні σ₁=0,1 МПа опір зрізуванню ґрунту τ₁=0,07 МПа, а коефіцієнт внутрішнього тертя tgφ=0,5.

Робота № 12 ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПРИРОДНОГО УКОСУ СИПУЧИХ ҐРУНТІВ

К у т ом природного укосу α називають кут нахилу поверхні вільно відсипаного незв'язного ґрунту до горизонтальної площини, або кут, при якому незакріплений піщаний укіс зберігає граничну рівновагу.

Кут природного укосу є однією з основних розрахункових характеристик в проектуванні гребель, дамб, дорожніх насипів та інших споруд, виконаних з пісків або великоуламкових незв'язних ґрунтів. Його використовують також у розрахунках об'ємів сипучих матеріалів на складах і складських майданчиках.

В залежності від гранулометричного складу, форми частинок і вологості кут природного укосу пісків знаходиться в межах 24°- 40°. Для сухих пісків α=30°- 40°. Для пісків під водою α=24°-33°.

Лабораторні дослідження з визначенням кута природного укосу здійснюють на пісках у повітряно-сухому стані і водонасиченому (під водою).

Найбільш поширеними приладами для визначення кута природного укосу є прилад УО конструкції Д.І.Знаменського, прилад І.М.Літвінова.

Рис. 16. Прилад УО конструкції Д.І.Знаменського

А – прямокутна банка; Б – укладка; 1 – ручка; 2 – кутова сітка; 3 – вісь; 4 – підшипник; 5 – упори; 6 – лінійка.

Прилад УО конструкції Д.І.Знаменського (рис.16) складається з прямокутної банки А і укладки Б, внутрішня частина якої розділена перетинкою навпіл, що дозволяє паралельно проводити два досліди. На двох бічних поверхнях укладки помічені кутові сітки 2, а на даній – шкала. Укладка встановлюється в середині балки з допомогою осей 3, які заходять у пази підшипників 1, прикріплених до бічних стінок банки. Укладка може повертатися в середині банки на кут 45° і фіксується в повернутому положенні упорами 5.

Для визначення кута природного укосу сухого ґрунту, з банки виймають укладку і ставлять на рівну поверхню. Насипають досліджуваний ґрунт в обидві частини укладки. Надають піску рівну горизонтальну поверхню і видаляють надлишок піску лінійкою 6. Обережно установлюють укладку з ґрунтом у горизонтальному положенні в середині банки, при цьому ручка 1 повинна опиратися на стінку банки. Плавно, без поштовхів, укладку повертають на осі 3 з допомогою ручки 1 на кут 45° до нижнього упору 5. Повертання виконують на протязі 5-7 секунд. Під час повертання укладки ґрунт частково висипається у банку, а решта ґрунту утворює з нижньою гранню укладки кут, який і є кутом природного укосу. Визначають його з точністю до одного градуса.

Для визначення кута природного укосу піску під водою, після установлення укладки з ґрунтом у банку в горизонтальному положенні, банку наповнюють водою до верхньої позначки, розташованої на її бічній поверхні. Протягом близько 10 хвилин дають можливість ґрунту насититись водою. Обережно повертають укладку на кут 45° і заміряють кут природного укосу насиченого водою ґрунту.

Рис. 17. Прилад УВТ-2.

1 – міряльний столик; 2 – обойма; 3 – резервуар; 4 – вимірювальна шкала.

Прилад УВТ-2 (рис.17) складається з міряльного столика 1, обойми 2 і резервуару 3. Міряльний столик являє собою диск з вимірювальною шкалою 4, розташований на трьох опорах (ніжках). Диск перфорований отворами діаметром 0,8 - 1,0 мм. Шкала закріплена в центрі диска і має поділки від 5° до 45°. Кожна поділка відповідає одному градусу кутового виміру.

На міряльному столику установлена обойма конічної форми, яка слугує для обгородження насипаного на столик піску. Резервуар являє собою скляний циліндр висотою 120 мм і діаметром 180 мм.

Для визначення кута природного укосу піску на приладі УВТ-2, установлюють резервуар на рівну поверхню. В резервуар помішують міряльний столик. На столик ставлять обойму, в яку совком засипають пісок, злегка постукуючи по резервуару або обоймі. Обережно вертикально виймають обойму. На вершині утвореного конуса з ґрунту беруть відлік кута природного укосу.

Для визначення кута природного укосу пісків під водою, після заповнення обойми піском, резервуар наповнюють водою через гумову трубку. Після повного насичення піску водою, кут природного укосу визначають вище описаним способом.

В навчальному процесі перевагу надають приладу І.М.Літвінова, як найбільш зручному і малогабаритному (рис.18).

Необхідні прилади і матеріали:

1. Сипучий ґрунт (пісок) у повітряно-сухому стані.

2. Прилад І.М.Літвінова.

3. Вода.

Методика визначення кута природного укосу сухого піску

1. Прилад І.М.Літвінова, на якому розмічені шкали, ділять перегородкою на два відділення і ставлять на горизонтальну поверхню столу (рис. 18)

2. В менше відділення насипають сухий пісок.

3. Перегородку обережно виймають. Ґрунт при цьому осипається (рис. 18 б), утворюючи кут природного укосу а_и який визначають через тангенс:

_. (28)

де h₁ – висота укосу; l₁ – основа укосу.

Значення h₁ і l₁ отримують з розміщених шкал на приладі.

Рис. 18. Прилад І.М.Літвінова.

Методика визначення кута природного укосу водонасиченого піску

1. Прилад І.М.Літвінова встановлюють так, як на рис.18, а.

2. В менше відділення насипають сухий пісок, а в більше наливають воду, ставлять на горизонтальну поверхню столу і слідкують, щоб рівень води не був нижчим за рівень піску.

3. Після повного насичення піску водою обережно і поволі підіймають перегородку. Утворюється кут природного укосу водонасиченого ґрунту а₂, який також визначають через тангенс:

_. ( 29)

Контрольні запитання

1. Що називають кутом природного укосу?

2. В яких межах може знаходитись кут природного укосу піску в повітряно-сухому стані?

3. Які значення може набувати кут природного укосу піску під водою?

4. Нарисуйте схему приладу І.М.Літвінова для визначення кута природного укосу.

5. За якими формулами визначають кут природного укосу сипучого ґрунту?

6. Нарисуйте схему приладу УО конструкції І.Д.Знаменського.

7. Нарисуйте схему приладу УВТ-2.

Поиск по сайту: