title-icon
Яндекс.Метрика
» » Лабораторные приборы для испытания глинистых грунтов в условиях простого сдвига

Лабораторные приборы для испытания глинистых грунтов в условиях простого сдвига

Получение достоверных данных о закономерностях сдвиговой ползучести и длительном сопротивлении глинистых грунтов сдвигу в очень многом зависит от приборов и методики экспериментирования. Именно поэтому в механике и реологии глинистых грунтов им уделяют особое внимание, ищут пути для учета предъявляемых к ним следующих основных требований, сформулированных Н.Н. Масловым еще в 1935 г.: «1) опыты на сдвиг должны в наибольшей степени отображать действительные условия возможного сдвига сооружения; 2) явления нарушения сопротивления грунта в опытах на сдвиг должны быть вполне очевидны, наглядны и с инженерной точки зрения убедительны; 3) опыты на сдвиг должны производиться наиболее простым способом».

Наиболее характерным видом деформации формоизменения глинистых грунтов, как было сказано выше, является простой сдвиг — скашивание. Поэтому, чтобы полученные из эксперимента результаты можно было перенести в натуру и использовать их для прогноза длительных деформаций сдвига сооружений, испытания глинистых грунтов следует проводить но схеме скашивания (см. рис. 90). Необходимо также, чтобы можно было в опытах проследить за характером деформирования и разрушения грунта при предельных сдвигающих нагрузках. Следовательно, приборы, применяемые для указанной цели, должны обеспечить возможность испытания образцов по схеме простого сдвига в условиях их определенного напряженно-деформированного состояния под действием как нормальных, так и касательных напряжений при: 1) полной передаче касательных напряжений на образец; 2) отсутствии испарения влаги в течение всего опыта; 3) возможности замера деформаций уплотнения и сдвига в определенной зоне; 4) неограниченности деформации сдвига; 5) неизменяемости площади среза образца; 6) соблюдения условия парности касательных напряжений. Кроме того, прибор должен иметь простую конструкцию и быть удобным для выполнения опытов.
Имеются много приборов различных конструкций, позволяющих непосредственно или косвенными путями определить и исследовать закономерности деформирования глинистых грунтов при сдвиге и их сопротивлении сдвигу. Однако нет приборов, отвечающих всем предъявляемым к ним требованиям. Поэтому при проведении указанных испытаний следует применять приборы, которые в наибольшей степени удовлетворяют перечисленным выше условиям, а недостатки которых не оказывают существенного влияния на результаты эксперимента.
В лабораторной практике имеют большое применение выпускаемые промышленностью сдвиговые приборы одноплоскостного среза ГГП-30 и его модификации, а также приборы двухплоскостного среза.
Прибор одноплоскостного среза (рис. 94, а) состоит из подвижной верхней 2 и неподвижной нижней 1 обойм срезывателя, в которые помещается испытываемый образец грунта 4, верхнего 3 и нижнего 5 штампов. Уплотнение образца осуществляется нормальным напряжением oz, создаваемым усилием Pz приложенным к нему через верхний штамп-фильтр, а касательное напряжение — горизонтальным усилием Т, приложенным через верхнюю обойму. Под действием горизонтального усилия верхняя обойма срезывателя перемещается по отношению к нижней неподвижной обойме и срезывает грунт по фиксированной поверхности I—I. Деформации уплотнения и сдвига фиксируются мессурами часового типа, а сопротивление образца сдвигу (при данном оz) определяется величиной предельного (срезывающего) касательного напряжения, совпадающего со вторым предельным напряжением сдвига тf = тlim(2) (см. рис. 93).
Срезные приборы обладают рядом весьма существенных недостатков, которые ограничивают область их применения. К их числу относятся: 1) протекание деформаций в узкой зоне; 2) неравномерное распределение касательных напряжений в плоскости среза и переменность зоны сдвига вследствие передачи сдвигающих усилий на образец по его боковой и горизонтальным поверхностям и концентрации напряжений у его краев; 3) переменность площади среза.
По данным А.А. Ничипоровича (1948 г.), в приборах одноплоскостного среза величина зоны сдвига образцов природного сложения высотой 2 см (испытанных под Действием oz = 0,3 и 0,7 МПа) примернo равна одной трети их высоты. Э.В. Костериным установлено, что зона сдвига глинистых грунтов является переменной по сечению образца величиной, зависящей от величины уплотняющей нагрузки. Изменяемость площади среза образца в процессе сдвига может сильно исказить характер длительного деформирования и стать причиной проявления стадии прогрессирующего разрушения — течения с возрастающей скоростью и играть такую же роль, какую выполняет проявление шейки при испытании металлов на растяжение.
К недостаткам рассматриваемых приборов следует отнести также ограниченность деформаций сдвига, изменяемость зазора между обоймами во время сдвига, неполную передачу касательных напряжений на образец, его смятие в торцах и т. д.
Несмотря на указанные недостатки, приборы одноплоскостного и двухплоскостного среза обладают и определенными достоинствами. Они имеют простую конструкцию и очень удобны.
От многих недостатков, указанных выше, свободны приборы кольцевого среза (рис. 95, а), в которых образец грунта срезывается по кольцевой поверхности в результате кручения верхней кольцевой обоймы относительно неподвижной нижней обоймы. В этих приборах нормальное давление передается на образец через верхний кольцевой штамп. Через этот же штамп прикладывается к образцу крутящий момент. Образец срезается по фиксированной поверхности I—I.

В лабораторных условиях приборы кольцевого среза впервые применены М. Хворослевым в 1937—1939 гг. P Хефели и С. Шерманом в 1946 г. В дальнейшем приборы аналогичной конструкции были созданы многими исследователями Небезынтересно отметить, что определение прочностных свойств глинистых грунтов в полевых условиях методом кольцевого среза впервые осуществлено в бывш. СССР Г. И. Покровским в начале 30-х гг.
К числу рассматриваемых относится также прибор цилиндрического среза, предложенный А.Б. Лейкамом, З.Г. Tep-Мартиросяном и Е.М. Гребенщиковой в 1977 г. (см. рис. 94, в). В этом приборе срез грунта осуществляется в средней части наружной поверхности цилиндрического образца путем вращения среднего защитного кольца обоймы уплотнителя Нормальное к поверхности среза образца напряжение, равное боковому давлению грунта, создается уплотняющей нагрузкой и вычисляется по соотношению (3.20). Преимуществом этого, как и всех других кольцевых приборов, является постоянство площади среза, а существенным недостатком — большая сложность определения бокового давления.
Основным общим недостатком всех срезных приборов без исключения является невозможность замера деформации сдвига в некоторой фиксированной зоне. Именно поэтому срезные приборы совершенно непригодны для определения деформационных свойств глинистых грунтов при простом сдвиге — скашивании. Они используются только для определения сопротивления грунтов сдвигу.
Для непосредственного исследования прочностных (сопротивления сдвигу) и деформационных свойств глинистых грунтов при простом сдвиге применяют приборы скашивания (рис. 96, а и б) и кручения (см. рис. 95, б). Приборы скашивания, в свою очередь, делятся на разновидности принудительного и свободного скашивания образцов.
Рассматриваемые свойства глинистых грунтов можно определить также косвенными методами испытания образцов — их одноосным и трехосным сжатием.

Приборы принудительного скашивания образа представляют собой ящик (см. рис. 96, а), состоящий из основания, двух параллельных (соединенных с основанием и между собой через шарниры и планки) задней и передней сплошных (конструкции Г.М. Ломизе и др., Ф.М. Шихиева и др.) или разрезанных, посередине (конструкции К. Роско и др.) стенок. Боковые стенки прибора делаются сплошными (по Ф.М. Шихиеву и др.) из двух половинок (по К. Роско и др.) или из сложенных друг с другом металлических планок (по Г.М. Ломизе и др.) (рис. 96, а). Вращением вокруг нижних шарниров передняя и задняя стенки наклоняются в сторону действия горизонтального усилия. Помещенный в ящик (обойму) прибора образец грунта уплотняется вертикальной нагрузкой, приложенной к нему через верхний жесткий перфорированный штамп.
Удачное конструкционное решение найдено в приборе скашивания В.В. Радиной, созданном на основании предложенного Г. И. Покровским (см. ниже) метода испытания и предназначенного для определения критической пористости песков. В этом приборе принудительное скашивание образцов достигается взаимным перемещением уложенных друг на друга защитных колец (см. рис. 96, б) при помощи качающихся стоек. Здесь, как и в приборе Г.М. Ломизе и др., деформация сдвига образца происходит при минимальном боковом трении.
Согласно сообщению Н.Н. Маслова (1936 г.), испытания на простой сдвиг девонских глин (отобранных из основания свирской гидроэлектростанции) размером образца 7х7х7 см в 1931 г. проводились в Шведской государственной лаборатории. Для этой цели Ф. Самшио был специально сконструирован прибор принудительного скашивания. Особенностью этого прибора являлась возможность наклонения образца с целью разложения вертикальной нагрузки на нормальную и касательную составляющие.
В приборах принудительного скашивания не совсем ясно напряженное состояние образца ввиду передачи к нему горизонтального усилия через торцевые стенки, имеет место заклинивание образца между задней стенкой и основанием. Поэтому в опыте никогда не наблюдается разрушение грунта — проявление третьей стадии ползучести BC (см. рис. 93). Эти приборы могут быть использованы только для исследования небольших сдвиговых деформаций. В этом смысле несколько более удачен прибор. К. Poc-ко и др., на котором после предельно возможного скашивания образца возникает зона (плоскость) среза и происходит разрушение грунта по фиксированной поверхности. К. Роско и его коллеги допускают, что в приборе их конструкции, в средней трети высоты образца, распределение напряжений и деформаций можно считать равномерным.
Приборы свободного скашивания образца состоят из сложенных друг на друга защитных колец (см. рис. 96, б). Помещенный внутри колец образец (покрытый тонкой резиновой оболочкой) подвергается предварительному уплотнению вертикальной нагрузкой, передаваемой через верхний перфорированный штамп. Касательные напряжения, создаваемые горизонтальными усилиями, передаются к торцевым поверхностям образца через верхний подвижной штамп, как в приборе одноплоскостного среза. Под действием касательных напряжений образец свободно скашивается — подвергается деформации простого сдвига. В процессе сдвига защитные кольца, окружающие образец, свободно перемещаются друг относительно друга.
Если в приборах принудительного скашивания деформации сдвига замеряют только для всей высоты образца h, то в приборах свободного скашивания эти деформации могут быть замерены и в его середине, на некоторой базе h'. Деформацию сдвига в этом случае определяют по разности горизонтальных смещений двух точек зоны сдвига.
Основными общими недостатками приборов свободного скашивания образцов рассмотренной конструкции являются ограниченность деформаций сдвига и несоблюдение условия парности касательных напряжений. Прибор такого типа впервые был предложен Г.И. Покровским в 1933 г. Для определения критической пористости грунтов аналогичный прибор был создан В.П. Вихаревым, а для исследования сдвиговой ползучести глинистых грунтов — С.Н. Сотниковым (под руководством Н.Н. Маслова) на базе прибора одноплоскостного среза ГГП-30.
К числу приборов свободного скашивания следует отнести также прибор П.Д. Евдокимова, предложенный в 1956 г. и предназначенный для сдвига полого цилиндрического образца, помещенного между двумя соосными цилиндрами (см. рис. 96, б). Внешний цилиндр этого прибора является сплошным, а внутренний состоит из ряда расположенных по окружности металлических ребер, обернутых резиновой оболочкой. Испытание образца производится поворотом внутреннего цилиндра. Зоной сдвига является расстояние между двумя цилиндрами (толщина кольца). Для испытания образцов в различных состояниях они уплотняются различными давлениями, создаваемыми путем нагнетания воздуха или воды во внутренний цилиндр.
Для определения прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов при чистом сдвиге подвергают чистому кручению как полые (в опытах Геза и Тан Тьенг-ки), так и сплошные цилиндрические образцы (в опытах С. С. Бабицкой). С целью испытания образцов на простой сдвиг в различных состояниях их подвергают предварительному уплотнению в условиях всестороннего (гидростатического) сжатия и отсутствия бокового расширения под действием трех-четырех значений уплотняющей нагрузки. В первом из указанных случаев испытания образцов применяют приборы М.В. Малышева, Б.Н. Баршевского, Б. Боучека, А.Л. Гольдина и др. трехосного сжатия — кручения, а во втором — приборы одномерного уплотнения и кручения кольцевых и сплошных образцов. В последнем случае чаще всего испытывают плоские образцы в целях уменьшения их трения о боковые стенки обоймы прибора.
Приборы кручения кольцевых образцов (см. рис. 95, б) отличаются от приборов кольцевого среза (см. рис. 95, а) только тем, что окружающие боковые поверхности образца сплошные стенки нижней и верхней обойм заменены сложенными друг с другом наборами защитных колец, имеющих возможность свободного взаимного сдвига вместе с деформируемым грунтом. В этих приборах высота зоны сдвига равна высоте образца. Здесь возможен замер деформации сдвига как для всей высоты образца, так и в зоне сдвига.
Испытания полых и сплошных цилиндрических образцов в условиях гидростатического сжатия-кручения имеют определенное преимущество перед испытаниями кольцевых и сплошных плоских образцов, уплотняемых в условиях отсутствия бокового расширения. В последнем случае определение бокового давления связано с определенными дополнительными работами и трудностями. Вместе с тем эти испытания во всех равных условиях предельно просты, надежны и полностью моделируют деформацию простого сдвига. Следовательно, полученные из эксперимента результаты могут быть непосредственно использованы для определения деформации простого (плоского) сдвига оснований подпорных сооружений и т. д. Именно поэтому приборы кручения кольцевых и сплошных плоских образцов получают все большее распространение в лабораторной практике.
В смысле получения равномерного распределения касательных напряжений по поперечному сечению образца наиболее приемлемой является методика кручения тонкостенных полых цилиндрических и кольцевых образцов с соотношением d/b=10 (b — толщина стенки, d — диаметр образца). Однако, поскольку изготовление таковых из грунта природного сложения является неопреодолимой задачей, эта методика применяется для испытания образцов нарушейного сложения в виде пасты текучей или текучепластичной консистенции.
Для определения параметров сдвиговой ползучести глинистых грунтов нарушенного и природного сложений часто применяют методику испытания толстостенных образцов наружным диаметром 10—15 см и d/8 = 4. Однако это не исключает сложность изготовления образцов, а месте с тем усложняет характер распределения касательных напряжений по поперечному сечению и их определение. Для исключения одного из указанных недостатков, в частности сложности изготовления, переходят к испытанию сплошных образцов. Определение распределения касательных напряжений по сечению закручиваемого образца (за пределами пропорциональности) в толстостенных полых цилиндрических и кольцевых образцах сложнее, чем в сплошных.
К числу недостатков испытания полых образцов относятся также значительное нарушение природного сложения грунта, сопротивление кручению резиновых оболочек (окружающих полый цилиндр) и трение грунта о набор защитных колец кольцевого образца при его уплотнении. В последнем случае возникает необходимость определения величины указанного трения специальными тарировками для их последующего учета при обработке опытных данных, что несколько усложняет проведение эксперимента. Отмеченные недостатки приборов кручения кольцевых образцов устраняются при переходе к испытанию сплошных образцов.
Из изложенного выше следует, что для определения реологических свойств глинистых грунтов при простом сдвиге могут быть использованы только приборы кручения и свободного скашивания образцов. Для определения сопротивления глинистых грунтов сдвигу могут быть применены также срезные приборы всех конструкций.

title-icon Подобные новости