СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Изобретение относится к строительству, механике грунтов, инженерной геологии, горному делу, в частности к лабораторным испытаниям грунтов для определения их физико-механических свойств. Как известно, к одним из основных механических свойств грунтов относятся прочность и сжимаемость.

Известен способ определения механических свойств грунта путем испытаний на приборах трехосного сжатия (стабилометрах) с отбором 3-х и более образцов грунта с ненарушенной структурой, последовательным сжатием каждого образца в приборе, построением на основе полученных результатов огибающей кругов Мора и определением значений угла внутреннего трения и сцепления [1].

К недостаткам данного способа относятся:

- Относительно высокая стоимость приборов трехосного сжатия;

- Необходимость отбора 3-х и более образцов грунта с ненарушенной структурой;

- Сложность проведения испытаний по определению характеристик прочности грунта.

Известен способ определения механических свойств грунта по методу одноплоскостного среза с испытанием образцов ненарушенного сложения путем сдвига по фиксированной плоскости. Испытание заключается в сдвиге нижней части образца относительно его верхней части касательной нагрузкой при одновременном воздействии на образец нагрузки, нормальной к плоскости среза. Определяют предельное касательное напряжение, при котором происходит срез образца при заданном нормальном напряжении. Определение характеристик прочности φ и с производится путем испытаний как минимум трех образцов исследуемого грунта.

Недостатками данного способа является необходимость подготовки не менее 3-х образцов грунта одного инженерно-геологического элемента. Это повышает стоимость определения механических свойств грунта, вызывает трудности в сохранении исходной структуры грунта в подготовленных образцах и единой технологии испытания.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения механических свойств грунта путем сжатия образца грунта в одометре с измерением осевого давления на образец грунта, с определением, в условиях невозможности боковых деформаций, параметров уплотнения образца грунта под сжимающей осевой нагрузкой [1].

Однако по данному способу испытания грунта не определяются характеристики его прочности, которые необходимы для расчетов несущей способности и деформируемости грунтов в основании сооружений и для прогноза проявления опасных геомеханических процессов, вызывающих нарушение равновесия и разрушительные деформации массивов.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков, путем проведения компрессионного испытания образца грунта с измерением бокового давления, построения огибающей кругов Мора, определения величин сцепления, угла внутреннего трения и структурной прочности по результатам одного испытания.

Это достигается тем, что способ определения механических свойств грунта путем осевого сжатия образца в условиях невозможности бокового расширения с получением характеристик прочности (угла внутреннего трения, сцепления и структурной прочности на сжатие) грунта включает подготовку образца грунта, установку образца в обойму прибора, создание осевого давления на образец и проведение измерение параметров, характеризующих состояние образца грунта, причем для определения характеристик прочности грунта, в процессе роста осевого активного σ_1,i давления производят измерение и бокового реактивного σ_3,i давления при сжатии образца грунта, для выявления величин осевого давления, превышающих структурную прочность, контролируют изменение отношения m_i между приращениями бокового Δσ_3i и осевого Δσ_1i и при произвольном значении осевого давления σ_1,i, когда отношение m_i-2=m_i-1=m_i=m=const, испытание прекращают с определением:

угла внутреннего трения ,

структурной прочности грунта σ_str=σ_str=σ_1,i-σ_3,i/m и

сцепления с=σ_str/2tg(45+φ/2),

где σ_1,i, σ_3,i - текущие значения давлений, а σ_1,i>σ_str; m - коэффициент бокового давления грунта в предельном состоянии по Кулону-Мору при σ_1,i>σ_str, m=tg²(45-φ/2).

Прочность грунтов определяют как свойство сопротивляться разрушению или сопротивляться воздействию внешних сил без полного разрушения.

Условием прочности грунта по Кулону-Мору является выражение:

где σ₁ и σ₃ - соответственно наибольшее и наименьшее главные напряжения, σ₁>σ₂≥σ₃ (σ₂ - среднее главное напряжение, не учитываемое в данном условии), φ и с - эффективные значения угла внутреннего трения и сцепления грунта.

Выражение (1) нередко называют условием прочности грунта в образце или в точке. Оно определяет, что предельные наибольшие сжимающие напряжения σ₁, действующие на замкнутый элементарный объем грунта (образец), вызывают горизонтальные напряжения распора σ₃=σ₂ на боковые границы элементарного объема. Предельное соотношение между σ₁ и σ₃ зависит от значений φ и c в соответствии с выражением (1).

По-существу полагается, что сжатие грунта происходит при отсутствии поперечных деформаций (компрессионные испытания), т.е. в жесткой обойме с измерением реактивного бокового давления (распора) σ₃.

Выражение (1) может быть записано также следующим образом [2].:

где σ_str - структурная прочность грунта.

Физически структурная прочность грунта на сжатие соответствует предельному давлению, которое может выдержать структурный каркас грунта без разрушительных деформаций. Графически структурная прочность отсекается на оси абсцисс диаграммы Мора предельным кругом Мора, проходящим через начало координат, т.е. как и следует из выражения (2), при σ₃=0, σ₁=σ_str. При σ₁≤σ_str прочность структурных связей сохраняется, а при σ₁=σ_str она полностью отмобилизована.

Аналитически структурная прочность определяется через значения φ и с:

Экспериментально значение σ_str может быть получено из испытания грунта на одноосное сжатие - как предельное давление на образец грунта.

Таким образом, структурная прочность является важнейшей характеристикой грунта, определяющей сопротивление внешнему давлению структурных связей между частицами грунта, структурного каркаса.

В соответствии с (2) в предельном состоянии грунта в условиях невозможности боковых деформаций коэффициент бокового давления m, как отношение приращения бокового давления Δσ₃ к приращению осевого давления Δσ₁, равен:

Под осевым давлением σ₁, превышающим структурную прочность, грунт (в образце) раздавливается и возникает боковое распорное давление, которое в жесткой оболочке, препятствующей развитию поперечных деформаций, вызывает реактивное боковое давление σ₃.

Упомянутая жесткая оболочка, препятствуя поперечным деформациям образца, осуществляет реактивное давление отпора, равного активному распорному давлению. Следует подчеркнуть, что если бы реактивное давление отпора отсутствовало или было бы меньше давления распора, то последовало бы развитие поперечных и соответственно осевых деформаций образца грунта и последующее его разрушение.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема осевого сжатия образца грунта в условиях невозможности бокового расширения с измерением реактивного бокового давления.

На фиг. 2 представлены результаты проведения испытания по схеме на фиг. 1 для приведенного ниже примера

Пример

В результате инженерно-геологических изысканий на строительной площадке были отобраны монолиты из выработок ИГС-2 и ИГС-4 для одного из инженерно-геологических элементов и проведены испытания на одноплоскостной срез (Фиг. 3). По пяти образцам получены значения угла внутреннего трения φ=21°; tgφ=0,38; с=19 кПа (в эффективных напряжениях).

На одном образце из выработки ИГС-4, изготовленном из монолита, отобранного с глубины 12,70-12,85 м, проведены компрессионные испытания в приборе, позволяющем контролировать боковое давление (см. фиг. 1). В результате сжатия образца грунта и измерения текущих значений σ₁ и σ₃ построен график зависимости σ₃=f(σ₁) и выявлена часть графика при σ_1,i>σ_1,A, где зависимость линейная и отношение .

Получено, что Δσ₃/Δσ₁=m=0,4724. Из равенства m=tg²(45-φ/2) находим φ=21°. Структурная прочность определена из выражения σ_str=σ_1,i-σ_3,i/m. По данным испытаний при σ₁=70 кПа, σ₃=6,95 кПа. Отсюда получено, что σ_str=55,3 кПа. Сцепление с определяется по выражению с=σ_str/2tg(45+φ/2). При φ=21° и σ_str=55,3 кПа получим с=19 кПа.

Таким образом, по сравнению с испытаниями на одноплоскостной срез, когда для определения характеристик прочности грунта потребовалось 5 образцов грунта с ненарушенной структурой, по предложенному способу на одном образце получены искомые значения φ, с и σ_str.

Это позволяет значительно сократить расходы на производство лабораторных исследований для определения механических свойств грунтов, снизить трудозатраты, а также повысить достоверность определения характеристик прочности грунта, избегая неизбежных методических погрешностей, связанных с сохранностью природной структуры грунта, его состояния и обеспечением однородности образцов, отбираемых для исследуемого инженерно-геологического элемента грунта из выработок при инженерно-геологических изысканиях.

Источники информации

1. Лабораторные работы по грунтоведению. Уч. пос./ Под редакцией В.Т. Трофимова и В.А. Королёва. М.: Высш. шк., 2008. 519 с.

2. Постоев Г.П. Предельное состояние и деформации грунтов в массиве (оползни, карстовые провалы, осадки грунтовых оснований). - М.; СПб.: Нестор-История, 2013. - 100 с.