Способ определения сцепления грунтов при оценке их длительной прочности

 

Использование: в области строительства, при оценке длительной прочности глинистых грунтов. Сущность: для определения сцепления грунтов при оценке их длительной прочности лсуществляют испытания образцов грунта с ненарушенным сложением на сдвиг и шариковым штампом и образцов того же грунта с ненарушенным и нарушенным сложением - на свободное набухание. По результатам замеров параметров испытаний определяют структурное сцепление грунта, которое учитывает общее сцепление, полученное из испытаний на сдвиг, доли цементационных и коагуляционных структурных связей, определенные по данным испытаний на набухание и снижение сцепления грунта за счет нарушения цементационных связей за исследуемый период времени по данным испытаний шариковым штампом. 5 ил.

Изобретение относится к области строительства на глинистых грунтах и может быть использовано, например, при оценке длительной устойчивости склонов или расчете сооружений, работающих на выпор.

Известен способ определения параметров длительной прочности грунтов, в том числе глинистых, заключающийся в том, что производятся испытания серии образцов грунта путем приложения к ним нормальных и сдвигающих нагрузок с регистрацией перемещений в плоскости сдвига, после чего, путем статической обработки получаемых результатов, получают нормативные значения параметров прочности (коэффициента трения и сцепления), а также расчетное значение сцепления "С" введением соответствующего коэффициента, например коэффициента запаса по грунту γ_q, также рассчитанное статистически.

Недостатком данного способа является то, что он не учитывает в строении грунтов характера структурных связей (цементационных или коагуляционных), их соотношение и преобладание одного типа связей над другими, что в значительной степени влияет на величину сил сцепления в грунте, высокая прочность которых в основном обеспечивается за счет цементационных связей.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ определения сцепления грунтов при оценке их длительности прочности, включающей приложение к образцам грунта с ненарушенным сложением нормальных сдвигающих нагрузок с их замером и регистрацией перемещений в плоскости сдвига и расчет по полученным данным общего и структурного сцепления.

Недостатки способа состоят в том, что из-за условности определения величины структурного сцепления "С_с" он недостаточно достоверен. Изначально не ясно, какой преобладающий тип структурных связей соответствует испытываемому грунту. Из-за большого множества дефектов в структуре грунтов, особенно слагающих оползненные массы, в виде поверхностей ослабления и даже скрытых трещин, величина сопротивления сдвигу в образцах с ненарушенной структурой получается заниженной и близкой к величине сопротивления в образце с нарушенной структурой, что влечет к необоснованному занижению "С_с".

Кроме того, данный способ также не учитывает изменения соотношений указанных связей во времени.

Цель изобретения - повышение достоверности получаемых результатов.

Цель достигается тем, что в способе, включающем приложение к образцам грунта с ненарушенным сложением нормальных и сдвигающих нагрузок с их замером и регистрацией перемещений в плоскости сдвига и расчет по полученным данным общего и структурного сцепления, согласно изобретению дополнительно испытывают образцы того же грунта с ненарушенным и нарушенным сложением на свободное набухание с измерением величин набухания и образцы с ненарушенным сложением - шариковым штампом с измерением величины погружения штампа под нагрузкой в течение заданного исследуемого промежутка времени, а величину структурного сцепления грунта определяют по формуле C_с= с˙ К₁˙ К₂ (1) где C_с - структурное сцепление грунта, МПа; c - общее сцепление грунта, полученное при испытании образцов на сдвиг, МПа; K₁ - коэффициент, характеризующий количество цементационных связей в грунте, K₁=1-K_sw, K_sw - величина коагуляционных структурных связей, определяемая по графику соотношения набухания грунтов с ненарушенным сложением; K₂ - коэффициент снижения сцепления грунта за счет нарушения цементационных связей за исследуемый период времени; K₂ = C_t и C_(I) - величины сцеплений, определяемых из испытаний шариковым штампом соответственно за исследуемый период времени и при погружении штампа за 1 мин, МПа.

На фиг. 1 изображен график, поясняющий нахождение предела ползучести (τ_lim) и прочностных параметров; на фиг. 2 и 3 - графики относительного набухания (ε_sw) во времени (t) образцов грунта с нарушенным и ненарушенным сложением; на фиг. 4 - график соотношения набухания грунтов с ненарушенным (ε_swн/н) и нарушенным (ε_sw) сложением; на фиг. 5 - график снижения сцепления грунтов во времени K_c=f(lgt) по результатам их испытаний шариковым штампом.

Способ осуществляется следующим образом.

Берут серию образцов-близнецов исследуемого грунта.

Часть образцов испытывают путем приложения к ним вертикальной нагрузки P и касательной нагрузки τ. Последнюю прикладывают равными ступенями (5% от величины вертикального давления) и каждую ступень выдерживают равными промежутками времени (не менее 1 ч).

При испытаниях регистрируют величину перемещений в плоскости сдвига (l). По результатам испытаний строят график зависимости lgτ от lgl (см. фиг. 1). По перегибу на графике находят величину порога ползучести (τ_lim) при нескольких (не менее трех) величинах нормального давления (τ_2lim, τ_4lim, τ_6lim).

Затем из формулы τ_lim=Ptgϕ+C находят прочностные параметры - коэффициент трения tgϕ и общее сцепление "С".

Для еще одной части образцов-близнецов определяют свободные набухания. При этом один из них испытывают с ненарушенным сложением, а другие - с нарушенным, но с теми же начальными параметрами влажности и плотности.

При набухании грунтов возможны следующие основные варианты проявления этого свойства.

Если отношение набухания ненарушенных образцов к набуханию нарушенных образцов близко к единице, то это говорит о структурных связях в грунте коагуляционного (водоколлоидного) характера (см. фиг. 2). Если это отношение приближается к нулю, то в грунтах преобладает цементационный (кристаллизационный) тип структурных связей. Характер проявления набухания грунтов с таким типом структурных связей показан на фиг. 3.

По результатам испытаний строится график соотношения набухания грунтов с ненарушенным и нарушенным сложением. Прямая I на фиг. 4, ограничивающая преобладающее количество характерных точек, отражает преобладающий тип структурных связей, а тангенс угла наклона ее, выраженный в долях единицы, будет отражать количественную величину коагуляционных структурных связей, (K_sw), присущих данному грунту. Количество цементационных связей будет выражаться величиной коэффициента K₁=I-K_sw.

Таким образом, на фиг. 4 отражается преобладающий тип структурных связей и их количественное соотношение.

Учитывая, что при длительной эксплуатации сооружения наиболее эффективное влияние на величину сцепления в грунте оказывают цементационные связи, их долю в величине сцепления, полученного из опыта на сдвиг, находят путем умножения "С" на коэффициент K₁.

Параллельно с указанными испытаниями проводятся испытания образцов-близнецов ненарушенной структуры шариковым штампом, при котором определяется величина коэффициента снижения структурной прочности (K_c) во времени.

В этих испытаниях шариковым штампом (диаметром 20±2 мм), расположенным на поверхности образца, прикладывается такая величина вертикальной нагрузки P, при которой величина осадки за одну минуту не должна превышать 0,1 мм.

Измеряют погружение шарика (S_t) диаметром d во времени под нагрузкой P. Величину сцепления на любой момент времени рассчитывают по формуле C_t=0,18 (2)
Коэффициент снижения сцепления (K_c) представляет собой отношение
K_c= , где C_(I) - сцепление, рассчитанное по формуле (2) при погружении шарика за время 1 мин.

Результаты каждого испытания наносятся на график (см. фиг. 5), где по оси абсцисс откладывается время в мин, а по оси ординат - величина K_c.

Данный график является средним для испытаний тех образцов, для которых характерно снижение сцепления, происходящее за счет нарушения цементационных структурных связей.

Эти изменения в сцеплении с учетом прогноза во времени (например, 10 до 100 лет) необходимо учесть при оценке длительности прочности грунтов. Для этого предварительно график K_c (среднее) интерполируется (продляется) до пересечения с заданным в прогнозе периодом времени, по величине ординаты которого получают искомую величину коэффициента снижения сцепления (K₂) для исследуемого (прогнозного) периода времени.

Таким образом, чтобы определить расчетную величину сцепления C с учетом количественного содержания цементационных связей и их разрушения во времени, необходимо величину сцепления C, полученную из опытов на сдвиг, умножить на коэффициенты K₁ и K₂, т. е. C_с=C˙ K₁ ˙K₂ и при оценке длительной прочности (τ^p) использовать именно эту полученную величину C_с в формуле: τ^p =P˙ tgϕ_lim+CK₁ ˙K₂ или τ^p= = Ptgϕ_lim+C_с
Преимуществом изобретения, по сравнению с известным способом, является повышение достоверности получаемых результатов за счет нахождения из испытаний на набухание преобладающего типа структурных связей и их количественного соотношения, а также за счет определения изменения их с течением времени.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ИХ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ, включающий приложение к образцам грунта с ненарушенным сложением нормальных и сдвигающих нагрузок с их замером и регистрацией перемещений в плоскости сдвига и расчет по полученным данным общего и структурного сцепления, отличающийся тем, что , с целью повышения достоверности получаемых результатов, дополнительно испытывают образцы того же грунта с ненарушенным и нарушенным сложением на свободное набухание с измерением величин набухания и образцы с ненарушенным сложением - шариковым штампом с измерением величины погружения штампа под нагрузкой в течение заданного промежутка времени, а величину структурного сцепления грунта определяют по формуле
C_с = C · K₁ · K₂,
где C_с - структурное сцепление грунта, МПа;
C - общее сцепление грунта, полученное при испытании образцов на сдвиг, МПа;
K₁ - коэффициент, характеризующий количество цементационных связей в грунте, K₁ = 1-K_sw;
K_sw - величина коагуляционных структурных связей, определяемая по графику соотношения набухания грунтов ненарушенным и нарушенным сложением;
K₂ - коэффициент снижения сцепления грунта за счет нарушения цементационных связей за исследуемый период времени, K₂ = C_t / C₍₁₎;
C_t и C₍₁₎ - величины сцеплений, определяемых из испытаний шариковым штампом соответственно за исследуемый период времени и при погружении штампа за 1 мин, МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5