Способ определения прочности грунта

 

Изобретение используется для определения прочности твердых, полутвердых и пластичных грунтов в лабораторных условиях. Изобретение обеспечивает сокращение материальных и трудовых затрат и уменьшение стоимости испытания. Образец грунта в форме прямого прямоугольного параллелепипеда продольно сжимают или непрерывно возрастающей силой, или с заданной скоростью продольной деформации образца при непрерывной регистрации продольной деформации образца, величины сжимающей силы и длин следов площадки скольжения, образующихся на гранях образца, и угла ее наклона и рассчитывают прочность грунта как среднее арифметическое группы значений предельного касательного напряжения, вычисленных в моменты или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы по определенной формуле. 1 з.п.ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, к лабораторным методам определения прочностных характеристик твердых, полутвердых и тугопластичных грунтов.

Известен способ определения прочности грунта, включающий сжатие образца цилиндрической формы всесторонним давлением и продольной силой, увеличивающейся ступенями или непрерывно при заданной скорости деформирования образца до его разрушения, регистрацию продольной деформации образца на каждой ступени нагружения или через заданные интервалы времени, регистрацию всестороннего давления и продольной силы, при которой разрушился образец, и расчет прочности грунта по величине продольной силы, площади поперечного сечения образца и величине всестороннего давления (см. ГОСТ 26518-85. Грунты. Метод лабораторного определения прочности и деформируемости при трехосном сжатии). Способ реализуется с помощью приборов для трехосных испытаний грунтов, называемых стабилометрами.

Недостатками известного способа являются: низкая производительность из-за большой длительности и трудоемкости испытания; сложность и высокая стоимость проведения испытания; сложность конструкции стабилометров, обеспечивающих реализацию способа; сложность и трудоемкость загрузки образца в резиновую оболочку для его изоляции от жидкости и в рабочую камеру; низкая достоверность результатов из-за возникновения в образце сложного напряженно-деформированного состояния, различающегося по высоте образца (см. Мизюмский В. А. Закономерности деформирования пород с естественной структурой. - Сб. "Вопросы геотехники", 1964, N 7, Изд. "Транспорт", с. 32-43), а также из-за погрешности измерения всестороннего давления на образец, вызванной неизбежной потерей части объема жидкости на деформирование упругого элемента измерителя давления (трубка Бурдо манометра и т.п.) и неизбежным наличием пузырьков воздуха в рабочей камере; невозможность оценки погрешности результатов испытаний грунта по одному образцу, т.к. способ позволяет получить на одном образце только один случайный результат, и необходимость, в силу последнего, проводить испытание нескольких образцов-близнецов одного и того же грунта, что значительно увеличивает длительность и стоимость определения прочности грунта.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения прочности грунта, включающий продольное сжатие образца грунта цилиндрической формы непрерывно возрастающей силой до его разрушения, непрерывную регистрацию продольной деформации образца, регистрацию конечного значения сжимающей силы, при которой произошло разрушение образца, и расчет прочности грунта по величине конечной сжимающей силы и площади поперечного сечения образца. Кроме того, для определения угла внутреннего трения грунта способ включает регистрацию угла наклона площадки скольжения, по которой произошло разрушение образца (см. ГОСТ 26447-85. Породы горные. Метод определения механических свойств глинистых пород при одноосном сжатии). Способ реализуется с помощью приборов одноосного сжатия или прессов, отвечающих требованиям способа.

Недостатками известного способа являются: расчет прочности грунта по отношению силы, разрушившей образец, к площади его поперечного сечения, в то время как разрушение образца происходит под действием касательных напряжений и по наклонной площадке скольжения; невозможность оценки погрешности результатов испытания грунта по одному образцу, т.к. способ позволяет получить на одном образце только один случайный результат, и необходимость, в силу последнего, проводить испытания нескольких образцов-близнецов одного и того же грунта, что требует большого количества образцов грунта и значительно увеличивает длительность и стоимость определения прочности грунта.

Цель изобретения - повышение достоверности результатов определения прочности грунта и производительности их получения.

Указанная цель достигается тем, что, в отличие от известного способа определения прочности грунта, в заявляемом способе, включающем продольное сжатие образца грунта непрерывно возрастающей силой до его разрушения с непрерывной регистрацией продольной деформации образца, регистрацией сжимающей силы и угла наклона площадки скольжения и расчет прочности грунта, образец грунта имеет форму прямого прямоугольного параллелепипеда, а его сжатие производят или с непрерывно возрастающей силой, или с заданной скоростью продольной деформации образца при непрерывной регистрации величины сжимающей силы и длин следов площадки скольжения, образующихся на гранях образца, при этом прочность грунта рассчитывают как среднее арифметическое группы значений предельного касательного напряжения, вычисленных в моменты или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы по формуле где τ_lim.i - предельное значение максимального касательного напряжения в i-й момент или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы; ΔP_i - приращение сжимающей силы в i-й момент или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы; b - размер сечения образца в направлении, перпендикулярном распространению следов площадки скольжения; Δl_i - среднее арифметическое значение приращений длин следов площадки скольжения в i-й момент или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы Δl_i= (Δl_L,i+Δl_R,i)/2, (2) где Δl_L,i и Δl_R,i - приращения длин следов площадки скольжения соответственно по левой и по правой граням образца; α - угол наклона площадки скольжения к продольной оси образца; i - число случаев увеличения длин следов площадки скольжения с начала сжатия образца до его разрушения.

Непрерывную регистрацию длин следов площадки скольжения, образующихся на гранях образца, производят, например, видеосъемкой с масштабной сеткой в объективе видеокамеры и с нанесением временных маркеров на видеопленке.

Перечисленная совокупность отличительных признаков заявляемого способа определения прочности грунта отличает его от прототипа и обуславливает соответствие предлагаемого способа критерию "новизны".

Поскольку известных решений со сходными признаками не обнаружено, можно сделать вывод, что заявляемый способ обладает существенными отличиями и новизной и обеспечивает достижение нового положительного эффекта.

Способ реализуется с помощью испытательного устройства, например, прибора одноосного сжатия, пресса и т.п., которое оснащается общеизвестными блоками регистрации: сжимающей силы, продольной деформации образца и длин следов площадки скольжения.

Один из возможных вариантов конструкции испытательного устройства и пояснения к реализации способа схематично приведены на чертеже, где на:
фиг. 1 - принципиальная блок-схема устройства;
фиг. 2 - масштабная сетка в объективах видеокамер блока регистрации длин следов площадки скольжения;
фиг. 3 - разрез А-А образца грунта по развивающейся площадке скольжения;
фиг. 4 - график аномального увеличения продольной деформации образца при его сжатии непрерывно возрастающей силой;
фиг. 5 - график аномального уменьшения продольной сжимающей силы при сжатии образца с заданной скоростью продольной деформации образца;
фиг. 6 - схема к расчету напряжений в образце перед увеличением следа площадки скольжения;
фиг. 7 - схема к расчету напряжений в образце после увеличения следа площадки скольжения.

Испытательное устройство состоит из корпуса 1, рабочего стола 2, нагрузочного механизма 3, подвижной плиты 4, соединенной с подвижным штоком 5 нагрузочного механизма, блока регистрации сжимающей силы 6 с датчиком силы 7, блока регистрации продольной деформации образца 8 с датчиком перемещении 9, блока регистрации длин следов площадки скольжения 10 и блока управления 11 (фиг. 1).

Рабочий стол 2 предназначен для размещения на его поверхности образцов грунта 12.

Нагрузочный механизм 3 обеспечивает сжатие образца 12 или непрерывно возрастающей силой, или с заданной скоростью продольной деформации.

Блок регистрации сжимающей силы 6 обеспечивает непрерывное измерение и регистрацию величины сжимающей силы, приложенной на образец 12, например, на диаграммной ленте самописца, в электронной памяти и т.п.

Блок регистрации продольной деформации образца 8 обеспечивает непрерывную регистрацию величины продольной деформации образца, например, на диаграммной ленте самописца, в электронной памяти и т.п.

Блок регистрации длин следов площадки скольжения 10 может быть выполнен, например, в виде нескольких видеокамер, расположенных на одном уровне над боковыми гранями образца и имеющих в объективе масштабную сетку (фиг. 2), позволяющую измерять длины следов площадки скольжения и угол ее наклона относительно продольной оси образца 12, и приспособления нанесения временных маркеров па видеопленке.

Осуществляется способ следующим образом.

Образец грунта 12, подготовленный в форме прямого прямоугольного параллелепипеда, устанавливают на рабочий стол 2 испытательного устройства так, чтобы продольная ось образца 12 была перпендикулярна рабочему столу 2 и соосна с подвижным штоком 5 нагрузочного механизма 3. Включается нагрузочный механизм 3 и подвижная плита 4 подводится до контакта с образцом 12. С момента контакта подвижной плиты 4 с образцом 12 включаются блоки непрерывной регистрации сжимающей силы 6, продольной деформации образца 8 и длин следов площадки скольжения 10, а нагрузочный механизм 3 производит продольное сжатие образца 12 или непрерывно возрастающей силой, или с заданной скоростью продольной деформации образца. Сжатие образца 12 производится до его разрушения, которое происходит по площадке скольжения, наклоненной под углом α к продольной оси образца (фиг. 1). После разрушения образца испытательное устройство разгружается, производится обработка результатов регистрации параметров испытания образца и расчет прочности грунта по формуле (1). При обработке результатов регистрации параметров испытания во внимание принимаются значения величины сжимающей силы и продольной деформации образца, соответствующие длинам следов площадки скольжения, по которой произошло разрушение образца.

Ниже приведено обоснование правомерности заявленного способа.

Разрушение грунта при сжатии происходит в определенных зонах испытываемого образца - в области максимальных касательных напряжений τ_max, когда они достигают предельного значения: τ_max = τ_lim. При продольном сжатии призматического образца такая зона ориентирована под углом α к оси образца (фиг. 1, 6 и 7). При увеличении продольной сжимающей силы P значения τ_max также возрастают и достигают предельного для данного грунта значения τ_lim, что проявляется в виде образования следов площадки скольжения (фиг. 3) и кратковременного аномального увеличения продольной деформации образца (при постоянном увеличении продольной силы (фиг. 4)) или кратковременного уменьшения продольной силы (при увеличении продольной деформации образца с заданной скоростью (фиг. 5)). Эти кратковременные изменения проявляются несколько раз до достижения максимального (в данном испытании) значения продольной сжимающей силы, каждый раз сопровождаясь увеличением следов площадки скольжения.

Длины следов площадки скольжения увеличиваются постепенно и неравномерно во времени и неодинаково на противоположных гранях образца, что можно наблюдать визуально. Увеличение продолжается до тех пор, пока следы площадки скольжения не займут целиком наклонное сечение образца, что соответствует моменту его полного разрушения.

Как известно (см. 1) Бондарик Г.К. и др. Текстура и деформация глинистых пород. - М.: Недра, 1975. - 168 с.; 2) Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. - М.: Высш. школа, 1978. - 447 с.), в зоне максимальных касательных напряжений τ_max = τ_lim происходит поворот анизотропных глинистых частиц параллельно площадке действия этих напряжений, после чего эта зона становится площадкой скольжения, т.е. на ней касательные напряжения равны нулю, но она воспринимает большие, чем прежде, нормальные напряжения. Приращение следов площадки скольжения приводит к кратковременному аномальному увеличению продольной деформации образца или к кратковременному аномальному уменьшению продольной сжимающей силы. После восстановления значения продольной сжимающей силы происходит увеличение максимальных касательных напряжений на продолжении следов площадки скольжения до значения τ_max = τ_lim, что приводит к новому приращению следов площадки скольжения и аномальному увеличению продольной деформации образца или к кратковременному аномальному уменьшению продольной сжимающей силы.

Допустим, что 1) напряжения в образце распределены равномерно вдоль площадки скольжения длиной l_i (фиг. 6) - нормальные сжимающие σ₁ и касательные τ₁ = 0; 2) на продолжении площадки скольжения длиной (L -1) - нормальные сжимающие σ_lim и касательные τ_max = τ_lim.. Увеличение площадки скольжения на Δl при увеличении продольной силы на ΔP_i приводит к новому равновесному состоянию при таком же распределении напряжений.

Состояние равновесия можно описать уравнениями (3) перед увеличением площадки скольжения и (4) после увеличения площадки скольжения:


где P_e - значение продольной силы перед увеличением площадки скольжения, P_r - то же, после увеличения.

Из уравнений (3) и (4) получаем формулы для:
- предельного для данного грунта значения максимального касательного напряжения

- нормального сжимающего напряжения на площадке скольжения
σ₁ = σ_lim+ ΔP_rcosα/bΔl; (6)
- предельного для данного грунта нормального сжимающего напряжения

Ниже в таблице, приведены результаты экспериментальной реализации способа при испытании одного образца суглинка продольным сжатием с заданной скоростью продольной деформации, равной 0,50 мм/мин. Размеры образца: высота - 110 мм, b = 42 мм, a = 35 мм.

Угол наклона площадки скольжения к продольной оси образца составил α = 52^o.

В таблице внешняя нагрузка дана в единицах напряжений.

По результатам испытания одного образца получаем прочность грунта τ_lim = 144,6 кПа при коэффициенте вариации k_v = 0,26, предельное для данного грунта нормальное сжимающее напряжение σ_lim = 77,0 кПа при коэффициенте вариации k_v = 0,19 и нормальное сжимающее напряжение на площадке скольжения σ₁ = 190,1 кПа при коэффициенте вариации k_v = 0,086.

Таким образом, использование τ_lim в качестве прочностной характеристики грунта является более обоснованным и дает более достоверный результат, чем максимальное нормальное напряжение, действующее на площадке, нормальной к оси образца.

Использование способа позволяет повысить достоверность результатов определения прочности грунтов при испытании одного образца, повысить производительность испытания грунта за счет сокращения количества испытываемых образцов этого грунта до одного и, соответственно, сократить материальные и трудовые затраты и уменьшить стоимость испытания.

Формула изобретения

1. Способ определения прочности грунта, включающий продольное сжатие образца грунта в форме прямого прямоугольного параллелепипеда непрерывно возрастающей силой или с заданной скоростью продольной деформации образца до его разрушения, непрерывную регистрацию продольной деформации образца, регистрацию сжимающей силы, разрушившей образец, и угла наклона площадки скольжения и расчет прочности грунта, отличающийся тем, что в процессе сжатия образца производят непрерывную регистрацию величины сжимающей силы и длин следов площадки скольжения, образующихся на гранях образца, при этом прочность грунта рассчитывают как среднее арифметическое группы значений предельного касательного напряжения, вычисленных в моменты или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы по формуле

где τ_lim - предельное значение максимального касательного напряжения в i-й момент, или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы;
ΔP_i - приращение сжимающей силы в i-й момент, или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы;
b - размер сечения образца в направлении, перпендикулярном распространению следов площадки скольжения;
Δl_i - среднее арифметическое значение приращений длин следов площадки скольжения в i-й момент, или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы; Δl_i= (Δl_L,i+Δl_R,i)/2, где Δl_L,i и Δl_R,i - приращения длин следов площадки скольжения соответственно по левой и правой граням образца;
α - угол наклона площадки скольжения к продольной оси образца;
i - число случаев увеличения длин следов площадки скольжения с начала сжатия образца до его разрушения.

2. Способ определения прочности грунта по п.1, отличающийся тем, что непрерывную регистрацию длин следов площадки скольжения, образующихся на гранях образца, производят, например, видеосъемкой с масштабной сеткой в объективе видеокамеры и с нанесением временных маркеров на видеопленке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8