Способ определения длительной прочности и давления набухания в глинистом грунте

Изобретение относится к исследованию и анализу прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий и может быть использовано в строительстве при инженерно-геологических изысканиях для определения физико-механических свойств грунтов. Изобретение позволяет совместить определения ползучести грунта (релаксации напряжений) с измерением давления набухания при испытании одного образца. Техническим результатом является снижение продолжительности испытания без увеличения погрешности. Способ заключается в том, что из образца грунта формируют тонкие пластинки, которые помещают во влагоемкие оболочки, между которыми размещают жесткие вставки, затем этот пакет нагружают, например, посредством динамометра начальным заданным давлением, после стабилизации давления пластины насыщают водой и по показаниям динамометра строят график в координатах давление - время, по которому определяют искомые величины. 2 ил.

 

Изобретение относится к исследованию и анализу прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий и может быть использовано при испытании прочности грунтов.

Известно, что в глинах, особенно в пылеватых и жирных, имеет место под действием нагрузки постепенное снижение прочности. Это явление описано и в работах.

Такое явление отражает реологические свойства глинистого грунта, оно было названо «ползучестью». Явление ползучести присуще в основном для палеогеновых и неогеновых глин осадочного происхождения. Эти глины обычно имеют высокую границу текучести, что объясняется преобладанием в составе глинистой фракции монтмориллонитовых глин. Реологические свойства отражают изменение напряженно-деформированного состояния грунта во времени. В глинистых грунтах они проявляются в их способности медленно пластически деформироваться во времени (ползучесть) со снижением прочности при неизменном напряженном состоянии иногда при нагрузках меньше, чем разрушающие, в уменьшении напряжения (релаксация) в результате подвижек частиц грунта. Явление ползучести проявляется в релаксации напряжений.

Основной характеристикой для оценки ползучести служит предел допустимой ползучести или предел ползучести, определяемый по скорости ползучести или по суммарной деформации, или по величине релаксации напряжений. Таким образом, пределом ползучести является максимальное напряжение, при котором достигается установившаяся ползучесть. А пределом ползучести по суммарной деформации является максимальное касательное напряжение при заданном нормальном напряжении, вызывающее пластическую деформацию допустимого значения за определенный период времени. Снижение прочности глинистых пород во времени может достигать 70% (от условно мгновенной при быстром сдвиге) и до 10-50% при стандартном консолидированном сдвиге. Снижение прочности происходит из-за расслабления (релаксации) сил сцепления.

Известны устройства и способы определения длительной прочности грунтов. В качестве показателя ползучести предложен коэффициент динамической ползучести, который зависит от консистенции глинистого грунта, а при влажности более оптимальной - от коэффициента увлажнения (Добров Э.М., Львович Ю.М., Кузахметова Э.К. и др. Глинистые грунты повышенной влажности в дорожном строительстве. - М.: Транспорт, 1992. - 240 с.). Методика оценки коэффициента динамической ползучести базируется на испытаниях глинистого грунта по какой-либо из методик «длительного сдвига»: на сдвиговых приборах, на приборах кольцевого сдвига, на перекашивающих приборах, на стабилометрах, по "методу шарика". Во всех этих опытах главным условием является предохранение грунта от высыхания. Целью испытания является получения зависимости скорости разрушения образца от касательных напряжений τ при постоянном вертикальном давлении р. На основании установленной зависимости решается вопрос о том, наступает ли стабилизация, является ли ползучести установившейся или прогрессирующей. Коэффициент вязкости рассчитывается по формуле

η=τ/ν, где ν - относительная скорость ползучести, равная u/d,

где u - скорость ползучести, d - зона ползучести.

Измерение ползучести «методом шарика» заключается в наблюдении за скоростью погружения стального шарика диаметром 0,5-1,5 см в глинистый грунт. При достижении постоянной скорости погружения твердого тела в вязкую сплошную среду, вязкость грунта рассчитывается по формуле:

где ρ_ш, ρ_w - плотность шарика и грунта, d - диаметр шарика.

Этот метод был усовершенствован Аксеновым А.П. Погружение шарика осуществлялось пенетрометром. Сначала шарик вдавливается на половину диаметра, а потом фиксируется скорость его погружения через малые интервалы времени, такие, чтобы скорость погружения не превышала 0,01 мм/сут. Авторами был разработан секционный прибор для одновременного испытания 10 образцов.

Опыты на «шариковом приборе» показали, что на значение коэффициента динамической вязкости влияет, кроме влажности грунта, и уровень напряжений, что было известно ранее из работ Рельтова Б.Ф. и Ермолаевой А.Н. (Рельтов Б.Ф., Ермолаева А.Н., Крылова В.И. К вопросу о природе порога ползучести и длительной прочности связных грунтов // Материалы реологического совещания. Л.: ВНИИГ, 1968. - С.77-89.). Для дочетвертичных глин разного возраста были в интервале полутвердой - тугопластичной консистенций грунта получены значения динамической вязкости грунтов от 1,50·10⁶ до 2,10·10¹³ Па·с. В указанном источнике эти данные приведены в табличной форме. Огромный диапазон изменения вязкости грунта (почти в 10000 раз) говорит о невозможности прямого использования табличных значений в инженерных расчетах. Необходимы прямые определения вязкости грунта.

Реологические свойства грунтов рассмотрены и в работе Ломтадзе В.Д (Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология - Л.: Недра, 1984, 511 с.).

При расчете устойчивости грунтовых массивов, сложенных такими грунтами, необходимо вводить понижающие коэффициенты в характеристики прочности и предусматривать возможность образования оползней на откосах.

Общим недостатком всех существующих методов испытаний грунта на ползучесть является их очень большая трудоемкость и продолжительность во времени, а в некоторых случаях - необходимость испытания нескольких образцов. Результат испытания зависит от толщины испытываемых образцов. Большая продолжительность испытания (недели, месяцы, а иногда и годы) объясняется длительностью процесса консолидации и ползучести, она примерно пропорциональна квадрату толщины образца. Испытание одного тонкого образца существенно увеличивает погрешность измерения.

Известны методы измерения величины и давления набухания грунта при его увлажнении, например, так как изложено в ГОСТе 24143-80 (87 "Метод лабораторного определения набухания и усадки". Давление набухания можно измерять на компрессионных приборах. Результат испытания и его продолжительность существенно зависит от толщины образцов. Известно (Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Госстройиздат, 1963. - С.64-120), что время фильтрационной консолидации грунта теоретически пропорционально квадрату толщины образца, поэтому испытания образцов стандартизированной толщины 25 мм очень длительны.

Кроме того, набухание и давление набухания имеют трехмерный характер, и на результат испытания влияет наличие жестких колец, в которых размещены образцы грунта. Таким образом, недостатками известных методов измерения величины и давления набухания являются большая продолжительность опытов, наличие жестких колец, в которых размещаются образцы грунта.

Суммарным отрицательным фактором при испытании грунта на ползучесть и набухание является невозможность их совмещения при испытании одного образца.

Наиболее близким является способ определения длительной прочности мерзлых грунтов и тому подобных пластично вязких материалов с использованием графика зависимости между напряжением и деформацией образца по времени (АС №161133, 1964). Согласно этому способу испытания проводят на одном образце, который нагружают посредством динамометра с начальной величиной сжатия, близкой к временному сопротивлению образца, с последующим вычерчиванием графика снижения сопротивления образца грунта.

Недостатком этого способа является невозможность исследования на одном образце свойства ползучести и способность грунта к набуханию, конкретно, измерение на одном образце коэффициента релаксации и давления набухания, процесс испытания длителен.

Задачей изобретения является совмещение определения ползучести грунта (релаксации напряжений) с измерением давления набухания при испытании одного образца.

Техническим результатом является снижение продолжительности испытания без увеличения погрешности.

Технический результат достигается тем, что в способе определения длительной прочности и давления набухания глинистого грунта с использованием зависимости между напряжением и деформацией образца во времени, который нагружают, например, посредством динамометра начальным заданным давлением с последующим построением графика, согласно изобретению перед нагружением из образца грунта формируют тонкие пластинки, которые помещают во влагоемкие оболочки, между которыми размещают жесткие вставки, после стабилизации давления проводят водонасыщение образца грунта, фиксируют значения падения и роста давления с последующим построением графика в координатах давление - время, по которому определяют искомые величины.

На фиг.1 представлено устройство для осуществления способа; на фиг 2 - график изменения показаний динамометра во времени.

Устройство состоит из основания 1, жесткой рамы 2, резервуара 3, установленного на основании 1, винта 4, динамометра 5, жестких вставок 6 и влагоемких оболочек 7 для размещения в них пластин образца.

Испытания проводят следующим образом. Образец грунта ненарушенной структуры разрезается на тонкие пластинки, если грунт имеет нарушенную структуру, то пластинки формуются с помощью шаблона.

Рекомендуемая толщина пластин 3 мм, так как пластины меньшей толщины изготовить трудно, а при большей толщине усложняется пропитка грунта водой. Пластины помещаются во влагоемкие оболочки 7 (ткань, тонкий картон); между ними укладываются жесткие вставки 6 (промежуточные поршни). Этот пакет, в который превратился бывший образец грунта, устанавливается в резервуар 3 и на него через динамометр 5 передается заданное давление. Как показали испытания, оптимальное количество пластин в пакете 5-10 штук.

В результате релаксации напряжений в грунте, индикатор на динамометре 5 покажет падение давления, которое постепенно, но в течение различного промежутка времени в разных грунтах (минуты, часы) стабилизируется. После этого в резервуар 3 подается вода. Грунт набухает, индикатор на динамометре 5 показывает рост давления. Изменение давления при увлажнении и является давлением набухания. По результатам испытания строится график в координатах давление (по показанию динамометра) - время, по которому определяются искомые величины (релаксация напряжений и давление набухания).

Были проведены испытания реального образца грунта, разделенного на пять пластинок, (суглинок с границей текучести 32%, границей раскатывания 17% при влажности, соответствующей тугопластичной консистенции). Результаты испытаний приведены на фиг.2. Достаточно четкий перелом кривой уплотнении на первом этапе испытания свидетельствует о том, что деформация образца прекратилась с завершением фильтрационной консолидации, что свидетельствует о практическом отсутствии у данного грунта свойства ползучести при внешнем давлении (100 H/10 см²), равном 100 кПа. По результатам испытания общая релаксация составила 100-61=39 Н, коэффициент релаксации равен 39/100=0,39. Усилие набухания составило 143-61=81 Н, что при площади образца 10 см² соответствует капиллярному давлению 81 кПа.

Следует отметить следующие важные факторы.

1. В классических опытах на релаксацию должно быть обеспечено постоянство начальной деформации образца, в наших опытах допускается некоторое развитие деформаций за счет распрямления динамометра, однако здесь ошибка невелика, так как жесткость динамометра на порядок выше сжимаемости грунта.

2. Наиболее эффективно испытание грунта нарушенной структуры, когда пластинки из грунта можно изготавливать с помощью специального шаблона, при этом легко удаляются твердые включения размером более 0,2-0,5 мм.

3. При исследовании грунтов реальных массивов, например дорожных насыпей, грунт имеет показатель текучести от твердой до тугопластичной, при более высоком показателе текучести насыпи разрушились бы из-за низкой прочности грунта, и исследование грунта на ползучесть теряет смысл. А при показателе текучести в диапазоне грунт твердый - тугопластичный увеличение диаметра образцов в процессе опытов из-за отсутствия колец не превышает 0,5-1%, чем можно пренебречь.

4. По величине релаксации напряжений достаточно просто оценить склонность грунта к ползучести. У грунтов, не обладающих свойством ползучести, стабилизация наступает в течение десятков минут, у грунтов, подверженных ползучести, достижение стабилизации затягивается на несколько часов. У таких грунтов ползучесть проявляется даже в твердом состоянии.

5. Продолжительность времени до наступления стабилизации в первую очередь зависит от начального внешнего давления. Следовательно, один и тот же грунт в верхней части дорожной насыпи может не проявлять свойства ползучести, а в нижней части насыпи его ползучесть будет явно выражена.

6. По измеренной величине давления набухания могут быть рассчитаны деформации дорожных насыпей (подъем верха насыпи) при их подтоплении паводками или, наоборот, опускание поверхности насыпей при подсыхании грунтов откосов.

Способ определения длительной прочности и давления набухания глинистого грунта с использованием зависимости между напряжением и деформацией образца во времени, который нагружают, например, посредством динамометра начальным заданным давлением с последующим построением графика, отличающийся тем, что перед нагружением из образца грунта формируют тонкие пластинки, которые помещают во влагоемкие оболочки, между которыми размещают жесткие вставки, после стабилизации давления проводят водонасыщение образца грунта, фиксируют значения падения и роста давления с последующим построением графика в координатах давление - время, по которому определяют искомые величины.