2.3.3. Испытание грунтов при трехосном сжатии

Испытания на трехосное сжатие позволяют испытывать образцы грунта при предварительном их обжатии заданным боковым давлением, что ближе отражает условия работы грунта в природных условиях и дает более надежные результаты при определении их прочностных и деформационных характеристик.

Испытания на трехосное сжатие проводят в приборе, называемом стабилометром (рис. 2.11). Стабилометр имеет рабочую камеру, которая заполняется водой или глицерином. Образец грунта цилиндрической формы, находящийся в тонкой резиновой оболочке, помещают в рабочую камеру прибора. В жидкости, которой заполнена камера, создается гидростатическое давление, в результате чего возникает всестороннее давление на образец. После обжатия образца всесторонним давлением боковое давление σ₂ = σ₃ оставляют постоянным, а вертикальное давление σ₁ увеличивают ступенями до разрушения образца.

Рис. 2.11. Схема стабилометра:

1 – рабочая камера; 2 – поршень; 3– манометр для измерения бокового давления;

4 – образец грунта; 5 – индикаторы; 6 – эластичная оболочка; 7 – кран;

8 – волюмометр; 9 – днище прибора; 10 – емкость для жидкости

Разрушение образца может происходить в виде сдвига по наклонной поверхности (рис. 2.12, а) или в виде расширения образца в стороны в результате уменьшения его высоты (рис. 2.12, б) при достижении относительной вертикальной деформации образца ε₁ = 0,15 [4].

Измерение давления в камере производится с помощью манометра, вертикальные перемещения образца измеряются индикаторами, боковые перемещения – волюмометром (градуированная трубка, позволяющая определить объем жидкости, вытекающей из рабочей камеры).

Рис. 2.12. Характер разрушения образца при испытании в стабилометре:

а – разрушение в виде сдвига; б – бочкообразная форма образца при разрушении

Если провести испытание на трехосное сжатие нескольких образцов одного и того же связного грунта и довести образцы до разрушения, то для каждого образца будут получены предельные значения главных напряжений σ₃ и σ₁. Результаты испытаний можно представить в виде кругов Мора для напряжений (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Круги Мора для предельных напряжений

Опыты показывают, что в значительном интервале напряжений касательная к кругам напряжений имеет вид прямой с уравнением, аналогичным (2.30), выражающим условие прочности грунта:

,

где φ и с – параметры касательной к кругам напряжений. Они соответствуют характеристикам прочности грунта, полученным Кулоном: φ – угол внутреннего трения; с – удельное сцепление грунта.

Полученное уравнение можно записать и через главные напряжения. Продолжим касательную влево до пересечения с осью σ и рассмотрим прямоугольный треугольник О'ВА.

В данном треугольнике имеем

ВА/О'А = sinφ ; (2.32)

ВА – радиус круга, определим через главные напряжения:

.

Расстояние О'А =О'О+OK + KA = Р_с + σ₃ + .

Подставляя значения ВА и О'А в (2.32), получаем условие прочности в главных напряжениях:

. (2.33)

Для несвязных грунтов (пески), у которых с ≈ 0, условие (2.33) упрощается:

. (2.34)

В лабораторных условиях прочностные характеристики грунта в стабилометре определяют испытанием трех идентичных образцов. В каждом испытании к образцу прикладывается постоянное, но разное боковое давление. Для каждого образца определяется значение вертикального напряжения σ₁, соответствующее разрушению.

По результатам испытаний строят круги предельных напряжений (рис. 2.14). Касательная к этим кругам позволяет определить характеристики сопротивления грунта сдвигу  и с.

Рис. 2.14. Определение прочностных характеристик по результатам

испытаний на трехосное сжатие

По результатам испытаний на трехосное сжатие определяются также модуль деформации Е и коэффициент поперечной деформации ν (коэффициент Пуассона), которые вычисляют по формулам:

, (2.35)

, (2.36)

где ∆σ₁ – приращение напряжения σ₁; ∆ε₁ и ∆ε₃ – приращение относительных вертикальной и поперечной деформаций образца.

По данным испытаний грунта в условиях трехосного сжатия кроме этого могут быть определены модуль сдвига G и модуль объемной деформации К по формулам:

; (2.37)

. (2.38)