С.М. Простов Испытания грунтов на сдвиг

Министерство образования Российской Федерации

Государственное учреждение Кузбасский государственный технический университет

Кафедра теоретической и геотехнической механики

ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ НА СДВИГ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине "Методы и средства геоконтроля" для студентов специальности 070600 "Физические процессы горного производства"

Составители: С.М. Простов М.В. Гуцал Е.В. Костюков

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 6 от 30.12.02 Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией специальности 070600 Протокол № 5 от 30.12.02

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2003

1

1.Цель работы – определение прочностных параметров песчаных

иглинистых грунтов путем их испытаний на одноплоскостной сдвиг с помощью прибора института "Гидропроект".

2.Теоретические положения

Под прочностью горной породы понимают величину критических напряжений, при которых происходит ее разрушение. В зависимости от вида приложенных нагрузок различают следующие основные виды критических напряжений (пределов прочности): при сжатии σсж, рас-

тяжении σ р, сдвиге τсдв, изгибе σизг. Существует большое разнообра-

зие схем механических испытаний пород, наибольшее распространение из которых получили одноосное сжатие и растяжение, трехосное сжатие, одноплоскостной срез (сдвиг). Различают также способы механических испытаний образцов горных пород в зависимости от скорости нагружения (статическое, ступенчатое, динамическое, импульсное нагружение), диапазона нагрузок по отношению к пределу прочности (до- и запредельное нагружение), по характеристике нагружающего устройства ("мягкие" и "жесткие" установки).

Способность песчаных и глинистых грунтов сопротивляться нагружению в основном характеризуется их сопротивлением сдвигу. На практике разрушение таких грунтов проявляется в форме смещения части массива вдоль одной или нескольких поверхностей (зон) скольжения в момент, когда касательные напряжения превышают силы сопротивления среды. В несвязных рыхлых грунтах (песках, супесях, гравелитах) основную долю внутренних сил сопротивления сдвигу составляют силы трения между частицами, в связных глинистых грунтах дополнительно проявляются силы сцепления структурных отдельностей.

Величина сопротивления грунта сдвигу существенно зависит от режима испытаний: степени предварительного уплотнения и увлажнения грунта, условий дренирования влаги, количества плоскостей сдвига. Различают следующие основные режимы испытаний:

-без предварительного уплотнения при естественной влажности

ис предварительным уплотнением при нагрузках, близких к реальным;

-с непрерывным и ступенчатым увеличением сдвигающей нагрузки;

-со свободным оттоком воды (открытая система нагружения) и без оттока (закрытая система);

-с одной плоскостью сдвига, с двумя и несколькими плоскостями.

2

Наиболее распространенной при проектировании всех видов зданий и сооружений является стандартная (ГОСТ 12248-78) схема одноплоскостного среза с предварительным уплотнением, ступенчатым увеличением нагрузки со свободным оттоком воды. При предварительном исследовании песчаных грунтов применяют аналогичную схему непрерывного нагружения без предварительного уплотнения, обеспечивая плотность песка, соответствующую естественным условиям залегания. При проектировании сооружений на слабых водонасыщенных глинистых породах кроме основной схемы пробы испытывают в стабилометрах без оттока жидкости при различных схемах ступенчатого нагружения.

При испытаниях грунтов на однополостной сдвиг-срез графики развития деформаций имеют вид, показанный на рис.1.

Рис.1. Графики развития деформаций ∆l в образцах при сдвиге

суплотнением при ступенчатом (а) и непрерывном (б) нагружении:

1- σ1 ; 2 - σ2>σ1 ; 3 - σ3>σ2

Сувеличением напряжения сдвига τ на графиках с различными уровнями уплотняющего нормального напряжения σ в точке А наблюдается значительное увеличение деформации. Участок АВ графиков является переходным, в точке В, соответствующей максимальному значению τ , происходит разрушение (смещение) грунта.

Основным результатом испытаний грунтов на сдвиг является диаграмма сопротивления сдвигу (рис.2), описываемая уравнением Кулона

τ= C +tgϕ σ ,

где C - удельное сцепление грунта (часть сопротивления сдвигу при σ =0); tgϕ = f - коэффициент внутреннего трения (коэффициент про-

порциональности между τ и σ ); ϕ - угол внутреннего трения (угол наклона графика τ(σ) к оси σ ).

Рис. 2. Диаграмма сопротивления сдвигу для связных (а) и несвязных (б) грунтов

Из рис.2, б следует, что для идеальных несвязных грунтов C = 0.

3. Содержание работы

3.1.Изучение устройства прибора для испытания грунтов на сдвиг института "Гидропроект", методики подготовки образцов и их исследования (1,5 часа).

3.2.Проведение испытаний на сдвиг грунтов различного типа (пески, супеси, глины, суглинки; породо-угольный шлам, шлак, зола) (1 час).

3.3. Обработка, оформление и анализ результатов испытаний

(1 час).

3.4. Ознакомление с результатами инженерно-геологических исследований грунтов на реальном объекте строительной геотехнологии.

Общая продолжительность выполнения лабораторной работы 4

часа.

4.Описание устройства прибора для испытания грунтов на сдвиг

Прибор для одноплоскостных испытаний грунтов конструкции института "Гидропроект" состоит из двух основных узлов: срезывателя и механизма передачи образцу нормального давления и сдвигающего усилия.

4.1. Срезыватель (рис.3) является основным функциональным узлом сдвигового прибора. В нем осуществляется предварительное уплотнение грунта с оттоком жидкости и его разрушение путем срезыва-

4

ния при ступенчатом увеличении сдвигающей нагрузки. Конструкция срезывателя включает следующие основные элементы.

Основу срезывателя составляет нижняя обойма 2 с присоединенными к нему гнездом и днищем. При сборке нижняя обойма 2 вставляется в установочный вкладыш 1 и с помощью установочного винта 13 присоединяется к столу 12 прибора. На дно нижней обоймы 2 укладывают перфорированный вкладыш 3. На кромку нижней обоймы устанавливают тяговый цилиндр 7 с вставленной в него верхней обоймой. В рабочий объем, образованный обоймами срезывателя, помещают образец грунта 9, заключенный в нижнюю 4 и верхнюю 5 тонкостенные гильзы, причем в рабочем состоянии срезывателя расположение стыка гильз 4 и 5 должно точно совпадать с расположением стыка обойм. Грунт в обоймах покрывают с обоих торцов фильтровальной бумагой. Сверху на образец устанавливают штамп 8. Тяговый цилиндр 7 снабжен упором, служащим для перемещения штока индикатора, кронштейном 11 для присоединения тягового троса, шпильками 10 для соединения с механизмом передачи нормального давления.

4.2. Механизм передачи нормального давления и сдвигающего усилия (рис.4) содержит все необходимые элементы для обеспечения нужного режима испытания образца на сдвиг. Нормальное давление на образец создается грузами, укладываемыми на подвеску 1. Через траверсу и тросы усилие передается на сдвоенный рычаг 2 с присоединенным к нему противовесом 15. Шарниры рычага 2 имеют подвижный подвес 16, шарики которого обеспечивают свободное перемещение рычага в горизонтальной плоскости. Рычаг 2 с помощью промежуточного троса и тяги перемещает нижнее коромысло 3, а оно в свою очередь – верхнее коромысло 7. На верхнее коромысло 7 накладывается стакан 8 натяжного устройства, причем установочные шпильки должны свободно пройти через отверстия кронштейна натяжного устройства, после чего на шпильки навинчивают гайки до упора в кронштейны. Вращением маховичка натяжного устройства 8 тяговый цилиндр (7 на рис.3) перемещается вверх, обеспечивая необходимый зазор между обоймами.

Сдвиговое усилие создается грузами, устанавливаемыми на подвес 14 и тем самым поворачивающими секторный рычаг 13, на оси которого находится барабан 11. На барабан 11 наматывается горизонтальный трос 10, хвостовик которого муфтой 9 и пальцем соединяется с тяговым цилиндром срезывателя. Барабан 11 может стопориться тормозным устройством, приводимым в действие маховичком 12. При смещении тросом 10 тягового цилиндра и его упора (6 на рис.3) перемещается шток индикатора 6, укрепленного на стойке стола.

5

6

7

4.3.Основные технические характеристики прибора:

-площадь поперечного сечения образца – 40 см2;

-максимальное вертикальное давление – 1,25 МПа;

- максимальное горизонтальное касательное напряжение –

0,75 МПа;

-максимальное смещение верхней обоймы – 50 мм;

-соотношение плеч рычагов механизмов передачи – 1:10.

С учетом указанных выше характеристик для создания нормального и срезающего давлений σ , τ =0,1 МПа необходимо установить на соответствующую подвеску 1 или 14 (рис.4) груз массой 4 кг. При этом необходимо учесть, что вертикальное давление σ , создаваемое рамкой механизма, соответствует грузу массой 0,5 кг.

5.Методика сдвиговых испытаний образцов грунтов

5.1.Проверить готовность прибора к проведению испытаний: стол

исдвигающий трос должны располагаться в горизонтальной плоскости. Проверить направление перемещения сдвигающего троса в горизонтальной плоскости: перемещение троса и верхней обоймы срезывателя должно быть поступательным, параллельным кромке стола. При нарушении установок произвести регулировку под руководством преподавателя.

Произвести уравновешивание рычагов 2 и 13 (рис.4) путем перемещения противовесов.

5.2.Верхнюю гильзу 5 (рис.3) вдавить в грунт, при этом не допускать перекоса кольца и разрушения грунта. Заполнить гильзу полностью, используя вторую гильзу, продолжить вдавливание до заполнения второй гильзы на 5-8 мм. Сняв эту гильзу, срезать ножом грунт с обеих граней основной гильзы.

5.3.Установить перфорированный вкладыш 3 и нижнюю гильзу 4 на днище нижней обоймы 2 срезывателя, положить на вкладыш 3 кружок тонкой фильтровальной бумаги, установить верхнюю гильзу 5 с грунтом 9 в верхнюю обойму тягового цилиндра 7, закрыть грунт фильтровальной бумагой, установить на нее штамп 8.

Кронштейн 11 тягового цилиндра 7 соединить с наконечником горизонтального троса. Установить индикатор, переместить его до касания штоком упора 6.

5.4.Установить на срезыватель верхнее коромысло 7 (рис.4) и зафиксировать нижнее коромысло 3 маховичком натяжного винта 4. Установить стакан натяжного устройства 8 и вращением его маховичка переместить вверх тяговый цилиндр с верхней обоймой, обеспечив за-

8

зор между обоймами срезывателя не менее 5 мм. Вращением маховичка 4 придать среднему лучу сектора 2 горизонтальное положение.

Установить нулевое показание индикатора 6, затормозить барабан 11 вращением маховичка 12.

5.5. Устанавливают нормальное давление σ1 =0,1 МПа, положив груз массой М1=3,5 кг на подвес 1 (рис.4). Растормаживают барабан 11

горизонтального троса, устанавливают грузы на подвеску 14, обеспечивая ступенчатое увеличение сдвигающей нагрузки τi на величину

∆τ ≈0,05σ1 (увеличение массы груза на 0,2 кг обеспечивает увеличение τi на 0,005 МПа). На каждой ступени увеличения сдвигающей нагрузки τi фиксируют деформацию сдвига ∆li по показаниям индикато-

ра с точностью до 0,01 мм, причем замер снимают в момент, когда скорость деформации уменьшится до 0,01 мм/мин и ниже. Если скорость деформации не снижается, величина τi считается равной сопротивле-

нию образца сдвигу τ1 при данном вертикальном давлении σ1 .

5.6. Заменить разрушенный образец на новый согласно п.п. 5.2-5.4. Увеличить нормальное вертикальное давление до σ2 =0,2 МПа, а затем

до σ3 =0,3 МПа, устанавливая на подвес 1 грузы с суммарной массой соответственно М2 =7,5 кг и М3 =11,5 кг. Аналогично п.5.5, увеличивая

ступенями (соответственно по 0,4 и 0,6 кг) массу груза на подвеске 14 проводят сдвиговые испытания при новых значениях σ2 и σ3 .

По окончании испытаний очистить от грунта, промыть и высушить фильтровальной бумагой все детали срезывателя.

6. Порядок работы

Для выполнения работы в учебной подгруппе формируется два звена по 4-6 студентов. Каждое звено выполняет работу самостоятельно в соответствии с п.3 на отдельной установке. Каждый студент представляет индивидуальный отчет (п.9). Преподаватель (лаборант) выдает студентам образцы грунтов для испытаний, техническую документацию, а также контролирует правильность выполнения работы.

7. Правила техники безопасности

7.1. При подготовке и проведении испытаний следует проявлять осторожность во избежание травмирования при перемещении подвижных элементов механизма прибора.

9

7.2.При укладке грузов на подвески необходимо совмещать их выступы и проточки, а также избегать установки грузов пазами в одном направлении.

7.3.В перерывах между испытаниями образцов все грузы должны быть уложены на специальную рейку стола.

8.Обработка результатов

8.1.Результаты испытаний и их обработки заносят в таблицу.

Результаты испытаний на сдвиг

Расчет сдвигающего напряжения проводят по формуле (в МПа):

τi = MSi gk 10−6 =0,025 M i ,

где k – передаточное отношение механизма задания сдвигающего усилия, k =10; S - площадь поперечного сечения образца, S =40 10-4 м2.

8.2.По данным таблицы строят графики развития деформаций

τ(∆l) для каждого значения σ (см. рис.1).

8.3.По данным таблицы строят диаграмму сопротивления грунта сдвигу τ(σ) (см. рис.2).