11. Испытания грунтов на сдвиг путем среза по заданной плоскости

Испытание грунтов на сдвиг проводится для определения максимального предельного сопротивления сдвигу и последую­щего определения коэффициента внутреннего трения tg и сцеп­ления с.

Коэффициент внутреннего трения и сцепления представ­ляют собой параметры графика, выражающего зависимость ка­сательных напряжений  от сжимающих давлений Р при сдвиге.

В отдельных случаях определяют коэффициент общего сдвига tg.

Испытания проводят для глинистых и песчаных грунтов на образцах ненарушенной структуры и естественной влажности, а также на образцах нарушенной структуры. Иногда образцы грунта предварительно увлажняют до насыщения.

В зависимости от условий работы грунта под давлением от сооружения или собственного веса различают испытания на не­консолидированный (по закрытой системе) и консолидировано-дренированный сдвиг (по открытой системе).

В первом случае осуществляют так называемый быстрый сдвиг, три котором влажность и плотность грунта после прило­жения сжимающего давления в процессе испытания практиче­ски не меняется. При этом касательные напряжения быстро уве­личивают сразу после приложения сжимающего давления. Такое испытание применимо к глинистым грунтам.

Во втором случае грунт после приложения сжимающего давления выдерживают до стабилизации деформации, а каса­тельные напряжения в плоскости сдвига увеличивают ступе­нями.

Так как испытания проводят на 2 - 3 образцах при различ­ных сжимающих давлениях, то для обеспечения при испытании одинаковой влажности и плотности к этим образцам приклады­вают наибольшее сжимающее давление, после чего отдельные образцы разгружают до требуемого давления.

Это предварительное сжатие образцов проводят или в приборах для испытания на сдвиг, или в специальных прибо­рах предварительно­го уплотнения. Это испытание примени­мо к глинистым и песчаным грунтам.

Коэффициент вну­треннего трения и сцепление являются прочностными харак­теристиками грун­тов и входят в рас­четные формулы по определению вели-

чины нормативного давления R_н, давления на ограждения, устой­чивости откосов и т. п.

Для испытания грунтов на сдвиг применяют сдвиговые прибо­ры различной конструкции: ГГП-30 с прибором предварительного уплотне­ния ГГП-29, ВСВ-1, машина ЦНИИ МПС.

Ниже рассматривае­тся проведение консо­лидированно - дрениро­ванного испытания на сдвиг глинистого грун­та ненарушенной струк­туры и естественной влажности в сдвиговом приборе ПСГ - 2М с прибором для предварительного уплотнения грунтов перед сдвигом УГПС РЭ.

Необходимые при­боры:

• сдвиговый при­бор ГТП-30;

• прибор предварительного уп­лотнения УГПС РЭ;

• пресс для зарядки грунтоотборочных колец;

• два индикатора ИЧ-10;

• нож с прямым лезвием;

• технические весы с разновесом;

• сушиль­ный шкаф;

• бюксы алюминиевые;

• эксикатор;

• фильтровальная бу­мага;

• часы.

Устройство и принцип работы прибора. Прибор для испытания грунтов на сдвиг состоит из следующих основных узлов (рис.11.1): стола I; механизма вертикального давления II; срезывателя III; выдвижного ящика IV.

Все узлы прибора смонтированы на столе. Стол должен быть выверен в горизонтальной плоскости ключом 1008-I.

I – стол; II – механизм вертикального давления; III – срезыватель; IV – выдвижной ящик;

1 – верхняя подвеска; 2 - стопорная шпилька; 3 – секторный рычаг; 4 – противовес; 5 – рычаг противовеса; 6 – упор; 7 – противовес; 8 – верхнее коромысло; 9 – индикатор; 10 тяга; 11- маховичек; 12 – нижнее коромысло; 13 –натяжной винт; 14 – палец; 15 – направляющая ползуна; 16 – сектор; 17 – нижняя подвеска; 18 – регулировочная муфта; 19 – винт; 20 – наконечник под противовес.

Рис. 11.1. Прибор для испытания грунтов на сдвиг ПСГ – 2 М

Сдвиг грунта на приборе осуществляется путем приложения сдвигающей нагрузки грузами через секторный рычаг 3 (рис.11.1). Вертикальное давление на образец грунта передаётся с помощью сектора 16.

Конструкция срезывателя показана на рис. 11.2. Гнездо под нижнюю обой- му 2 вместе с нижней обоймой 3 и установочным вкладышем 1 крепится неподвижно к панели прибора при помощи установочного винта 20. Предварительно в кольцевую канавку гнезда укладывается резиновая прокладка.

Тяговый цилиндр срезывателя соединен с механизмом горизонтального среза с помощью стопорной шпильки 4.

Образец грунта в тонкостенной гильзе помещается в срезыватель так, чтобы стык верхней 16 и нижней 17 гильз совпал со стыком верхней 15 и нижней 3 обоймами срезывателя.

1 – установочный вкладыш; 2 – гнездо под нижнюю обойму; 3 – нижняя обойма; 4 - стопорная шпилька; 5 - установочная шпилька; 6 – штамп; 7 – кронштейн натяжного устройства; 8 – стакан натяжного устройства; 9 – винт подъёмный; 10 – маховичек к хвостовику штампа; 11 – хвостовик штампа; 12 – гайка; 13 – упор индикатора 14 – тяговый цилиндр; 15 – обойма верхняя; 16 – гильза верхняя; 17 – гильза нижняя; 18 – вкладыш перфорированный; 19 – днище нижней обоймы; 20 –винт установочный; 21 – коромысло верхнее.

Рис. 11.2. Срезыватель

Механизм горизонтального среза (рис.11.1) имеет упор 6, ограничивающий ход секторного рычага 3. Для регулировки положения секторного рычага механизм имеет наконечник под противовесы 20, два противовеса 4 и регулировочную муфту 18.

Вертикальная нагрузка на образец грунта создаётся грузами, которые укладываются на подвеску 17. Далее нагрузка на образец, помещённый в срезыватель, передаётся через сектор 16, рамку, состоящую из вертикального коромысла 8, нижнего коромысла 12 и тяг 10.

При сдвиге грунта механизм вертикального давления перемещается на шариках каретки по направляющим 15.

При создании вертикальной сжимающей нагрузки на образец следует учитывать вес рамы, передающей её. Поэтому в комплект прибора входят грузы массой 1,5 кг и 3,5 кг. Первый груз совместно с рамой создает давление на грунтовый образец 0,05 МПа, второй – 0,1 МПа.

Определение величины собственного сопротивления прибора сдвигающему усилию. Для определения величины собственного сопротивления прибора сдвигающему усилию используется тарировочное приспособление (рис.11.3).

1 – направляющая; 2 – каретка; 3 – сепараторы с шариками; 4 – стойка каретки; 5 – запорный штифт; 6 – вилка; 7 – установочный угольник; 8 – канал с наконечниками; 9 – ролик; 10 – кронштейн.

Рис. 11.3. Тарировочное приспособление

Тарировочное приспособление устанавливается на панели прибора ПСГ-2М вместо срезывателя и механизма горизонтального среза (рис. 11.3). На панели прибора крепится направляющая 1. На верхнюю каретку 2 помещается стойка каретки 4, на которую передаётся вертикальная нагрузка. Между направляющей и верхней кареткой в канавках установлены шарики.

Установочный угольник 7 с роликом 9 крепится к панели вместо механизма горизонтального среза. Верхняя каретка с помощью пальца соединяется с канатом 8. К канату с наконечниками крепится верхняя подвеска прибора.

Для создания вертикальной нагрузки на образец 200 кг, 400 кг на подвеску 17 (рис.11.1) необходимо положить грузы соответственно 20 кг и 40 кг. И для каждой нагрузки следует определять величину сопротивления. С этой целью на верхнюю подвеску 1 (рис.11.1) следует класть мелкие грузы до тех пор, пока верхняя каретка не придет в движение. Допустимая величина собственного сопротивления сдвигу прибора с тарировочным приспособлением должна составлять 0,05% от нормального давления. Величина сопротивления определяется как отношение величины сдвигающей силы к величине вертикальной нагрузки на образец грунта.

Проведение опыта. Лабораторные испытания начинают с предварительного уплотнения грунта на приборе, фотография которого показана на рис.11.4

1 – стол; 2 – подвеска; 3 – грузовой канат; 4 – шкала; 5 – стрелка; 6 – удлинитель индикатора; 7 – индикатор; 8 – консоль индикатора; 9 – кольцо консолей индикатора; 10 – нажимной винт; 11 – верхнее коромысло; 12 – стяжка; 13 – стакан с ванной; 14 – нижнее коромысло; 15 – тяговый канат; 16 – сектор; 17 – стопорный винт.

Рис. 11.4. Прибор для предварительного уплотнения грунтов перед сдвигом

Прибор для уплотнения грунтов перед сдвигом (УГПС) предназначен для обеспечения в пробах связных грунтов соответствия между давлением и плотностью перед их испытанием на сдвиг. Это достигается путем обжатия заданной нагрузкой проб грунта, помещенных в ванну с водой.

На плите стола 1 установлены стаканы с ванной 13, в которых и производится уплотнение грунта. Конструкция стаканов позволяет переносить у плотненную пробу грунта в срезыватель прибора для испытания её на сдвиг.

Передача вертикальной сжимающей нагрузки на образец осуществляется при помощи сектора 16 (рис.11.4) и рамы, состоящей из верхнего коромысла 11, нижнего коромысла 14 и стяжек 12. В верхнее коромысло ввернут нажимной винт 10, который непосредственно и давит на грунт в стакане. Винт должен быть ввернут до предела, когда сектор займет горизонтальное положение.

Для проведения лабораторных исследований вставляют гильзу 4 (рис.11.4) в нижнюю обойму 3, а верхнюю гильзу 5 в верхнюю обойму 6 прибора предварительного уплотнения грунта. Свинчивают верхнюю и нижнюю части стакана с помощью специального ключа, поставляемого вместе с прибором.

Собранный стакан острым краем ставят на монолит грунта. Лишний грунт удаляют острым ножом с таким расчётом, чтобы стакан вдавливался в грунт с небольшим усилием. Срезание грунта следует выполнять тонким слоем, начиная сверху. Затем разбирают стакан, зачищают грунт вровень с краями гильзы и собирают стакан. Если отбор пробы грунта производится верхней гильзой, то после её отбора зачищают грунт вровень с краями гильзы и собирают стакан.

После этого в ванну 1 (рис.11.5) помещают нижний штамп 2. Пробу грунта в стакане покрывают с двух сторон фильтровальной бумагой и стакан устанавливают на нижний штамп. При этом следует убедиться, что штамп вошел в стакан.

Сверху на грунт ставят верхний штамп 7 и продавливают грунт до соприкосновения его с нижним штампом. Ванну со стаканом ставят на стол прибора, так, чтобы шпенёк ванны вошел в отверстие стола. В углубление верхнего штампа помещают стальной шарик, а рамку с ввернутым в верхнее коромысло нажимным винтом ставят на стакан таким образом, чтобы углубление в нижнем диске легло на шарик.

1 – ванна; 2 – нижний штамп; 3 – нижняя обойма; 4 – нижняя гильза; 5 – верхняя гильза; 6 - верхняя обойма; 7 – верхний штамп; 8 – стальной шарик.

Рис. 11.5. Стакан с ванной

Сектор 16 прибора для уплотнения грунта (рис.11.4) освобождают от стопорения, ослабив стопорный винт 17, и вворачивают нажимной винт до такого предела, при котором сектор занимает горизонтальное положение. Затем приступают к установке индикаторов 7 на консоли индикаторов 8 , закрепляют их винтом и производят загрузку подвески. Груз массой 0,8 кг создает давление на образец 0,05 МПа. Последующие грузы, помещённые на подвеску, создают давление: 0,025 МПа при массе 1 кг; 0,05 МПа при массе 2 кг и 0,1 МПа при массе 4 кг. Наблюдение за осадкой грунта производят по индикатору или по шкале. Фиксация прекращения осадки или разбухания грунта ведётся при помощи стрелки 5 и шкалы 4 прибора (рис. 11.4). Более точное определение момента прекращения осадки (разбухания) грунта производится индикаторами 7, установленными на консоли 8.

Сдвиг грунта на приборе ПСГ-2М (рис.11.1) производится путём приложения сдвигающей нагрузки грузами через секторный рычаг 3. Нормальное давление на образец грунта передается с помощью сектора 16. Для этого грузы укладываются на подвеску 17. Далее нагрузка передается через сектор 16, рамку, состоящую из верхнего коромысла 8, нижнего коромысла 12 и тяг 10, на образец, расположенный в срезывателе.

Устанавливают два индикатора: один - для контроля вер­тикальных деформаций грунта, другой - для замера деформаций сдвига.

К образцу прикладывают требуемое сжимающее давление. При этом давлении образец выдерживают 15 мин. Испытания начинают при меньшем значении вертикального давления. На­грузку на рычаге рассчитывают по формуле

где: Р - сжимающее давление в Н/см²,

F - площадь образца в см²,

т - сила веса тяговой рамы прибора в Н,

z - кратность увеличения нагрузки рычагом.

В данном приборе для получения сжимающего давления Р = 10 Н/см² на подвеску рычага нужно установить груз массой:

Таким образом, для получения сжимающих давлений 10; 20 и 30 Н/см² нужно соответственно установить на подвеске грузы массой: 3,57; 7,57 и 11,57 кг.

Первая ступень касательных напряжений в плоскости сдви­га принимается равной 20% сжимающего давления. В дальней­шем касательные напряжения увеличиваются ступенями, рав­ными 2,5 - 1,25 Н/ см². При этом нужно иметь в виду, что 10 Н горизонтального усилия на подвеске дает касатель­ное напряжение, равное 2,5 Н/см².

Добавление нагрузки каждой последующей ступени производят после того, как деформация сдвига от предыдущей ступени нагрузки не будет превы­шать 0,01 мм за 2 мин.

После стабилизации деформации сдви­га каждой ступени снимают показания горизонтального инди­катора.

Касательные напряжения увеличивают ступенями до разру­шения образца (среза). При четко проявившемся срезе стрелка индикатора сделает ряд быстрых оборотов. При отсутствии чет­ко выраженных признаков среза момент разрушения и соот­ветствующие касательные напряжения устанавливают по гра­фику (рис. 11.6).

Рис. 11.6. График зависимости деформаций сдвига от касательных напряжений.

Затем производят испытания при других значениях сжима­ющих давлений. Минимальное количество срезов - два. Эти два среза можно сделать на одном образце. В этом случае нужно с помощью ключа поднять дно нижней обоймы 3 (рис.11.5) так, чтобы ниж­ний перфорированный диск 2 вошел в нижнее кольцо на 0,5 его высоты.

Обычно испытывают три образца при различных сжимающих давлениях. Обработку результатов испытания проводят в следующем порядке. Результаты замера деформаций сдвига записывают в виде таблицы 11.1 и строят график, выражающий зависи­мость деформаций сдвига от касательных напряжений (рис. 11.6).

Таблица 11.1

Форма записи данных испытания на сдвиг

(Начальный отсчёт по индикатору – 2; испытание проводится без замачивания образца)

№ образца	Горизонтальное усилие на подвеске, Н	Касательные напряжения , Н/см^2	Показания индикатора деформаций сдвига	Деформация сдвига х, мм	№ образца	Горизонтальное усилие на подвеске, Н	Касательные напряжения , Н/см^2	Показания индикатора деформаций сдвига	Деформация сдвига х, мм
Давление на грунт Р = 10 Н/см^2					Давление на грунт Р = 30 Н/см^2
1	10	2,5	2,09	0,09	1	2	5	2,12	0,12
	20	5,0	2,23	0,23		3	7,5	2,22	0,22
	30	7,5	2,48	0,48		4	10	2,35	0,35
	32	8,0	2,56	0,56		5	12,5	2,51	0,51
	34	8,5	2,72	0,72		5,5	13,75	2,64	0,64
	36	9,0	-	Разрушение		6	15	2,85	0,85
						6,2	15,5	3	1
						6,4	16	-	Разрушение

Затем строят график зависимости касательных напряжений от сжимающих давлений (рис. 11.7).

0,20

, МПа

0,15

0,10



0,05

Р, МПа

С

0,1

0,2

0,3

0,4

0

₁

₂

Рис. 11.7. График зависимости касательных напряжений в грунте от величины вертикального давления

Окончательно результаты испытания записывают в виде таблицы 11.2.

Таблица 11.2

Форма записи результатов испытания грунта на сдвиг

Давление уплотнения Н/см^2	Давление испытания Р, Н/см^2	Предельное касательное напряжение , Н/см^2	Коэффициент сдвига, tg	Коэффициент внутреннего трения, tg	Угол внутреннего трения,  ^0	Сцепление С, Н/см^2
30	10	8,5	0,85	0,35	19	5
30	30	15,5	0,52

Примечание: Физические характеристики грунта: W_T = 34%; W_P = 20%; W_{П =} 12; W = 18,3%; _у = 2,7 г/см³; ₀ = 1,79 г/см³; ₀ = 0,78; G = 0,63.

Коэффициент внутреннего трения tg (а по нему - угол внутреннего трения  ⁰) определяют по формуле

где ₂ и ₁ — предельные касательные напряжения в Н/см²;

Р₂ и Р₁ - вертикальное давление на грунт в Н/см².

Сцепление вычисляют по формуле

Величину коэффициента общего сдвига tg получают no формуле

где:  - предельное касательное напряжение в Н/см²;

Р - вертикальное давление в Н/см².

По данным табл. 11.1 с учетом графика на рис. 11.6 имеем: коэффициент внутреннего трения

угол внутреннего трения  = 19⁰;

сцепление С = 8,5 - 100,35= 5,0 Н/см²;

коэффициент общего сдвига (рис. 11.7)