Рис. 1. Схема (а) и результаты (б) полевых испытаний грунта на сжатие.
Схема опыта показана на рис. 1, а. На дно шурфа или скважины 1 устанавливается плотно притертый к основанию штамп 2, соединенный стойкой 3 с нагрузочной платформой 4. К платформе прикладывается возрастающая ступенями нагрузка 5 ( в производственных условиях часто создается фундаментными блоками). Зная давление
, создаваемое в основании штампа нагрузкой, и измеряя стабилизированную осадку
от каждой ступени, можно построить опытную зависимость
, показанную на рис. 1,б. Начальный участок этой кривой соответствует модели линейного деформирования грунта. Тогда модуль деформации грунта определяется по формуле:
, (1)
где
- коэффициент, зависящий от формы жесткого штампа и принимаемый для круглого штампа равным 0,78; для квадратного – 0,88;
- ширина или диаметр штампа;
- коэффициент Пуассона грунта;
,
- давление и осадка штампа в пределах линейной зависимости кривой на рис. 1,б.
Модуль деформации изотропных грунтов можно определять с помощью прессиометра. В результате испытаний получают график зависимости приращения радиуса скважины от давления на ее стенки. Модуль деформации определяют на линейный участок и вычисляют по формуле:
, где
- коэффициент, принимаемый равным 3 при глубине
, 2 при глубине
и 1,5 при глубине
;
- начальный радиус скважины;
- приращение радиуса, соответствующее .
Определение прочностных характеристик в полевых условиях
Испытания проводятся в шурфах, котлованах и других выработках. Для получения характеристик
и
определяют сопротивление срезу не менее чем трех целиков при различных вертикальных нагрузках. Схемы испытаний принимаются те же, что и в лабораторных условиях. Значения
и
находят на основе построения зависимости сопротивления срезу грунта
от нормального напряжения .
Рис. 2. Схемы испытаний грунта в скважинах на срез.
а) – кольцевой; б) – поступательный; в) – вращательный крыльчаткой:
1 – лопасти; 2 - распорные штампы; 3 - скважины; 4 – штанги; 5 – устройства для создания и измерения усилия.
Полевое определение характеристик
и
в стенах буровой скважины проводится методами кольцевого и поступательного среза. Схемы испытаний приведены на рис. 2. Эти методы применяются для испытаний грунтов на глубинах до 10 м (кольцевой срез) и до 20 м (поступательный срез). В методе кольцевого среза используется распорный штамп с продольными лопастями, в методе поступательного среза – с поперечными лопастями. С помощью распорного штампа лопасти вдавливаются в стенки скважины, и создается нормальное давление на стенки. В методе кольцевого среза грунт срезается вследствие приложения крутящего момента, а в методе поступательного среза – выдергивающей силы. Для получения характеристик
и
необходимо провести не менее трех срезов при различных нормальных давлениях на стенки скважины и построить зависимость .
Метод вращательного среза с помощью крыльчатки, вдавливаемой в массив грунта или в забой буровой скважины (см. рис. 2,б) позволяет определить сопротивление срезу
, поэтому его рекомендуется применять при слабых пылевато-глинистых грунтах, илах, заторфованных грунтах и торфах, так как для них угол внутреннего трения практически равен нулю и можно принять
. Испытания крыльчаткой проводят на глубинах до 20 м.
Для определения характеристик прочности в полевых условиях применяют методы выпирания и обрушения грунта в горных выработках. Значения
и
вычисляют из условий предельного равновесия выпираемого и обрушаемого массива грунта.
Для определения удельного сцепления связных грунтов в полевых условиях Н.А. Цытовичем был предложен и широко используется в практике изысканий метод шариковой пробы. Существо метода заключается в том, что с помощью шарика диаметром
на грунт передается усилие
и измеряется осадка штампа
(рис.3). Тогда в соответствии с решением академика А.Ю. Ишлинского сцепление можно определить по формуле
. (2)
При проведении испытаний необходимо, чтобы отношение осадки штампа к его диаметру находилось в пределах
.
а) б)
Рис. 3. Схема испытаний шариковым штампом (а) и кривая длительной прочности грунта (б).
Полученное таким образом значение сцепления соответствует определенному в сдвиговых испытаниях для вязких очень малоуплотняющихся грунтов при
(жирные глинистые грунты, мерзлые грунты и т.п.). При большем значении угла внутреннего трения грунта В.Г. Березанцев рекомендует в правую часть формулы (2) вводить понижающий коэффициент
. Так, например, при
; при
; при
.
Метод шариковой пробы удобен для определения изменения прочностных свойств грунтов в зависимости от времени действия нагрузки. Поскольку осадка
с течением времени увеличивается, в соответствии с формулой (2) шариковое сцепление будет уменьшаться. Это позволяет ввести понятия мгновенной прочности
, прочности, соответствующей некоторому времени
-
и предела длительной прочности
, к которому будет стремиться сцепление при очень продолжительном времени действия нагрузки.
Деформационные и прочностные характеристики грунтов могут быть определены с помощью статического и динамического зондирования. Зондирование основано на определении сопротивления погружению в грунт наконечника-зонда на глубину, превышающую его размеры.
Статическое зондирование заключается в медленном задавливании в грунт с помощью домкратов стандартного зонда – конического наконечника с углом при вершине 600
.
В простейшем случае измеряют удельное сопротивление погружению конуса зонда
и строят график изменения этой величины по глубине исследуемой толщи грунта. Зная величину
можно определить модуль деформации:
для пылевато-глинистых грунтов
;
для песчаных грунтов
.
Характеристики сопротивления сдвигу пылевато-глинистых грунтов по данным статического зондирования определяют по эмпирическим формулам:
;
.
Динамическое зондирование производится путем забивки или ударно-вращательного погружения в грунт зонда из колонки штанг с коническим наконечником. При этом определяется показатель зондирования
, равный числу ударов, необходимых для погружения зонда на 10 см. Результаты отображаются на графике. Зная из опыта величину
, удельную энергию зондирования, зависящую от параметров установки, и ряд коэффициентов, учитывающих динамический процесс зондирования, можно определить динамическое сопротивление грунта
. В свою очередь, величина