Испытания грунтов в Уральском федеральном университете Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Пыхтеева

Надежда

Филипповна

кандидат технических наук, доцент ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет», Строительный институт, кафедра оснований и фундаментов, начальник отдела организации учебной и воспитательной работы, заместитель научного руководителя лаборатории «Механика грунтов»

e-mail: [email protected]

Миронова

Вера

Ивановна

старший преподаватель ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет», Строительный институт, кафедра оснований и фундаментов, зав. лабораторией «Механика грунтов»

e-mail: [email protected]

Львов

Дмитрий

Олегович

студент ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет», Строительный институт

e-mail:

[email protected]

УДК 624.131.37

ПЫХТЕЕВА Н. Ф.

МИРОНОВА В. И.

ЛЬВОВ Д. О.

Испытания грунтов в Уральском федеральном университете

Статья посвящена определению показателей механических свойств грунтов с использованием различных технологий лабораторных испытаний. Даны основные характеристики приборов. Приведены схемы испытаний. Показано влияние используемых режимов нагружения грунта на получаемые результаты.

Ключевые слова: грунт, прочностные характеристики, испытания, прибор, нагрузка, механические свойства, сжатие, режим нагружения.

PYKHTEEVA N. F.

MIRONOVA V. I.

LVIV D. O.

SOIL TESTING IN URAL FEDERAL UNIVERSITY

The article is devoted to the definition of soils mechanical properties characteristics using various technologies of laboratory tests. There are basic characteristics of instruments. Test patterns are depicted. The effect of using soil load conditions on the obtaining results is shown.

Keywords: soil, strength characteristics, tests, instrument, load, mechanical characteristics, compression, load conditions.

Для расчетов деформаций, оценки прочности и устойчивости грунтовых массивов и оснований необходимо знать характеристики механических свойств грунтов. Под механическими свойствами грунта понимают его способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых и физических воздействий [7]. Основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются прочностные и деформационные характеристики грунтов (угол внутреннего трения 1р, удельное сцепление с, предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов Яс, модуль деформации Е и коэффициент поперечной деформации V грунтов). Допускается применять другие параметры, характеризующие взаимодействие фундаментов с грунтом основания и установленные опытным путем (удельные силы пучения при промерзании, коэффициенты жесткости основания и пр.) [6].

Механические свойства грунтов зависят от их гранулометрического и минерального состава, физических характеристик и структурных особенностей, обусловленных физико-географическими условиями образования грунтов.

Характеристики грунтов природного сложения, а также искусственного происхождения должны определяться для сооружений I и II уровней ответственности на основе их непосредственных испытаний в полевых и лабораторных условиях с учетом возможного изменения влажности грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружений [6].

В лаборатории испытывают образцы грунта относительно небольших размеров, отобранные на площадке строительства из шурфов и скважин. Особое внимание уделяется тому, чтобы образцы грунта по физическому состоянию соответствовали условиям естественного залегания. Необходимым требованием является также соответствие напряженно-деформированного состояния и условий деформирования испытуемого грунта тем, которые будут иметь место в основании или сооружении. Это достигается выбором соответствующих схем испытаний и режимов проведения опытов.

Испытания методом компрессионного сжатия являются одним из самых распространенных методов по определению деформационных свойств грунтов благодаря своей простоте и эффективности. Эти испытания проводят в компрессионных приборах (Иллюстрация 1) [5].

© Пыхтеева Н. Ф., Миронова В. И., Львов Д. О., 2014

87

Иллюстрация 1. Устройство компрессионного сжатия.

URL: http://www. npp-geotek.ru/ (дата обращения: 10.02.2014)

Иллюстрация 2. Общий вид установки трехосного сжатия. URL: http://www. npp-geotek.ru/(дата обращения: 10.02.2014)

Иллюстрация 4. Устройство одноплоскостного среза.

URL: http://www. npp-geotek.ru/(дата обращения: 10.02.2014)

Технические характеристики устройства компрессионного сжатия

Нормальное давление, МПа 0-1,5

Вертикальная деформация образца, мм 10

Площадь поперечного сечения образца, см2 60

Способ приложения нагрузки Статический, ступенями

Метод применяется для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости, модуля деформации, структурной прочности на сжатие, коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации для песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов, органоминеральных и органических грунтов, относительного суффозионного сжатия и начального давления суффозионного сжатия для засоленных (содержащих легко- и среднерастворимые соли) песков (кроме гравелистых), супесей и суглинков [3].

Прочность грунта можно охарактеризовать сопротивлением сдвигу. Испытания грунтов при определении их прочности проводятся в лабораторных условиях, как правило, в приборах трехосного сжатия (Иллюстрация 2) и одноплоскостного среза (Иллюстрация 4).

Технические характеристики установки трехосного сжатия

Вертикальная нагрузка, кН 10

Способ приложения вертикальной нагрузки Непрерывно, с постоянной скоростью нагружения или равномерно, ступенями

Всестороннее давление, МПа 0-0,6

Поровое давление, МПа 0,6

Противодавление, МПа 0,6

Всестороннее обжатие образца в камере трехосного сжатия типа А Жидкостью под избыточным давлением воздуха

Диаметр образца, мм 38; 50

Высота образца, мм 76; 100

Скорость осевых перемещений, мм/мин 0,01-5

Метод трехосного сжатия используется для определения прочностных и деформационных свойств грунтов. Комплексные испытания в условиях трехосного сжатия в значительной мере устраняют недостатки современной практики лабораторных исследований, когда одни и те же показатели механических свойств определяются на нескольких образцах, при помощи разных приборов и в различных условиях силового нагружения.

Испытания методом трехосного сжатия проводятся для определения угла внутреннего трения, удельного сцепления, модулей деформации, коэффициента поперечной деформации. Испытания проводятся по различным схемам с разными траекториями нагружения.

Боковое или всестороннее, а также поровое давление в рабочей камере создаются жидкостью или сжатым воздухом. Управление давлением производится пневматическим, электропневматическим, электромеханическим способами. Объемные деформации образца измеряются автоматически. Схема рабочей камеры прибора трехосного сжатия показана на Иллюстрации 3.

В опытах на одноплоскостной срез прочность грунта определяется его сопротивлением сдвигу при действии касательных напряжений при таком состоянии грунта,

Иллюстрация 3. Конструкция рабочей камеры и схема нагружения образца грунта. URL: http://www. npp-geotek.ru /(дата обращения: 10.02.2014)

когда максимальное касательное напряжение остается постоянным на плоскости среза.

Технические характеристики устройства одноплоскостного среза

В 2012 г. в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б. Н. Ельцина на базе Регионального геотехнического центра Строительного института под руководством В. Н. Алехина организована лаборатория «Механика грунтов». Для проведения исследований было приобретено современное оборудование — полностью автоматизированный комплекс «АСИС-1» для лабораторных испытаний грунтов и определения характеристик прочности и деформируемости в соответствии не только с российскими, но и европейскими и американскими стандартами [5]. Комплекс «АСИС-1» внесен в Государственный реестр средств измерений.

В 2013 г. лаборатория «Механика грунтов» была аккредитована Федеральным агентством по аккредитации. В настоящее время лаборатория проводит испытания грунтов в соответствии с областью аккредитации по аттестованным методикам испытаний на поверенном оборудовании.

Многообразие методов исследования грунтов позволяет получать одни и те же характеристики грунтов несколько раз, используя ту или иную схему и методику испытаний. При этом результаты этих испытаний должны однозначно характеризовать свойства грунта, так как от этого напрямую зависит выбор проектных решений, а также надежность и безопасность возводимых объектов. Известно, что лабораторные и полевые методы исследования грунтов могут давать некоторые расхождения, что подтверждено многочисленными наблюдениями [1].

Целью данной работы было сравнение результатов определения прочностных характеристик нескольких грунтов с использованием разных приборов и режимов нагружения в лабораторных условиях.

Для этого были проведены параллельные испытания глинистых грунтов по одной схеме испытания на разных приборах, допущенных по ГОСТ 30416 [2] и ГОСТ 12248 [3] для проведения испытаний, но с разными режимами нагружения. Испытания проводились на приборе одноплоскостного среза, входящего в комплекс «АСИС-1», и приборе для испытания грунтов на сдвиг ПСГ. Схема испытания — консолидированно-дренированный срез. Режим нагружения кинематический для прибора одноплоскостного среза и статический для прибора ПСГ.

Предварительное уплотнение образцов проводилось в уплотнителе, позволяющем проводить уплотнение при заданном давлении и сохранении влажности (Иллюстрация 8).

При тарировке срезной коробки приборов были установлены поправки на преодоление трения подвижной части срезной коробки.

Испытания проводились на грунтах, физические характеристики которых определялись по ГОСТ 5180 [4] (Таблица 1).

Вертикальное давление, МПа 0-1

Срезающая нагрузка, кН 5

Вертикальная деформация, мм 10

Деформация сдвига, мм 20

Площадь поперечного сечения образца, см2 40

Способ приложения срезающей нагрузки Кинематический с постоянной скоростью среза

и

пз

0 ОД 0,2 0,3

Нормальные напряжения о, МПа

• Кинематический режим нагружения + Статический режим нагружения а

та

і

ш

-О

I

л

с;

ф

н

го

и

пэ

зс

: 0 ОД 0,2 0,3

Нормальные напряжения о, МПа

• Кинематический режим нагружения

♦ Статический режим нагружения в

0 ОД 0,2 0,3

Нормальные напряжения о, МПа

• Кинематический режим нагружения

• Статический режим нагружения б

2 0 ОД 0,2 0,3

Нормальные напряжения о, МПа

• Кинематический режим нагружения

• Статический режим нагружения

Иллюстрация 5. Графики зависимости касательных напряжений т от нормальных напряжений и:

а — для суглинка полутвердого делювиального; б — для суглинка твердого элювиального; в — для супеси пластичной элювиальной; г — глина полутвердая элювиальная

Р 25 к 20 н 15

| ю

а

н

в 5

=:

5 0

Иллюстрация 6. Результаты определения угла внутреннего тре- Иллюстрация 7. Результаты определения удельного сцепления ниягрунта ф грунта С

Таблица 1. Физические характеристики грунтов

Разновидность грунта Влажность % Плотность р, г/см3 Коэффициент пористости е, д. е. Число пластичности I % Показатель текучести I£, д. е.

Суглинок полутвердый делювиальный 23,2 2,00 0,685 12,4 0,21

Суглинок твердый элювиальный 23,0 1,99 0,691 16,4 -0,16

Супесь пластичная элювиальная 19,5 1,83 0,739 6,3 0,06

Глина полутвердая элювиальная 27,8 1,94 0,789 23,9 0,03

Таблица 2. Результаты определения параметров сдвига при разных режимах нагружения

Разновидность грунта Режим нагружения

Кинематический на приборе плоского среза Статический на приборе ПСГ

Касательные напряжения т при нормальных напряжениях ст, МПа Параметры среза Касательные напряжения т при нормальных напряжениях ст, МПа Параметры среза

0,1 0,2 (0,3) 0,3 (0,5) ^, ° С, МПа 0,1 0,2 (0,3) 0,3 (0,5) ^, ° С, МПа

Суглинок полутвердый делювиальный 0,074 0,100 0,134 17 0,043 0,072 0,105 0,135 18 0,041

Суглинок твердый элювиальный 0,079 0,100 0,142 17 0,044 0,075 0,110 0,147 20 0,039

Супесь пластичная элювиальная 0,060 0,084 0,131 20 0,021 0,060 0,110 0,150 24 0,017

Глина полутвердая элювиальная 0,077 0,134 0,190 16 0,049 0,070 0,115 0,192 17 0,035

Примечание: в скобках даны значения нормальных напряжений и для глины.

Таблица 3. Результаты определения параметров сдвига на образцах грунта с заданными значениями влажности и плотности сухого грунта

Разновидность грунта Режим нагружения

Кинематический на приборе плоского среза Статический на приборе ПСГ

Касательные напряжения т при нормальных напряжениях ст, МПа Параметры среза Касательные напряжения т при нормальных напряжениях ст, МПа Параметры среза

0,1 0,2 0,3 ^, ° С, МПа 0,1 0,2 0,3 ^, ° С, МПа

Суглинок элювиальный 0,073 0,100 0,128 16 0,045 0,078 0,110 0,147 19 0,043

Иллюстрация 8. Прибор предварительного уплотнения. Иллюстрация 9. Устройство для вырезания образца.

URL: http://www. npp-geotek.ru/ (дата обращения: 10.02.2014) URL: http://www. npp-geotek.ru/ (дата обращения: 10.02.2014)

Таблица 4. Отклонения от среднего значения параметров сдвига

Разновидность грунта Отклонение от среднего значения параметров среза, %

° с, МПа

Суглинок полутвердый делювиальный 6 5

Суглинок твердый элювиальный 16 12

Супесь пластичная элювиальная 18 21

Глина полутвердая элювиальная 6 33

Суглинок элювиальный 17 4

Результаты, полученные при испытании грунтов в соответствии с ГОСТ 12248 [3], приведены в Таблице 2 и на Иллюстрациях 5-7.

Для контроля были проведены исследования на идентичных образцах из суглинка элювиального с заданными значениями влажности (ш = 23% ) и плотности сухого грунта (рё = 1,60 г/ см3), специально изготовленных в соответствии с ГОСТ 30416 [2] на приборе стандартного уплотнения с помощью устройства для вырезания образцов (Иллюстрация 9).

На подготовленных образцах определялись параметры сдвига по консолидированно-дренирован-ной схеме нагружения. Результаты испытания приведены в Таблице 3.

Полученные данные свидетельствуют о том, что значения углов внутреннего трения для всех исследуемых разновидностей грунта при статическом режиме нагружения в приборе ПСГ выше на 1-4°, чем при кинематическом в приборе плоскостного среза. Вместе с тем удельное сцепление при кинематическом нагружении, наоборот, имеет большие значения на величину

от 0,02 до 0,14 МПа. Похожая тенденция прослеживается и при исследовании специально подготовленных образцов грунта. Отклонения полученных значений сдвиговых характеристик от их средних значений (Таблица 4) имеют довольно большой разброс. Незначительные отклонения получены для суглинка полутвердого делювиального, для элювиальных грунтов отклонения составляют от 6 до 18 % по углу внутреннего трения 1р и от 4 до 33 % по удельному сцеплению с.

Заключение

Рассмотренные методы испытания грунтов показывают, что современные лабораторные приборы, входящие в автоматизированный комплекс «АСИС-1», позволяют определять все необходимые характеристики для решения инженерных задач, возникающих при проектировании зданий и сооружений.

При рассмотрении результатов исследований грунтов с использованием различных технологий лабораторных испытаний установлено, что результаты полученных единичных анализов при определении прочностных

характеристик грунта зависят от конструкции применяемых приборов и режимов нагружения грунтов в лабораторных условиях. Отклонения параметров среза от среднего значения для некоторых грунтов превышают 20 %, что, по нашему мнению, является существенным и требует дополнительных исследований.

Список использованной литературы

1 Болдырев Г. Г., Мельников А. В., Меркульев Е. В. и др. Сравнение методов лабораторных и полевых испытаний грунтов// Инженерные изыскания. Всероссийский научно-аналитический журнал. 2013. № 14. С. 28-44.

2 ГОСТ 30416-2012. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения М., 2013.

3 ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М., 2011.

4 ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М., 1993.

5 НПП ГЕОТЕК. 1ійр://№^. npp-geotek.ru/ (дата обращения: 10.02.2014).

6 СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.0183*. М., 2011.

7 Ухов С. Б., Семенов В. В., Знаменский В. В. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. М., 2004.