CC BY
62
СТРОИТЕЛЬСТВО И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 624.131.37
Ван Пинь, Н.Я. Цимбельман, И.Г. Кузнецов
ВАН ПИНЬ - магистр техники и технологии по направлению строительства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). ЦИМБЕЛЬМАН НИКИТА ЯКОВЛЕВИЧ - кандидат технических наук, заведующий кафедрой гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: nikzimb@mail.ru.
КУЗНЕЦОВ ИВАН ГЕННАДЬЕВИЧ - аспирант кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Влади-восток). E-mail: Pluton240@yandex.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ НЕСКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ МЕТОДАМИ ТРЁХОСНОГО СЖАТИЯ И ПРЯМОГО СРЕЗА
Даются сравнительные результаты определения прочностных свойств глинистых и песчаных грунтов, полученные в процессе лабораторных испытаний методами одноплос-костного среза и трёхосного сжатия. Результаты для двух типов грунтов приведены в сравнении с данными нормативных документов. Сделаны выводы по преимущественному применению того или иного метода определения прочностных характеристик для разных типов грунтов.
Ключевые слова: граничная влажность, гранулометрический состав, природная влажность, угол внутреннего трения, удельное сцепление, метод одноплоскостного среза, метод трёхосного сжатия.
Investigation into strength properties of soils by the triaxial compression and the one-plane cutting methods. Van Pin, Nikita Ya. Tsimbelman, Ivan G. Kuznetsov, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok.
The article deals with the results of the determination of strength properties of clay and sandy soil obtained in the course of laboratory tests by the one-plane cutting and the triaxial compression methods. The results of the tests for the two types of soil were compared with the data of regulation documents. Conclusions have been drawn about preferential application of one or another method to determine the strength properties of soil of different types.
Key words: boundary humidity, granulometric composition, natural humidity, angle of internal friction, specific adhesion, one-plane cutting method, triaxial compression method.
© Ван Пинь, Цимбельман Н.Я., Кузнецов И.Г., 2013
67
Постановка проблемы
При выборе приборов для исследования механических свойств грунтов возникает вопрос о точности результатов, а также преимущественном применении разных схем испытаний для разных грунтов и, в конечном счете, трудоемкости проводимых испытаний.
В расчетах глинистых и песчаных грунтов используются показатели прочностных свойств грунтов: условные параметры зависимости о-т, угол внутреннего трения ф и удельное сцепление с. Для практического определения указанных характеристик, как правило, используют лабораторные испытания грунтов в приборах одноплоскостного среза и трёхосного сжатия [13]. Выбор метода определения характеристик, как правило, делает исполнитель с учетом действующих норм и требований заказчика.
Метод одноплоскостного среза и метод трёхосного сжатия имеют свои преимущества и недостатки. Метод трёхосного сжатия более точен, так как учитывает пространственную работу грунта под нагрузкой, в то же время он более сложен и трудоёмок [2]. Метод одноплоскостного среза менее обоснован, так как предполагает принудительное создание плоскости среза в грунте, но при этом он менее трудоемок: позволяет сделать обширную выборку испытываемых образцов и провести значительное число испытаний для статистической обработки эксперимента. Указанные методы не противоречат действующему стандарту, а потому широко используются в практике инженерно-геологических изысканий. Однако возникает вопрос о корреляции результатов определения прочностных характеристик одного и того же грунта, определяемых разными методами. Ответ на него и составляет цель данной работы.
Для ответа на этот вопрос вначале определим следующие задачи.
Имеются ли расхождения в численных значениях прочностных характеристик, полученных методами трёхосного сжатия и одноплоскостного среза? Для каких грунтов наиболее приемлем метод трёхосного сжатия, для каких - метод одноплоскостного среза? Насколько велико различие значений характеристик, полученных разными методами для одного и того же грунта, от среднестатистических, указанных в приложении к СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений» [10].
Далее описаны серии испытаний (более 30) и сравнение их результатов для указанных лабораторных методов определения прочностных характеристик.
Испытания проведены для двух типов грунтов.
3 3
Грунт песчаный (плотность частиц р = 2,65 г/см , плотность р = 1,8 г/см , влажность ю = 0,0,08, коэффициент пористости е = 0,59, с преобладающим содержанием частиц размером 2-0,5 мм - 43,4%) [5].
3 3
Грунт глинистый (плотность частиц ря = 2,58 г/см , плотность р = 1,92 г/см , влажность а = 0,28, число пластичности, 1Р = 0,098 (9,8%), показатель текучести //, = 0,263, плотность сухого грунта рd = 1,50 г/см , коэффициент пористости е = 0,72). В соответствии с ГОСТ 25100-95 [4] наименование грунта: суглинок тугопластичный.
Испытания грунта на срез
Испытания на прямой срез производятся в срезном приборе (рис. 1) по ГОСТ-12248-2010 [3]. Сдвиг образца производится смещением подвижной части прибора относительно неподвижной. Плоскость сдвига фиксированная. Нормальная сила создает нормальные напряжения на плоскости сдвига. Сдвигающая сила, приложенная к подвижной части
68
прибора, создает касательные напряжения. В момент сдвига образца касательные напряжения достигают значения предельных [1]. В любой точке поверхности скольжения сопротивление сдвигу грунта определяется условием прочности Кулона-Мора.
Испытания методом прямого среза проводились при помощи программы ASIS 3.0 (рис. 2), управляющей всем автоматизированным вычислительным комплексом «ASIS». Нагружение образцов - непрерывное, с заданной скоростью 0,1 мм/мин., горизонтальное смещение образца измерено с погрешностью 0,01 мм. Испытания проводили до разрушения образца или предельной деформации образца 5 мм. Вертикальное давление при испытании 100, 200, 300 кПа. Количество образцов при каждом вертикальном давлении не менее 6.
Обработка результатов эксперимента выполнялась при помощи программы, содержащей методики обработки, регламентированные нормами (рис. 3, 4).
тпр = °tg(p + с
Рис. 1. Схема прямого среза: а - нормальное напряжение на плоскости сдвига (скольжения); тпр - предельные касательные напряжения на плоскости сдвига; tgф -коэффициент трения; с - удельное сцепление
Рис. 2. Ход испытания на прямой срез (рабочий экран программы)
О 0.02 0,0« ОХ» 006 0.1 0,12 0.14 0.16 0.16 0.2 0.22 0,24 0.26 0.26 0,3
мормап»иое иепряжеиие. МПа _ _ ___
а. МП а
Образец N«566 (5»дта - 0.1) —Образец №587 (Б»длв - 0.199) □ Образец №588 (5«дта • 0.Э01 I Образец №589 (5«дта - 0.101)
О Образец N»590 (5фпе - 0,199) -•— Образец N»591 (5»дп»а . 0,299) —Образец N»592 (Б^пе - 0.101) Ш ООразвц N»594 (Б^дта - 0.2)
Образец N»595 (&аг»1в - 0.3) —Обреем N»596 (Ьут* - 0.1) ■ Образец N»597 (^-рте - 0,2) —Образец N»596 (^дта - 0.29®)
Образец №599 (&эта • 0.098) О Образец N»«01 <&дта- 0.199) а Образец N»602 (&дте - 0,299) а Образец N»603 <&д»а • 0.101)
□ Образец N^604 - 0,199) Образец N»605 (&вп»е - 0.3) Образец N»606 - 0.1) Ш Образец ГМ607 (Б^дтв - 0.199)
Рис. 3. Обработка результатов испытаний по схеме одноплоскостного среза: песок средней крупности (график зависимости т от о)
0,01
0,005
О 0,02 0.04 006 0.06 0.1 0,12 0,14 0,16 0.16 0,2 0,22 0,24 0,26 0,26 0,3
Нсрма/ьиое напряжение
а, МПа
Ш Образец N»714 С^рта 0,096) т Образец №715(5^1»- 0.199) О Образец №717 (Б^дта -0,298) —Образец №718 (йрта - 0,099)
□ Образец N8720 ($*дта 0.196) ш Образец №721 0,299) Образец №722 (9рм -0.099) —Образец №723 (Барта • 0,199)
—Образец N»726 (Эдта 0.2991 ш Образец №726(5^1» • 0,1) Образец №729 (Бцрта -0.199) —Образец №730 (Бдгпа •0,299)
—Образец N»732 (^а • 0,099) Образец №733 (Бфпе ■ 0.199) а Образец №735 •0,299) о Образец №736 (Б«м • 0099)
□ Образец N»737 (5«дта - 0.196) ш Образец №738 СБ^пе» ОД • Образец №741 (Бдоа -0.096) Ш Образец №742 (Бдое •0,199)
—Образец №743 [5<дтв - 0,299) ш Образец №744 (• 0.1) —Образец №746 (БЩта -0.196) —Образец №747 (Б»*т» •036)
-4*- Образец №761 (5чта - 0,098) ш Образец N»762 (Берта • 0.2) Образец №763 (Бадте •0.299) —Образец №764 (Б|упа -0,1)
—Образец №765 (^а - 0.198) ш Образец N9767 (5српа - 039) ■ Образец №768 (&дта • 0,1) —Образец №769 (Бдта • 0,196)
• Образец №770 (5*дта
Рис. 4. Обработка результатов испытаний по схеме одноплоскостного среза: суглинок тугопластичный (график зависимости т от о)
Испытания методом трёхосного сжатия
Испытания грунтов в условиях трёхосного напряженного состояния в стабилометре позволяют комплексно определять показатели физико-механических свойств связных и несвязных грунтов: коэффициент уплотнения, модуль деформации, коэффициент бокового распора (давления), коэффициент Пуассона, сцепление и угол внутреннего трения, коэффициент фильтрации при заданном давлении и др. [6, 7]. Схема прибора и условие загрузки образца приведены на рис. 5.
Рис. 5. Схема стабилометра
Зависимость между напряжениями oí и о3 выражается формулой
£7-1 — (То
-= sinw.
Испытания методом трёхосного сжатия проводились при помощи программы ASIS 3.0. Для проведения испытаний изготавливались, согласно ГОСТ 12248-2010 [3], образцы диаметром 38 мм. Снятие показаний с датчиков проходило в автоматическом режиме и осуществлялось компьютерной программой (рис. 6).
Обработка результатов эксперимента выполнялась компьютерной программой (рис. 7, 8).
Рис. 6. Ход испытания в стабилометре 71
Р1и= 32,0 (Р1й),С = 0,000 (МПа) Полные наиряження/РЛ 51ге55
1,1 1
0,9 0,8 О/
2
1о,б
Ъ 0.5
0,4 0.3 0,2 0,1 0
ш
ф ср = 3 2° ш ___
с 0,1 0,2 0,3 0,4 0, 5 0 6 0,7 0, 8
Вертикальная нагрузка (МПа)
| - 1 - Образец N£613 - 2 - Образец №614 - 3 - Образец N2621
Рис. 7. Обработка результатов испытаний по схеме трехосного сжатия: песок средней крупности
Рис. 8. Обработка результатов испытаний по схеме трехосного сжатия: суглинок тугопластичный
Анализ результатов испытаний
Результаты испытаний грунтов и сравнение с приложением СНиП 2.02.01-83* [10] «Основания зданий и сооружений» представлены в таблице.
Результаты испытаний грунтов
Источник Песок Суглинок
Ф(°) с(кПа) ф(°) с(кПа)
СНиП 38 - 21.3 24.5
Срез 37 - 19 24
Стабилометр 32 - 19 24
В результате испытаний грунтов по схемам одноплоскостного среза и трёхосного сжатия получены следующие результаты.
Для глинистого грунта (суглинок тугопластичный) значения прочностных характеристик грунтов, полученных по разным схемам, практически полностью совпадают. Также можно отметить схожесть значений характеристик, полученных в эксперименте и приведенных в табл. 2 прил. 1 СНиП 2.02.01-83* [10]: для суглинка расхождение значений Ф эксп. и фтабл. составляет 10,8%, сэксп. и стабл. отличаются на 2%. Для песка расхождение значений ф эксп. и ф табл. равно 2,6% при испытании грунта на срез и 15,8% методом трёхосного сжатия.
Для песчаного грунта (песок средней крупности) выявлены существенные различия в значениях характеристик, полученных по схемам одноплоскостного среза и трёхосного сжатия. При этом следует отметить, что трёхосное сжатие предполагает более корректную постановку испытания грунта и дает более близкие к действительности результаты. Разница в значениях угла внутреннего трения составляет около 13%. Трёхосное сжатие показывает более низкие значения угла ф, обеспечивая тем самым меньшее значение расчетного сопротивления грунта основания в будущих расчетах. При этом, поскольку существующая база данных СНиП формировалась главным образом на основе срезных испытаний, завышенные значения , полученные по методу среза, близки к приведённым в СНиП 2.02.01-83* [10] (см. таблицу). Значения угла внутреннего трения, полученного методом трехосного сжатия, значительно ниже табличных значений (на 15,8%).
Практическую значимость результатов легко показать на примере расчета фундамента, для которого изменение значения угла внутреннего трения грунта на 13% приводит к снижению расчетного сопротивления грунта более чем на 20% и увеличению требуемой ширины подошвы фундамента [8, 9, 11].
Сделанные выводы показывают необходимость более обоснованной интерпретации результатов испытаний песчаного грунта, выполненных по схеме одноплоскостного среза. Близкое соответствие результатов по схеме одноплоскостного среза и табличных значений из СНиП 2.02.01-83* [10] объясняется тем фактом, что в таблицы введены данные прочностных характеристик грунтов, полученных в стандартных испытаниях на одно-плоскостной срез. Выявленные расхождения в результатах испытаний свидетельствуют о необходимости дальнейших исследований точности определения характеристик для песчаных грунтов по разным схемам.
Для глинистого грунта из-за незначительной разницы результатов можно применять любую из рассмотренных выше схем испытаний. При этом нужно учесть, что схема одноплоскостного среза более простая и менее трудоемкая, поэтому ее и следует преимущественно использовать в стандартных испытаниях. Для песчаных грунтов рационально применять схему плоского среза из-за простоты опытов, однако при этом необходима выборочная проверка по схеме трёхосного сжатия. Поэтому рекомендуется при большом количестве серий делать основную часть испытаний по схеме одноплоскостного среза, а контрольные испытания - в стабилометре. Результаты следует корректировать на основе полученных данных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса. Пенза: ПГУАС, 2008. 696 с.
2. Ван Пинь, Пронкина Т.Н., Цимбельман Н.Я. Задача исследования прочностных свойств нескальных грунтов с использованием приборов трёхосного сжатия и прямого среза // Вологдинские чтения: материалы науч. конф. Владивосток, 2012. С. 219-220.
3. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. Введ. 2011-01-06. М.: МНТКС, 2010.
4. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификации. 1996. Введ. 1.07.1996.
5. Далматов Б.И., Бронин В.Н., Карлов В.Д. и др. Основания и фундаменты. 4.2. Основы геотехники. М.: АСВ, 2002.
6. Игнатенко К.З., Пронкина Т.Н. Механика грунтов: метод. указания к изучению дисциплины. Владивосток: ДВГТУ, 1997.
7. Игнатенко К.З., Пронкина Т.Н. Механика грунтов: метод. указания к выполнению лабораторных работ. Владивосток: ДВГТУ, 1998.
8. Кезди А. Руководство по механике грунтов. Т. 4. Применение механики грунтов в практике строительства. М.: Стройиздат, 1978. 238 с.
9. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83. М.: Стройиздат, 1986.
10. СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2003.
11. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Высш. шк., 2004. 566 с.
12. Цытович Н.А. Механика грунтов. 4-е изд. М.: Высш. шк., 1983. 288 с.
13. Braja M., Das. Principles of Foundation Engineering, 7-th ed. CL-Engineering, 2010, 816 p.
REFERENCES
1. Boldyrev G.G., Methods of determination of mechanical properties of soil, Condition of a question. Penza, PSUAC, 2008, 696 p. [Boldyrev G.G. Metody opredelenija mehanicheskih svojstv gruntov. Sostojanie voprosa. Penza: PGUAS, 2008. 696 s.].
2. Cytovich N.A., Mechanics of soil., 4 ed. M., H. S^., 1983, 288 p. [Cytovich N.A. Mehanika gruntov. 4-e izd. M.: Vyssh. shk., 1983. 288 s.].
3. CNaR 2.02.01-83*. Bases of buildings and constructions, M., 2003. [SNiP 2.02.01-83*. Osnovanija zdanij i sooruzhenij / Gosstroj Rossii. M.: GUP CPP, 2003].
4. Dalmatov B.I., Bronin V.N., Karlov V.D. and other, Bases and foundations, 4.2, Geotechnics bases. M., 2002 [Dalmatov B.I., Bronin V.N., Karlov V.D. i dr. Osnovanija i fundamenty. 4.2. Osnovy geotehniki. M., 2002.].
5. GOST 12248-2010, Soils, Laboratory methods for determining the strength and strain characteristics. 2011-01-06. [GOST 12248-2010. Grunty. Metody laboratornogo opredelenija harakteristik prochnosti i deformiruemosti. Vved. 2011-01-06. M.: MNTKS, 2010].
6. GOST 25100-95. Soils. Classification. 1996. [GOST 25100-95. Grunty. Klassifikacii. 1996].
7. Ignatenko K.Z., Pronkina T.N., Mechanics of soil, The methodical instructions to performance of laboratory works. Vladivostok, FESTU, 1997. [Ignatenko K.Z., Pronkina T.N. Mehanika gruntov: Metodicheskie ukazanija k izucheniju discipliny. Vladivostok: DVGTU, 1997.]
8. Ignatenko K.Z., Pronkina T.N., Mechanics of soil, Methodical instructions to performance of laboratory works. Vladivostok, FESTU, 1998. [Ignatenko K.Z., Pronkina T.N. Mehanika gruntov. Metodicheskie ukazanija k vypolneniju laboratornyh rabot. Vladivostok: DVGTU, 1998.].
9. Kezdi A., Guide to mechanics of soil, t. 4, Use of mechanics of soil in practice of construction. M., 1978, 238 p. [Kezdi A. Rukovodstvo po mehanike gruntov. T. 4. Primenenie mehaniki gruntov v praktike stroitel'stva. M.: Strojizdat, 1978. 238 s.].
10. The grant on design of the bases of buildings and constructions to CNaR 2.02.01-83*. M., 1986. [Posobie po proektirovaniju osnovanij zdanij i sooruzhenij k SNiP 2.02.01-83. M.: Strojizdat, 1986.].
11. Uhov S.B., Semenov V.V., Znamenskij V.V., et al, Mechanics of soil, Bases and foundations. M., H. Sch., 2004, 566 p. [Uhov S.B., Semenov V.V., Znamenskij V.V. i dr. Mehanika gruntov, osnovanija i fundamenty. M.: Vyssh. shk., 2004. 566 s.].
12. Van Pin', Pronkina T.N., Cimbel'man N.Ja, The task of research of strength properties of eath with use devices of the triaxial compression and one-plane cutting, Vologdinsky readings: materials of scientific conference. Vladivostok, 2012, 219-220 p. [Van Pin', Pronkina T.N., Cimbel'man N.Ja. Zadacha issledovanija prochnostnyh svojstv neskal'nyh gruntov s ispol'zovaniem priborov trjohosnogo szhatija i prjamogo sreza // Vologdinskie chtenija: materialy nauch. konf. Vladivostok, 2012. S. 219-220].
13. Braja M., Das., Principles of Foundation Engineering, 7-th ed. CL-Engineering, 2010, 816 p.
