СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ В РЕЖИМЕ РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ
DETERMINATION METHOD OF SOIL STRENGTH CHARACTERISTICS IN STRESS RELAXATION MODE

Изобретение относится к определению прочностных характеристик грунтов - угла внутреннего трения ϕ и сцепления с при инженерных изысканиях в строительстве при испытаниях грунтов в срезных приборах, приборах истинного сдвига (скашивания) и приборах трехосного сжатия.
Известен «динамометрический метод нагружения» [2], применительно к одноосным испытаниям мерзлых грунтов. Способ заключается в ступенчатом деформировании образца при возможности его неограниченного бокового расширения. Нагружение образца осуществляют посредством винтового пресса через динамометр до достижения условной стабилизации напряжения и деформации на каждой ступени.
Недостатками известного решения являются ограничение области его применения мерзлыми грунтами, а отсутствие предварительного уплотнения грунта при одноосных испытаниях не предусматривает получения прочностных характеристик грунта - угла внутреннего трения и сцепления.
Известен также способ определения прочностных характеристик грунтов в режиме нагружения с заданной скоростью перемещений [1]. Способ заключается в испытании предварительно уплотненного различными нагрузками образца с заданной скоростью перемещений. Скорость перемещений выбирается с учетом гарантированного рассеивания перового давления в процессе нагружения. Испытания могут производиться как в условиях осесимметричного нагружения в приборах трехосного сжатия (фиг.1), так и в условиях среза по заданной плоскости в сдвиговых приборах (фиг.2) или в приборах скашивания.
По результатам испытаний строят график разрушения в координатах ε=f(σ) для трехосных испытаний и ε=f(τ) (фиг.3), где ε - относительная деформация образца, σ - вертикальное напряжение (для трехосных испытаний), τ - касательное напряжение (при срезных испытаниях и испытаниях на скашивание).
Недостатком данного решения также является низкая производительность испытаний в связи с их высокой продолжительностью.
Технической задачей изобретения является существенное сокращение сроков определения прочностных характеристик грунтов.
Для решения поставленной задачи испытания грунтов по определению характеристик прочности в приборах трехосного сжатия, одноплоскостного среза или в приборах скашивания производят в режиме релаксации напряжений (по аналогии с определением деформационных характеристик грунтов [3]). Предварительно, осуществляется консолидация образца грунта разными нагрузками до достижения критерия условной стабилизации. Затем путем ступенчатого задания перемещений производят разрушение 3 образца грунта. При этом на каждой ступени нагружения после приложения заданной величины перемещения происходит падение напряжений в режиме свободной релаксации. При этом фиксируется изменение напряжения и дополнительной деформации посредством датчиков перемещений и динамометров, обозначенных на фиг.1, 2 буквой «Д».
Завершение ступени определяется по завершению процесса фильтрационной консолидации в соответствии с критерием ГОСТ 12248-2010 [1] или по графику зависмости деформации от логарифма скорости деформации (фиг.4). Критерием завершения ступени разгрузки в этом случае является скорость деформации, соответствующая точке пересечения двух прямых, проведенных к начальному и конечному участку графика.
Также можно проверить завершение процесса фильтрационной консолидации по графику зависимости напряжения от логарифма скорости падения напряжения. В этом случае критерием завершения ступени будет скорость изменения напряжения, соответствующая точке пересечения двух прямых, проведенных к начальному и конечному участку графика зависимости напряжения от логарифма скорости падения напряжения.
После достижения критерия стабилизации прикладывается очередная ступень перемещения и так далее до разрушения.
По стабилизированным значениям перемещений и напряжений строят график разрушения в координатах ε=f(σ) для трехосных испытаний и ε=f(τ) для сдвиговых (фиг.5). Испытание завершается при достижении максимальной условной деформации образца на 15% для трехосных испытаний и на 10% для срезных испытаний [1], или в приборах скашивания.
По максимальным значениям разрушающих напряжений строится диаграмма Кулона-Мора (фиг.6, 7), по которой определяются значения с и ϕ.
Испытание по определению прочностных характеристик грунтов в режиме релаксации напряжений резко сокращает продолжительность испытания в целом.
Продолжительность испытаний грунтов на прочность по методу МРН (в режиме релаксации напряжений) можно дополнительно сократить принудительным сбросом давления на этапе релаксации.
Наибольшее время при испытании грунта по методу МРН занимает процесс релаксации напряжения и сопровождающее его дополнительное деформирование образца εΔ за счет упругой разгрузки (ВС, фиг.1…3). При этом чем выше жесткость оборудования (нагрузочная система + динамометр), тем меньше εΔ и быстрее идут процессы релаксации. Однако добиться необходимой точности измерения напряжений при высокой жесткости динамометра не всегда удается. Процесс релаксации можно ускорить ступенчатым принудительным сбросом σ. На фиг.8 приведен график зависимости ε от σ в поцессе принудительного сброса σ.
Участку BD соответствует процесс свободной релаксации, участку DE - принудительного сброса σ. Процесс сброса σ повторяется до достижения принятого критерия стабилизации (точка С’), что позволяет более эффективно использовать оборудование с низкой жесткостью и сократить сроки испытаний. Из фиг.9 видно, что время T1, затраченное на испытание с принудительным сбросом полного напряжения σ, значительно меньше времени T2 без сброса напряжения.
Предложенный способ опробован на различных разновидностях грунтов природного и нарушенного сложения и показал полное соответствие результатов с параллельными испытаниями по ГОСТ [1].
Определение параметров прочности - угла внутреннего трения ϕ и сцепления с по предложенному способу решает поставленную задачу по сокращению сроков проведения испытаний в несколько раз. Способ имеет промышленную применимость благодаря существенным отличиям от прототипа и других известных решений, поэтому, по мнению автора, может быть защищен патентом.
Источники информации
1. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: Стандартинформ, 2011 г.
2. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов / М.: Высшая школа, 1978, 447 с.
3. Патент RU №2272101 C1, 25.08.2004. Способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов. Труфанов А.Н.