УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ И ДАВЛЕНИЯ НАБУХАНИЯ В ГЛИНИСТОМ ГРУНТЕ

Изобретение относится устройствам для исследования и анализа прочностных свойств твердых материалов, а именно грунтов, путем приложения к ним механических усилий и может быть использовано в строительстве при инженерно-геологических изысканиях для определения физико-механических свойств грунтов.
Известно, что в глинах, особенно в пылеватых и жирных, имеет место под действием нагрузки постепенное снижение прочности. Такое явление отражает реологические свойства глинистого грунта, оно было названо «ползучестью». Реологические свойства отражают изменение напряженно-деформированного состояния грунта во времени. В глинистых грунтах они проявляются в их способности медленно пластически деформироваться во времени (ползучесть) со снижением прочности при неизменном напряженном состоянии иногда при нагрузках меньше, чем разрушающие, в уменьшении напряжения (релаксация) в результате подвижек частиц грунта. Явление ползучести проявляется в релаксации напряжений.
Основной характеристикой для оценки ползучести служит предел допустимой ползучести, или предел ползучести, определяемый по скорости ползучести или по суммарной деформации или по величине релаксации напряжений. Таким образом, пределом ползучести является максимальное напряжение, при котором достигается установившаяся ползучесть. Снижение прочности глинистых пород во времени может достигать 70% (от условно мгновенной при быстром сдвиге) и до 10-50% при стандартном консолидированном сдвиге. Снижение прочности происходит из-за расслабления (релаксации) сил сцепления.
Известны устройства для определения длительной прочности грунтов.
В качестве показателя ползучести предложен коэффициент динамической ползучести, который зависит от консистенции глинистого грунта, а при влажности более оптимальной - от коэффициента увлажнения. (Добров Э. М., Львович Ю. М., Кузахметова Э. К. и др. Глинистые грунты повышенной влажности в дорожном строительстве. - М. Транспорт, 1992. - 240 с,)Методика оценки коэффициента динамической ползучести базируется на испытаниях глинистого грунта по какой либо из методик «длительного сдвига»: на сдвиговых приборах, на приборах кольцевого сдвига, на перекашивающих приборах, на стабилометрах, по методу шарика. Во всех этих опытах главным условием является предохранение грунта от высыхания. Целью испытания является получения зависимости скорости разрушения образца от касательных напряжений τ при постоянном вертикальном давлении p. На основании установленной зависимости решается вопрос о том, наступает ли стабилизация, является ли ползучести установившейся или прогрессирующей.
Реологические свойства грунтов рассмотрены и в работе Ломтадзе В.Д (Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология - Л.:
«Недра», 1984, 511 с.).
При расчете устойчивости грунтовых массивов, сложенных такими грунтами, необходимо вводить понижающие коэффициенты в характеристики прочности и предусматривать возможность образования оползней на откосах.
Известны приборы для компрессионных испытаний грунтов содержащие цилиндрический корпус, рабочие кольца для размещения образцов грунта, верхний и нижний штампы, средство для создания вертикальной нагрузки и измерители деформации (АС №1157156, МПК E02D 1/0, 1985), с целью ускорения испытаний кольца могут быть выполнены деформирующимися и разного диаметра (АС №1610377, МПК G01N 3/08, 1989), для обеспечения жесткости конструкции и проведения полного водонасыщения образцов, прибор может быть выполнен из трех разъемных
секций, а верхние штампы выполнены в виде емкостей для заливки воды (Патент RU №2045756, МПК G01N 3/08,1995).
Известна установка для испытания грунтов в режиме релаксации для определения характеристик ползучести, длительной прочности мерзлых грунтов (Вялов С.С.и др. Методика определения характеристик ползучести, длительной прочности и сжимаемости мерзлых грунтов. М.: Наука, 1966, с.100-103), содержащая упорную и силоизмерительную конструкции, механизм осевого нагружения и средство измерения давления и деформации. Для передачи усилия от нагрузочного устройства на образец грунта служит образцовый динамометр. С целью уменьшения длительности испытаний и повышения точности результатов измерений предложено новое конструктивное выполнение верхней балки и новое размещение средств измерения, что исключило возможность использования пружинного динамометра (патент RU №2245963, МПК E02D 1/00, 2005).
Известны методы измерения величины и давления набухания грунта при его увлажнении, например, метод, изложенный в ГОСТе 24143-80 (87) "Метод лабораторного определения набухания и усадки". Давление набухания можно измерять на компрессионных приборах.
Общим недостатком всех существующих устройств для испытаний грунта на ползучесть является их очень большая трудоемкость и продолжительность во времени, а в некоторых случаях - необходимость испытания нескольких образцов. Результат испытания зависит от толщины испытываемых образцов. Большая продолжительность испытания (недели, месяцы, а иногда и годы) объясняется длительностью процесса консолидации и ползучести, она примерно пропорциональна квадрату толщины образца. Испытание одного тонкого образца существенно увеличивает погрешность измерения. Кроме того, набухание и давление набухания имеют трехмерный характер, и на результат испытания влияет наличие жестких колец, в которых размещены образцы грунта. Суммарным отрицательным фактором при
испытании грунта на ползучесть(релаксацию напряжений) и набухание является невозможность их совмещения при испытании одного образца.
Наиболее близким является устройство для испытания образков на сжатие, предназначенное для реализации релаксационного способа определения длительной прочности мерзлых грунтов, содержащее несущую плиту, соединенную с помощью вертикальных стоек с поперечной балкой, на которой смонтирован механизм осевого нагружения, и динамометра (АС.№161133, 1964). Согласно этому способу испытания проводят на одном образце, который нагружают с начальной величиной сжатия, близкой к временному сопротивлению образца.
Недостатком этого устройства является невозможность исследования на одном образце свойства ползучести и способность грунта к набуханию, конкретно, измерение на одном образце коэффициента релаксации и давления набухания; процесс испытания длителен.
Задачей изобретения является совмещение определения ползучести грунта (релаксации напряжений) с измерением давления набухания при испытании одного образца.
Техническим результатом является снижение продолжительности испытания без увеличения погрешности.
Технический результат достигается тем, что устройство для определения длительной прочности и давление набухания в глинистом грунте состоит из основания, рамы, с закрепленным на ней механизма осевого нагружения и динамометра, согласно изобретению, оно дополнительно снабжено жесткими вставками, влагоемкими оболочка и резервуаром для испытываемого образца, установленным на основании.
Расчленение образца грунта на тонкие пластины и разделение их жесткими вставками позволило отказаться от жестких колец, которые снижают точность измерений.
На фиг.1 представлено устройство, общий вид; на фиг 2 - график изменения показаний динамометра во времени.
Устройство состоит из основания 1, на котором установлен резервуар 2, рамы 3, с закрепленным на ней механизмом осевого нагружения 4 с динамометром 5, жестких вставок 6 и влагоемких оболочек 7 для размещения в них пластин образца.
Испытания выполняют следующим образом. Образец грунта ненарушенной структуры высотой 15-30 мм, диаметром 35 мм разрезается на тонкие пластинки (рекомендуется толщина 3 мм), которые помещаются во влагоемкие оболочки 7 (ткань, тонкий картон); между ними укладываются жесткие вставки 6 (промежуточные поршни). Этот пакет, в который превратился бывший образец грунта, устанавливается в резервуар 2, и на него с помощью механизма осевого нагружения 4 и динамометра 5 передают заданное давление. Если образец был взят из грунта нарушенной структуры, то пластины формуются с помощью шаблона. Выбирая толщину пластин 3 мм исходили из того, что пластины меньшей толщины изготовить трудно, а при большей толщине усложняется пропитка грунта водой. Как показали испытание оптимальное количество пластин в пакете 5-10 штук.
В результате релаксации напряжений в грунте, индикатор на динамометре 5 покажет падение давления, которое постепенно стабилизируется (время стабилизации в разных грунтах может равняться минутам или часам). После этого в резервуар 2 подается вода. Грунт набухает, индикатор на динамометре 5 показывает рост давления. Изменение давления при увлажнении и является давлением набухания. По результатам испытания строится график в координатах давление (по показанию динамометра) - время, по которому определяются искомые величины (релаксация напряжений и давление набухания).
Были проведены испытания реального образца грунта, разделенного на пять пластинок, с границей (суглинок с границей текучести 32%, границей раскатывания 17% при влажности, соответствующей тугопластичной консистенции). Результаты испытаний приведены на фиг.2. Достаточно четкий перелом кривой уплотнения на первом этапе испытания
2
2
свидетельствует о том, что деформация образца прекратилась с завершением фильтрационной консолидации, что свидетельствует о практическом отсутствии у данного грунта свойства ползучести при внешнем давлении (100 Н / 10 см), равном 100 кПа. По результатам испытания общая релаксация составила 100-61=39 Н, коэффициент релаксации равен 39/100=0,39. Усилие набухания составило 143-61=81 Н, что при площади образца. 10 см соответствует капиллярному давлению 81 кПа.
Следует отметить следующие важные факторы.
1. В классических опытах на релаксацию должно быть обеспечено постоянство начальной деформации образца, в наших опытах допускается некоторое развитие деформаций за счет распрямления динамометра, однако здесь ошибка невелика, так как жесткость динамометра на порядок выше сжимаемости грунта.
2. Наиболее эффективно на этом устройстве испытание грунта нарушенной структуры, когда пластинки из грунта можно изготавливать с помощью специального шаблона, при этом легко удаляются твердые включения размером более 0,2-0,5 мм.
3. По величине релаксации напряжений достаточно просто оценить склонность грунта к ползучести. У грунтов, не обладающих свойством ползучести стабилизация наступает в течение десятков минут, у грунтов подверженных ползучести достижение стабилизации затягивается, на несколько часов. У таких грунтов ползучесть проявляется даже в твердом состоянии.
4. По измеренной величине давления набухания могут быть рассчитаны деформации дорожных насыпей (подъем верха насыпи) при их подтоплении паводками или, наоборот, опускание поверхности насыпей при подсыхании грунтов откосов.
Использованная литература
1. Гольдштейн М.Н. и Бабицкая С.С.Расчет устойчивости откосов с учетом ползучего сдвига // Вопросы геотехники. - М.: Транспорт, 1964, №7. - С.83-95.
2. Гольдштейн М. Н. Механические свойства грунтов. М. Стройиздат, 1971, Некоторые вопросы реологии грунтов // Тр. координационных совещаний по гидротехнике. - Л.: Энергия, - Ленингр. отд-ние, 1968. Вып.68. - С.47-54.
3. Добров Э.М., Чепланова Р.Е.  -Учет факторов переувлажнения грунтов в конструкциях насыпей автомобильных дорог.// Повышение качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР / Областной совет НТО. - Владимир, 1982. - С.7-9.
4. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. Изд. 2. - М.: Высшая школа, 1968. - 629 с.
5. Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. - М.: Недра, 1975. - 303 с.