Лаб.работы. Методичка. Лабораторные исследования физических и механических свойств грунтов
 Скачать 0.6 Mb.
|
|
Необходимое оборудование Приборы одноплоскостного среза с наборами гирь – 3 шт Индикаторы для измерения горизонтальных перемещений – 3 шт Образцы глинистого грунта в кольцах – 3 шт Секундомеры – 3 шт. 1 2 3 5 4 6 7 9 6 3 7 10 11 N F 8 ı IJ Рис. 5. Конструкция срезывателя прибора ГГП-30: 1 – соединительная скоба 2 – тяга 3 – фильтр для отвода воды 4 – штамп для передачи вертикальной нагрузки 5 – верхняя обойма 6 – установочные винты для соединения обойм 7 – нижняя обойма 8 – образец грунта 9 – крепежный винт с маховиком 10 – гнездо для установки срезывателя; 11 – ванна для насыщения образца грунта водой N – вертикальная нагрузка на образец грунта F – сдвигающая нагрузка σ и τ – нормальное и касательное напряжения в плоскости сдвига 30 Конструкция прибора одноплоскостного среза Для лабораторной работы используется срезной прибор ГГП-30 см. рис. 4), в котором плоскость сдвига заранее фиксирована. К основным узлам прибора относятся поворотная панель с механизмом нагрузочного устройства, обеспечивающего передачу вертикальной нагрузки N на образец грунта, и сдвигающее устройство, служащее для передачи нагрузки F на подвижную обойму. Все узлы прибора смонтированы на металлическом столе. На плите стола установлены специальная ванна для проведения сдвигов образцов грунта под водой и держатели индикаторов, замеряющих горизонтальные смещения подвижной обоймы и вертикальные смещения штампа. Срезыватель прибора установлен в средней части плиты стола 5 на поворотной панели 6 и закреплен с ней специальным винтом (см. рис. 4). Для проведения сдвигов образцов под водой срезыватель (см. рис. 5) помещают в ванну 11 и закрепляют совместно с поворотной панелью винтом 9. Срезыватель состоит из сдвигающейся верхней обоймы 5 и неподвижной нижней 7. Перед загрузкой срезывателя грунтом обоймы соединяются установочными винтами 6. Гнезда установочных винтов используются перед сдвигом образца для упорных винтов, с помощью которых создается зазор между обоймами. Зазор необходим для исключения трения обойм. На дно нижней обоймы уложен жесткий фильтр 3, служащий для отвода воды из под образца грунта. Размеры камеры срезывателя следующие диаметр d = 71,4 мм высота h = 40 мм площадь A = 40 см. На образец грунта 8, помещенный в срезыватель, устанавливается штамп 4 с верхним фильтром 3, служащий для передачи вертикальной нагрузки N непосредственно на образец. Вертикальная нагрузка на образец передается следующим образом см. рис. 4): секторный рычаг 11 с подвешенным к нему грузом 16 соединен с вертикальной рамой 10, которая с помощью винта 1, установленного в верхнем ригеле рамы, передает нагрузку на штамп. Секторный рычаг 11 соединен с рамой 10 тросом. Трос облегает шкив ползуна 12, установленного на оси рычага. Трос с рамой скреплен специальным пальцем и вилкой, ввинченной в нижний ригель рамы. Такая конструкция соединения оси рычага и шарнирное крепление верхнего ригеля рамы обеспечивает горизонтальное перемещение передающего вертикальную нагрузку устройства вовремя сдвига верхней обоймы. Перед испытанием образца грунта рычаг 11 уравновешивается противовесом Механизм горизонтальной нагрузки установлен на специальном кронштейне 20, который может перемещаться в вертикальном направлении. Такое устройство позволяет быстро совместить плоскость среза образца с плоскостью действия сдвигающей нагрузки. Горизонтальная нагрузка на верхнюю обойму передается с помощью секторного рычага, шкива, установленного на оси рычага, и троса 22, прилегающего к шкиву и соединенного с тягой верхней обоймы соединительной скобой. Рычаг 21 снабжен стопорным устройством 19, которое служит для закрепления рычага в нерабочем положении прибора или для ограничения его поворота. Соотношение плеч рычажных устройств определяется радиусами их шкивов и секторов и составляет Подготовительные работы С бор ка срезы вате ля. Нижнюю обойму 7 срезывателя монтируют на панели прибора при помощи крепежного винта 9 (см. рис. 5). 2. На дно нижней обоймы помещают жесткий фильтр 3, который покрывают кружком фильтровальной бумаги. Верхнюю обойму 5 устанавливают на нижнюю обойму 7. 4. В смонтированный срезыватель помещают цилиндрический образец грунта 8. 5. На поверхность образца укладывают кружок фильтровальной бумаги и ставят на нее жесткий фильтр 3 со штампом Предварительное обжатие грунта вертикальной нагрузкой. Проверяют все соединения загрузочного устройства. Раму 10 устанавливают упорным винтом 1 на штамп (см. рис. 4). 2. Индикатор 2 вертикального смещения штампа закрепляют на кронштейне 3 и записывают нулевой отсчет. 3. На подвеску рычага 11 укладывают груз 16, соответствующий нагрузке, которая определяется заданным нормальным напряжением σ = N / A. 32 33 4. Образец грунта выдерживают под нагрузкой N до стабилизации прекращения) вертикального смещения. Начало полной стабилизации считают с момента, когда скорость вертикального смещения штампа будет не более 0,01 мм/сут. Ход работы. Готовят форму для записи данных, получаемых входе опыта табл. Таблица Данные хода опыта по определению предельной сдвигающей нагрузки при нормальном напряжении σ = … кПа Номер ступени нагрузки Величина ступени нагрузки, Н Суммарная нагрузка = Σ Q i , Н Время от начала опыта t, мин Отсчет по индикатору, мм Деформа- ция сдвига от начала опыта, мм Прираще- ние деформации сдвига за минуту Δδ, мм 0 1 Внимание Таблица займет около двух страниц. Стопорные винты 6, соединяющие верхнюю 5 и нижнюю 7 обоймы срезывателя (см. рис. 5), вывинчивают так, чтобы концы их на 3…5 мм не доходили до выступов нижней обоймы. На верхнюю резьбовую часть винтов 6 навинчивают гайки до упора в перекладину. 4. Устанавливают индикатор горизонтальных перемещений в кронштейн так, чтобы ножка индикатора упиралась в верхнюю обойму срезно- го прибора и отсчет по малому циферблату составлял примерно 8…9 мм. Придерживая винт 6 за утолщенную часть с накаткой (чтобы он не вращался, обе гайки одновременно поворачивают на один-два оборота так, чтобы между верхней 5 и нижней 7 обоймами образовался зазор мм. Рычаг передачи горизонтальной нагрузки 21 (см. рис. 4) аккуратно соединяют тросом 22 с верхней обоймой срезывателя (со скобой 23). * Операции по пп. 2–4 обычно выполнены лаборантами при подготовке работы. Подготавливают гири для передачи на образец первой ступени сдвигающей нагрузки (вес гирь указан в табл. 7.1). В табл. 7.2 записывают величину первой ступени нагрузки и показания индикатора горизонтальных перемещений. Индикатор перемещений имеет два циферблата (рис. 6). На малом круге циферблата 1 отсчитываются целые миллиметры, а на большом 2 – доли миллиметра. Цена деления большого круга 0,01 мм тысячные доли при отсчете берутся на глаз. Отсчет снимается по черным цифрам. Отсчет на рис. 6 равен 2,258 мм. Рис. 6. Индикатор перемещений. Прикладывают гири первой ступени q 1 сдвигающей силы. Один студент укладывает на подвеску плавно, без удара, гири, а другой замечает время. Третий студент через каждые 60 с снимает отсчет (показания) по индикатору и записывает их в табл. Ступень сдвигающей нагрузки выдерживают до тех пор, пока приращение горизонтальной деформации Δδ за минуту станет не более 0,01 мм (одно деление по большому циферблату индикатора. После этого, не снимая гири первой ступени q 1 , добавляют гири второй ступени нагрузки q 2 (рис. 7). 9. Вторую и все последующие ступени сдвигающей нагрузки прикладывают и выдерживают также, как и первую ступень. Сдвигающую нагрузку увеличивают до разрушения (сдвига) образца. Разрушение фиксируют по незатухающей или увеличивающейся скорости горизонтального смещения δ верхней обоймы при постоянной нагрузке F риса Рис. 7. График изменения деформации сдвига δ во времени от горизонтальной нагрузки Рис. 8. Результаты сдвиговых испытаний связного грунта а – зависимость деформации сдвига от касательных напряжений б – график сопротивления сдвигу Начало разрушения определяют по двум признакам: деформация сдвига δ после приложения очередной ступени горизонтальной нагрузки не загасает в течение 8 мин, теза каждую из последних восьми минут деформация сдвига Δδ будет превышать 0,01 мм; суммарная деформация сдвига достигла 4 мм. Запредельную сдвигающую нагрузку F u принимают горизонтальную нагрузку перед разрушением образца (без последней ступени 1 1 где 10 – передаточное число рычага сдвигающей нагрузки. Касательное напряжение τ в плоскости сдвига, соответствующее нагрузке, принимают равным сопротивлению грунта сдвигу приданном нормальном напряжении где A – площадь поверхности сдвига, равная 40 см 2 Обработка результатов испытаний Обработка результатов испытаний заключается в определении сопротивления грунта сдвигу τ u при вертикальных напряжениях σ 1 , σ 2 и и построении графика зависимости τ u = f (σ). 1. Результаты всех сдвиговых испытаний заносят в табл. Таблица Результаты определения сопротивления грунта сдвигу Номер бригады Нормальное напряжение в плоскости сдвига σ i , кПа Величина предельной горизонтальной нагрузки, Н Сопротивление грунта сдвигу, кПа 1 100 2 200 3 300 10 , 36 37 2. Значения угла внутреннего трения грунта φ и удельного сцепления c вычисляют путем статистической обработки опытных данных методом наименьших квадратов по формулам ГОСТ 12248–2010: ; tg 2 , , i i i i i u i i u n n где n – количество определений τ u 3. График зависимости τ u = f (σ) строят в одинаковом масштабе для τ u и σ. При построении рекомендуется принять следующий масштаб 5 см = 100 кПа (см. рис. 8, б). Лабораторная работа № ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ ПЕСКА И ГЛИНИСТОГО ГРУНТА (ГОСТ Сжимаемость грунта – это его способность уменьшаться в объеме в результате более плотной переупаковки частиц под действием нагрузки. Модуль деформации E является одним из показателей сжимаемости грунта и используется при расчете деформаций оснований. В отличие от модуля упругости, он учитывает не только упругие, но и пластические (остаточные) деформации. По модулю деформации дисперсные грунты классифицируются согласно ГОСТ 25100–2011 (табл. Таблица Классификация грунтов по деформируемости Разновидность грунтов Модуль деформации, МПа Очень сильнодеформируемые E ≤ 5 Сильнодеформируемые 5 < E ≤ 10 Среднедеформируемые 10 < E ≤ 50 Слабодеформируемые E > В лабораторных условиях модуль деформации определяют, используя стабилометры (приборы трехосного сжатия) или одометры (компрессионные приборы). Для определения модуля деформация в полевых условиях применяют прямые и косвенные методы. К прямым методам относятся испытания грунта штампами и прессиометрами (ГОСТ 20276–99). В этих методах модуль деформации получают расчетом на основе экспериментальных данных. При использовании косвенных методов, среди которых статическое и динамическое зондирование (ГОСТ 19912–2012), модуль деформации оценивают по корреляционным (статистическим) зависимостям (СП 11-105–97. Часть 1. Приложение ИВ настоящей лабораторной работе требуется определить модуль деформации песка и глинистого грунта в условиях компрессионного сжатия, при котором деформирование грунта происходит в вертикальном направлении без возможности горизонтального расширения. В небольшом интервале напряжений, когда деформирование грунта можно считать линейным, справедлив обобщенный закон Гука: , 1 z y x x E ; 1 z x y y E ; 1 y x z z E где ε x , ε y и ε z – относительные деформации вдоль осей x, y и z соответственно модуль деформации, кПа; ν – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона σ x , σ y и σ z – нормальные напряжения вдоль осей x, y и z соответственно, кПа. В условиях компрессионного сжатия грунта горизонтальные деформации невозможны, поэтому 0 y x Так как для опыта используется образец грунта цилиндрической формы, то 0 y x tg с ; , 38 Подставляя последние два условия в обобщенный закон Гука, получаем формулу для вычисления модуля деформации грунта , v m E причем ; 1 2 1 где β – безразмерный коэффициент, учитывающий невозможность бокового (поперечного) расширения грунта в условиях компрессионного сжатия m v – коэффициент сжимаемости грунта, кПа −1 ; ε z – относительная вертикальная деформация σ z – вертикальное напряжение, вызвавшее деформацию ε z , кПа. Коэффициент Пуассона грунта ν определяют в стабилометрах, используя формулу , z y z x или с помощью компрессионных приборов, измеряющих горизонтальные напряжения в грунте, исходя из соотношения 1 z y x При отсутствии экспериментальных данных ГОСТ 12248–2010 допускает использовать следующие значения коэффициента β: 0,8 – для песков 0,7 – для супесей; 0,6 – для суглинков 0,4 – для глин. Результаты исследования сжимаемости грунта представляют в виде компрессионных кривых (рис. 9). Компрессионные кривые – это графики зависимости коэффициента пористости e или относительной вертикальной деформации ε от вертикального напряжения (давления p). Чем больше угол наклона секущей к компрессионной кривой, тем более сжимаем грунт. Коэффициенты пористости e для построения компрессионной кривой определяют по изменению входе опыта высоты образца грунта Рис. 9. Компрессионные кривые к расчету коэффициентов сжимаемости и m v и одометриче- ского модуля деформации Если считать частицы грунта и воду несжимаемой, то уменьшение объема грунта под давлением p возможно только за счет сокращения объема пор. В таком случае объем твердых частиц грунта дои после уплотнения не изменяется. Учитывая, что относительное содержание твердых частиц грунта m связано с коэффициентом пористости e соотношением объем твердых частиц грунта дои после приложения нагрузки составит 1 1 где h – высота образца грунта до приложения нагрузки A – площадь поперечного сечения образца e 0 – коэффициент пористости образца до приложения нагрузки и e i – осадка и коэффициент пористости образца грунта после приложения нагрузки p i , 40 41 Преобразуя последнее равенство, получаем формулу для вычисления коэффициента пористости после приложения нагрузки p i : 1 0 0 Кроме определения модуля деформации, в данной работе изучается характер развития осадки песка и глинистого грунта во времени. Деформации образца песка происходят очень быстро и завершаются (стабилизируются) в течение нескольких минут. Деформации образца глинистого грунта развиваются медленно и заканчиваются через несколько часов (около суток. Аналогично в натурных условиях осадка зданий на песчаном основании завершается за период строительства, а на глинистом – продолжается много лет. Необходимое оборудование и материалы Рычажные прессы для приложения нагрузки – 4 шт Одометры с глинистым грунтом – 2 шт Одометры с песком – 2 шт Индикаторы для измерения деформаций – 8 шт Секундомеры – 4 шт. Подготовительные работы Уплотнение образцов грунта происходит в металлических рабочих кольцах одометров без возможности его бокового расширения (рис. 10). Высота образца грунта h = 20 мм, а площадь торцевой поверхности A = = 60 см 2 При подготовке опыта из монолитов грунта в кольца были отобраны образцы песка и глинистого грунта ненарушенной структуры, а в бюксы взяты пробы грунта для определения влажности. Рабочие кольца с грунтом до компрессионных испытаний были взвешены, после чего рассчитана плотность грунтов (см. лабораторную работу № 2). По влажности и плотности определены начальные коэффициенты пористости e 0 песка и глинистого грунта (см. лабораторную работу № Одометры с грунтом были установлены под рычажные прессы. До приложения нагрузки (при p 0 = 0 кПа) были поставлены индикаторы и записаны исходные отсчеты по ним. Затем к образцам была приложена первая ступень нагрузки, созданная весом гирь 30 H и соответствующая давлению p 1 = 50 кПа (см. табличку у прибора. При этом давлении образцы уплотняли в течение суток (t = 24 ч) до полной стабилизации осадок. Рис. 10. Установка для компрессионных испытаний грунтов 1 – одометр с грунтом 2 – рама для передачи нагрузки на грунт 3 – рычаг 4 – гири 5 – индикатор 6 – образец грунта 42 Ход работы. Подготавливают форму для записи данных, получаемых входе испытания (табл. 8.2). 2. Переносят показания индикаторов при p 0 = 0 кПа в табл. 8.2 см. табличку у приборов. Эти же отсчеты дублируют в следующей строке при p 1 = 50 кПа и t = 0. 3. При давлении p 1 = 50 кПа (перед приложением второй ступени нагрузки) снимают и записывают в таблицу отсчеты по индикаторам. Эти же отсчеты дублируют в следующей строке при p 2 = 200 кПа и t = Все отсчеты берут с точностью до 0,001 мм. Таблица Результаты измерения деформаций грунтов Интенсив- ность давления, кПа Время от начала приложения данной ступени давления Отсчеты по индикаторам, мм Нарастание деформаций от второй ступени давления, мм Полная деформация приданном давлении Δh i , мм Л евый Правый Сре днее арифметическое Глинистый грунт = 0 — — Δh 0 = 0 p 1 = 50 0 — 24 ч = p 2 = 200 0 0,000 1 мин мин мин мин мин мин мин мин Интенсивность давления, кПа Время от начала приложения данной ступени давления Отсчеты по индикаторам, мм Нарастание деформаций от второй ступени давления, мм Полная деформация приданном давлении Δh i , мм Л евый Правый Сре днее арифметическое Песок = 0 — — Δh 0 = 0 p 1 = 50 0 — 24 ч = p 2 = 200 0 0,000 1 мин мин мин мин мин мин = 4. Прикладывают (добавляют) вторую ступень нагрузки к образцу глинистого грунта. Для этого на подвеску рычага плавно опускают гири весом 90 H (давление доводят до p 2 = 200 кПа), в этот момент замечают время по секундной стрелке. Опыт с образцом песка начинают через 10…15 мин после начала испытания образца глинистого грунта. Через 1 мин два наблюдателя берут первый отсчет одновременно по двум индикаторам. При этом первые цифры отсчета замечают заранее, а в момент снятия отсчета уточняют последние цифры (сотые и тысячные. Точно также берут последующие отсчеты в моменты времени, указанные в табл. Время отсчитывают от начала приложения второй ступени нагрузки. Окончание табл. 8.2 44 45 6. Одновременно с занесением в табл. 8.2 отсчетов по индикаторам заполняют все остальные ее графы. В стб. 5 вносят средние арифметические значения из показаний двух индикаторов. Для получения величин деформаций во времени (стб. 6) от воздействия второй ступени давления (Δp = p 2 – p 1 , кПа) нужно из среднего значения при t = 0 вычитать последовательно средние значения для моментов времени t = 1, 2, 3 мини т. д. При t = 0 деформация s = 0. 7. Для получения полной деформации при каждой величине давления (стб. 7) нужно из среднего значения отсчетов при p 0 = 0 (в этот момент деформации Δh 0 = 0) последовательно вычесть средние значения при p 1 ив момент окончания опыта. Ниже приводится пример заполнения табл. 8.2 при p 1 = 50 кПа и p 2 = = 200 кПа (табл. Таблица Пример заполнения табл. Интенсивность давления, кПа Время от начала приложения данной ступени давления Отсчеты по индикаторам, мм Нарастание деформаций от второй ступени давления, мм Полная деформация приданном давлении Δh i , мм Л евый Правый Сре днее арифметическое Глинистый грунт = 0 — 3,050 4,450 3,750 — Δh 0 = 0,000 p 1 = 50 0 3,050 4,450 3,750 — 24 ч 3,980 3,250 — Δh 1 = 0,500 p 2 = 200 0 2,520 3,980 3,250 0,000 1 мин 3,774 3,052 0,198 … … … … … 60 мин 3,320 2,570 0,680 Δh 2 = Нужно иметь ввиду, что от второй ступени давления деформации глинистого грунта не успевают завершиться за время проведения опыта, и величина деформации при t = 60 мин, условно принимается за конечную. |