Лабораторные работы. Сборник лабораторных работ. Сборник лабораторных работ Издание второе, исправленное и дополненное Хабаровск Издательство двгупс 2003

• Название: Сборник лабораторных работ Издание второе, исправленное и дополненное Хабаровск Издательство двгупс 2003
• Анкор: Лабораторные работы
• Дата: 02.09.2021
• Размер: 0.99 Mb.
• Имя файла: Сборник лабораторных работ.doc
• Тип: Сборник; #228955
• страница: 5 из 8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СДВИГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТА
НА ПРИБОРЕ ОДНОПЛОСКОСТНОГО СРЕЗА

4.1. Основные положения

Сопротивление грунтов сдвигу является их важнейшим прочностным показателем. Его необходимо знать для расчета устойчивости и прочности оснований, оценки устойчивости откосов, расчета давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов.

Разрушение грунта основания под фундаментом сооружения наступает, если действующие здесь касательные напряжения превышают сопротивление грунта сдвигу. Разрушение проявляется в виде скольжения (сдвига) грунтовых агрегатов или отдельных частиц относительно друг друга.

Сопротивление грунта сдвигу обусловливается силами трения и сцепления (связности). И хотя четкого разделения сопротивления сдвигу на силы трения и сцепления не существует, прочностными (сдви­говыми) характеристиками грунта являются удельное сцепление С, МПа, и угол внутреннего трения , град. Эти характеристики являются параметрами линейной зависимости  = f(p), которая была установлена в 1773 г. Ш. Кулоном. Для песчаных грунтов эта зависимость выражается формулой
 = p tg  , (4.1)
где  – сопротивление грунта сдвигу (срезу), МПа; p – вертикальное давление на грунт, МПа; tg  – коэффициент внутреннего трения;  – угол внутреннего трения, град.

Сопротивление песчаных грунтов сдвигу – это сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению. Силы сцепления в сыпучих грунтах незначительны и ими часто пренебрегают.

Графически указанная зависимость изображается прямой, проходящей через начало координат (рис. 4.1).


Рис. 4.1. График зависимости сопротивления сдвигу от вертикального давления: 1 – песчаный грунт; 2 – глинистый грунт
В глинистых грунтах сопротивление сдвигу рассматривается как сумма сопротивлений трению и сцеплению частиц грунта, не зависящего от давления, т. е.

 = p tg  + C, (4.2)
где С – удельное сцепление грунта, МПа.

Графически указанная зависимость изображается прямой, отсекающей отрезок на оси ординат. Угол внутреннего трения является углом наклона этой прямой к оси абсцисс.

Сдвиговые характеристики С и  определяются экспериментальным путем в полевых или лабораторных условиях. Сопротивление сдвигу одного и того же грунта непостоянно и зависит от физического состояния грунта, от условий проведения испытаний. Для получения достоверных результатов испытания на сдвиг должны всегда проводиться в условиях, максимально приближенных к условиям работы грунта под сооружением или в самом сооружении.

Стандартная методика лабораторного определения сопротивления сдвигу песчаных и глинистых грунтов устанавливается Государственным общесоюзным стандартом. Согласно этой методике  определяется испытанием образцов грунта на одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза.

Определение сопротивления грунтов сдвигу производится методами:

– консолидированного (медленного) сдвига, при котором до приложения сдвигающего усилия образец уплотняют соответствующим вертикальным давлением. Испытание проводится в условиях свободного оттока воды (дренирования). Метод применяется для исследования грунтов в условиях уплотненного состояния и дает возможность оценить прочность основания построенного сооружения;

– неконсолидированного (быстрого) сдвига, при котором сдвигающее усилие прикладывается без предварительного уплотнения образца в условиях отсутствия дренирования. Метод применяется для исследования грунтов в условиях нестабилизированного состояния (для суглинков и глин при степени влажности S_r  0,85 и показателе текучести J_L  0,5).

Определение  необходимо производить не менее чем при трех различных величинах вертикального давления p на трех образцах грунта, вырезанных из одного однородного по строению и составу монолита или в необходимых случаях на образцах, подготовленных в лаборатории.

4.2. Определение сдвиговых характеристик методом
неконсолидированного среза

Необходимое оборудование: одноплоскостной срезной прибор (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема одноплоскостного сдвигового прибора ПС-10: 1 – индикатор деформации образца грунта; 2 – жесткие перфорированные сплошные штампы для передачи нормального давления на образец; 3, 4 – рабочее кольцо, состоящее из двух полуколец; 5, 6 – срезная коробка, состоящая из неподвижной части и подвижной каретки; 7 – механизмы для создания вертикальной и горизонтальной нагрузок

• Подготовка к испытанию

На учебном занятии используется приведенный в рабочее положение прибор с установленным для испытания в срезную коробку первым образцом грунта.

Стрелку индикатора, регистрирующего горизонтальную деформацию, устанавливают на ноль.

• Порядок выполнения работы

1. Испытания проводят на трех образцах грунта при различных величинах вертикального давления. На образец грунта прикладывают вертикальное давление p, при котором будет производиться сдвиг образца.

Для глинистых грунтов с показателем текучести 0,5  J_L< 1,0 вертикальное давление принимается равным 0,05; 0,1; 0,15 МПа.

2. После приложения вертикального давления приводится в действие механизм для создания горизонтального давления. Прикрепляется рычаг с подвеской для гирь, выкручиваются горизонтальные упорные винты каретки. Горизонтальное давление _i прикладывают ступенями, величина которых не должна превышать 10 % от вертикального. На учебных занятиях ступени горизонтального давления принимают равными 0,01 МПа и прикладывают их через 30 с.

Первая ступень ₁ создается весом рычага горизонтального давления с подвеской и равна так же 0,01 МПа.

Масса гирь на подвеске рычага m₁ для создания очередной ступени горизонтального давления _i определяется по формуле
m_i = , (4.3)
где F – площадь образца, см²; К₁ – коэффициент соотношения плеч рычага горизонтального давления.

3. Испытание считается законченным, если при приложении очередной ступени горизонтального давления происходит мгновенный сдвиг одной части образца по отношению к другой или общая деформация сдвига достигнет 5 мм.

• Обработка результатов

По результатам испытания трех образцов в журнале лабораторных работ строится график зависимости  = f(p) в соответствии с рис. 4.1.

Прочностные характеристики грунтов – угол внутреннего трения  с точностью до 1 ⁰ и удельное сцепление С с точностью до 0,001 МПа определяют по формулам:
tg  = , (4.4)
С = ₁ – p₁ tg , (4.5)
где индексы при  и р соответствуют номерам образцов.

Результаты вычислений записывают в журнал.
Вопросы для самоконтроля

1. Назовите прочностные (сдвиговые) характеристики грунтов.

2. Какие существуют методы определения сопротивления сдвигу?

3. Когда применяется метод неконсолидированного сдвига?

4. В чем сущность метода консолидированного сдвига?

5. Как проводится испытание грунта по методу неконсолидированного сдвига?

6. Как проводится обработка результатов сдвиговых испытаний?

7. Как определить тип грунта по внешнему виду прямой  = f(p)?

8. От чего зависят значения сдвиговых характеристик грунтов?

9. Где используются прочностные характеристики грунтов?

10. Под воздействием каких факторов могут изменяться величины  и С?

4.3. Задачи и решения

Задача 1. Определить прочностные характеристики полутвердого суглинка, если при испытании его на сдвиг были получены следующие результаты:

1) при вертикальном давлении p₁ = 0,1 МПа сопротивление сдвигу
₁ = 0,065 МПа;

2) при p₂ = 0,2 МПа ₂ = 0,105 МПа;

3) при p₃ = 0,3 МПа ₃ = 0,145 МПа.

Решение

1. Определяем коэффициент внутреннего трения tg  и значение  по формуле (4.4).
tg = = = 0,4 и угол  = 22⁰.
2. Определяем удельное сцепление
С = ₁ – p₁ tg  = 0,065 – 0,1  0,4 = 0,025 МПа.

Задача 2. Определить объем штабеля песка в виде пирамиды, который может поместиться на отведенной квадратной площадке со сторонами 20 м. При испытании песка на сдвиг под давлением p = 0,1 МПа получено сопротивление его сдвигу  = 0,068 МПа.

Решение

1. Объем штабеля песка, имеющего форму пирамиды (рис. 4.3), может быть определен по формуле

V

Рис. 4.3. Схема определения угла внутреннего трения

= H B²,
где B – сторона квадратной площадки; H – высота штабеля, которую требуется определить.

2. 
   Определяем коэффициент внутреннего трения tg  из формулы (3.9) и значение угла внутреннего трения .
   

tg  = = = 0,68, угол  = 33 30'.
3. Приравниваем угол внутреннего трения песка к углу естественного откоса штабеля песка, т.е. принимаем  = = 33⁰30'. Это соответствует заложению откоса штабеля
.
Тогда высота штабеля песка
Н = = 6,65 м.
4. Определяем объем песка, который может поместиться на отведенной площадке

V = 6,65  20² = 885 м³.
Задача 3. Для установления допустимой нагрузки на песчаный грунт в основании опоры моста появилась необходимость определить для него угол внутреннего трения и коэффициент сцепления. Результаты испытания этого песка на сдвиговом приборе следующие:

1) при p₁ = 0,1 МПа ₁ = 0,06 МПа;

2) при p₂ = 0,2 МПа ₂ = 0,12 МПа;

3) при p₃ = 0,3 МПа ₃ = 0,18 МПа.

1. Определяем угол внутреннего трения песка по формуле (4.4)
tg = = = 0,6, угол  = 31.
2. Определяем коэффициент сцепления по формуле (4.5)
С = ₁ – p₁ tg  = 0,06 – 0,1  0,6 = 0.