способ определения сцепления грунтов при оценке их длительной прочности

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ИХ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ, включающий приложение к образцам грунта с ненарушенным сложением нормальных и сдвигающих нагрузок с их замером и регистрацией перемещений в плоскости сдвига и расчет по полученным данным общего и структурного сцепления, отличающийся тем, что , с целью повышения достоверности получаемых результатов, дополнительно испытывают образцы того же грунта с ненарушенным и нарушенным сложением на свободное набухание с измерением величин набухания и образцы с ненарушенным сложением - шариковым штампом с измерением величины погружения штампа под нагрузкой в течение заданного промежутка времени, а величину структурного сцепления грунта определяют по формуле

C_с = C K₁ K₂,

где C_с - структурное сцепление грунта, МПа;

C - общее сцепление грунта, полученное при испытании образцов на сдвиг, МПа;

K₁ - коэффициент, характеризующий количество цементационных связей в грунте, K₁ = 1-K_sw;

K_sw - величина коагуляционных структурных связей, определяемая по графику соотношения набухания грунтов ненарушенным и нарушенным сложением;

K₂ - коэффициент снижения сцепления грунта за счет нарушения цементационных связей за исследуемый период времени, K₂ = C_t / C₍₁₎;

C_t и C₍₁₎ - величины сцеплений, определяемых из испытаний шариковым штампом соответственно за исследуемый период времени и при погружении штампа за 1 мин, МПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства на глинистых грунтах и может быть использовано, например, при оценке длительной устойчивости склонов или расчете сооружений, работающих на выпор.

Известен способ определения параметров длительной прочности грунтов, в том числе глинистых, заключающийся в том, что производятся испытания серии образцов грунта путем приложения к ним нормальных и сдвигающих нагрузок с регистрацией перемещений в плоскости сдвига, после чего, путем статической обработки получаемых результатов, получают нормативные значения параметров прочности (коэффициента трения и сцепления), а также расчетное значение сцепления "С" введением соответствующего коэффициента, например коэффициента запаса по грунту _q, также рассчитанное статистически.

Недостатком данного способа является то, что он не учитывает в строении грунтов характера структурных связей (цементационных или коагуляционных), их соотношение и преобладание одного типа связей над другими, что в значительной степени влияет на величину сил сцепления в грунте, высокая прочность которых в основном обеспечивается за счет цементационных связей.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ определения сцепления грунтов при оценке их длительности прочности, включающей приложение к образцам грунта с ненарушенным сложением нормальных сдвигающих нагрузок с их замером и регистрацией перемещений в плоскости сдвига и расчет по полученным данным общего и структурного сцепления.

Недостатки способа состоят в том, что из-за условности определения величины структурного сцепления "С_с" он недостаточно достоверен. Изначально не ясно, какой преобладающий тип структурных связей соответствует испытываемому грунту. Из-за большого множества дефектов в структуре грунтов, особенно слагающих оползненные массы, в виде поверхностей ослабления и даже скрытых трещин, величина сопротивления сдвигу в образцах с ненарушенной структурой получается заниженной и близкой к величине сопротивления в образце с нарушенной структурой, что влечет к необоснованному занижению "С_с".

Кроме того, данный способ также не учитывает изменения соотношений указанных связей во времени.

Цель изобретения - повышение достоверности получаемых результатов.

Цель достигается тем, что в способе, включающем приложение к образцам грунта с ненарушенным сложением нормальных и сдвигающих нагрузок с их замером и регистрацией перемещений в плоскости сдвига и расчет по полученным данным общего и структурного сцепления, согласно изобретению дополнительно испытывают образцы того же грунта с ненарушенным и нарушенным сложением на свободное набухание с измерением величин набухания и образцы с ненарушенным сложением - шариковым штампом с измерением величины погружения штампа под нагрузкой в течение заданного исследуемого промежутка времени, а величину структурного сцепления грунта определяют по формуле

C_с= с К₁ К₂ (1) где C_с - структурное сцепление грунта, МПа;

c - общее сцепление грунта, полученное при испытании образцов на сдвиг, МПа;

K₁ - коэффициент, характеризующий количество цементационных связей в грунте,

K₁=1-K_sw,

K_sw - величина коагуляционных структурных связей, определяемая по графику соотношения набухания грунтов с ненарушенным сложением;

K₂ - коэффициент снижения сцепления грунта за счет нарушения цементационных связей за исследуемый период времени;

K₂ =

C_t и C_(I) - величины сцеплений, определяемых из испытаний шариковым штампом соответственно за исследуемый период времени и при погружении штампа за 1 мин, МПа.

На фиг. 1 изображен график, поясняющий нахождение предела ползучести (_lim) и прочностных параметров; на фиг. 2 и 3 - графики относительного набухания (_sw) во времени (t) образцов грунта с нарушенным и ненарушенным сложением; на фиг. 4 - график соотношения набухания грунтов с ненарушенным (_swн/н) и нарушенным (_sw) сложением; на фиг. 5 - график снижения сцепления грунтов во времени K_c=f(lgt) по результатам их испытаний шариковым штампом.

Способ осуществляется следующим образом.

Берут серию образцов-близнецов исследуемого грунта.

Часть образцов испытывают путем приложения к ним вертикальной нагрузки P и касательной нагрузки . Последнюю прикладывают равными ступенями (5% от величины вертикального давления) и каждую ступень выдерживают равными промежутками времени (не менее 1 ч).

При испытаниях регистрируют величину перемещений в плоскости сдвига (l). По результатам испытаний строят график зависимости lg от lgl (см. фиг. 1). По перегибу на графике находят величину порога ползучести (_lim) при нескольких (не менее трех) величинах нормального давления (_2lim, _4lim, _6lim).

Затем из формулы _lim=Ptg+C находят прочностные параметры - коэффициент трения tg и общее сцепление "С".

Для еще одной части образцов-близнецов определяют свободные набухания. При этом один из них испытывают с ненарушенным сложением, а другие - с нарушенным, но с теми же начальными параметрами влажности и плотности.

При набухании грунтов возможны следующие основные варианты проявления этого свойства.

Если отношение набухания ненарушенных образцов к набуханию нарушенных образцов близко к единице, то это говорит о структурных связях в грунте коагуляционного (водоколлоидного) характера (см. фиг. 2). Если это отношение приближается к нулю, то в грунтах преобладает цементационный (кристаллизационный) тип структурных связей. Характер проявления набухания грунтов с таким типом структурных связей показан на фиг. 3.

По результатам испытаний строится график соотношения набухания грунтов с ненарушенным и нарушенным сложением. Прямая I на фиг. 4, ограничивающая преобладающее количество характерных точек, отражает преобладающий тип структурных связей, а тангенс угла наклона ее, выраженный в долях единицы, будет отражать количественную величину коагуляционных структурных связей, (K_sw), присущих данному грунту. Количество цементационных связей будет выражаться величиной коэффициента K₁=I-K_sw.

Таким образом, на фиг. 4 отражается преобладающий тип структурных связей и их количественное соотношение.

Учитывая, что при длительной эксплуатации сооружения наиболее эффективное влияние на величину сцепления в грунте оказывают цементационные связи, их долю в величине сцепления, полученного из опыта на сдвиг, находят путем умножения "С" на коэффициент K₁.

Параллельно с указанными испытаниями проводятся испытания образцов-близнецов ненарушенной структуры шариковым штампом, при котором определяется величина коэффициента снижения структурной прочности (K_c) во времени.

В этих испытаниях шариковым штампом (диаметром 202 мм), расположенным на поверхности образца, прикладывается такая величина вертикальной нагрузки P, при которой величина осадки за одну минуту не должна превышать 0,1 мм.

Измеряют погружение шарика (S_t) диаметром d во времени под нагрузкой P. Величину сцепления на любой момент времени рассчитывают по формуле

C_t=0,18 (2)

Коэффициент снижения сцепления (K_c) представляет собой отношение

K_c= , где C_(I) - сцепление, рассчитанное по формуле (2) при погружении шарика за время 1 мин.

Результаты каждого испытания наносятся на график (см. фиг. 5), где по оси абсцисс откладывается время в мин, а по оси ординат - величина K_c.

Данный график является средним для испытаний тех образцов, для которых характерно снижение сцепления, происходящее за счет нарушения цементационных структурных связей.

Эти изменения в сцеплении с учетом прогноза во времени (например, 10 до 100 лет) необходимо учесть при оценке длительности прочности грунтов. Для этого предварительно график K_c (среднее) интерполируется (продляется) до пересечения с заданным в прогнозе периодом времени, по величине ординаты которого получают искомую величину коэффициента снижения сцепления (K₂) для исследуемого (прогнозного) периода времени.

Таким образом, чтобы определить расчетную величину сцепления C с учетом количественного содержания цементационных связей и их разрушения во времени, необходимо величину сцепления C, полученную из опытов на сдвиг, умножить на коэффициенты K₁ и K₂, т. е. C_с=C K₁ K₂ и при оценке длительной прочности (^p) использовать именно эту полученную величину C_с в формуле: ^p =P tg_lim+CK₁ K₂ или ^p= = Ptg_lim+C_с

Преимуществом изобретения, по сравнению с известным способом, является повышение достоверности получаемых результатов за счет нахождения из испытаний на набухание преобладающего типа структурных связей и их количественного соотношения, а также за счет определения изменения их с течением времени.