способ испытания грунта на срез с одновременным определением порового давления и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ испытания образца грунта на срез с одновременным определением порового давления, характеризующийся тем, что он предусматривает установку образца грунта между двумя штампами, один из которых соединяют с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды, герметизацию образца грунта по боковой поверхности эластичной водонепроницаемой оболочкой, а сверху и снизу - штампами, установку вокруг оболочки верхней и нижней обойм, которые размещают с зазором относительно друг друга и с возможностью горизонтального смещения одной обоймы относительно другой, после чего прикладывают к верхнему штампу и эластичной оболочке объемное заданное давление с одновременным замером объема отжимаемой из образца грунта воды или с одновременным замером порового давления и после стабилизации объема отжимаемой воды или порового давления создают в образце грунта срезающее усилие путем смещения одной обоймы относительно другой и регистрируют переменные по времени значения величин срезающего усилия и соответствующие им величины порового давления в образце грунта, которые используют для определения угла внутреннего трения и сцепления грунта.

2. Устройство для испытания образца грунта на срез с одновременным определением порового давления, характеризующееся тем, что оно содержит герметичный, составной из верхней и нижней частей корпус, полость которого сообщена с источником давления и с измеряющим это давление приспособлением, размещенные в корпусе с зазором относительно друг друга верхнюю и нижнюю обоймы, объединенные эластичной водонепроницаемой оболочкой и установленные с возможностью горизонтального перемещения одной обоймы относительно другой, установленные в обоймах нижний и верхний штампы с образованием ими и эластичной водонепроницаемой оболочкой герметичной камеры для образца грунта, при этом один из штампов установлен с возможностью вертикального перемещения и соединен с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при испытании грунта на срез для определения угла внутреннего трения и сцепления с одновременным замером порового давления.

Наиболее близким аналогом способа является способ «одноплоскостного среза» [1], где в зависимости от состояния грунта (стабилизированное или нестабилизированное) проводят консолидированно-дренированное или неконсолидированно-недренированное испытание грунтов природной плотности и влажности.

Консолидированно-дренированные испытания проводят после консолидации образца в уплотнительных приборах при низких скоростях среза, рекомендуемых [1], при этом считается, что поровые давления в образце грунта не возникают.

Неконсолидированно-недренированное испытание проводят «не более чем за две минуты с момента приложения нормальной нагрузки» [1], при этом считается, что при скорости приложения ступеней срезающего усилия 10-15 сек поровые давления в образце не успевают рассеиваться.

Однако при загрузке образца в рабочее кольцо невозможно добиться полной герметичности образца грунта, так как между кольцом и образцом неминуемо остаются зазоры, и при приложении нормальных и касательных нагрузок неизбежно происходит выдавливание части поровой жидкости. То есть при использовании этого способа происходит неконтролируемое изменение напряженного образца во время сдвига за счет перераспределения напряжений между контактами частиц и поровой жидкостью, что приводит к искажению показателей прочности. Если для песчаных необводненных грунтов и глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции эти изменения не столь значительны, то для глинистых мягкопластичных и текучих, а так же для водонасыщенных песчаных эти изменения весьма велики.

Известно также устройство - сдвиговой прибор ВСВ-25 [2], соответствующий требованиям [1]. В состав прибора ВСВ-25 входят:

- срезная коробка, состоящая из подвижной и неподвижной частей и включающая рабочее кольцо с внутренними размерами, соответствующими требованиям [1], жесткие сплошной и перфорированный штампы;

- механизм для вертикального нагружения образца;

- механизм для создания срезного усилия;

- устройства для измерения деформаций образца и прикладываемых нагрузок.

Указанный прибор не обеспечивает испытание грунта на срез с одновременным определением порового давления.

Задача изобретения как в части способа, так и в части устройства - повышение точности получаемых показателей и расширение области использования для грунтов различной консистенции и водонасыщенности.

Задача в части способа решается за счет того, что предложен способ испытания образца грунта на срез с одновременным определением порового давления, характеризующийся тем, что он предусматривает установку образца грунта между двумя штампами, один из которых соединяют с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды, герметизацию образца грунта по боковой поверхности эластичной водонепроницаемой оболочкой, а сверху и снизу - штампами, установку вокруг оболочки верхней и нижней обойм, которые размещают с зазором относительно друг друга и с возможностью горизонтального смещения одной обоймы относительно другой, после чего прикладывают к верхнему штампу и эластичной оболочке объемное заданное давление с одновременным замером порового давления в образце грунта или с одновременным замером объема отжимаемой из образца грунта воды и после стабилизации порового давления или объема отжимаемой воды создают в образце грунта срезающее усилие путем смещения одной обоймы относительно другой и регистрируют переменные по времени значения величин срезающего усилия и соответствующие им величины порового давления в образце грунта.

Задача в части устройства решается за счет того, что предложено устройство для испытания образца грунта на срез с одновременным определением порового давления, характеризующееся тем, что оно содержит герметичный, составной из верхней и нижней частей корпус, полость которого сообщена с источником давления и с измеряющим это давление приспособлением, размещенные в корпусе с зазором относительно друг друга верхнюю и нижнюю обоймы, объединенные эластичной водонепроницаемой оболочкой и установленные с возможностью горизонтального перемещения одной обоймы относительно другой, установленные в обоймах нижний и верхний штампы с образованием ими и эластичной водонепроницаемой оболочкой герметичной камеры для образца грунта, при этом один из штампов установлен с возможностью вертикального перемещения и соединен с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды.

Технический результат, обеспечиваемый обоими объектами изобретения, состоит в том, что обеспечена возможность испытания с высокой точностью образцов на срез с замером порового давления, позволяющая определять одновременно значения усилия среза и порового давления и рассчитывать по ним прочностные показатели грунтов (угол внутреннего трения и сцепление), соответствующие природным условиям, и испытывать даже слабые структурно-неустойчивые грунты.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства, на фиг.2 - графики зависимостей срезающего усилия от объемного давления с учетом порового давления в образце грунта.

Устройство состоит из герметичного составного корпуса с нижней частью 1 и верхней частью 2 в виде съемной крышки. Полость корпуса через штуцер 3 соединена с источником давления, например компрессором (на чертеже не показан), для создания объемного давления, которое регистрируется измерительным приспособлением 4, например манометром. В днище корпуса размещена подвижная каретка 5, на которой установлен нижний штамп 6, на боковой поверхности которого закреплена эластичная водонепроницаемая оболочка 7 с помощью уплотнительных колец 8, которые обжимаются нижней срезной обоймой 9, закрепленной болтами (на чертеже не показаны) на подвижной каретке 5. На нижнем штампе 6 размещен образец грунта 10, торец которого перекрыт верхним штампом 11, который установлен с возможностью вертикального перемещения при уплотнении образца грунта 10. Боковая поверхность образца грунта 10 перекрыта эластичной водонепроницаемой оболочкой 7, которая закреплена с помощью уплотнительных колец 12 на верхнем штампе 11, имеющем дренажный канал 13. Дренажный канал 13 гибкими магистралями 14 связан с датчиком порового давления 15 и приспособлением 16 (например, бюретки) для замера объема отжимаемой из образца грунта 10 воды и краном 17, расположенными на съемной крышке 2. Нижний 6 и верхний 11 штампы с эластичной водонепроницаемой оболочкой 7 образуют герметичную камеру для образца грунта 10. На боковую поверхность верхнего штампа 11 с возможностью скользящей посадки установлена верхняя срезная обойма 18, на верхней части которой посредством резьбового соединения установлено упорное кольцо 19. Верхняя срезная обойма 18 с возможностью свободного перемещения сопрягается с центратором 20, который на шпильках 21 закреплен гайками (на чертеже не показаны) на нижней части корпуса 1. Срезные обоймы 9 и 18 размещены в корпусе с зазором 22 относительно друг друга, причем нижняя срезная обойма 9 имеет возможность горизонтального смещения относительно верхней 18 при поступательном движении подвижной каретки 5. Поступательное движение подвижной каретки 5 осуществляется перемещением горизонтально расположенного штока (плунжера) 23 во втулке 24, один конец которого закреплен на каретке 5, а другой соединен с динамометром и редуктором поступательного перемещения с постоянной скоростью (на чертеже не показаны).

Способ осуществляют следующим образом.

Образец грунта 10 устанавливают на нижний штамп 6 внутрь закрепленной уплотнительными кольцами 8 эластичной водопроницаемой оболочки 7, верхнюю часть которой перегибают через верхний край нижней срезной обоймы 9. Верхний торец образца грунта 10 перекрывают верхним штампом 11, после чего на боковые поверхности образца 10 и верхнего штампа 11 натягивают свободный край эластичной оболочки 7 и закрепляют уплотнительными кольцами 12. Верхнюю срезную обойму 18 опускают на нижнюю обойму 9. На нижнюю часть 1 корпуса устанавливают центратор 20 и прикрепляют гайками на шпильках 21 к нижней части 1 корпуса. Зазор 22 между срезными обоймами 9 и 18 устанавливают путем вращения упорного кольца 19 в резьбовом соединении. Перед началом опыта к верхнему штампу 11 подключают гибкую магистраль 14 с датчиком порового давления 15 и приспособлением 16 для замера объема отжимаемой из образца грунта 10 воды (бюретка) и нижнюю часть 1 корпуса герметично соединяют со съемной крышкой 2.

Консолидированно-недренированные испытания на срез проводят при открытом кране 17. В герметичном корпусе воздушным компрессором создают объемное заданное давление, регистрируемое манометром 4. Объемное давление через подвижный верхний штамп 11 и эластичную водонепроницаемую оболочку 7 воздействует на образец грунта 10, который уплотняется, отжимая поровую воду в приспособление 16 - бюретку, по которой определяют объем отжатой из образца грунта 10 воды. Дополнительные параметры, которые могут быть получены на стадии объемного сжатия полностью водонасыщенных грунтов, - коэффициент консолидации С_v и модуль объемного сжатия К. Фазу объемного сжатия продолжают до стабилизации объема отжатой воды в бюретке 16. После достижения стабилизации объема отжатой воды кран 17 закрывают, включают редуктор поступательного перемещения и производят срез образца путем перемещения одной обоймы 9 относительно другой 18. Во время испытания через определенные временные интервалы регистрируют значения сдвигающего усилия и по датчику 15 соответствующие им значения порового давления. Выполнив испытания нескольких (не менее трех) образцов при разных заданных объемных давлениях, по полученным результатам определяют угол внутреннего трения (тотальный) и сцепление (тотальное) С при поровом давлении, а за вычетом порового давления определяют эффективные угол внутреннего трения ' и сцепление С'. Пример обработки результатов испытаний показан на фиг 2.

Неконсолидированно-недренированные испытания на срез проводят следующим образом. Перекрывают кран 17, в герметичном корпусе воздушным компрессором создают избыточное давление, регистрируемое манометром 4, которое через подвижный верхний штамп 11 и эластичную водонепроницаемую оболочку 7 воздействует на образец грунта 10, в котором возникает поровое давление, регистрируемое датчиком порового давления 15. Фаза объемного сжатия продолжается до стабилизации порового давления. После достижения стабилизации порового давления включают редуктор поступательного перемещения и производят срез образца путем перемещения одной обоймы 9 относительно другой 18. Во время испытания регистрируют через определенные временные интервалы срезающее усилие и поровое давление при фиксированном давлении в герметичном корпусе. Выполнив испытания нескольких (не менее трех) образцов при разных объемных давлениях, определяют угол внутреннего трения (тотальный) и сцепление (тотальное) С при поровом давлении, а за вычетом порового давления определяют эффективные угол внутреннего трения ' и сцепление С'.

Источники информации

1. ГОСТ 12248-96 "Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости".

2. ГОСТ 12248-78 "Грунты. Методы лабораторного определения сопротивления срезу".