Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Способ определения механических свойств грунтов

Изобретение относится к строительству, механике грунтов, инженерной геологии, горному делу, в частности к  лабораторным испытаниям грунтов для определения их физико-механических свойств. Как известно к одним из основных механических свойств грунтов относятся прочность и сжимаемость.

Известен способ определения механических свойств грунта путём испытаний на приборах трёхосного сжатия (стабилометрах) с отбором 3-х и более образцов грунта с ненарушенной структурой, последовательным сжатием каждого образца в приборе, построением на  основе полученных результатов огибающей кругов Мора и определением значений угла внутреннего трения и сцепления [1].

К недостаткам данного способа относятся:

  • Относительно высокая стоимость приборов трехосного сжатия;
  • Необходимость отбора 3-х и более образцов грунта с ненарушенной структурой;
  • Сложность проведения испытаний по определению характеристик прочности грунта.

Известен способ определения механических свойств грунта по методу одноплоскостного среза с испытанием образцов ненарушенного сложения путем сдвига по фиксированной плоскости. Испытание заключается в сдвиге нижней части образца относительно его верхней части касательной нагрузкой при одновременном воздействии на образец нагрузки, нормальной к плоскости среза. Определяют предельное касательное напряжение, при котором происходит срез образца при заданном нормальном напряжении. Определение характеристик прочности φ и c производится путём испытаний как минимум трёх образцов исследуемого грунта.

Недостатками данного способа является необходимость подготовки не менее 3-х образцов грунта одного инженерно-геологического элемента. Это повышает стоимость определения механических свойств грунта, вызывает трудности в сохранении исходной структуры грунта в подготовленных образцах и единой технологии испытания.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения механических свойств грунта путём сжатия образца грунта в одометре с измерением осевого давления на образец грунта, с определением, в условиях невозможности боковых деформаций, параметров уплотнения  образца грунта  под сжимающей осевой нагрузкой [1].

Однако по данному способу испытания грунта не определяются характеристики его прочности, которые необходимы для расчётов несущей способности и деформируемости грунтов в основании сооружений и для прогноза проявления опасных геомеханических процессов, вызывающих нарушение равновесия и разрушительные деформации массивов.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков, путём проведения компрессионного испытания образца грунта с измерением бокового давления, построения огибающей кругов Мора, определения величин сцепления, угла внутреннего трения и структурной прочности по результатам одного испытания.

Это достигается тем, что  способ определения механических свойств грунта путём осевого сжатия образца в условиях невозможности бокового расширения с получением характеристик прочности (угла внутреннего трения, сцепления и структурной прочности на сжатие) грунта  включает подготовку образца грунта,  установку образца в обойму прибора, создание осевого давления на образец и проведение измерение параметров, характеризующих состояние образца грунта,    причем для определения характеристик прочности грунта, в процессе  роста осевого активного σ1,i давления производят измерение и бокового реактивного σз,i давления при сжатии образца грунта, для выявления величин осевого давления, превышающих структурную прочность, контролируют изменение отношения mi между приращениями бокового ∆σзi и осевого ∆σ1i и при произвольном значении осевого давления σ1,i , когда отношение mi-2= mi-1= mi=m=const испытание прекращают с определением:

 угол внутреннего трения        φ=2(45-arc tg),

структурной прочности грунта σstr = σstr= σ1,i— σз,i/ m , и

сцепления    c= σstr/2 tg(45+ φ/2),

где  σ1,i , σз,i – текущие значения давлений,  а σ1,i > σstr;  m  – коэффициент бокового давления грунта в предельном состоянии по Кулону-Мору при σ1,i > σstr,   m=  tg2 (45- φ/2).

 

Прочность грунтов определяют как свойство сопротивляться разрушению или сопротивляться воздействию внешних сил без полного разрушения.

Условием прочности грунта по Кулону-Мору является выражение:

(σ1-σз)/(σ1+σз+2с*ctgφ)=sinφ,                                                                                        (1)

где σ1 и σ3 – соответственно наибольшее и наименьшее главные напряжения, σ1 >σ2>σ3 (σ2 – среднее главное напряжение, не учитываемое в данном условии), φ и с – эффективные значения угла внутреннего трения и сцепления грунта.   

Выражение (1) нередко называют условием прочности грунта в образце или в точке. Оно определяет, что предельные наибольшие сжимающие напряжения s1, действующие на замкнутый элементарный объем грунта (образец), вызывают горизонтальные напряжения распора s3=s2 на боковые границы элементарного объёма. Предельное соотношение между σ1 и σ3  зависит от значений φ и с в соответствии с выражением (1).

По-существу полагается, что сжатие грунта происходит при отсутствии поперечных деформаций (компрессионные испытания), т.е. в жесткой обойме с измерением реактивного бокового давления (распора) σ3.

 Выражение (1) может быть  записано также следующим образом [2].:      

σз/(σ1-σstr)=tg^2(45-φ/2),                                                                                           (2)

где σstr – структурная прочность грунта.

Физически структурная прочность грунта на сжатие соответствует предельному давлению, которое может выдержать структурный каркас грунта без разрушительных деформаций. Графически структурная прочность отсекается на оси абсцисс диаграммы Мора предельным кругом Мора, проходящим через начало координат, т.е. как и следует из выражения (2), при σ3 = 0, σ1 = σstr. При σ1 ≤ σstr прочность структурных связей сохраняется, а при σ1 = σstr она полностью отмобилизована.

Аналитически структурная прочность определяется через значения φ и с:

σstr = 2с ∙tg(45 + φ/2).                                                                                                (3)

Экспериментально значение σstr может быть получено из испытания грунта на одноосное сжатие – как предельное давление на образец грунта.

Таким образом, структурная прочность является важнейшей характеристикой грунта, определяющей сопротивление внешнему давлению структурных связей между частицами грунта, структурного каркаса.

 В соответствии с (2) в предельном состоянии грунта в условиях невозможности боковых деформаций коэффициент бокового давления m, как отношение приращения бокового давления ∆σ3 к приращению осевого давления ∆s1, равен:

m=tg2(45–φ/2).                                                                                                            (5)

Под осевым давлением s1, превышающим структурную прочность, грунт (в образце) раздавливается и возникает боковое распорное давление, которое в жесткой оболочке, препятствующей развитию поперечных деформаций, вызывает реактивное боковое давление σ3.

Упомянутая жесткая оболочка, препятствуя поперечным деформациям образца  осуществляет реактивное давление отпора, равного активному распорному давлению. Следует подчеркнуть, что если бы реактивное давление отпора отсутствовало, или было бы меньше давления распора, то последовало бы развитие поперечных и соответственно осевых деформаций образца грунта и последующее его разрушение.