Инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания

    Сопротивление сдвигу по этому методу в общем виде выражается как

    τ = ρ_нtgφ_н + c_н

    Где φ_н и c_н — соответственно угол внутреннего трения и сцепления, зависящие от плотности-влажности грунта в момент сдвига;

    c_н = Σ_н + c_с

    где Σ_н — часть полного сцепления, имеющая водно-коллоидную природу; c_с — часть полного сцепления; обусловленная наличием не-восстанавливающихся связей.

    Задача  испытаний сводится к установлению зависимости угла внутреннего трения φ_н и сцепления c_н от влажности в зоне сдвига образца. Использование в опытах недоуплотненного грунта позволяет правильно оценить коэффициенты трения и сцепления, с помощью которых можно рассчитать в зависимости от влажности сопротивление сдвигу грунта, находящегося как в стабилизированном, так и нестабилизированном состоянии под нормальной уплотняющей нагрузкой.

      По методу "плотности-влажности"  производится обработка  результатов испытаний переуплотненных образцов. Образцы биогенного грунта предварительно уплотняются под одинаковой нормальной нагрузкой с возможностью оттока поровой воды до полной стабилизации деформации. Сдвиг образцов производится при различных нормальных нагрузках, обязательно меньших, чем нагрузки предварительного уплотнения. Так как биогенные грунты обладают способностью водопоглощения (набухания), при такой схеме опыта образцы имеют различную плотность-влажность [6].

    При проведении прочностных испытаний по любой из описанных методик следует различать два способа сдвига: увеличение сдвигающего усилия по заранее составленной программе и приложение сдвигающего усилия к образцу при заданной определенной скорости деформации сдвига. Если испытуемый биогенный грунт находится в основании сооружения, сдвиговые испытания для определения прочностных характеристик необходимо проводить с увеличением сдвигающего усилия по заранее предусмотренному плану либо плавно с постоянной скоростью (наполняя емкость при помощи воды или дроби), либо ступенчато. Наиболее распространено ступенчатое увеличение сдвигающей нагрузки. При этом в пределах ступени ее прикладывают к образцу по возможности сразу и далее поддерживают постоянной до затухания деформаций сдвига. Однако применительно к биогенным грунтам такой режим сдвига увеличивает погрешность испытаний, поэтому рекомендуется применять способ сдвига с плавным увеличением сдвигающей нагрузки.

    Для расчетов устойчивости откосов выемок и каналов в биогенных грунтах используются прочностные характеристики, полученные на основании сдвиговых испытаний с постоянной скоростью деформации сдвига [4].

    Приборы и аппаратура для  проведения испытаний. Принципиальная схема прибора одноплоскостного среза весьма проста. Основными его частями являются две обоймы, внутри которых имеется гнездо для кольца с образцом грунта. Сдвиг образца производится посредством перемещения одной обоймы относительно другой. Для уплотнения образца нормальной нагрузкой предназначен штамп, который нагружается при помощи пресса. В ходе сдвиговых испытаний перемещение одной из обойм осуществляется нагрузочным устройством.

    Для получения прочностных характеристик  биогенных грунтов конструкция прибора одноплоскостного среза и методика должны обеспечивать проведение испытаний с учетом следующих их специфических особенностей: а) большая длительность процесса уплотнения образца болотного грунта под действием нормальной нагрузки; б) способность к разуплотнению (набуханию) при разгрузке; в) низкая прочность и способность к разупрочнению при мгновенном приложении большой нагрузки; г) разрушение образца без мгновенного среза и только после значительных горизонтальных сдвиговых деформаций [11].

    Серийно выпускаемые срезные приборы конструкции Маслова-Лурье типа ГГП-30 в комплекте с прибором предварительного уплотнения ГГП-29 и аналогичные им аппараты конструкции Гидропроекта типа ПСГ в основном предназначены для испытаний минеральных грунтов.

    С учетом вышеизложенных особенностей биогенных  грунтов в лаборатории гидротехнических сооружений БелНИИ мелиорации и водного хозяйства на базе прибора ГГП-30м разработан сдвиговой прибор СПМ-1 для исследования прочностных свойств биогенных грунтов [11].

    Подготовка  образца грунта к  испытаниям. Для каждого монолита биогенного грунта должны быть определены следующие физические характеристики естественного состояния : плотность частиц по ГОСТ 5181-78 [3]; плотность сухого грунта; влажность на границах раскатывания и текучести по ГОСТ 51-83-77 [5] (для сапропелей); а затем по ним найдены коэффициент пористости, степень влажности, число пластичности и показатель консистенции. Все характеристики заносятся в журнал испытаний.

    Образцы биогенного грунта ненарушенной структуры  вырезают из монолита рабочими кольцами сдвигового прибора с помощью ножа и пресса или специального приспособления для вдавливания кольца в монолит. Все работы проводят в соответствии с требованиями ГОСТ 5182-78 [4]. Кольцо при вдавливании в грунт следует смачивать водой или смазывать техническим вазелином для уменьшения трения. Одновременно на месте отбора каждого образца грунта дополнительно отбирают три контрольные пробы на влажность, по которым затем определяют плотность каждого образца. Расхождение в значениях плотности грунта всех образцов серии не должно превышать 0,02-0,03 г/см³. Образцы грунта в кольцах покрывают, с торцов влажными фильтрами.

    Образцы биогенных грунтов нарушенной структуры  для испытаний с заданными значениями плотности и влажности следует приготавливать либо в цилиндрах большого диаметра ( D_ц = 30 см) с послойным трамбованием и последующим отбором образцов в рабочие кольца, либо непосредственно в рабочих кольцах сдвигового прибора, применяя один из следующих методов: послойное трамбование или уплотнение в приборе предварительного уплотнения [9]. 

    Подготовка  сдвигового прибора  к испытаниям. Рабочее кольцо с образцом грунта помещают в уплотнитель ГГП-29м или в срезыватель прибора СПМ-1.

    Подготавливают  пресс к нагружению уплотняющей  нагрузкой, устанавливают индикатор для измерения вертикальных деформаций грунта и записывают его начальные показания в журнал. Предварительное уплотнение начинают после доведения образца до полного водонасыцения. Для этого стаканы пресса заполняют, питьевой или грунтовой водой до верха образца и следят зa показаниями индикатора. Время насыщения должно составлять не менее 48 часов. В процессе насыщения записывают изменение высоты образца грунта, т.е. его набухание. После водонасыщения к образцу прикладывают заданную уплотняющую нагрузку от штока пресса. В данном случае срезыватель прибора СПМ-1 играет роль одометра и используется для предварительного уплотнения образца биогенного грунта[11]. 

    Проведение  испытаний и обработка  результатов. Назначают величины нормальных нагрузок из условий возможной величины напряжений в биогенном грунте в основании сооружения.

    Предварительное уплотнение образцов биогенного грунта производят под теми же нормальными нагрузками, при которых затем выполняют испытание на сдвиг. Нормальную нагрузку наращивают на образец ступенями. Минимальную величину нагрузки на каждой ступени принимают не меньше структурной прочности грунта на сжатие. Максимальная величина ступени нагрузки не должна вызывать выдавливание образца в зазоры между кольцом и штампом. На каждой ступени уплотнения образец выдерживают не менее 6 часов, а на конечной — до условий стабилизации деформации уплотнения, В качестве условной стабилизации принимают такую интенсивность осадки образца, при которой в течение суток она не превышает 3 % от общей деформации уплотнения на этой ступени.

    Если  прочностные испытания проводят на приборе ГГП-30м, то по окончании процесса предварительного уплотнения нагрузку с образца снимают, рабочее кольцо с образцом грунта быстро переносят в обойму сдвигового прибора и снова нагружают вертикальной нагрузкой, равной той, при которой грунт находился в приборе предварительного уплотнения. Под этой нагрузкой образец грунта выдерживают до начала испытаний на сдвиг не менее 30 минут.

    Если  испытания проводятся на приборе СПМ-1, то перед снятием нагрузки подкручивают упорные винты на фиксирующей обойме срезывателя до упора в нагрузочный штамп, чтобы исключить разуплотнение грунта. Затем снимают вертикальную нагрузку, переставляют срезыватель прибора с пресса предварительного уплотнения на тележку сдвиговой части и опять прикладывают вертикальную нагрузку. После этого винты, соединяющие обоймы срезывателя, извлекают. На верхнюю обойму надевают специальную пластину, а затем скрепляют их винтами. Устанавливают индикаторы деформаций (вертикальной и горизонтальной).

    Для получения достоверного значения сопротивления грунта сдвигу величину зазора между сдвиговыми обоймами срезывателя для биогенных грунтов принимают минимальной: 0,1-0,2 мм (толщина лезвия бритвы). Необходимый зазор задают перемещением направляющих сдвиговой части по вертикали.

    Передачу  горизонтальной сдвигающей нагрузки на образец биогенного грунта осуществляют различными способами. При этом интенсивность сдвигающей нагрузки или сдвиговой деформации должна обеспечить срез за 30—40 минут. При превышении указанного времени происходит дополнительное уплотнение образца и увеличивается искомое значение сопротивления грунта сдвигу.

    При использовании в опыте ступенчатой  нагрузки целесообразно принимать небольшие ступени (по 100—200 г) на рычаг в зависимости от консистенции грунта. Не реже чем через каждые 2 минуты после полной передачи очередной ступени нагрузки необходимо регистрировать в журнале испытаний показания индикатора деформаций сдвига.

    Очередную ступень прикладывают, не дожидаясь прекращения деформаций от предыдущей ступени. Достаточно убедиться, что деформация сдвига носит затухающий характер. Факт затухания при отсутствии автоматической системы записи результатов устанавливают путем сопоставления 4-5 отсчетов по индикатору, взятых с интервалом 15—30 с.

    При непрерывной передаче сдвигающей нагрузки в опытах с заданной скоростью нагружения регистрируют время по секундомеру от начала опыта и вертикальную деформацию, соответствующие определенным значениям сдвиговой деформации с интервалом 1 мм. Показания секундомера и индикатора заносят в журнал испытаний.

    В опытах с постоянной скоростью деформирования в журнал испитаний записывают показания  индикатора динамометра через каждый миллиметр сдвиговой деформации.

    Консолидированние испытания считаются законченными в случае получения незатухающей деформации, заканчивающейся срывом образца, или при деформации сдвига больше 1.0 мм.

    В опытах с постоянной скоростью деформирования за окончание испытаний принимают момент, когда срезающая нагрузка становится постоянной или наблюдается некоторое ее снижение. Наличие автоматического записывающего устройства дает возможность определять момент среза непосредственно по диаграмме.

    После испытаний сливают воду и разгружают прибор в последовательности, обратной загрузке, по возможности в самый короткий срок, так как освобожденный от нагрузки грунт может впитать в себя воду, оставшуюся в зазорах прибора.

    Сразу после завершения сдвига и извлечения образца из прибора отбирают из зоны сдвига две пробы грунта на влажность. Если в опыте произошел срив образца, пробы, следует отбирать из обеих половинок образца.

    По  полученным в процессе испытаний значениям сдвигающей нагрузки вычисляют для каждого образца численные значения сопротивления грунта по формуле.

    τ = Q_i/F_i

    где Q_i – сдвигающая нагрузка, F_i – площадь сдвига, м²

    Полученные  данные.наносят на график зависимости  сопротивления сдвигу от величины сдвиговой деформации в нормальных и логарифмических координатах. По характеру графической зависимости судят о достоверности каждого полученного во время опыта отсчета. Полученные в ходе опыта данные должны описываться плавной кривой, отображающей затухание интенсивности нарастания прочности грунта в процессе деформирования. Для неоднородного грунта допускается отклонение опытных точек не более 10 % от осредненной кривой.

    Характер  деформирования и разрушения для  пластичных и непластичных (опесчаненных) биогенных грунтов различен. У таких грунтов, как торф со степенью разложения   >45%   а также у сильно заторфованных глинистых грунтов процесс разрушения носит характер непрерывного течения с возрастающей скоростью.

    Конечным  результатом обработки экспериментальных  данных испытаний являются нормативные  и расчетные значения прочностных характеристик биогенного грунта в состоянии условной 100 %-ной консолидации под действием заданного напряженного состояния [9].