Результаты определения параметров сопротивления грунтов сдвигу в приборе трехосного сжатия



Результаты определения параметров сопротивления грунтов сдвигу вприборе трехосного сжатия

Буш Илья Валерьевич, студент

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

В статье кратко описаны методики испытаний грунтов трехосным сжатием и приведены правила вычисления сцепления, угла внутреннего трения и сопротивления недренированному сдвигу. Указана область применения полученных результатов в современных расчетах дорожных одежд.

Ключевые слова: земляное полотно, грунт, сцепление, угол внутреннего трения

Дисперсные грунты нашли широкое применение при устройстве земляного полотна, в том числе их используют для замены особых и слабых торфяных и заторфованных грунтов в основаниях насыпей. Независимо от назначения грунтов необходимо выполнять их проверку по сопротивлению сдвигу, для которой выполняется расчет касательных напряжений или безопасных давлений. Для таких расчетов необходимы данные о величине угла внутреннего трения, сцепления, а иногда сопротивления недренированному сдвигу. Эти параметры принимают по данным нормативной литературы [1], а в ряде случаев находят экспериментально, выполняя требования [2]. Отметим, что сцепление и угол внутреннего трения необходимы для расчета касательных напряжений не только по оригинальному критерию Кулона–Мора, но и ряда современных эмпирических и модифицированных условий пластичности [3–7]. Эти параметры применяют для расчета безопасных давлений [8–11]. Известно, что величина сцепления и угла внутреннего трения возрастает при увеличении коэффициента уплотнения [12–14], что требует приготовления лабораторных проб с плотностью сухого грунта, соответствующей как требуемым значениям, так и фактическим значениям.

Поэтому для изготовления образцов из суглинистых и песчаных грунтов нами использовался прибор стандартного уплотнения, в котором грунты уплотняли при оптимальной влажности до коэффициента уплотнения 0,98…1,0. Так изготавливали образцы больших размеров, из которых при помощи пробоотборника извлекали образцы меньшего размера необходимого для испытаний в приборе трехосного сжатия.

Тип испытания принимали в соответствии с руководством стандартов РФ, США и Евросоюза. Краткое описание и назначение различных типов испытаний приведено в табл. 1.

Таблица 1

Типы иусловия трехосных испытаний грунтов

Тип испытаний	Применяемые стандарты	Условия испытаний	Определяемые параметры
Неконсолидированно-недренированные (НН испытания) ЕНН (NUU)	ГОСТ 12248–10, ASTM D 2850, BS 1737–7, ISO 17892–8	Без измерения порового давления	Недренированная прочность сu
Консолидированно-недренированные (КН испытания) ВКН (SCU)	ГОСТ 12248–10, ASTM D 4767, BS 1737–8	С измерением или без измерения порового давления	Параметры прочности в полных или эффективных напряжениях: , с, , с
Консолидированно-дренированные (КД испытания) ВКД (SCD)	ГОСТ 12248–10, ISO 17892–9	Без измерения порового давления	Параметры прочности в полных напряжениях , с. Модуль упругости и модуль общей деформации: Ee, E.

Для грунтов с частичным водонасыщением таких, как глины, суглинки (в уплотнённом состоянии) расположенные выше уровня грунтовых вод недренированная прочность (сопротивление недренированному сдвигу) должна быть определена из НН-испытаний образцов, у которых коэффициент пористости и степень водонасыщения соответствует этим же параметрам в реальном массиве грунта (земляном полотне). В КН испытаниях образец сжимается в условиях полного дренирования при действии всестороннего давления (первый этап испытаний, характеризуемый напряжениями ₁=₂=₃), а при сдвиге дренирование не допускается (второй этап испытаний — ₁>₂=₃). Основным ограничением для КН испытаний является длительность проведения вследствие низкой проницаемости глинистых грунтов и малой скорости фильтрации поровой воды. КН-испытания могут быть выполнены быстрее, чем КД-испытания, а результаты дают примерно одинаковую предельную огибающую при ее построении в эффективных напряжениях. Следовательно, при КН-испытаниях с измерением порового давления прочность грунта может быть выражена функцией эффективных напряжений, а затем использована для решения задач, где есть дренирование.

На рисунках 1 и 2 приведены фрагменты испытаний суглинка легкого и песка среднего по типу КН испытаний, а на рис. 3 показано определение сцепления и угла внутреннего трения суглинка легкого, выполненное построением кругов предельных напряжений и касательной (предельная прямая Кулона–Мора) к ним. Сопротивление недренированному сдвигу суглинка легкого выполнено при помощи НН-испытаний.

Рис. 1. Испытание суглинка

Рис. 2. Испытание песчаного образца в оболочке

Рис. 3. Круги предельных напряжений и предельная прямая Кулона–Мора

Установленные значение параметров сопротивления сдвигу будут применены в дальнейшем для расчета касательных напряжений и безопасных давлений. При этом планируется вычислять необходимые для этих расчетов главные напряжения как по традиционным решениям [15, 16], так и с использованием современных методик [17–20].

Литература:

1. ОДН 218.046–01. Проектирование нежестких дорожных одежд. – М.: ГСДХ Минтранса России, 2001. — 146 с.

2. ГОСТ 12248–2010. Грунты. Метод лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. Взамен ГОСТ 12248–96 и ГОСТ 24143–80. Введен в действие 01.01.2012. М.: Стандартинформ, 2011.

3. Александров А. С., Долгих Г. В. Калинин А. Л. Модификация критериев прочности сплошной среды для расчета грунтов земляного полотна по сопротивлению сдвигу // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск: СибАДИ, 2013. — С. 228–235.

4. Александров А. С., Калинин А. Л. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Часть 1. Учет деформаций в условии пластичности Кулона — Мора // Инженерно-строительный журнал. — 2015. № 7 (59). — С. 4–17.

5. Александров А. С., Долгих Г. В., Калинин А. Л. Применение критерия Друкера — Прагера для модификации условий пластичности // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2013. № 2. — С. 26–29.

6. Чусов В. В. Перспективы применения эмпирических условий пластичности грунтов и определение их параметров при трехосных испытаниях грунтов Вестник ВолГАСУ. — 2015. № 42 (61). — С. 49–57.

7. Калинин А. Л. Совершенствование расчета касательных напряжений в дорожных конструкциях. Часть 1. Модификация критерия Писаренко-Лебедева и его применение при расчете касательных напряжений // Молодой ученый. — 2016. — № 6 (110). — С. 108–114.

8. Александров А. С., Долгих Г. В., Калинин А. Л. О допускаемых давлениях на грунты земляного полотна и слои дорожной одежды // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2012. № 2. — С. 10–13.

9. Долгих Г. В. Расчет грунтов земляного полотна по критерию безопасных давлений // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2013. — № 6 (34). — С. 43–49.

10. Долгих Г. В. Расчет нежестких дорожных одежд по критерию безопасных давлений на глинистые грунты земляного полотна // Автореф. Дис. канд. техн. наук. — Омск: СибАДИ. — 2014. — 20 с.

11. Долгих Г. В. Применение критерия безопасных давлений для расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу в грунте земляного полотна // // В сборнике: Политранспортные системы материалы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия — ЕС. Новосибирск: СГУПС, 2015. — С. 176–182.

12. Александрова Н. П., Семенова Т. В., Стригун К. Ю. Совершенствование методов экспресс оценки качества уплотнения грунтов земляного полотна строительства автомобильных дорог / Н. П. Александрова, // Вестник СибАДИ. — 2015. — № 4. — С. 46–57.

13. Семенова Т. В., Долгих Г. В., Полугородник Б. Н. Применение Калифорнийского числа несущей способности и динамического конусного пенетрометра для оценки качества уплотнения грунта // Вестник СибАДИ, 2014, № 1 — С. 59–66.

14. Александрова Н. П., Троценко Н. А. Применение измерителя жесткости грунта Geogauge для оценки качества уплотнения при операционном контроле // Вестник СибАДИ, 2014, № 3 — С. 40–47.

15. Foster С.R., Ahlvin R. G. Stresses and deflections induced by a uniform circular load. // Proc. Highway Research Board. — 1954. — Vol. 33. — P. 236–246.

16. Craig R. F. Soil Mechanics. — Seventh edition. Department of Civil Engineering, University of Dundee, UK. — Published by Taylor & Francis e-Library, London and New York, 2004. — 447 p.

17. Александрова Н. П. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в грунте земляного полотна // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Омск, 2013. — С. 236–246.

18. Александрова Н. П., Семенова Т. В., Долгих Г. В. Совершенствование моделей расчета главных напряжений и девиатора в грунте земляного полотна // Вестник СИБАДИ. — 2014. — № 2 (36). С. 49–54.

19. Александров А. С. Один из путей расчета минимальных главных напряжений в грунтах земляного полотна / А. С. Александров // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск, СибАДИ, 2013. — С. 217–228.

20. Александров А. С., Александрова Н. П., Долгих Г. В. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в дорожных конструкциях из дискретных материалов // Строительные материалы. — 2012. — № 10. — С. 14–17.