Определение сопротивления грунтов сдвигу

Под сопротивлением грунтов сдвигу понимают наименьшее касательное напряжение, при котором грунт, находящийся под нормальным давлением, разрушается (сдвигается).

Сопротивление грунтов сдвигу, в общем случае, обуславливается двумя величинами: силами внутреннего трения и силами сцепления, действующими между частицами грунта. Только преодолев эти силы, можно вызвать сдвиг одной части грунта по другой.

Впервые физическая природа сопротивления сдвигу была сформулирована Кулоном в виде закона, который имеет следующий вид:

· для песчаных грунтов – , (1)

· для пылевато-глинистых грунтов – (2) где τ – сопротивление сдвигу, кПа;

σ – нормальное напряжение (давление), кПа;

φ – угол внутреннего трения, град;

с – удельное сцепление, кПа.

Силы трения в грунте пропорциональны нормальному напряжению, передаваемому на твердый скелет грунта.

Сцепление имеет сложную природу и обуславливается наличием электромолекулярных, водно-коллоидных, цементационных и других связей между пылевато-глинистыми частицами.

В песчаных (несвязных) грунтах сопротивление сдвигу τ обусловлено силами трения, а в пылевато-глинистых (связных) – трением и сцеплением.

В уравнении (2) характеристики сопротивления сдвигу φ и с являются математическими параметрами прямолинейной диаграммы сдвига, постоянными только для данного физического состояния грунта (данной его влажности, плотности, состава и т.д.).

Величины φ и с, получаемые в результате этой работы, называются прочностными характеристиками грунта. Они используются при определении расчетного сопротивления грунта, расчете устойчивости сооружений и земляных откосов, определении бокового давления грунта на ограждающие конструкции и при решении многих других задач.

Необходимое оборудование и материалы:

o сдвиговые одометры с грунтом – 3 шт.;

o рычажные системы для уплотняющей и сдвиговой нагрузок;

o груз (дробь или вода);

o сосуд;

o весы.

 

Приборы для испытания грунта на сдвиг, применяемые в этой работе, (рис. 5, а) состоят из сдвигового одометра (1), рычажной системы уплотняющей нагрузки (2) и рычажной системы сдвигающей нагрузки (3). Под сопротивлением грунтов сдвигу понимают наименьшее касательное напряжение, при котором грунт, находящийся под нормальным давлением, разрушается (сдвигается).

Сдвиговой прибор (рис. 5, б) относится к категории односрезных приборов. Он состоит из верхней неподвижной (4) и нижней подвижной (5) металлической обоймы, заполненных грунтом, дренажного поршня-штампа (6), дренажного днища (7), каретки (8), перемещающейся на роликах (9).

Эта конструкция сдвигового прибора отличается от других тем, что плоскость разреза, по которой срезается исследуемый грунт, расположена не параллельно направлению перемещения подвижной части, а под большим углом (2,5°) к указанному направлению. Благодаря этому при малейшем горизонтальном перемещении подвижной части прибора между верхней и нижней частями одометра появляется зазор, увеличивающийся в процессе испытания. Этим полностью исключается влияние трения между сдвигаемыми частями прибора и возможность заклинивания частиц грунта во время испытаний. Размеры сдвигового одометра – высота 20 мм, диаметр 56,5 мм.

 

Рис. 5. Приборы для испытания грунта на сдвиг:

а - общая схема; б - схема односрезного сдвигового одометра

Нормальная уплотняющая сила (нагрузка) прикладывается через рычажную систему с соотношением плеч 1:10; сдвигающая горизонтальная сила (нагрузка) Т – через рычаг с соотношением плеч 1:10.

Вес груза на рычаге уплотняющей нормальной нагрузки определяется из выражения:

 

,

 

где σ – нормальное уплотняющее напряжение, кПа:

 

;

 

А – площадь образца, м²;

z₁ – кратность увеличения нагрузки рычагом (z₁=10).

Величина сдвигающего горизонтального усилия определяется из выражения:

Т= Q · z₂, (Н),

 

где Q – вес сосуда с грузом (водой или дробью), определяемый опытом, Н;

z₂ – кратность увеличения нагрузки рычагом (z₂=10).

Сопротивление грунта сдвигу или касательное напряжение определяется по формуле

τ=Т/А, (кПа),

где А – площадь сдвига, равная площади образца.

До начала опыта необходимо ознакомиться с приборами и заготовить таблицу для записи результатов.

 

Ход работы

1. Рычаг сдвиговой нагрузки (3) соединяется с кареткой (8) прибора. К рычагу подвешивается сосуд (10).

2. В гнездо прибора закрепляется индикатор часового типа ИЧ-10 для замера деформаций сдвига. Индикатор закрепляется в таком положении, чтобы подвижная ножка была сдвинута на 70-80% свободного хода, после чего шкала индикатора устанавливается на нуль.

3. Отвинчиваются горизонтальные упорные винты (11) каретки.

4. Для плавного приложения горизонтальной нагрузки вода подается из шланга на стенку сосуда малой струей и лишь до момента начала сдвига. Наблюдение за сдвигом ведется по шкале индикатора.

 

5. При заметном движении стрелки индикатора подача воды прекращается, а затем снова возобновляется после остановки движения стрелки индикатора и т.д. сдвиг считается законченным, если по показаниям индикатора перемещение каретки достигнет 4 мм.

6. После завершения сдвига сосуд с водой взвешивается. Результаты взвешивания записываются в таблицу.

Описанным способом осуществляется испытание на сдвиг всех трех образцов.

 

Форма записи результатов определения

 

№ Образ ца	Уплотняю щая нагруз ка N, Н	Площадь образца А, м2	Нормальное уплотняю щее напряжение σ, кПа	Вес сосуда с грузом Q, Н	Сдвигаю щее усилие Т, Н	Сопротивле ние грунта сдвигу τ=Т/А, кПа

 

Обработка результатов сводится к вычислению сопротивления грунта сдвигу при различных значениях уплотняющих напряжений, построению диаграммы (рис. 6) и определении угла внутреннего трения φ и сцепления с.

При построении диаграммы сдвига величины σ и τ рекомендуется откладывать в масштабе: 100 кПа=4 см.

 

 

Рис. 6. Диаграмма сдвига

 

По полученным опытным точкам проводится осредненная прямая, описываемая уравнением: τ=σ·tgφ+с.

 

Тангенс угла внутреннего трения, а по нему – угол внутреннего трения φ, определяется по формуле

 

,

 

где , - величины сопротивления сдвигу, взятые по диаграмме, если они не лежат на прямой.

Сцепление определяется по формуле

 

с= – σ·tgφ.

Результат: φ=______°; С=_______кПа.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3