Метод одноплоскостного среза по поверхности смерзания

 

Сущность метода

 

6.2.1.1 Испытание мерзлого грунта методом одноплоскостного среза по поверхности смерзания проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивления срезу (а при необходимости также угла внутреннего трения и удельного сцепления, см. 5.1) мерзлого грунта, грунтового раствора и льда по поверхности их смерзания с материалом фундамента или другим твердым материалом  сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности смерзания с другим грунтом или грунтовым раствором , сопротивления срезу льда по поверхности смерзания с грунтом или грунтовым раствором .

Данным методом испытывают пески (кроме сыпучемерзлых) и глинистые грунты с содержанием органических веществ в обоих видах грунтов не более 10% при температурах, указанных в 4.5.

6.2.1.2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем приложения к образцу грунта, смороженного с образцом материала фундамента, грунтовым раствором или льдом, срезающей нагрузки при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза.

6.2.1.3 Предельно длительные значения сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности смерзания ,  или  определяют как наибольшие касательные напряжения, при которых произошла стабилизация деформации среза образца при заданном нормальном напряжении.

6.2.1.4 Для испытаний используют образцы грунта или грунтового раствора ненарушенного и нарушенного сложений.

Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой от 1/2 до 1/3 диаметра.

6.2.1.5 Диаметр образца материала должен быть равным диаметру образца грунта.

 

Оборудование и приборы

 

6.2.2.1 В состав установки для испытания мерзлого грунта методом одноплоскостного среза по поверхности смерзания должны входить:

- срезной прибор с фиксированной плоскостью среза;

- рабочее кольцо для образца грунта, грунтового раствора, льда с внутренними размерами по 6.2.1.4;

- формы для смораживания образца грунта с материалом фундамента, грунтовым раствором, льдом и грунтом;

- механизмы для создания срезающей и нормальной нагрузок;

- устройства для измерения деформаций образца.

Принципиальная схема срезного прибора приведена в разделе П.1 приложения П.

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Имеется в виду раздел Р.1 приложения Р

6.2.2.2 Конструкция срезного прибора должна обеспечивать возможность приложения удельной срезающей нагрузки не менее 0,7 МПа для длительных опытов и 1,5 МПа - для кратковременных.

6.2.2.3 Формы для смораживания изготавливают из материала низкой теплопроводности (например, из органического стекла). Толщина стенок колец формы из органического стекла должна быть не менее 20 мм.

Конструкция формы должна обеспечивать возможность одностороннего промораживания образца через его торцевые поверхности и исключать отжатие и отток воды из грунта при его промораживании.

Принципиальные схемы форм приведены в разделе П.2 приложения П.

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Здесь и далее по тексту имеется в виду раздел Р.2 приложения Р

В форме первого типа подготавливают образцы вида "грунт (грунтовый раствор, лед) - материал" для определения значения , в форме второго типа - образцы вида "грунт - грунтовый раствор (лед, грунт)" - для определения значений  и , (см. 6.2.1.1).

 

Подготовка к испытанию

 

6.2.3.1 Образец грунта изготавливают с учетом требований 6.2.1.4 и раздела П.2 приложения П.

6.2.3.2 Образец материала изготавливают с учетом требований раздела П.2 приложения П диаметром, равным диаметру образца грунта, и высотой, определяемой конструкцией срезного прибора.

6.2.3.3 Подготовленный к испытанию образец помещают в срезную коробку прибора и проводят следующие операции:

- закрепляют образец так, чтобы плоскость смерзания располагалась в зазоре между подвижной и неподвижной частями прибора, составляющем 1-2 мм;

- устанавливают на образец штамп для передачи нормального давления и центрируют его;

- закрепляют устройства для измерения деформаций образца грунта;

- устанавливают срезной прибор на станину под пресс и центрируют;

- освобождают подвижную часть срезной коробки, присоединяют к ней механизм для создания срезающей нагрузки;

- записывают начальные показания устройств для измерения деформаций образца и фиксируют время начала испытания.

 

Проведение испытания

 

6.2.4.1 К образцу плавно, не допуская ударов, прикладывают нормальную нагрузку и затем - первую ступень срезающей нагрузки.

6.2.4.2 Значение нормального давления, при котором проводят испытание, назначают в зависимости от напряженного состояния грунтового массива с учетом глубины залегания образца или определяют в программе испытаний. При отсутствии данных это давление принимают равным 0,1 МПа.

6.2.4.3 Значение первой ступени срезающей нагрузки  и ступени последующего нагружения , кН, при испытаниях по определению значений ,  и  (см. 6.2.1.1) следует устанавливать в соответствии с заданием, а при его отсутствии - определять на основании результатов предварительно проведенных испытаний при непрерывном быстром воздействии нагрузки по формуле

 

, (6.4)

 

где  - условно-мгновенное сопротивление срезу, определяемое в соответствии с 6.2.1.1, 6.2.4.9 и 6.2.5.1, МПа;

 - площадь смерзания образца, .

Далее увеличивают срезающую нагрузку ступенями нагружения , кН, значения которых при отсутствии задания определяют по формуле

 

. (6.5)

 

6.2.4.4 При недостаточном количестве образцов значения  и  могут быть определены по формулам:

 

; (6.6)

 

, (6.7)

 

где  - касательное напряжение, МПа, принимаемое по таблице 6.2;

 - приращение касательного напряжения на каждой ступени нагружения, МПа, принимаемое по таблице 6.3.

При определении значения  учитывают уменьшение площади среза в течение испытания.

 

Таблица 6.2 - Значения касательного напряжения на первой ступени нагружения при срезе

 

Грунты	Значение касательного напряжения , МПа, на первой ступени нагружения при температуре образца грунта, °С
	-1	-1,5	-2	-2,5	-3	-3,5	-4	-6	-8	-10
При определении
Пески	0,09	0,11	0,14	0,16	0,18	0,20	0,23	0,26	0,31	0,35
Глинистые грунты	0,07	0,09	0,11	0,13	0,14	0,16	0,18	0,21	0,24	0,27
При определении
Пески	0,12	0,15	0,17	0,19	0,21	0,22	0,24	0,29	0,34	0,38
Глинистые грунты	0,08	0,10	0,12	0,13	0,15	0,16	0,18	0,21	0,24	0,27
Примечания 1 Значения  при определении сопротивления срезу мерзлых грунтов, грунтовых растворов по поверхности смерзания  с металлическим материалом фундамента следует принимать с коэффициентом 0,7. 2 Значения  при определении  при смораживании разнородных грунтов следует принимать для наименее прочного грунта. 3 Если на первой ступени нагружения наблюдается незатухающая ползучесть, значения  необходимо уменьшить в два раза.

 

Таблица 6.3 - Приращение касательного напряжения в зависимости от температуры грунта

 

Температура образца грунта ниже , °С	Приращение касательного напряжения , МПа
До - 1	0,01
От - 3 до - 1	0,02
От - 6 до - 3	0,03
Более - 6	0,04

 

6.2.4.5 На каждой ступени нагружения записывают показания устройств для измерения деформации среза образца через интервалы времени, принимаемые по 6.1.4.3, до достижения условной стабилизации деформации (см. 6.1.4.5).

6.2.4.6 Если на очередной ступени нагружения стабилизации деформации не наблюдается, то нагрузку выдерживают до возникновения деформации с постоянной скоростью, которая считается достигнутой, если скорость в течение двух следующих друг за другом 12-часовых интервалов сохраняется постоянной.

6.2.4.7 Испытание прекращают, если деформация с постоянной скоростью установлена не менее чем для двух ступеней срезающей нагрузки.

6.2.4.8 После окончания испытания из зоны среза отбирают пробы для определения влажности.

6.2.4.9 При проведении испытания при непрерывном быстром возрастании нагрузки к образцу плавно, не допуская ударов, прикладывают срезающую нагрузку, увеличивая ее непрерывно и обеспечивая такую постоянную скорость деформирования образца, чтобы время от начала испытания до момента разрушения образца составляло 20-40 с.

В процессе испытания проводят автоматическую запись срезающей нагрузки, а при отсутствии системы автоматической записи - фиксируют нагрузку , кН, в момент разрушения образца.

 

Обработка результатов

 

6.2.5.1 По результатам испытаний при непрерывном быстром возрастании нагрузки определяют условно-мгновенное значение сопротивления срезу мерзлого грунта, льда по поверхности смерзания , МПа, по формуле

 

. (6.8)

 

6.2.5.2 В процессе испытаний строят график зависимости деформаций грунта  от времени при различных значениях касательного напряжения (см. приложение Р, раздел Р.3).

6.2.5.3 Предельно длительное значение сопротивления срезу , ,  определяют как наибольшее касательное напряжение, при котором произошла стабилизация деформации образца при заданном нормальном напряжении, по кривой "деформация - нагрузка" и по графику In I - In  (см. приложение Р, раздел Р.3).

6.2.5.4 При определении значений , ,  вводят поправку на трение в срезном приборе по заранее построенной тарировочной кривой.

 

Метод одноосного сжатия

 

Сущность метода

 

6.3.1.1 Испытание мерзлого грунта методом одноосного сжатия проводят для определения следующих характеристик прочности и деформируемости: предела прочности на одноосное сжатие , , модуля линейной деформации Е, коэффициента поперечного расширения , коэффициента нелинейной деформации A, коэффициента вязкости сильнольдистых грунтов  для песков (кроме гравелистых и сыпучемерзлых) и глинистых грунтов (кроме заторфованных видов указанных грунтов) при температурах по 4.5.

6.3.1.2 Характеристики по 6.3.1.1 определяют по результатам нагружения образцов грунта вертикальной нагрузкой в условиях свободного бокового расширения с доведением образца до хрупкого разрушения или достижения незатухающей ползучести.

6.3.1.3 Для испытаний используют образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения с природной влажностью и льдистостью.

Толщина прослоек льда в образце должна быть не более 2 мм, а льдистость .

При определении коэффициента вязкости сильнольдистых грунтов толщина прослоек льда в образце должна быть не более 10 мм.

6.3.1.4 Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и соотношение диаметра и высоты, равное 1/2-1/2,3. При обосновании допускается применять образцы диаметром не менее 45 мм.

 

Оборудование и приборы

 

6.3.2.1 В состав установки для испытания мерзлого грунта методом одноосного сжатия должны входить:

- платформы (подвижная и неподвижная) с набором приспособлений для установки и крепления образца грунта;

- механизм для вертикального нагружения образца;

- устройства для измерения продольных и поперечных деформаций.

Принципиальная схема установки приведена в приложении С.

6.3.2.2 Конструкция установки и механизма для вертикального нагружения образца грунта должна обеспечивать:

- возможность нагружения образца грунта непрерывно при постоянной скорости деформирования образца не менее 1 мм/с или ступени длительностью не более 5 с;

- общую нагрузку на образец грунта не менее 15 кН;

- возможность относительной деформации образца не менее 0,2.

6.3.3 Подготовка к испытанию

6.3.3.1 Образец грунта изготавливают с учетом требований 6.3.1.3 и 6.3.1.4.

6.3.3.2 Образец извлекают из кольца, помещают между нижним и верхним штампами и проводят следующие операции:

- закрепляют паровлагонепроницаемую оболочку на боковых поверхностях штампов;

- образец со штампами помещают на нижнюю неподвижную платформу установки и центрируют;

- закрепляют устройства для измерения поперечных и продольных деформаций образца.

6.3.3.3 После выдерживания образца грунта в установке проводят предварительное обжатие образца давлением, равным напряжению от собственного веса грунта на глубине отбора образца (но не более половины условно-мгновенного значения предела прочности на одноосное сжатие), в течение 15 с. Затем образец разгружают, записывают показания приборов и фиксируют время начала испытаний.

 

6.3.4 Проведение испытания при непрерывном быстром возрастании нагрузки для определения условно-мгновенного значения предела прочности на одноосное сжатие

 

6.3.4.1 К образцу плавно, не допуская ударов, прикладывают нагрузку, непрерывно увеличивая ее и обеспечивая постоянную скорость деформирования образца не менее 1 мм/с, или ступенями длительностью не более 5 с.

6.3.4.2 Испытание должно продолжаться до момента разрушения образца, если разрушение носит хрупкий характер, или до момента, когда относительная продольная деформация достигнет значения , если образец деформируется вязко, без видимых признаков разрушения.

6.3.4.3 В процессе испытания проводят автоматическую запись нагрузки на образец и его деформаций. При отсутствии системы автоматической записи фиксируют нагрузку и высоту образца грунта в момент его разрушения или вязкого деформирования.

 

6.3.5 Проведение испытания на ползучесть для определения предельно длительного значения предела прочности на одноосное сжатие  и характеристик деформируемости Е, , А

 

6.3.5.1 К образцу плавно, не допуская ударов, прикладывают нагрузку, увеличивая ее равными ступенями нагружения. Время приложения нагрузки на каждой ступени должно быть не более 30 с. На каждой ступени осевое напряжение в образце должно быть постоянным ( =const).

6.3.5.2 Нагрузку на образец грунта , кН, на каждой ступени нагружения определяют по формуле

 

, (6.9)

 

где  - средний диаметр образца грунта в момент приложения очередной ступени нагружения, см.

6.3.5.3 Напряжение , МПа, на каждой ступени нагружения определяют по формуле

 

, (6.10)

 

где  - условно-мгновенное значение предела прочности грунта на одноосное сжатие, определяемое по результатам испытания при непрерывном быстром возрастании нагрузки, МПа (см. 6.3.7.2);

 - порядковый номер ступени нагружения.

6.3.5.4 Значение , допускается определять по формуле

 

, (6.11)

 

где R - расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента, определяемое в соответствии с приложением Т.

6.3.5.5 Для обеспечения постоянства осевого напряжения в образце на каждой ступени нагружения дополнительно увеличивают нагрузку  на  при увеличении диаметра образца на 3% с момента начала испытания или предшествующего догружения.

Значение , кН, определяют по формуле

 

, (6.12)

 

где  - диаметр образца в момент догружения, см;

 - диаметр образца в момент приложения ступени нагружения или предшествующего догружения, см.

При обосновании допускается определять изменение площади образца по формуле

 

, (6.13)

 

где  - диаметр образца в начале опыта, см;

 - относительная продольная деформация образца.

6.3.5.6 Продолжительность действия каждой ступени нагружения должна быть 24 ч, при обосновании - 48 ч и более.

6.3.5.7 На каждой ступени нагружения записывают показания устройств для измерения деформаций через интервалы времени, принимаемые по 6.1.4.3, и строят график зависимости продольной деформации образца грунта от времени - кривую ползучести (см. приложение У, рисунок У.1).

6.3.5.8 Испытание продолжают до тех пор, пока процесс деформирования образца не перейдет в стадию незатухающей ползучести (стадия незатухающей ползучести считается достигнутой, когда деформации образца будут развиваться с постоянной или увеличивающейся скоростью) или относительная продольная деформация образца достигнет значения 0,20.

Скорость деформации считают постоянной, если в трех последовательных интервалах измерений деформация изменяется не более чем на 0,02 мм за 2 ч.

 

6.3.6 Проведение испытания на ползучесть для определения коэффициента вязкости сильнольдистых грунтов

 

6.3.6.1 К образцу грунта прикладывают нагрузку в соответствии с 6.3.5.1.

6.3.6.2 Нагрузку на образец на каждой ступени определяют по 6.3.5.2 - 6.3.5.4.

6.3.6.3 Для обеспечения постоянства осевого напряжения выполняют требования 6.3.5.5.

6.3.6.4 Каждую ступень нагружения выдерживают до условной стабилизации продольной деформации образца грунта, принимаемой по 6.1.4.5, или до достижения стадии незатухающей ползучести.

6.3.6.5 На каждой ступени нагружения записывают показания устройств для измерения деформаций образца грунта через интервалы времени, принимаемые по 6.1.4.3.

6.3.6.6 В процессе испытания для каждой ступени нагружения выполняют следующие операции:

- строят кривую ползучести (см. рисунок У.1 приложения У);

- на кривой ползучести выделяют линейные участки, отражающие деформирование образца грунта с постоянной скоростью, если оно имело место при данном значении напряжения;

- для выделенных линейных участков определяют значение скорости деформирования образца , мм/ч, по формуле

 

, (6.14)

 

где  - разность продольных деформаций образца грунта в конце и в начале периода деформирования грунта с постоянной скоростью на i-й ступени нагружения, мм,

 - продолжительность периода деформирования образца грунта с постоянной скоростью на i-й ступени нагружения, ч;

- по вычисленным значениям определяют значения скорости относительного деформирования образца грунта , 1/ч, на i-й ступени нагружения по формуле

 

, (6.15)

 

где h - начальная высота образца грунта, мм.

6.3.6.7 На основании полученных значений  строят реологическую кривую, отражающую зависимость  (см. рисунок У.2 приложения У).

Реологическую кривую на начальном участке аппроксимируют прямой наилучшего приближения к экспериментальным точкам графически или методом наименьших квадратов.

6.3.6.8 Испытание заканчивают, когда на начальном линейном участке реологической кривой получено не менее трех экспериментальных точек и столько же за его пределами после перехода рассматриваемой зависимости в нелинейную.

Если указанное условие не выполняется, то необходимо увеличить число ступеней нагружения.

 

Обработка результатов

 

6.3.7.1 Результаты испытаний обрабатывают одновременно с проведением самих испытаний и переход к следующему этапу испытаний (ступени нагружения, догружения и т.д.) осуществляют после обработки результатов на предыдущем этапе.

6.3.7.2 По результатам испытания при непрерывном быстром возрастании нагрузки (см. 6.3.4) определяют условно-мгновенное значение предела прочности на одноосное сжатие , МПа, по формулам:

 

 - при хрупком разрушении образца; (6.16)

 

 - при пластическом разрушении образца, (6.17)

 

где  и  - соответственно начальная и конечная (после проведения испытания) площади поперечного сечения образца, ;

F - разрушающая нагрузка, кН, определяемая по 6.3.4.2, 6.3.4.3.

6.3.7.3 Предельно длительное значение предела прочности на одноосное сжатие грунта , МПа, определяют по результатам испытания на ползучесть, проведенного в соответствии с 6.3.5, по формуле

 

, (6.18)

 

где  - напряжение в образце грунта на ступени нагружения, предшествующей k-й ступени, на которой процесс деформирования образца переходит в стадию незатухающей ползучести (см. 6.3.5.8), МПа.

6.3.7.4 По результатам этого же испытания (см. 6.3.5) определяют также характеристики деформируемости мерзлого грунта E, А и  в соответствии с приложением Ф.

6.3.7.5 По результатам испытания, проведенного в соответствии с 6.3.6,определяют коэффициент вязкости сильнольдистых грунтов , , с точностью 10  по формуле

 

, (6.19)

 

где  - напряжение, соответствующее точке А пересечения линейного участка реологической кривой (см. 6.3.6.7) с осью абсцисс, МПа (см. приложение Ф);

 - то же, что в формуле (6.18) - точка В линейного участка реологической кривой, МПа, (см. приложение Ф);

 - то же, что в 6.3.6.6.