Прочность грунта

Прочность грунтаПрочность грунта (далее — ПГ) — это способность грунта сопротивляться разрушению, в основном при механическом воздействии на него. Ее выражают и оценивают временным сопротивлением сжатию, разрыву, скалыванию (для полускальных и скальных грунтов), сдвигу (для глинистых грунтов и песков). Она обусловлена взаимодействием между элементами, составляющими грунт.

ПГ зависит не только от самого грунта, но и от вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.), условий эксплуатации (температура, скорость нагружения, длительность и число циклов нагружения, воздействие окружающей среды и т.д.). В зависимости от всех этих факторов в механике грунтов приняты различные категории: предел ПГ, предел текучести, предел усталости и др. Повышение ПГ достигается термической и механической обработкой, введением добавок, применением армированных и композиционных материалов.

Виды прочности грунта

Длительная прочность — ПГ при длительном действии нагрузки. Характеризуется кривой длительной прочности. Она зависит, в основном от прочности структурных связей грунта.

У грунтов с крепкими кристаллизационными и конденсационными связями прочность до их разрушения снижается до 70-90% от начальной (для большинства скальных грунтов до 60-80%). При наличии самых слабых структурных связей (коагуляционных) длительная прочность уменьшается до 20-60% от начальной.

В глинистых грунтах длительная ПГ зависит также от их влажности и консистенции. У глинистых грунтов пластичной консистенции прочность с течением времени при постоянной нагрузке снижается сравнительно быстро, и длительная ПГ для текучепластичных глин составляет от 20-40% до 50-60% для тугопластичных глин от начальной прочности. У мёрзлых грунтов длительная ПГ составляет 15-50% от начальной прочности, длительная ПГ льда уменьшается до нуля. При сжатии прочность снижается в меньшей мере, чем при сдвиге и тем более при растяжении. В условиях сложного напряжённого состояния, чем больше среднее нормальное напряжение, тем в меньшей степени снижается прочность. С ростом температуры снижение ПГ идет интенсивнее.

Контактная прочность — характеристика твёрдости породы, определяемая при вдавливании штампа в необработанную поверхность образца и составляющая, например, для песчаников 3,5 — 18,0 МПа, для сланцев 3,0 — 7,0 МПа.

Мгновенная прочность — ПГ при мгновенном приложении нагрузки.

Прочность грунта на сжатие — разрушение грунта при сжатии. Проводится в условиях свободного бокового расширения (такое испытание называется простым или одноосным сжатием) или при его ограничении. Она характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие Rс и равно частному от деления максимальной разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения образца до испытания. По величине Rс приближённо оценивается несущая способность свай. Она прямо пропорциональна предельной расчётной величине прочности на одноосное сжатие. Величина Rс используется также для определения устойчивости массива грунтов, в котором происходит подземная выработка, величин его смещения, нагрузок на крепь и параметров крепи. По значению Rс вычисляют коэффициент крепости по Протодьяконову.

Предел прочности на одноосное сжатие в лабораторных условиях изучают на образцах правильной (кубической или цилиндрической) и неправильной форм. Между пределом прочности на одноосное сжатие для образцов правильной Rс и неправильной Rс.н. формсуществует эмпирическая взаимосвязь Rс=5,3 Rс.н. Предел прочности на одноосное сжатие зависит от трещиноватости грунта, размера, формы и характера упаковки слагающих грунт частиц, прочности структурных связей между частицами, степени насыщения грунта водой или льдом.

Стандартная прочность — ПГ (песчаных и глинистых), оцениваемая методом медленного сдвига после предварительного полного их уплотнения при давлении, соизмеримом с давлением, создаваемым инженерным сооружением.

Структурная прочность — ПГ, обусловленная структурными связями между компонентами грунта, преимущественно твёрдыми. Она зависит от вида компонент и их физической природы, отвечает величине нагрузки, при которой начинается деформирование грунта. Различают структурную прочность при сжатии и сдвиге. Структурная ПГ при сжатии ориентировочно определяется по формуле: σстр=2с cosφ /(1-sinφ), где φ — угол внутреннего трения; с — сцепление.

Прочность грунта фильтрационная — сопротивление грунтов, главным образом песчаных, разрушению при действии на них фильтрационного потока.

Прочность остаточная — минимальное касательное напряжение при данной величине деформации, которое грунт выдерживает без деформирования и разрушения.

Прочность пластическая — предельное сопротивление сдвигу глинистых грунтов, определяемое по результатам лабораторных пенетрационных исследований по формуле: Рm=KaP/h2, где Ka — константа конуса, равная 0,959 при угле вершины конуса 300; Р — усиление пенетрации; h — глубина погружения конического наконечника под действием усилия Р.

ГРУНТЫ

Определение характеристик прочности методом одноосного сжатия

Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»

Сведения о стандарте

• 1 РАЗРАБОТАН Научно-исследовательским, проектно-изыскательским и конструкторско-технологическим институтом оснований и подземных сооружений им. Н. М. Герсеванова (НИИОСП им. Н.М. Гер-севанова) АО «НИЦ «Строительство»
• 2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство»
• 3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 31 августа 2020 г. № 132-П)

За принятие проголосовали:

• 4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 октября 2020 г. № 822-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 12248.2-2020 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июня 2021 г.

Информация о введении е действие (прекращении действия) настоящего стандарта и изме-нений к нему на территории указанных выше государств публикуется в указателях национальных стандартов, издаваемых в этих государствах, а также в сети Интернет на сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации.

В случае пересмотра, изменения или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации в каталоге «Межгосударственные стандарты»

В Российской Федерации настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

Содержание

• 1 Область применения

• 2 Нормативные ссылки

• 3 Термины и определения

• 4 Общие положения

• 5 Сущность метода

• 6 Оборудование и приборы

• 7 Подготовка к испытанию

• 8 Проведение испытания

• 9 Обработка результатов

ГРУНТЫ

Определение характеристик прочности методом одноосного сжатия

Soils. Determination of strength parameters by unconfined compression testing

Дата введения — 2021-06-01

• 1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает метод одноосного сжатия дисперсных связных грунтов при их исследовании для строительства.

Настоящий стандарт распространяется на дисперсные связные грунты ненарушенной структуры, способные сохранять свою форму при вырезании.

Настоящий стандарт не распространяется на трещиноватые глины, илы. средне* и сильнозатор-фованные грунты, торф, а также на все виды мерзлых грунтов.

• 2 Нормативные ссылки

8 настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие межгосударственные стандарты;

ГОСТ 5180 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик

ГОСТ 12071 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов

ГОСТ 25100 Грунты. Классификация

ГОСТ 30416 Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов и классификаторов на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации. метрологии и сертификации (www.easc.by) или по указателям национальных стандартов, издаваемым в государствах, указанных в предисловии, или на официальных сайгах соответствующих национагъных органов по стандартизации. Если на документ дана недатированная ссылка, то следует использовать документ, действующий на текущий момент, с учетом всех внесенных в него изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то следует использовать указанную версию этого документа. Если после принятия настоящего стандарта в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение применяется без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

• 3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 25100 и ГОСТ 30416.

• 4 Общие положения
  • 4.1 Настоящий стандарт устанавливает требования к методу лабораторного испытания дисперсных связных грунтов методом одноосного сжатия для определения сопротивления недренированному сдвигу си.

Издание официальное

• 4.2 Общие требования к лабораторным испытаниям грунтов, оборудованию и приборам, лабораторным помещениям, способы изготовления образцов для испытаний приведены в ГОСТ 30416.
• 4.3 Способы отбора монолитов и подготовки образцов для испытаний должны обеспечить практически полное сохранение их структуры и влажности в соответствии с ГОСТ 12071 и ГОСТ 30416.
• 4.4 Для испытываемых образцов связных грунтов должны быть определены физические характеристики по ГОСТ 5180: влажность, плотность, плотность частиц, плотность сухого грунта, коэффициент пористости, коэффициент водонасыщения, влажность на границах текучести и раскатывания, число пластичности и показатель текучести.
• 4.5 В процессе испытаний грунтов ведут журналы, формы которых приведены в приложении А. а при автоматизации процесса испытаний и обработки данных с помощью компьютерных программ результаты опыта выводятся на компьютер в форме паспорта (протокола) испытания.
• 4.6 Отчет об испытании должен включать в себя:

• — идентификацию образца (номер буровой скважины, номер пробы, номер испытания, глубина отбора и т. л.);
• — метод подготовки образца (ненарушенного или нарушенного сложения, предварительное водо-насыщение);
• — начальные размеры образца;
• — физические характеристики грунта;
• — использованный режим нагружения:
• — таблицу результатов испытания (нагрузки — деформации):
• — графики испытаний;
• — числовые значения полученных характеристик грунта.

При необходимости допускается приводить и другую дополнительную информацию.

• 5 Сущность метода
  • 5.1 Испытания грунтов методом одноосного сжатия проводят путем нагружения образца вертикальной нагрузкой с возможностью неограниченного бокового расширения вплоть до момента его разрушения.
  • 5.2 Испытания грунта методом одноосного сжатия проводят для определения сопротивления не-дренированному сдвигу си.
  • 5.3 Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения при природной влажности.
  • 5.4 Образец грунта для испытаний должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 38 мм и отношением высоты к диаметру, равным 1.8-2.5. Максимальный размер фракции грунта (включений, агрегатов) в образце не должен превышать 1/6 диаметра образца.
• 6 Оборудование и приборы
  • 6.1 В состав установки для испытания грунта на одноосное сжатие должны входить:

• — механизм для вертикального нагружения образца:
• — устройство для измерения вертикальной нагрузки на образец;
• — устройство для измерения высоты образца.

Принципиальная схема установки для испытания грунта на одноосное сжатие приведена в приложении Б.

• 6.2 Диаметр плит пресса для испытаний образцов дисперсных фунтов должен превышать диаметр образцов на 15 %.
• 6.3 Поверхность плиты, контактирующая с образцом, должна иметь гладкую отполированную поверхность или иметь специальное антифрикционное покрытие.
• 6.4 Устройство вертикального нагружения должно обеспечивать создание максимальных усилий, превышающих не менее чем на 20 % — 30 % предельную нагрузку на образец.
• 6.5 Верхняя плита должна быть оснащена сферическим шарниром для равномерной передачи нагрузки на верхний торец образца в процессе испытания.
• 6.6 Установка для одноосных испытаний должна обеспечивать соосность верхней плиты, образца и нижнеи плиты в процессе всего испытания.
• 6.7 Устройство вертикального нагружения должно обеспечивать ступенчатый режим нагружения статическими нагрузками (статический режим) или режим заданной скорости перемещений (кинематический режим).
• 6.8 Погрешности измерений (усилий, давлений, перемещений) для всех измерительных устройств принимаются в соответствии с требованиями ГОСТ 30416.
• 6.9 Воздействия на образец (усилия, давления, перемещения) должны создаваться с точностью не менее 5 % от требуемой величины воздействия.
• 6.10 Измерительные устройства (приборы) должны обеспечивать измерения с дискретностью (ценой деления для механических, разрешающей способностью для электронных) не менее:

• • при измерении вертикальной нагрузки на образец — 2 % от максимальной нагрузки при испытании;
• • измерении вертикальной деформации — не более 0.02 % от начальной высоты образца;
• • измерении поперечной деформации — не более 0,03 % от начального диаметра образца.

• 7 Подготовка к испытанию
  • 7.1 Образец грунта изготавливают в соответствии с ГОСТ 30416 и с учетом требований 4.3 и 4.4.
  • 7.2 Образец грунта, изготовленный методом режущего кольца (цилиндра), извлекают из цилиндра с помощью выталкивателя в направлении его вырезания.
  • 7.3 Образец фунта помещают строго в центре опорной ллиты пресса, используя для этого специальную оснастку, и приводят в контакт с верхней плитой.
  • 7.4 Устанавливают устройства для измерения вертикальной деформации и вертикальной нагрузки (если это требуется конструкцией установки) и записывают их начальные показания.
• 8 Проведение испытания
  • 8.1 Нагружение образцов дисперсных грунтов при испытании на одноосное сжатие производят в режиме ступенчатого нагружения статическими нагрузками (статический режим) и в режиме заданной скорости деформирования (кинематический режим).

Примечание — Допускается проведение испытаний дисперсных связных грунтов методом одноосного сжатия в режиме задаваемых перемещений (режим релаксации напряжений).

• 8.2 При испытаниях в режиме ступенчатого нагружения нагрузку прикладывают ступенями с интервалами от 15 с до 1 мин. Большие интервалы выбирают для глинистых грунтов полутвердой и твердой консистенции. Размер ступеней нагружения принимается в зависимости от ожидаемого максимального значения полного напряжения при разрушении образца о,и составляет 0.1 ол
• 8.3 При испытаниях связных грунтов в кинематическом режиме нагружения скорость вертикальной деформации образца выбирают в зависимости от консистенции грунта в диапазоне 0.5 % — 2 % в минуту. Причем высокие скорости выбираются для грунтов с высокими числами пластичности и наоборот.
• 8.4 Показания устройства для измерения изменений высоты образца записывают не реже чем через 1 % деформации в кинематическом режиме или в конце каждой ступени нагрузки при статическом режиме нагружения.
• 8.5 Испытание проводят до разрушения образца, т. е. до достижения максимального значения вертикальной нагрузки. В случае отсутствия видимых признаков разрушения испытание прекращают при вертикальной деформации образца t = 15 %.
• 8.6 По результатам испытаний фиксируют величину максимальной нагрузки при разрушении Fm в соответствии с приложением 8.
• 8.7 Результаты измерений заносят в журнал (см. приложение А).

• 9 Обработка результатов
  • 9.1 Сопротивление недренированмому сдвигу си. МПа (кПа), вычисляют по формуле

с,

(9’1)

где — значение полного напряжения при разрушении образца. МПа.

• 9.2 Значение полного напряжения при разрушении образца af вычисляют с точностью 0.1 МПа по формуле

cf > 0.1^. (9.2)

At

где Fm — максимальная нагрузка, при которой происходит разрушение. кН;

Af — площадь поперечного сечения образца грунта в момент разрушения, см2.

• 9.3 Текущая площадь поперечного сечения образца А, определяется следующим образом.

Если относительная вертикальная деформация образца в момент разрушения е < 2 %, то увели* чение площади образца при расчете полного напряжения при разрушении образца а, допускается не учитывать.

Если вертикальная деформация образца в момент разрушения е > 2 %. то для любого момента испытания текущую площадь поперечного сечения образца А. вычисляют по формуле

А

А . (9.3)

где А — начальная площадь поперечного сечения образца, см2:

ь-,. — текущее значение вертикальной деформации образца, д. е.

• 9.4 Результаты произведенных расчетов заносят в журнал (см. приложение А).

Приложение А (рекомендуемое)

Журнал испытания грунта методом одноосного сжатия

Форма первой страницы журнала

Организация

Дата испытания «с»г.

Объект (пункт)_____________________________________________________________________________________________

Сооружение

Дата испытания___________________________________________________________________________________

Наименование грунта

Особенности образца.

Наименование установки

Начальная высота образца, мм______________________________________________________________________

Начальный диаметр, мм

Начальная площадь поперечного сечения А, см2_______________________________________________________

Объем. см3

Масса, г___________________________________________________________________________________________________

Физические характеристики грунта

Форма второй страницы журнала

Журнал N» 1 Номер образца

Приложение Б (справочное)

Принципиальная схема установки для испытания грунта на одноосное сжатие

1 — механизм для вертикального нагружения образца. 2 — устройство для измерения вертикальной нагрузки на образец: 3 — устройство для измерения вертикальной деформации образца

Рисунок Б.1

Приложение В (обязательное)

Определение максимальной нагрузки при разрушении

График зависимости деформации от приложенной нагрузки при выраженном разрушении г = f(F)

Fm — максимальная нагрузка при разрушении, г — относительная деформация; F — нагрузка Рисунок В.1

График зависимости деформации от приложенной нагрузки при отсутствии видимых признаков разрушения

Fm максимальная нагрузка при разрушении; с — относительная деформация. F — нагрузка; г15 — деформация, соответствующая 16 % от вертикальной деформации образца