Определение прочностных и деформационных характеристик дисперсных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Данная курсовая работа рассматривает определение прочностных и деформационных характеристик дисперсных пород.

Большая часть горных пород при отсутствии высокого всестороннего давления при быстром нагружении или разгрузке в большом диапазоне напряжений хорошо подчиняете закону Гука.

По мере увеличения напряжения на сжатие усиливается и деформация. При нагрузке, соответствующей пределу прочности образца sсжпроисходит его разрушение. Характер зависимости между напряжением и деформацией определяете продолжительностью действия нагрузки на образец - при медленном нагружении деформация почти всех горных пород отклоняется от закона прямой пропорциональности ( рис. 6, кривая с t = ?). При напряжениях, меньших ss остаточной деформации не наблюдается как при мгновенной нагрузке (t = 0), так и при нагрузке и разгрузке с длительной выдержкой (t = ?).

У большей части пород необратимые пластические деформации при медленном нагружении появляются при напряжениях ss составляющих 10--15% разрушающих. Пластические деформации при многократной нагрузке и разгрузке постепенно уменьшаются в каждом цикле. В ряде случаев под влиянием нагрузки некоторые горные породы приобретают специфические реологические свойства.

Многие горные породы подвержены явлению крипа (ползучести), которое характеризуется постепенным нарастанием деформации при постоянном напряжении. Явления крипа в наибольшей степени свойственны глинам, аргиллитам, глинистым сланцам, каменной соли. Деформация ползучести зависит от структуры породы, нагрузки, времени и направления их действия. При нагрузках, действующих перпендикулярно плоскости напластования, ползучесть возрастает. Этот вид деформации отличается от пластической тем, что она возникает при длительном воздействии напряжений, не превышающих предела упругости породы, в то время как пластическая деформация происходит при возрастающих напряжениях за пределами упругости пород.

Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя как хрупкие, и как пластичные тела. При растяжении, изгибе и одноосном сжатии пластические свойства горных пород почти не проявляются, разрушение пород происходит без заметной пластической деформации. При всестороннем сжатии многие горные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают пластические свойства.



1. ОСНОВНЫЕ ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Прочностные, характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам.

Деформационные, характеризующие деформируемость пород под нагрузками.

Прочностные свойства определяют способность пород сопротивляться разрушению под действием приложенных механических напряжений. Они характеризуются пределами прочности при сжатии и растяжении, сцеплением и углом внутреннего трения.

Сцепление [0] характеризует предельное сопротивление срезу по площадке, на которой отсутствует нормальное давление, т. е. нет сопротивления срезающим усилиям за счет внутреннего трения. Угол внутреннего трения или коэффициент внутреннего трения tg характеризует интенсивность роста срезающих напряжений с возрастанием нормальных напряжений, т. е. представляет собой коэффициент пропорциональности между приращениями касательных dn и нормальных dn напряжений при срезе:

Коэффициент поперечных деформаций v, или коэффициент Пуассона, является мерой пропорциональности между относительными деформациями в направлении, перпендикулярном к вектору приложенной нагрузки и параллельном ему:

Перечисленные характеристики упругих свойств пород функционально связаны между собой следующими соотношениями:

Таким образом, зная две из этих характеристик, можно расчетным путем определить значения двух других. Обычно экспериментально определяют на образцах пород характеристики Е и v.

За пределом упругости происходит пластическое деформирование с образованием необратимых остаточных деформаций. Для характеристики этого процесса применяют более общий показатель--модуль деформации, представляющий собой отношение приращений напряжений к соответствующему приращению вызываемых ими деформаций. Пластические свойства могут быть также охарактеризованы коэффициентом пластичности, для вычисления которого предложено несколько подходов. Один из них, получивший широкое признание, заключается в определении коэффициента пластичности как отношения полной деформации до предела прочности материала к чисто упругой деформации, т. е. до предела упругости:

П = ЕП /ЕУ,

где EП -- полная деформация, соответствующая моменту разрушения материала; Еу--упругая деформация. Альтернативным показателем по отношению к коэффициенту пластичности является коэффициент хрупкости, отражающий способность горных пород разрушаться без проявления необратимых (остаточных) деформаций. Он может быть приближенно охарактеризован, как уже упоминалось, соотношением [р] /[сж] или по формуле

Kxp = Wy / Wp,

где Wy--работа, затраченная на деформирование породы до предела упругости; Wp--общая работа на разрушение. Значения Kxp для различных пород изменяются в весьма широких пределах: например, для известняка и мрамора, Kxp = 0,06--0,07, а для ийолит-уртита Kxp = 0,54. Проявление хрупкости горных пород существенно зависит от режима приложения нагрузок. Динамические, ударные нагрузки приводят породы к хрупкому разрушению, тогда как длительное приложение даже сравнительно небольших нагрузок может вызывать пластические деформации.



2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТОД ОДНОПЛОСКОСТНОГО СРЕЗА

Испытание грунта методом одноплоскостного среза проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивление грунта срезу угла внутреннего трения удельного сцепления c для песков (кроме гравелистых и крупных), глинистых и органо-минеральных грунтов.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза.

Испытания образцов грунта проводят по двум режимам нагружения сдвигающей нагрузкой. В первом случае, применяется статическое нагружение ступенями с выдержкой на каждой ступени до условной стабилизации деформаций. Во втором случае, применяется кинематическое нагружение, непрерывно с заданной скоростью движения срезной коробки прибора. Эти условия нагружения реализуются в двух приборах различной конструкции, которая приведена на рис. 1,2.

Сопротивление грунта срезу определяют как предельное среднее касательное напряжение, при котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при заданном нормальном напряжении. Для определения и необходимо провести не менее трех испытаний при различных значениях нормального напряжения.

Испытания проводят по следующим схемам:

- консолидированно-дренированное испытание - для песков и глинистых грунтов независимо от их степени влажности в стабилизированном состоянии;



Рис. 1. Общий вид прибора одноплоскостного среза

- неконсолидированно-недренированное испытание - для водонасыщенных глинистых и органо-минеральных грунтов в нестабилизированном состоянии и просадочных грунтов, приведенных в водонасыщенное состояние замачиванием без приложения нагрузки.

Рис. 2. Прибор одноплоскостного среза с кинематическим нагружением

2.1 Консолидированно-дренированные испытания

Hа образец грунта передают то же нормальное давление, при котором происходило предварительное уплотнение грунта, за исключением образцов просадочного грунта, испытываемых в водонасыщенном состоянии. В этом случае нормальное давление при срезе должно составлять 0,1; 0,2; 0,3 МПа.

Hормальную нагрузку передают на образец в одну ступень и выдержают ее не менее:

§ 5 мин - для песков;

§ 15 мин - для супесей;

§ 30 мин - для суглинков и глин;

При передаче касательной нагрузки ступенями их значения должны составлять 5% от значения нормальной нагрузки, при которой производят срез. Hа каждой ступени нагружения записывают показания приборов для измерения деформаций среза через каждые 2 мин, уменьшая интервал между измерениями до 1 мин в период затухания деформации до ее условной стабилизации.

За критерий условной стабилизации деформации среза принимают скорость деформации, не превышающую 0,01 мм/мин.

При непрерывно возрастающей касательной нагрузке скорость среза должна быть постоянной и соответствовать указанной в таблице 1.

Таблица 1

Грунты	Скорость среза, мм/мин
Пески	0,5
Супеси	0,1
Суглинки	0,05
Глины с 30%	0,02
Глины с 30%	0,01

Испытание следует считать законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общая деформация среза превысит 5 мм.

При проведении среза с постоянной скоростью за окончание испытаний принимают момент, когда срезающая нагрузка достигнет максимального значения, после чего наблюдается некоторое ее снижение или установление постоянного значения, или общая деформация среза превысит 5 мм.

2.2 Неконсолидированно-недренированные испытания

Hа образец грунта передают сразу в одну ступень нормальное давление при котором будет производиться срез образца. Значения принимают по таблице 2.

Если при давлениях 0,125 и 0,15 МПа происходит выдавливание грунта в зазор между подвижной и неподвижной частями срезной коробки, необходимо их уменьшить на 0,025 МПа.

Сразу после передачи нормальной нагрузки приводят в действие механизм для создания касательной нагрузки и производят срез образца грунта не более чем за 2 мин с момента приложения нормальной нагрузки.

При передаче касательной нагрузки ступенями их значения не должны превышать 10% значения нормального давления, при котором производится срез, и приложение ступеней должно следовать через каждые 10-15 с.

При передаче непрерывно возрастающей касательной нагрузки скорость среза принимают в интервале 2-3 мм/мин так, чтобы срез проходил в течение указанного времени.

Таблица 2

Грунты	Hормальное давление Мпа
Глинистые и органо-минеральные грунты с показателем текучести:
0,5	0,1; 0,15; 0,2
0,51,0	0,05; 0,1; 0,15
1,0	0,025; 0,075; 0,125

По измеренным в процессе испытания значениям касательной и нормальной нагрузок вычисляют касательные и нормальные напряжения и .

Определение необходимо проводить не менее чем при трех различных значениях

По измеренным в процессе испытания значениям деформаций среза соответствующим различным напряжениям строят график зависимости (рис. 4).

Рис. 4. Графическое представление результатов испытаний

За сопротивление грунта срезу принимают максимальное значение полученное по графику или диаграмме среза на отрезке не превышающем 5 мм.

Если возрастает монотонно, то за сопротивление грунта срезу следует принимать при = 5 мм.

Угол внутреннего трения и удельное сцепление определяют как параметры линейной зависимости

Угол внутреннего трения и удельное сцепление МПа, вычисляют по формулам:



где - опытные значения сопротивления срезу, определенные при различных значениях и относящиеся к одному инженерно-геологическому элементу или отдельному монолиту грунта (при 3);

- число испытаний.



3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТОДОМ ОДНООСНОГО СЖАТИЯ

3.1 Сущность метода

Испытание мерзлого грунта методом одноосного сжатия проводят для определения следующиххарактеристик прочности и деформируемости: предела прочности на одноосное сжатие Rс, Rос, модуля линейной деформации Е, коэффициента поперечного расширения v, коэффициентанелинейной деформации А, коэффициента вязкости сильнольдистых грунтов h для песков (кромегравелистых и крупных) и глинистых грунтов (кроме заторфованных, засоленных и сыпучемерзлыхразностей указанных грунтов).

Эти характеристики определяют по результатам нагружения образцов грунта вертикальнойнагрузкой в условиях свободного бокового расширения с доведением образца до хрупкого разрушенияили достижения незатухающей ползучести.

Для испытаний используют образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения с природнойвлажностью и льдистостью.

Толщина прослоек льда в образце должна быть не более 2 мм, а льдистость i Ј 0,4.

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

Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром 71,4 и высотой 140 мм или диаметром 49и высотой 100 мм.

3.2 Оборудование и приборы

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

платформы (подвижная и неподвижная) с набором штампов для установки и крепления образцагрунта;

- механизм для вертикального нагружения образца;

- устройства для измерения продольных и поперечных деформаций.

Принципиальная схема установки приведена в приложении X.

Конструкция установки и механизма для вертикального нагружения образца грунта должнаобеспечивать:

- возможность нагружения образца грунта непрерывно при постоянной скорости деформированияобразца не менее 1 мм/с;

- общую нагрузку на образец грунта не менее 30 кН;

- возможность деформации образца не менее 30 мм.

3.3 Подготовка к испытанию

Образец грунта изготавливают с учетом требований.

Образец грунта извлекают из кольца, помещают между нижним и верхним штампами ипроизводят следующие операции:

закрепляют паровлагонепроницаемую оболочку на боковых поверхностях штампов;

на образец устанавливают устройства для измерения поперечных деформаций;

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

закрепляют устройства для измерения продольных деформаций образца.

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

Проведение испытания при непрерывном быстром возрастании нагрузки для определенияусловно-мгновенного значения предела прочности на одноосное сжатие Rос

К образцу плавно, не допуская ударов, прикладывают нагрузку, увеличивая ее непрерывно иобеспечивая постоянную скорость деформирования образца не менее 1 мм/с.

Испытание должно продолжаться до момента разрушения образца, если разрушение носитхрупкий характер, или до момента, когда относительная продольная деформация достигнет значения eі 0,20, если образец деформируется вязко, без видимых признаков разрушения.

В процессе испытания производят автоматическую запись нагрузки на образец и егодеформаций. При отсутствии системы автоматической записи фиксируют нагрузку и высоту образцагрунта в момент его разрушения или вязкого деформирования.

В процессе испытания ведут журнал, форма которого приведена в приложении А.

Проведение испытания на ползучесть для определения предельно длительного значения пределапрочности на одноосное сжатие Rс и характеристик деформируемости Е, v, А

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

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

Fi =psz,idi2/4,

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

Напряжение sz,i, МПа, на каждой ступени нагружения определяют по формуе

sz,i = Rосni/10,

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

пi - порядковый номер ступени нагружения.

Значение sz,i, может быть определено по формуле

sz,i = Rni/5,

где R-расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента, определяемое в соответствии сприложением Р.

Для обеспечения постоянства осевого напряжения в образце на каждой ступени нагружениядополнительно увеличивают нагрузку Fi на DFi,j при увеличении диаметра образца на 3 %(2 мм дляобразцов диаметром 71,4 мм) с момента начала испытания или предшествующего догружения.

Значение DFi,j, кН, определяют по формуле

где di,j - диаметр образца в момент догружения, см;

di,j-1 - диаметр образца в момент приложения ступени нагружения или предшествующего догружения, см.

Продолжительность действия каждой ступени нагружения должна составлять 24 ч.

На каждой ступени нагружения записывают показания устройств для измерения деформацийчерез интервалы времени, принимаемые по 6.1.4.3, и строят график зависимости продольнойдеформации образца грунта от времени - кривую ползучести (приложение Ц).

Испытание продолжают до тех пор, пока процесс деформирования образца не перейдет встадию незатухающей ползучести (стадия незатухающей ползучести считается достигнутой, когдадеформации образца будут развиваться с постоянной или увеличивающейся скоростью) илиотносительная продольная деформация образца достигнет 0,20.

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

В процессе испытания ведут журнал, форма которого приведена в приложении А.

Проведение испытания на ползучесть для определения коэффициента вязкости сильнольдистыхгрунтов h

Каждую ступень нагружения выдерживают до условной стабилизации продольной деформацииобразца грунта, принимаемой по 6.1.4.4, или до достижения стадии незатухающей ползучести.

На каждой ступени нагружения записывают показания приборов для измерения деформацийобразца грунта через интервалы времени.

В процессе испытания ведут журнал, форма которого приведена в приложении А.

В процессе испытания для каждой ступени нагружения выполняют следующие операции:

- строят кривую ползучести (приложение Ц);

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

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

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

Dti - продолжительность периода деформирования образца грунта с постоянной скоростью на i-йступени нагружения, ч;

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

где h - начальная высота образца грунта, мм.

На основании полученных значений строят реологическую кривую, отражающуюзависимость = f(si) (приложение Ц).

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

Испытание заканчивают, когда на начальном линейном участке реологической кривой полученоне менее трех экспериментальных точек и столько же за его пределами после переходарассматриваемой зависимости в нелинейную.

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



3.4 Обработка результатов

Обработку результатов испытаний выполняют одновременно с проведением самих испытаний ипереход к следующему этапу испытаний (ступени нагружения, догружения и т.д.) осуществляют послеобработки результатов на предыдущем этапе.

По результатам испытания при непрерывном быстром возрастании нагрузки (6.3.4) определяютусловно-мгновенное значение предела прочности на одноосное сжатие Rос, МПа, по формулам:

- при хрупком разрушении образца;

- при пластическом разрушении образца,

где А0 и Аm - соответственно начальная и конечная (после проведения испытания) площадипоперечного сечения образца, см2;

F - разрушающая нагрузка, кН, определяемая по 6.3.4.2.

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

Rс = 0,6sk-1,

где sk-1 - напряжение в образце грунта на ступени нагружения, предшествующей k-й ступени, накоторой процесс деформирования образца переходит в стадию незатухающей ползучести (6.3.5.8), МПа.

По результатам этого же испытания (6.3.5) определяют также характеристики деформируемостимерзлого грунта Е, А и v в соответствии с приложением Ш.

По результатам испытания, проведенного в соответствии с 6.3.6, определяют коэффициентвязкости сильнольдистых грунтов h, МПаЧч, с точностью 10 МПаЧч по формуле

где s1 - напряжение, соответствующее точке А пересечения линейного участка реологической кривой(6.3.6.8) с осью абсцисс, МПа;

s2 - напряжение, соответствующее конечной точке В линейного участка реологической кривой, МПа;



4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТОД ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ

4.1 Сущность метода

Испытание грунта медом трехосного сжатия проводят для определения следующиххарактеристик прочности и деформируемости: угла внутреннего трения j, удельного сцепления с, сопротивления недренированному сдвигу си, модуля деформации Е и коэффициента поперечнойдеформации v для песков, глинистых, органо-минеральных и органических грунтов.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в камерахтрехосного сжатия, дающих возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосногоосесимметричного статического нагружения при

s1 і s2 = s3,

где s1 - максимальное главное напряжение;

s2, s3 - минимальные, они же промежуточные главные напряжения.

Результаты испытаний оформляют в виде графиков зависимости деформаций образца от нагрузки иизменения деформаций во времени.

Испытания вертикальной нагрузкой проводят при заданном всестороннем давлении на образецгрунта или заданном среднем нормальном напряжении.

Примечания

1 Значения заданных всесторонних давлений и средних нормальных напряжений определяют впрограмме испытаний в зависимости от предполагаемого состояния в исследуемом грунтовоммассиве.

При отсутствии данных значения всестороннего давления могут быть приняты в таблице 5.5.

2 При наличии специального обоснования могут быть приняты другие траектории нагружения образцагрунта при испытаниях.

1.5 Испытания для определения характеристик прочности проводят не менее чем для трехобразцов исследуемого грунта при различных значениях всестороннего давления на образец.

Испытания для определения характеристик деформируемости проводят при заданном всестороннемдавлении на образец.

4.2 Испытания проводят по следующим схемам

- неконсолидированно-недренированное испытание - для определения сопротивлениянедренированному сдвигу водонасыщенных глинистых, органо-минеральных и органических грунтовприродной плотности;

- консолидированно-недренированное испытание - для определения характеристик прочностиглинистых, органо-минеральных и органических грунтов в нестабилизированном состоянии;

- консолидированно-дренированное испытание - для определения характеристик прочности идеформируемости любых дисперсных грунтов в стабилизированном состоянии.

Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностьюили образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности.

Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 38 мм и отношением высоты кдиаметру от 2:1 до 2,5: 1.

4.3 Оборудование и приборы

В состав установки для испытания грунтов методом трехосного сжатия должны входить: прочностный грунт сжатие пористость

- камера трехосного сжатия с набором жестких сплошных и перфорированных штампов иуплотнителей к ним;

- устройство для создания, поддержания и измерения давления в камере;

- механизм для вертикального нагружения образца;

- устройства для измерения вертикальных и объемных деформаций образца;

- приборы для измерения давления в поровой жидкости образца (устройства, основанные накомпенсационном принципе, и датчики давления высокой жесткости);

- резиновые оболочки толщиной не более 0,25 мм;

- расширитель для заключения образца в резиновую оболочку.

Принципиальная схема камеры трехосного сжатия приведена в приложении Г.

Конструкция камеры трехосного сжатия должна обеспечивать:

- боковое расширение образца;

- отжатие воды из образца;

- герметичность основных деталей;

- минимально возможное трение штока во втулке камеры.

Измерительные устройства (приборы) должны обеспечивать погрешность:

- при измерении вертикальной нагрузки на образец - не более 1 % нагрузки при разрушении образца;

- при измерении давления в камере - не более 2 % заданного;

- при измерении вертикальной деформации образца - по;

- при измерении объемных деформаций образца - не более 0,03 % начального объема образца.

Камеру трехосного сжатия тарируют в соответствии с требованиями приложения Д.



4.4 Подготовка к испытанию

Образец грунта изготавливают с учетом требований.

Примечание - Для уменьшения трения в процессе вырезания образца с помощью цилиндрическойформы ее внутренний диаметр может быть несколько больше внутреннего диаметра режущей кромки.

Образец грунта ненарушенного сложения, изготовленный методом режущего кольца, извлекаютиз кольца с помощью выталкивателя, измеряют его диаметр и высоту и взвешивают.

Торцы образца покрывают влажными бумажными фильтрами и помещают его между штампами. Спомощью расширителя, конструкция которого приведена в приложении Е, на образец надеваютрезиновую оболочку. Закрепляют оболочку на боковых поверхностях штампов резиновыми илиметаллическими уплотнителями.

Образец грунта со штампами помещают на основание камеры. До помещения образцаводонасыщенного грунта систему трубок, подводящих воду к штампам, и отверстия в штампахзаполняют дистиллированной дезаэрированной водой до появления ее на поверхности штампов ивытеснения пузырьков воздуха. Излишек воды убирают фильтровальной бумагой.

Образец связного грунта нарушенного сложения с заданными значениями плотности ивлажности, изготовленный в разъемной форме методом послойного трамбования или под прессом, извлекают из разъемной формы и проводят операции, указанные в 5.3.3.2 и 5.3.3.3.

При изготовлении образца несвязного грунта нарушенного сложения на внутреннююповерхность формы предварительно помещают резиновую оболочку, концы которой загибают на краяформы. Основанием образца служит штамп, покрытый бумажным фильтром.

Образец несвязного грунта помещают на основание камеры в форме. Концы резиновойоболочки закрепляют на штампах (5.3.3.2). Затем разъемную форму снимают. До снятия формыобразец вакуумируют с помощью вакуумного насоса, создавая разрежение не более 0,01 МПа.

После помещения образца на основание камеры проводят следующие операции:

- корпус камеры с поднятым в верхнее положение штоком устанавливают на основание и проверяютположение штока по отношению к центру образца;

- корпус камеры закрепляют на основании;

- заполняют камеру рабочей жидкостью (дистиллированной прокипяченной водой) с полнымудалением пузырьков воздуха;

- устанавливают прибор для измерения вертикальных деформаций образца;

присоединяют приборы для измерения объемных деформаций образца грунта и (или) давления впоровой жидкости (в зависимости от схемы испытаний);

- записывают начальные показания приборов.

Проведение неконсолидированно-недренированного испытания

Предварительное обжатие образца осуществляют в соответствии с программой испытаний илипроизводят в условиях отсутствия дренажа всесторонним давлением в камере, равным среднемуполному давлению, воздействующему на грунт в условиях природного залегания, в течение 30 мин.

Вертикальное нагружение испытываемого образца производят равномерно, без ударовступенями нагрузки, равными 10 % эффективного напряжения в образце грунта послепредварительного обжатия, определяемого разностью между полным давлением в камере идавлением в поровой жидкости образца, или от значения вертикального эффективного бытовогодавления, заданного программой испытаний, с интервалами 15 с или непрерывно, обеспечиваяприращение относительной вертикальной деформации образца грунта 0,02 за 1 мин.

Показания прибора для измерения вертикальной деформации образца грунта записывают накаждой ступени нагружения (по достижении заданной нагрузки) или через 15 с при непрерывномувеличении нагрузки.

Испытание продолжают до момента разрушения образца или до возникновения пластическоготечения без приращения нагрузки. При отсутствии видимых признаков разрушения испытаниепрекращают при относительной вертикальной деформации образца грунта e1 = 0,15.

После окончания испытания образец грунта разгружают, сбрасывают давление в камере исливают рабочую жидкость.

Образец грунта извлекают из камеры и отбирают из него пробы для контрольного определениявлажности.

В процессе испытания ведут журнал, форма которого приведена в приложении А.

Таблица 5.5

Грунты	Давление в камере s3 при предварительном уплотнении	Ступени давления
1	2	3
Пески крупные и средней крупности плотны Глины с IL Ј 0	0,1; 0,3; 0,5	0,1
Пески средней крупности, средней плотности, пескимелкие плотные и средней плотности Глинистые: супеси и суглинки с IL Ј 0,5, глины с 0 < IL Ј 0,5	0,1; 0,2; 0,3	0,05
Пески средней крупности и мелкие рыхлые, пескипылеватые независимо от плотности Глинистые: супеси, суглинки, глины с IL > 0,5	0,1; 0,15; 0,20	0,025 до s3= 0,1 далее 0,05
Органо-минеральные и органические грунты	0,05; 0,075; 0,1	0,025
Примечание -При больших значениях заданного давления в камере ступени давления принимаютравными 10 % конечного давления.

Проведение консолидированно-недренированного испытания

Образец уплотняют всесторонним давлением в камере s3, заданным программой испытанийили принятым по таблице 5.5. Давление передают ступенями (таблица 5.5). При этом обеспечиваютотжатие воды из образца грунта.

Каждую ступень всестороннего давления при консолидации выдерживают не менее:

- 5 мин - для песков;

- 15 мин - для глинистых, органо-минеральных и органических грунтов.

Конечную ступень давления выдерживают до условной стабилизации объемной деформации образцагрунта.

За критерий условной стабилизации объемной деформации образца грунта принимаютприращение относительной объемной деформации, не превышающее 0,0003 за время, указанное втаблице 5.6.

Таблица 5.6

Грунты	Время условной стабилизации объемной деформации, ч
Пески	0,5
Глинистые:
- супеси	6
- суглинки
с Ip Ј 12 %	6
с Ip > 12 %	12
Глины	24
Органо-минеральные и органические грунты	24

Примечания

1 При измерении объемных деформаций температура рабочей жидкости не должна меняться болеечем на 1 °С.

2 Для грунтов с Sr » 1,0 объемные деформации образца грунта могут быть измерены по объему воды, вытесненной из образца.

Отсчеты по прибору для измерения объемной деформации образца грунта записывают накаждой ступени всестороннего давления в камере, а на конечной ступени давления:

- через 0,5 ч - для песков;

- через 1 ч в течение рабочего дня, далее - в начале и в конце рабочего дня до условной стабилизацииобъемной деформации - для глинистых, органо-минеральных и органических грунтов.

После уплотнения перекрывают дренаж и проводят испытания образца грунта в соответствии с5.3.4.2 - 5.3.4.6. При этом ступени давления принимают равными 10 % заданного всестороннегодавления в камере.

Образец грунта уплотняют в соответствии с 5.3.5.1 - 5.3.5.4.

После уплотнения образец грунта испытывают для определения характеристик проч- ности всоответствии с 5.3.6.3 - 5.3.6.8, a для определения характеристик деформируемости в соответствии с5.3.6.9 - 5.3.6.12.

При испытаниях для определения характеристик прочности образец грунта нагружаютвертикальной нагрузкой при соблюдении следующих условий:

- при постоянном всестороннем давлении в камере s3 - для песков;

при постоянном всестороннем давлении в камере s3 или при постоянном среднем нормальномнапряжении в образце - для глинистых, органо-минеральных и органических грунтов.

Для сохранения постоянства среднего нормального напряжения в образце при приложениинагрузки уменьшают всестороннее давление в камере на Ds3.

Значение Ds3, МПа, определяют по формуле

где DF - приращение вертикальной нагрузки на каждой ступени нагружения или за 5 мин принепрерывном увеличении нагрузки, кН;

А - площадь поперечного сечения образца, см2.

Вертикальное давление на образец передают ступенями, равными 10 % заданноговсестороннего давления в камере, или непрерывно, обеспечивая приращение относительнойвертикальной деформации образца грунта 0,003 за 1 мин. При передаче нагрузки ступенями каждую ступень нагружения выдерживают до условнойстабилизации вертикальной деформации образца, за критерий которой принимают приращениеотносительной вертикальной деформации, не превышающее 0,0001 за 1 мин. Отсчеты по прибору для измерения вертикальной деформации образца грунта записываютчерез каждые 2 мин, а при затухании деформации - через 1 мин. Испытание проводят до разрушения образца (5.3.4.4) и далее проводят операции всоответствии с 5.3.4.5, 5.3.4.6. При испытаниях для определения характеристик деформируемости вертикальное давление наобразец передают ступенями при постоянном всестороннем давлении в камере s3.

Ступени давления в зависимости от всестороннего давления в камере принимают по

Таблица 5.7

Грунты	Ступень вертикального давления на образец грунта, % заданноговсестороннего давления в камере при номерах ступеней
	1		2 - 6		7 и далее
Пески	30		30		15
Глинистые:
- супеси	10		20		10
- суглинки:
с IL Ј 0,5	10		20		10
с IL > 0,5	8		15		8
глины
с IL Ј 0,5	6		15		6
с IL > 0,5	5		10		5
Органо-минеральные иорганические грунты	5		10		5

Каждую ступень давления выдерживают до условной стабилизации вертикальной деформацииобразца, за критерий которой принимают приращение относительной вертикальной деформации, непревышающее 0,0001 за время, указанное в таблице 5.6. Отсчеты по приборам для измерения вертикальных и объемных деформаций образца грунтазаписывают на каждой ступени давления:

- через 1, 5, 15, 30 мин и далее через 0,5 ч - для песков;

- через 1, 5, 15, 30 мин, 1, 2, 4, 6 и 8 ч, а затем в начале и в конце рабочего дня - для глинистых, органо-минеральных и органических грунтов.

Испытание проводят до разрушения образца (5.3.4.4) или прекращают при заданномвертикальном давлении, определенном с учетом предполагаемого напряженного состояния висследуемом грунтовом массиве, и далее проводят операции в соответствии с 5.3.4.5 и 5.3.4.6.

По результатам испытания образца грунта в условиях трехосного сжатия вычисляют:

абсолютную вертикальную деформацию образца грунта Dh, мм, с учетом поправки на сжатиекамеры;

- относительную вертикальную деформацию образца грунта e1 по формуле

где h - начальная высота образца, мм;

абсолютную объемную деформацию образца грунта DV, см3, с учетом поправки на расширениекамеры;

- относительную объемную деформацию образца грунта ev по формуле

где V - начальный объем образца, см3;

- напряжение s1, МПа, по формуле



где F - вертикальная нагрузка, кН;

А - площадь поперечного сечения образца, см2;

s3 - всестороннее давление в камере, МПа;

Ас - площадь поперечного сечения штока, см2.

Примечания

1 При необходимости вводят поправку на трение штока во втулке камеры.

2 При относительной вертикальной деформации образца грунта, превышающей 0,03, учитываютизменение площади А в процессе испытания.

Для любого момента испытаний площадь Аi определяют по формулам:

- для недренированного испытания

- для дренированного испытания

В случае увеличения объема образца ev принимают со знаком плюс.

При определении характеристик прочности по вычисленным значениям строят графикзависимости e1 = f(s1 - s3) для испытаний, проведенных при различных значениях s3 (приложение Ж).

На графиках определяют значения (s1 - s3)р, соответствующие моменту разрушения образца грунта(точка перегиба графика) или относительной вертикальной деформации образца e1 = 0,15.

Сопротивление недренированному сдвигу си, МПа, определяют по результатамнеконсолидированно-недренированного испытания по формуле

где и - значения s1 и s3 при разрушении образца, МПа;

п - число испытаний.

Угол внутреннего трения j и удельное сцепление с, МПа, вычисляют по формулам:

где N - вычисляют по формуле

в которых tiи si необходимо заменить на и соответственно.

Примечания

1 При измерении давления в поровой жидкости s1 и s3 заменяют на sў1 и sў3, вычисляемые поформулам:

sў1 = s1 - и;

sў3 = s3 - и,

где и - давление в поровой жидкости, МПа.

2 Для оценки разброса экспериментальных данных и выявления ошибок испытаний передвычислением tgj и с строят график зависимости s1 = f(s3) при разрушении образцов (приложение Ж).

При определении характеристик деформируемости по вычисленным значениям строят графикизависимости e1 = f(s1) и ev = f(s1) (приложение Ж). На графиках принимают линейную аппроксимациюучастков для заданных программой испытаний диапазонов напряжений.

Модуль деформации Е, МПа, и коэффициент поперечной деформации v определяют прииспытаниях (или этапах испытаний), проведенных при постоянном значении всесторонних напряженийs3 (Ds3 = 0), и вычисляют по формулам:

где Ds1 - приращение напряжений s1в заданном диапазоне;

De1 и De3 приращение относительных вертикальной и поперечной деформаций образца

где Dev - приращение относительной объемной деформации образца.

По данным испытаний грунта в условиях трехосного сжатия могут быть определены модульсдвига G и модуль объемной деформации К в соответствии с приложением И.



5. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА, СТРОЕНИЯ, ВЛАЖНОСТИ И ДРУГИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

5.1 Характеристика дисперсных пород

Строителям чаще всего приходится иметь дело с рыхлыми дисперсными породами. По ГОСТ 25100-95 “Грунты. Классификация” Важнейшим характеристиками таких грунтов являются плотность и пористость.

Пористость отложений определяется как отношение объема пор к общему объему породы. в сухом состоянии, выраженной в долях единицы или в процентах.

где n - пористость; V0 - объем пор; V - объем породы.

Другой важной характеристикой пород является коэффициент пористости

где - коэффициент пористости; VП, VТ - соответственно: объем пор и объем породы.

Между пористостью и коэффициентом пористости можно осуществлять взаимные переходы:



Плотность грунта понимается как отношение массы породы (с водой) к занимаемому этой породой объему.

где - плотность грунта, г/см3; кг/м3; т/ м3; - масса породы, г; - объем породы, см3.

Водно-физические свойства грунтов. Влажность породы определяют как отношение массы воды, содержащейся в порах к массе сухой породы. Анализируемый образец взвешивается и затем высушивается в термошкафу при температуре 105-1100 С в течение 8 часов и более.

где - влажность породы, %; - масса породы с водой, содержащейся в ней, г; - масса высушенной породы, г.

Влажность породы (глин) определяет ее физическое состояние; прочность, деформируемость и пластичность. Под действием внешних сил породы изменяют свою форму (деформируются) без разрыва сплошности, а после окончания действия милы, сохраняют полученную форму. Сохранение (или изменение) формы происходит при определенном содержании в глинах воды. Численная оценка этого явления дается по показателям пределов влажности глин, которые подразделяются на верхний и нижний пределы пластичности.

Нижний предел пластичности WP или граница раскатывания - это влажность породы при которой глинистый жгутик диаметром 3 мм начинает крошиться из-за потери пластических свойств.

Верхний предел пластичности WL - это влажность породы, при которой глинистая масса в фарфоровой чашке, разрезанная глубокой бороздой, начинает сливаться после 2-3 толчков.

Разница между верхним и нижним пределами пластичности называется числом пластичности, Ip, %. Ip = WL - WP.

По числу пластичности выделяются породы: 1) высокопластичные (глины) -17; пластичные (суглинки) - 17-7; слабо пластичные (супеси) - 7; не пластичные (пески) - 0.

Гранулометрический состав характеризуется процентным содержанием в грунте (по весу) фракций (частиц) того или иного размера. Для песчаных грунтов определение гранулометрического состава производится рассеиванием грунта на стандартном наборе сит. Метод имеет ограничения, определяемые конечным размером ячейки сит (0,1 мм) и трудностью разделения агрегатов плотных фракций на отдельные зерна. Поэтому содержание частиц диаметром более 0,1 мм производится ситовым методом, а менее 0,1 мм путем осаждения их в воде. При определении содержания в грунте мелких частиц его промывают, кипятят и растирают. Такая обработка грунта называется диспергированием. При этом ареометрический метод гранулометрического анализа мелких фракций грунтов наиболее прост. По его результатам строится полулогарифмический график состава. По оси ординат откладывается процентное содержание частиц, а по оси абсцисс логарифм соответствующего процентного состава диаметра частиц. Отношение nd = d60|d10 называется коэффициентом неоднородности. Диаметр d10 - называется действующим или эффективным.

Прочность грунтов. Сопротивление грунтов сдвигу описывается законом Кулона.



где - предельное сдвигающее напряжение, МПа; - коэффициент внутреннего трения; - угол внутреннего трения; С - сцепление, Мпа. Для глинистых и песчаных грунтов параметры прочности (и С) неоднозначны. В глинах коэффициент внутреннего трения , а в песках сцепление С стремятся к нулю.

5.2 Водно-физические и физико-механические свойства дисперсных пород

Наименование пород	Объемная масса, д 103, кг/м3	Пористость, п, %	Водопогло-щение w, %	Угол внутреннего трения, 0	Сцепление, С, МПа
Суглинки Делювиальные	1,96 1,94-1,98	42 1,94-1,98	0,90 0,88-0,92	18 17-18	0,065 0,06-0,07
Глина Делювиальная	1,96 1,83-2,06	44 39,2-48	---	10	0,055
Суглинки Элювиальные	1,82 1,6-2,04	44 37,8-51,2	0,75 0,50-1,0	23 17-31	0,038_ 0,007-0,08
Дресва диоритов	1,89 1,80-1,98	40 35,8-44,3	0,74 0,58-0,89	15 13-17	0,068 0,042-0,093



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе мы ознакомились и научились определять прочностные и деформационные характеристики дисперсных горных пород. В процессе лабораторных испытаний таких пород, как дисперсные, не обнаружен переход в пластическое состояние при всестороннем сжатии с давлением, соответствующим глубине залегания более 3000 м. Вместе с тем практика горных работ показывает, что и на меньших глубинах происходят деформации пород, похожие на пластические.

В зависимости от состава и свойств пород, условий их залегания и действия нагрузки механизм пластических деформаций может быть различен. Иногда пластические деформации пород происходят вследствие межзерновых и трасляционных движений и явлений перекристаллизации. Если сжимать породы типа песчаников, известняков и др., состоящих из сцементированных зерен кварца или мелких сросшихся кристаллов кальцита, отдельные зерна могут двигаться независимо друг от друга. Каждое зерно под нагрузкой движется и вращается около соседних. В результате такого перемещения зерен, которое можно рассматривать как межзерновое, порода приобретает ограниченные пластические свойства.



ЛИТЕРЕАТУРА

1. ГОСТ 12248-2010: Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости

Размещено на Allbest.ru

...