Сдвиговые испытания грунтов

Для получения расчетных показателей прочности неоднородных и анизотропных пород, обладающих ярко выраженными текстурными особенностями – слоистые, с наличием крупнообломочных включений, а также трещиноватых литифицированных разностей применяют полевые сдвиговые испытания целиков пород оставляемых в выработках.
Сдвиговые испытания несмотря на всю трудоемкость, сложность и высокую стоимость, являются наиболее достоверными и легко поддаются обработке.

К числу бесспорных преимуществ сдвигов целиков можно отнести: а) возможность испытаний
крупных целиков пород (более 100 см), отбор которых для транспортировки в лаборатории и загрузки в стендовые приборы слишком трудозатратный и практически нецелесообразный; б) возможность оценки сдвиговых показателей по ненарушенным зонам ослабления в массиве, в то время как отбор крупных блоков породы, содержащие подобные зоны с целью испытаний на стендах, зачастую также затруднителен. Условия опытов — продолжительность предварительного обжатия грунта и величина нагрузки, дополнительное водонасыщение грунтов, величина нормальной нагрузки, величина ступеней сдвигающего усилия или скорость деформирования, проведение повторного сдвига — назначаются программой исследований.

Для испытаний дисперсных грунтов на сдвиг у нас имеются кольца площадью 1200 и 2500 см2. Оборудование, используемое при испытаниях, позволяет создавать вертикальную нагрузку на целик грунта до 250 кН, сдвигающее усилие до 100 кН. Испытания выполняются в шурфах с помощью упорной балки с креплением ее в стенки выработки, а также в котлованах с использованием грузовой платформы.

Для испытания на сдвиговую прочность крупнообломочных грунтов, песчаных грунтов с включениями крупнообломочного материала и других разновидностей грунтов отбор пробы ненарушенного сложения или вырезание целика из которых невозможен (за исключением грунтов с содержанием глинистых частиц более 10%) мы применяем крупномасштабный прибор трехосного сжатия ПТС-300. Схема оборудования представлена на рисунке ниже.

1 — корпус стабилометра; 2 – гидравлическая станция; 3 – дозатор; 4 – баллон со сжатым воздухом; 5 – пневмогидравлический аккумулятор; 6 – прогибомер 6ПАО; 7 – распределительное оборудование; 8 – пневмоцилиндр для возврата штока гидроцилиндра.
Прибор позволяет испытывать цилиндрический образец крупнообломочного материала диаметром 300 мм и высотой 650 мм, который формуется непосредственно в рабочей камере прибора путем послойной укладки материала определенной заданной влажности до получения заданного значения плотности.. Максимальное значение осевого давления на образец составляет 12 МПа, боковое 3 МПа, управление боковым и осевым давлением полностью независимо, способ загрузки образца грунта позволяет проводить испытания с различной заданной плотностью. Конструкция прибора позволяет осуществлять насыщение образца водой в рабочей камере прибора до опыта или в процессе опыта, проводить испытания в условиях одностороннего или двустороннего дренирования (открытая система) и без дренирования (закрытая система) с замером величины порового давления в образце. По результатам испытаний определяются следующие характеристики: сцепление грунта C, Мпа, угол внутреннего трения φ^о и коэффициент сдвига tg ψ; характеристики деформируемости – модуль сдвига G, МПа, модуль объемной деформации K, МПа и параметры определяемые расчетом – модуль общей деформации E, МПа, коэффициент поперечной деформации (Пуассона) µ. Прибор можно использовать как в стационарных, так и, при большом количестве испытаний, в полевых геотехнических лабораториях.

Опыты на трехосное сжатие проводятся по схеме "раздавливания": на этапе гидростатического нагружения образец подвергается обжатию s1 = s2 = s3, а на этапе девиаторного нагружения при заданной величине s3 напряжение s1 увеличивается до разрушения. Уровни удельных давлений на этапе гидростатического нагружения образца (при s1 = s3) устанавливаются в зависимости от максимального значения меньшего главного напряжения s3max, для расчета которого используется максимально возможное значение большего главного напряжения s1, достигаемое в сооружении.

Для устранения возможного влияния размеров частиц на результаты испытаний должно соблюдаться определенное установленное соотношение между начальным диаметром рабочей камеры прибора (D_о, мм) и диаметром наиболее крупных частиц d_max
D_о ≥ 5 d_max.
Следовательно, показатели прочности определяются в испытаниях образцов, зерновой со-став которых формируется специальным подбором.
Для соблюдения этих требований производится подбор зернового состава смесей, испытываемых на приборе ПТС-300.
При этом, если зерновой состав натурного материала удовлетворяет требуемому соотношению диаметра рабочей камеры прибора и диаметра частиц, то моделирование не производится и образец формуется непосредственно из натурного материала.
При несоблюдении условий моделирование зернового состава натурного материала выполняется следующим способом — частицы, размеры которых выше предельных, заменяют частицами, выраженными в процентах по массе, размеры которых являются предельными для данного прибора.
Для прибора ПТС-300 предельной считается фракция 40-60 мм. В испытаниях на трехосное сжатие фракции крупнее 60 мм, содержащиеся в натурном крупнообломочном материале, заменяют фракцией 40-60 мм.

В практике исследования крупнообломочных материалов применяют способ моделирования, называемый «способом параллельного переноса». Сущность его состоит в том, что зерновой состав испытываемого образца подбирается по кривой, которая перенесена параллельно кривой зернового состава натурного материала в сторону уменьшения размера всех фракций, с сохранением соотношения между ними. Следует отметить, что «способ параллельного переноса» вследствие увеличения (иногда значительного) процентного содержания мелких фракций в составе смеси может привести к занижению прочностных характеристик. Применяя способ параллельного переноса, при специальном обосновании, допускается определять прочностные характеристики крупнообломочных грунтов вплоть до валунных и глыбовых.

уникальные шаблоны и модули для dle