Главная
Метод испытания пород в срезных приборах состоит в определении сопротивления их сдвигу путем среза (сдвига) части образца породы по заранее фиксированной поверхности. Схема одного из распространенных срезных приборов показана на рис. VIII-41. Образец породы правильной цилиндрической формы (диаметром 50—70 и высотой 15—20 мм) помещают в рабочую коробку прибора, которая состоит из двух половинок — нижней неподвижной и верхней подвижной. Нормальное уплотняющее давление на породу передается штампом. Сдвигающее (срезывающее) усилие прикладывается с помощью тяги, двухступенчатого шкива и загрузочного ведра. Деформации породы при испытаниях измеряют индикаторами. При отсутствии специальных заданий определение внутреннего трения и сцепления породы производят при трех вертикальных уплотняющих давлениях (например, 0,1; 0,2 и 0,3 или 0,1; 0,3; 0,5 МПа). Для этого опыт на сдвиг производят 3 раза по отдельным образцам породы, вырезанным из одного и того же монолита. Обработка результатов испытаний включает построение графиков зависимости деформаций породы от сдвигающих усилий (рис. VIII-35), построение диаграммы зависимости сопротивления породы сдвигу от нормального давления (рис. VIII-36 или рис. VIII-38) и определение коэффициента внутреннего трения и сцепления.Испытание пород на трехосное сжатие основано на использования специальных приборов, называемых стабилометрами (рис. VIII-42). В этих приборах образец породы цилиндрической формы в тонкой резиновой оболочке помещают в камеру прибора между верхним и нижним штампами. Поверхности штампов, прилегающие к торцам образца, имеют пористые фильтры или металлические решетки, свободно пропускающие воду. Всестороннее (трехосное) давление на образец передается при помощи воды, глицерина или другой жидкости, нагнетаемой в камеру. Помимо этого давления через шток при помощи пресса на образец передается осевое давление. Таким образом создается добавочное давление р (сверх всестороннего) на торцы образцапороды (рис. VIII-43, а). Это давление является девиатором напряжений. В этих условиях осевое давление будет наибольшим главным напряжением o1 = 02 + p, а промежуточное и наименьшее главные напряжения о2 и о3 равны давлению в камере, т. е. 02=03. В процессе испытаний измеряют осевые (продольные) и поперечные деформации образца породы.
Если при испытаниях всестороннее давление поддерживать постоянным, а осевое постепенно увеличивать, то образец породы можно довести до разрушения. Этого же можно достичь, если осевое давление сохранять постоянным, а всестороннее уменьшать. Зависимость относительных осевых деформаций от добавочных напряжений p = o1—о2 будет иметь вид, показанный на рис. VIII-43, б.По данным испытаний одного образца для песчаных пород и двух-трех образцов при различных значениях всестороннего давления для глинистых пород строят диаграммы Мора (рис. VIII-39 и VIII-40). Касательные к предельным кругам напряжений на этих диаграммах удовлетворяют соответствующим уравнениям Кулона. Они с осью абсцисс образуют угол ф, а на оси ординат отсекают отрезок, равный с.
Испытания пород на трехосное сжатие правильнее моделируют их напряженное состояние в естественных условиях залегания и дают достаточно надежные данные о сопротивлении сдвигу, но они более сложны, чем испытания в срезных приборах. Поэтому они не могут быть массовыми в условиях производственных исследований.
Выше было отмечено, что максимальное сопротивление пород сдвигу проявляется при гидростатическом равновесии, т.е. когда их влажность и плотность будут соответствовать действующему уплотняющему давлению и уплотнение достигнет стабилизации. В связи с этим значения показателей сопротивления пород сдвигу (их прочности) будут существенно зависеть от применяемого режима испытаний, но прежде всего от способа подготовки, проведения и условий дренирования пород. В соответствии с этим современная методика лабораторных исследований прочности песчаных и глинистых пород должна учитывать влияние этих факторов и в зависимости от конкретных условий применять ту или иную схему испытаний, главными из которых можно назвать следующие:
1. Испытание пород по схеме быстрого сдвига без предварительного уплотнения, при уплотняющих нагрузках, не превышающих структурной прочности пород, природного давления или веса сооружений. В этом случае сдвигающее (разрушающее) усилие передается равномерно и непрерывно в возрастающем порядке до разрушения породы. Результаты испытаний по этой схеме точнее, чем по другим, характеризуют природную прочность пород или в начальный момент воздействия на них давления от сооружений.
2. Испытание пород по схеме медленного сдвига после предварительного полного уплотнения — в условиях завершенной консолидации, при уплотняющих давлениях, соизмеримых с весом сооружений. В этом случае сдвигающее (разрушающее) давление передается ступенями в возрастающем порядке до разрушения породы. Каждая новая ступень давления прикладывается после завершения деформаций от предыдущей. Данные таких испытаний характеризуют прочность пород при гидростатическом состоянии. Эту схему часто называют «стандартной», она рекомендуется ГОСТ 12248—78.
3. Испытание пород при условии свободного оттока воды в течение опыта, или, как принято говорить, в условиях открытой системы. При такой схеме обеспечивается полная консолидация породы от каждой ступени давления. Следовательно, эта схема выполнима только при медленном сдвиге. Данные испытаний при этом удовлетворяют уравнению т=с+foн.
4. Испытание пород в условиях невозможности оттока воды, т. е. в условиях закрытой системы. В этом случае не вся внешняя нагрузка является эффективной, гак как часть ее воспринимается поровой водой. Эта схема выполнима при быстром сдвиге. Результаты опытов при этом должны удовлетворять следующему уравнению: т = с+f(он—u).
Выбор схемы испытания пород на сдвиг определяется рядом конкретных условий. При производственных исследованиях песков целесообразно применять главным образом срезные приборы, испытывать их при давлениях, соответствующих природным или весу сооружений, без предварительного уплотнения, по схеме быстрого сдвига и, естественно, в условиях открытой системы. Испытания следует производить на образцах естественного сложения или при плотности, соответствующей естественным условиям залегания пород или определенно заданной. Выбор схемы испытаний глинистых пород более труден. В этом случае надо учитывать их состав, особенно минеральный, физическое состояние, степень водонасыщенности, склонность к набуханию или к просадкам. Важно знать прочность структурных связей (эффективную нагрузку по компрессионным испытаниям), природное давление, которое они испытывали, и предполагаемое давление от сооружений.
Государственным стандартом при проектировании и строительстве всех видов зданий и сооружений рекомендуется схема 2, т. е. медленный сдвиг после полного предварительного уплотнения. В этом случае целесообразно применять главным образом срезные приборы, испытания вести в условиях открытой системы под водой или при естественной влажности пород, при уплотняющих давлениях, соизмеримых с давлениями, предполагаемыми от веса сооружений или природными. На стадиях предварительных исследований, когда важно иметь представление о природной прочности пород, целесообразно кроме схемы 2 использовать также схему 1. При проектировании сооружений на слабых водонасыщенных глинистых породах кроме основной схемы изучения сопротивления сдвигу желательно проводить исследования в стабилометрах, в условиях закрытой системы при быстром и медленном темпе разрушения.