СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВОГО, ТОРФЯНОГО И МЕРЗЛОГО ОСНОВАНИЙ Российский патент 2009 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к области инженерных изысканий в строительстве и служит для определения механических характеристик грунта, торфа и мерзлых оснований сооружений.

Известен способ определения механических характеристик глинистых и пластичных мерзлых грунтов и торфов как оснований сооружений методом шариковой пробы Н.А.Цытовича, заключающийся в нагружении основания усилием Р жесткого сферического штампа диаметром D до стабилизации его осадки S_t, замеряемой мессурой во времени t, до величины 0,005≤S_t/D≤0,1, разгрузке штампа и расчете его осадки

по остаточному диаметру d лунки сжатия, величины длительного сцепления мерзлых грунтов (как идеально пластичной среды с углом внутреннего трения ϕ=0) по выражению

где 0,18 - теоретический коэффициент А.Ю.Ишлинского

при

где σ_т - твердость пластичной среды, σ_t - предел текучести, и величины длительного сцепления грунта и торфа при ϕ≠0 - как

где N - функция угла ϕ и отношения

[1].

Недостатком известного способа определения механических характеристик оснований является низкая точность определения величины с_дл, так как величина остаточной осадки S₀ занижается при определении остаточного диаметра d лунки сжатия, не учитывающего упругую составляющую осадки, а определяющего только ее пластическую часть. Замеряемый диаметр d оказывается меньше по сравнению с действительным диаметром d_к пятна контакта сферы с основанием в процессе испытания, т.к. после разгрузки упругие деформации лунки сжатия восстанавливаются. Величина длительного сцепления с_дл мерзлого основания рассчитывается по зависимости, не имеющей единой теоретической базы, т.к. значение коэффициента 0,18 получено при расчетной твердости пластического материала под сферическим штампом Н_сф=5,7с_дл, по другим источникам [2] значение этого коэффициента равно 0,19 при Н_сф=5,22с_дл . Значение с_дл для грунта и торфа получают с низкой точностью, т.к. отсутствует и теоретическое обоснование функции N для оснований, испытываемых в допредельном фазовом состоянии.

Известен способ определения механических характеристик мерзлого основания, включающий его нагружение усилием Р жесткого сферического штампа диаметром D до стабилизации осадки S_t, разгрузку штампа с замером мессурой его осадки по остаточному диаметру d лунки сжатия, определение длительного сцепления

допускаемого предельного давления на мерзлое основание [R]=5,7c_дл+γh и его модуля общей деформации по зависимости

где μ - коэффициент относительной поперечной деформации [3].

Недостатком известного способа является низкая расчетная точность механических характеристик мерзлого основания, связанная с несоответствием остаточной осадки лунки сжатия контактной осадке S₀ части сферы, взаимодействующей с мерзлым основанием. Диаметр остаточной лунки сжатия соответствует остаточным пластическим деформациям, т.к. упругие остаточные деформации после разгрузки сферы в лунке сжатия восстанавливаются. Предел несущей способности идеально пластических сред [R] составляет величину 5,7c_дл по Терцаги; 5,14с_дл - по Прандтлю; 5,64с_дл - по Хенку [4], что свидетельствует об отсутствии единой теоретической базы для обоснования величины [R] и с_дл. Расчетная зависимость для определения модуля общей деформации мерзлого основания также не имеет единого теоретического обоснования [3].

Технический результат по предлагаемому способу определения механических характеристик грунтового, торфяного и мерзлого оснований, заключающемуся в нагружении основания усилием Р жесткой сферы диаметром D с замером текущей осадки S_t до момента ее стабилизации во времени t, разгрузке сферы, определении ее контактной осадки S₀ и по результатам испытаний: длительного сцепления с_дл, допускаемого предельного давления [R] и модуля общей деформации Е₀ основания, достигается тем, что на сферу перед очередным испытанием наносят легкостираемое материалом основания покрытие, например копоть, усилие на сферу передают через динамометрический упругий элемент с постоянной характеристикой жесткости κ=const его графика сжатия - растяжения l=кР, сферу погружают принудительно в грунтовое или торфяное основание не менее трех раз на заданные глубины S_t1<S_t2<S_tк, величину которых поддерживают постоянной до момента времени t стабилизации соответствующих усилий P₁, P₂ и Р₃, после чего производят разгрузку сферы с замером окружностей оставшегося на сфере покрытия диаметром d_к, рассчитывают контактные осадки сферы соответствующие среднему контактному давлению под сферой

строят график зависимости S=(S_t-S₀)=f(p_ср) и касательные прямые линии к точкам графика, соответствующим усилиям Р₁, Р₂ и Р_к, до пересечения с осью абсцисс; радиусами ρ, равными разнице значений р_ср и соответствующих им точек пересечения касательных с осью абсцисс, строят круги напряжений Мора максимального предельного состояния основания при растяжении и проводят к ним касательную прямую (maxτ_пр)=р_срtgθ+c_э до пересечения с осями абсцисс и ординат, с помощью которой находят предельный угол θ внутреннего трения и мгновенное эквивалентное сцепление с_э, по значениям которых рассчитывают угол внутреннего трения

и удельное сцепление

радиусом R от начала координат проводят полуокружность, соприкасающуюся с прямой (maxτ_пр)=f(p_ср), до пересечения с осью абсцисс в точке, соответствующей предельному напряжению на растяжение

где σ_t - предел текучести, величине которого по графику (maxτ_пр)=f(p_ср) соответствует длительное сцепление

модуль общей деформации торфяного, грунтового и мерзлого оснований рассчитывают по выражению

где μ_с - геостатический коэффициент относительных поперечных деформаций основания; далее через сферу к основанию прикладывают постоянно возрастающее усилие Р_с>Р_к до момента стабилизации его предельной величины Р_с=const при соответствующей регистрируемой осадке S_c основания, при которой угол сектора полуконтакта сферы с основанием составляет

где предельный угол внутреннего трения находят по выражению

длительное сцепление для мерзлого основания при ϕ=0 рассчитывают как

для грунтового основания

а для торфяного основания

при этом значение допускаемого предельного давления для мерзлого грунтового основания рассчитывают по выражению [R]=c_дл[3+π]+γh, где γ - удельный вес материала основания, h - глубина заложения подошвы фундамента, и для мерзлого торфяного основания - по выражению [R]=3с_дл+γh.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 - конструктивная схема устройства для реализации способа; фиг.2 - графики испытания грунтового и торфяного оснований сферическим штампом S=f(p_ср) и (maxτ_пр)=p_срtgθ+c_э, фиг.3 - расчетная схема предельного напряженно-деформированного основания под сферой по дуге полуконтакта AF, параллелограмм сил в краевой точке А и схема развития линий сдвигов α_ц и β_ц под центром и α_к и β_к - за краями пятна контакта, фиг.4 - круговые диаграммы Мора предельного контактного НДС основания в точке А.

Способ реализуется с помощью устройства для определения механических характеристик грунтового, торфяного и мерзлого оснований (фиг.1), содержащего жесткий покрытый копотью сферический штамп 1 различного типоразмера под заданные грунтовые условия, погружаемый в плоскую поверхность основания 2 нагрузочным приспособлением - винтовым домкратом, выполненным в виде, например, резьбовой гайки 3 с рукоятками 4 вращения, винта 5, жестко связанного с рамой 6, заанкеренной к основанию винтовыми сваями 7. Между штампом 1 и гайкой 3 винтового домкрата установлен сменный динамометрический пружинный элемент 8 с постоянной характеристикой жесткости k=const его графика сжатия-растяжения l=kP, где l - деформация элемента под нагрузкой P, причем характеристика k для каждого элемента подобрана в зависимости от диаметра D штампа и заданных грунтовых условий. Деформацию l элемента 7 и осадку S_t сферического штампа 1 измеряют соответственно мессуры 9 и 10.

Определение механических характеристик оснований производят следующим образом. Над поверхностью полупространства (фиг.1) устанавливают раму 6, которую к испытываемому основанию 2 анкерят винтовыми сваями 7, между которыми к поверхности основания подводят до соприкосновения предварительно закопченный сферический штамп 1 диаметром D. С помощью нагрузочного устройства в виде винтового домкрата путем вращения за рукоятки 4 резьбовой гайки 3 производят контролируемой мессурой 9 сжатие оттарированной по зависимости P=kl динамометрической пружины 8 и передачу возрастающего усилия Р сжатия пружины на штамп 1 до тех пор, пока заданная осадка штампа 1, контролируемая мессурой 10, не консолидируется до постоянной принятой величины S_t1=const, выдерженной во времени t. Осадку S_t1 контролируют и окончательно фиксируют мессурой 10, а соответствующее осадке S_t1 усилие на штамп 1 - мессурой 9 путем перевода деформации пружины 8 l₁ по тарировочному графику в усилие P₁. Для повышения точности определения механических характеристик основания назначают последовательно осадку штампа S_t2>S_t1, S_t3>S_t2, стабилизированным значениям которых соответствуют усилия Р₂ и Р₃ на штамп 1. Погружение сферы в основание производят на заданные величины ее осадок не менее трех раз. После каждого опыта производят замер диаметра очищенной при контакте с основанием от копоти поверхности сферы d_к и определяют ее контактную осадку по выражению

В прямоугольной системе координат строят график зависимости S=(S_t-S₀)=f(p_ср), где среднее давление в зоне контакта сферы с основанием определяют по выражению

(фиг.2).

Через точки Р_к1 Р_к2, Р_к3 графика S=f(р_ср) проводят касательные прямые линии до пересечения с осью абсцисс и радиусами ρ₁, ρ₂, ρ₃, равными разнице значений р_ср и точек пресечения касательных с осью абсцисс, строят круги Мора максимального предельного состояния основания при растяжении. К кругам Мора проводят касательную прямую линию зависимости (maxτ_пр)=p_срtgθ+c_э, с помощью которой с графика снимают предельный угол θ внутреннего трения, по оси ординат отмеряют мгновенное эквивалентное сцепление с_э и рассчитывают значение угла внутреннего трения

и удельное сцепление

Модуль деформации основания по графику S=f(р_ср) определяют как

где μ_c - геостатический коэффициент относительных поперечных деформаций основания, равный

- структурная прочность материала основания на сжатие.

Способ определения значений θ и с_э путем проведения касательных прямых к точкам графика S=f(р_ср) основан на известном из дифференциальной геометрии свойстве плоской кривой, заданной уравнением

когда (подкасательная) (фиг.2),

при этом

где ρ - радиус круга напряжений Мора, что следует из теории максимальной предельной прочности грунтового основания [4]. Для уточнения значений θ далее производят нагружение основания путем постоянного повышения усилия Р_с>Р_к на сферу до момента стабилизации его предельной величины Р_c=const при соответствующей регистрируемой осадке S_c основания. Далее рассчитывают радиус контакта сферы с предельно нагруженным основанием в момент его разрушения

и находят угол сектора полуконтакта сферы с основанием

Предельный угол внутреннего трения определяют по выражению

(фиг.3, 4)

Длительное сцепление грунтового основания определяют по выражению

торфяной залежи -

мерзлого основания -

значение допускаемого предельного давления для мерзлого грунтового основания определяют по выражению , для мерзлого торфяного основания

Угол внутреннего трения определяют по выражению

удельное сцепление грунта и торфа

для мерзлого основания с=с_дл.

Пример 1 реализации способа. Стальной шарик диаметром D=22 мм вдавливают в мерзлый торф постоянно возрастающей нагрузкой до момента ее стабилизации Р_с=const, при этом диаметр отпечатка составляет d_к=11,88 мм при зафиксированной осадке шарика S_t=1,74 мм. Угол полуконтакта шарика с мерзлым торфом составил

при контактной осадке сферы Тогда предельный угол внутреннего трения мерзлого торфа равен a угол внутреннего трения

Значение коэффициента μ_c=0,2274 при h=0. Далее шарик коптят и погружают в мерзлый торф на глубину S_t=0,62 мм до стабилизации усилия Р_к=11,38 H. Нагрузку снимают и замеряют диаметр d_к=7,11 мм шаровой поверхности, очищенной от копоти. Рассчитывают значение контактной осадки шарика

модуль общей деформации мерзлого торфа

при температуре Т=4°С, длительное сцепление

допускаемое предельное давление для торфяного основания [R]=3c_дл+γh=3·0,467+0=1,4 МПа. Предельное напряжение на растяжение

где мгновенное эквивалентное сцепление

Пример 2 реализации способа. Сферу диаметром D=200 мм вдавливают, предварительно покрывая копотью, на глубины S_t1=0,131 см, S_t2=0,269 см, S_t3=0,842 см и фиксируют соответствующие им стабилизированные значения усилий вдавливания через динамический упругий элемент Р₁=26,9 Н, P₂=99,5 Н и Р₃=481,0 Н. После разгрузки сферы замеряют соответствующие диаметры d_к1=3,65 см, d_к2=3,96 см, d_к3=7,62 см остатка копоти на сфере после опыта при соответствующих давлениях в площади контакта p_cp1=0,04771 МПа, р_ср2=0,08 МПа, р_ср3=0,10605 МПа. Контактные осадки сферы составили: S₀₁=0,09 см, S₀₂=0,20 см, S₀₃=0,092 см. В прямоугольных координатах строят график зависимости S=f(р_ср) (фиг.2), к точкам которого, соответствующим усилиям Р_к1, Р_к2, Р_к3, проводят касательные линии до пересечения с осью абсцисс в точках p₁, р₂, р₃ и радиусами ρ₁=p_cp1-p₁, ρ₂=р_ср2-р₂, ρ₃=р_ср3-p₃, строят круги максимально предельных напряжений Мора, к которым проводят прямую (maxτ_пр)=p_срtgθ+c_э, отсекающую на оси ординат замеряемое значение мгновенного эквивалентного сцепления с_э=0,0889 МПа, и измеряют угол между прямой и осью абсцисс θ_с=32°,5. Угол внутреннего трения находят как

а величина сцепления

Модуль деформации глины равен

Величину длительного сцепления определяют по выражению

Предлагаемый способ существенно уточняет положения ГОСТ 21048-75 [5] и получает теоретическое обоснование на базе теории максимального предельного состояния грунтового основания [4].

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Винокуров Ф.П., Тетеркин А.Е., Питерман М.А. Строительные свойства торфяных грунтов. - Минск: АН БССР, 1962. - С.90-91, 110, 140-143.

2. Савельев Б.А. Методы изучения мерзлых пород и льдов. - М.: Недра, 1985. - С.190-191.

3. Роман Л.Т., Веретехина Э.Г. Определение деформационных характеристик мерзлых грунтов вдавливанием шарового штампа // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2004. - №2. - С.21-24 (Прототип).

4. Хрусталев Е.Н. Контактное взаимодействие в геомеханике: Ч.1: Несущая способность оснований сооружений. - Тверь: ТГТУ, 2004. - С.73, 142.

5. ГОСТ 21048-75. Метод лабораторного испытания мерзлых грунтов шариковым штампом. - М.: Изд-во стандартов. - С.1.

Изобретение относится к строительству, а именно к определению механических характеристик грунтовых, торфяных и мерзлых оснований при проектировании фундаментов и насыпей сооружений. Способ определения механических характеристик грунтового, торфяного и мерзлого оснований включает их нагружение усилием Р жесткой сферы диаметром D с замером текущей осадки S_t до момента ее стабилизации во времени t, а также включает разгрузку сферы, определение ее контактной осадки S₀ и по результатам испытаний: длительного сцепления с_дл, допускаемого предельного давления на мерзлое основание [R] и модуля общей деформации Е₀ основания. Сферу покрывают легко стираемым материалом, например копотью, перед очередным испытанием основания. Усилие на сферу при испытании основания передают через динамометрический упругий элемент с постоянной характеристикой жесткости к=const его графика сжатия-растяжения l=кР. Сферу в грунт или торф основания погружают принудительно не менее трех раз на заданные глубины S_t1<S_t2<S_tk, величину которых поддерживают постоянной до момента времени t стабилизации соответствующих усилий P₁, Р₂, Р_к. После чего производят разгрузку сферы с замером окружностей оставшегося на сфере покрытия диаметром d_к, рассчитывают контактные осадки сферы, соответствующие средним контактным давлениям, и строят график зависимости S=(S_t-S₀)=f(p_cp) и касательные прямые линии к точкам графика, соответствующим усилиям P₁, P₂, Р_к, до пересечения с осью абсцисс, радиусами ρ, равными разнице значений р_ср и соответствующих им точек пересечения касательных с осью абсцисс. Строят круги напряжений Мора максимально предельного состояния основания при растяжении и проводят к ним общую касательную прямую до пересечения с осями абсцисс и ординат, с графика снимают предельный угол θ° внутреннего трения грунта и отмеряют мгновенное сцепление c_э. Рассчитывают угол внутреннего трения и удельное сцепление. Радиусом R от начала координат графика проводят полуокружность, соприкасающуюся с ним и отсекающую на оси абсцисс точку, соответствующую предельному напряжению на растяжение, значению которого по графику соответствует длительное сцепление. Рассчитывают модуль общей деформации основания и далее через сферу к основанию прикладывают постоянно возрастающее усилие Р_с>Р_к до момента стабилизации его предельной величины P_c=const при регистрации соответствующей ему общей осадки S_c основания. Технический результат состоит в повышении точности определения механических характеристик грунтового основания. 4 ил.

Способ определения механических характеристик грунтового, торфяного и мерзлого оснований, включающий их нагружение усилием Р жесткой сферы диаметром D с замером текущей осадки S_t до момента ее стабилизации во времени t, разгрузку сферы, определение ее контактной осадки S₀ и по результатам испытаний: длительного сцепления с_дл, допускаемого предельного давления на мерзлое основание [R] и модуля общей деформации Е₀ основания, отличающийся тем, что сферу покрывают легко стираемым материалом, например, копотью перед очередным испытанием основания, усилие на сферу при испытании основания передают через динамометрический упругий элемент с постоянной характеристикой жесткости к=const его графика сжатия-растяжения l=кР, сферу в грунт или торф основания погружают принудительно не менее трех раз на заданные глубины S_t1<S_t2<S_tk, величину которых поддерживают постоянной до момента времени t стабилизации соответствующих усилий P₁, Р₂, Р_к, после чего производят разгрузку сферы с замером окружностей оставшегося на сфере покрытия диаметром d_к, рассчитывают контактные осадки сферы соответствующие средним контактным давлениям строят график зависимости S=(S_t-S₀)=f(p_cp) и касательные прямые линии к точкам графика, соответствующим усилиям P₁, P₂, P_к до пересечения с осью абсцисс; радиусами ρ, равными разнице значений р_ср и соответствующих им точек пересечения касательных с осью абсцисс, строят круги напряжений Мора максимально предельного состояния основания при растяжении и проводят к ним общую касательную прямую (maxτ_пр)=p_срtgθ+c_э до пересечения с осями абсцисс и ординат, с графика (maxτ_пр)=f(p_cp) снимают предельный угол θ° внутреннего трения грунта и отмеряют мгновенное сцепление с_э, рассчитывают угол внутреннего трения и удельное сцепление радиусом R от начала координат графика (maxτ_пр)=f(p_cp) проводят полуокружность, соприкасающуюся с ним и отсекающую на оси абсцисс точку, соответствующую предельному напряжению на растяжение значению которого по графику (maxτ_пр)=f(p_cp) соответствует длительное сцепление модуль общей деформации основания рассчитывают по выражению

где μ_с - геостатический коэффициент относительных поперечных деформаций материала основания, далее через сферу к основанию прикладывают постоянно возрастающее усилие Р_с>Р_к до момента стабилизации его предельной величины P_c=const при регистрации соответствующей ему общей осадки S_c основания, при которой угол сектора полуконтакта сферы с основанием где предельный угол внутреннего трения проверяют по выражению тогда для мерзлого основания при ϕ=0

для грунта

для торфа

сцепление основания

угол внутреннего трения

при этом величина [R]=c_дл[3+π]+γh - для мерзлого грунта и [R]=3c_дл+γh для мерзлого торфа, где γ - удельный вес материала основания, h - глубина заглубления проектируемого фундамента.