4.12. Операции по отбору образца мерзлого грунта, его хранению, перемещению в рабочее кольцо прибора и загрузке в прибор производят в помещении с отрицательной температурой воздуха, но не выше минус 2-3 °С, когда в процессе обработки образцы быстро оттаивают, и не ниже минус 8-10 °С, когда обработка грунта затруднена. Условиям таких помещений отвечают естественные и искусственные холодильные камеры и полевые лаборатории, вырытые в толще вечномерзлых грунтов (см. рис. 1). 4.13. Подготовленный образец грунта до испытания рекомендуется хранить в помещении с отрицательной температурой и постоянной относительной влажностью воздуха в нем, но не более пяти суток, при этом с целью предохранения образцов от выветривания их обертывают листовой резиной - изопаролентой или полиэтиленовой пленкой. Образец можно также покрывать резиновым клеем, при высыхании которого образуется тонкий слой резины, хорошо прилегающий к поверхности образца и предохраняющий его от выветривания. Образец при постоянной температуре и влажности воздуха хранят либо непосредственно в помещении, где производят испытания, либо в специальном ультратермостате, холодильном шкафу или камере. 4.14. Подготовленный образец грунта перед испытанием выдерживают при постоянной температуре, соответствующей температуре последующих испытаний: не менее 6 ч для песчаного грунта и не менее 24 ч для глинистого грунта. 4.15. Для каждого образца грунта определяют исходное (до опыта) и конечное (после опыта) значения объемного веса и влажности, а для каждой разновидности грунта - гранулометрический состав, засоленность и удельный вес, а также пластические свойства, необходимые для общей характеристики и установления номенклатуры грунта. Результаты определений записывают в журнал (табл. 1, 24, 25). Таблица 25 (Форма) Данные по определению физических показателей образцов мерзлого грунта после опыта
ТРЕБОВАНИЯ К ИСПЫТАНИЯМ 4.16. Испытания образца мерзлого грунта производят при постоянных в течение всего опыта отрицательной температуре и относительной влажности воздуха в помещении. При испытании допускается лишь небольшое отклонение температуры от принятого экспериментального значения; Для песчаных и глинистых грунтов в пластичномерзлом состоянии допускают отклонения температуры на величину ±0,1 °С, а для таких же грунтов в твердомерзлом состоянии - на ±0,5 °С. Примечание: При длительных испытаниях грунтов, когда по техническим причинам в течение всего опыта трудно поддерживать постоянную температуру, допускается кратковременное (2-3-часовое) ее понижение, но не более чем на один градус, при обязательном условии, что заданная температура будет восстановлена и выдержана в течение времени, необходимого для стабилизации деформации. 4.17. Температуру образца мерзлого грунта при испытании назначают в зависимости от задания. При отсутствии в задании на лабораторную работу указания о температуре испытания рекомендуется проводить при двух температурах: температуре, соответствующей природной температуре грунта в основании слоя с нулевой годовой амплитудой, расположенного на глубине 10 м; температуре, соответствующей максимальной среднегодовой температуре грунта, средней за десять лет, на глубине 1 м от верхней границы вечномерзлой толщи. 4.18. Не допускается испытывать образец мерзлого грунта на приборе, имеющем температуру выше 0 °С. Перед каждым испытанием прибор выдерживают не менее 2 ч в холодильной камере при отрицательной температуре, соответствующей температуре последующих испытаний. 4.19. Перед началом каждого испытания опытную установку проверяют и приводят в горизонтальное положение. Установку прибора в горизонтальном положении осуществляют специальными установочными винтами, уровнем и отвесом. 4.20. Смонтированный для испытания прибор необходимо тарировать, т.е. определять его собственную деформацию при предполагаемых нагрузках. Тарировку производят с трехкратной повторностью по методике, принятой для приборов, применяемых при испытаниях талых грунтов. 4.21. Перед началом каждого испытания для достижения наиболее полного контакта поверхности оснований образца со штампом и поддоном прибора производят обжатие мерзлого грунта: образцов с температурой выше -2 °С в течение 15 сек под нагрузкой, равной максимальному усилию в опыте; образцов с температурой ниже -2 °С в течение 30 сек под нагрузкой, равной также максимальному усилию в опыте. При обжатии штамп необходимо поворачивать вокруг оси на 90° (четыре раза) с возвращением его в исходное положение. Обжатие производят в помещении с отрицательной температурой воздуха. СЖИМАЕМОСТЬ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ4.22. Некоторые разновидности мерзлых грунтов при определенных условиях обладают свойством сжимаемости. Основания, сложенные сжимаемыми грунтами, рассчитывают по второму предельному состоянию, т.е. по деформациям. Под сжимаемостью мерзлого грунта понимают его уплотнение без возможности бокового расширения, вызываемое в изотермических условиях действием сжимающей нагрузки. 4.23. К сжимаемым мерзлым грунтам можно отнести все разновидности пластичномерзлых грунтов (табл. 26), а также твердомерзлые сильнольдистые грунты; 4.24. Основными расчетными показателями, характеризующими сжимаемость мерзлых грунтов, являются коэффициент сжимаемости аi и модуль деформации Еi которые зависят от температуры мерзлого грунта, а также от величины и продолжительности действия нагрузки. Таблица 26 Пластичномерзлые грунты
Примечание. Табл. 26 дана для незасоленных грунтов (см. п. 2.70) при их льдистости Лв £ 0,4. 4.25. Сжимаемыми считают такие мерзлые грунты, которые характеризуются коэффициентом сжимаемости аi > 0,005 см2/кг или модулем деформации Еi < 200 кг/см2 при воздействии на них нормальных давлений, не превышающих величины нормативного сопротивления мерзлых грунтов нормальному давлению Rн (см. табл. 6 главы СНиП II-Б.6-66 и п. 4.125 настоящего Руководства), 4.26. Характеристики сжимаемости мерзлого грунта определяют по результатам испытаний грунта статическими нагрузками (испытания штампом), проводимых непосредственно в полевых условиях, или по результатам компрессионных испытаний грунта в лабораториях. 4.27. Метод испытаний мерзлых грунтов статическими нагрузками в настоящее время имеет ограниченное применение: испытание мерзлого грунта штампом трудоемко, так как связано с необходимостью сохранения отрицательной температуры грунта и окружающего воздуха в течение длительного времени. Этот метод рекомендуется использовать только в исключительных случаях при инженерно-геологических изысканиях для особо важных зданий и сооружений, причем проведение таких испытаний должно быть предусмотрено специальным заданием. 4.28. Метод компрессионного испытания имеет широкое применение, как наиболее простой и приемлемый для работы в стационарных лабораториях. При таком испытании образец мерзлого грунта подвергается сжатию без возможности его бокового расширения под действием возрастающей ступенями нагрузки. Примечание. Метод компрессионных испытание образцов мерзлого грунта в отличие от испытаний талых грунтов дает удовлетворительные результаты, так как трение мерзлого грунта о стенки прибора незначительно и при этом не нарушается структура грунта, взятого с любой глубины. ПРИБОРЫ4.29. Приборы, используемые для компрессионных испытаний мерзлого грунта, аналогичны компрессионным установкам, предназначенным для обычных, немерзлых грунтов, и состоят из трех основных частей - одометра или прибора, в котором непосредственно сжимают мерзлый грунт, рычажного пресса, при помощи которого осуществляют передачу нагрузки на образец, и измерительной аппаратуры - индикаторы, самописцы. Каждая составная часть компрессионного прибора, предназначенного для испытания именно мерзлого грунта, должна удовлетворять повышенным техническим требованиям. 4.30. Компрессионный прибор - одометр (рис. 11) должен отвечать следующим основным требованиям: а) детали прибора, за исключением штампа и рабочего кольца, должны быть изготовлены из органического стекла (плексигласа), плохие теплопроводные свойства которого позволяют сохранять постоянную температуру образца грунта при небольших колебаниях температуры окружающей среды; Примечание. При испытаниях образцов мерзлого грунта с температурой ниже –2 °С допускается пользоваться одометрами, изготовленными из металла, например нержавеющей стали. Рис. 11. Схема прибора для определения сжимаемости мерзлого грунта 1 - образец групп; 2 - рабочее кольцо; 3 - направляющее кольцо; 4 - направляющий цилиндр (обойма); 5 - перфорированный поддон; 6 - перфорированный штамп; 7 - индикаторы; 8 - стойки для крепления индикаторов: 9 - подвижной кронштейн; 10 - шарик для точечной передачи б) измерители деформаций должны располагаться непосредственно на штампе или поддоне одометра, чтобы исключить возникновение дополнительных погрешностей; в) размер отверстий в перфорированном штампе и поддоне одометра не должен превышать 0,5 мм, а зазор между штампом и рабочим кольцом должен быть менее 0,1 мм, что исключает возможность пластического выдавливания льда; г) рабочие кольца одометра должны изготавливаться из нержавеющей стали толщиной не менее 0,04 от диаметра кольца и использоваться в качестве пробобрателей, для чего одни край их с наружной стороны затачивается на конус; д) высота рабочего кольца должна быть менее ⅓ от его внутреннего диаметра в случае испытания мерзлых грунтов массивной, тонкослоистой или мелкосетчатой криогенной текстуры и с влажностью менее 50 %, а в случае испытания образцов слоистой и сетчатой криогенной текстуры при влажности более 50 % высота кольца должна быть более ⅓ диаметра, но не более ⅔ его; е) внутренний диаметр рабочих колец должен быть равен 8,74 или 11,3 см, что обеспечивает испытание образцов принятой площади (60 или 100 см2). 4.31. Рычажный пресс, применяемый при испытании мерзлого грунта, подбирают в зависимости от максимального значения предполагаемого усилия. Для принятых размеров образца грунта такому условию удовлетворяют прессы с усилием в 0,5-1,5 т. Рекомендуют применять прессы с передачей нагрузки через сдвоенную систему рычагов или секторные рычаги при общей кратности их плеч, не превышающей 1:20. Это позволяет пользоваться при экспериментах нагрузками-разновесами небольшой величины. 4.32. Деформации сжимаемости мерзлого грунта измеряют разовыми отсчетами по индикаторам часового типа или автоматически при помощи самописцев. Ввиду незначительной величины скорости процесса уплотнения мерзлого грунта и в связи с тем, что необходимо проследить за сжимаемостью во времени, рекомендуется применять микронные измерительные приборы с ценой деления ≈0,002 мм. Измерение деформаций производят двумя приборами, расположенными по диаметру образца. 4.33. Исследуемые образцы должны строго соответствовать размеру рабочих колец, поэтому поверхности нижнего и верхнего оснований образца тщательно зачищают острым ножом с прямым лезвием и отшлифовывают на тонкой наждачной бумаге. Основания образца должны быть взаимно параллельны, что следует проверять измерениями высоты образца штангенциркулем с точностью до 0,1 мм не менее чем в шести различных точках. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ 4.34. Показатели сжимаемости мерзлого грунта определяют по данным измерения линейных деформаций образца. Другие способы определения деформации (по изменению пористости и веса) не применяют. 4.35. Компрессионные испытания образца мерзлого грунта производят в помещении с постоянными отрицательной температурой и относительной влажностью воздуха. В случае, когда в течение всего опыта поддерживать постоянную температуру технически невозможно, допускают кратковременное (до 2-3 ч) ее понижение не более чем на 1°, но при обязательном восстановлении исходной температуры и выдерживании ее в течение времени, необходимого для достижения стабилизации деформаций. 4.36. Перед каждым испытанием проверяют готовность компрессионного прибора, обращая внимание на отсутствие засоренности отверстий в штампе и поддоне, а также на свободное прохождение штампа через рабочие кольца (проверка на эллипсность). 4.37. Компрессионные испытания выполняют под нагрузкой, возрастающей ступенями, с выдерживанием каждой ступени нагрузки до стабилизации деформации. 4.38. Число и величина ступеней нагрузки определяются видом мерзлого грунта и его температурой: а) нагружение песчаных грунтов осуществляют ступенями, последовательно увеличивающимися на 2-3 кг/см2; б) нагружение глинистых грунтов (суглинок, глина) с температурой ниже -1,5 °С проводят ступенями, последовательно увеличивающимися на 2-3 кг/см2, а грунтов с температурой выше -1,5°С - на величину не более 1-2 кг/см2. 4.39. Величину нагрузки первой ступени принимают равной природному давлению рб = Н, где Н - глубина взятия образца, - объемный вес мерзлого грунта. 4.40. Величину последней ступени нагрузки, т.е. максимальное уплотняющее давление, принимают по заданию, При отсутствии конкретного задания в качестве ориентировочного значения давления на последней ступени нагружения образца грунта принимают величину, равную нормативному сопротивлению мерзлого грунта нормальному давлению по табл. 6 главы СНиП II-Б.6-66. 4.41. На каждой ступени нагрузки фиксируют деформацию и время. Нагрузку каждой последующей ступени прикладывают только после стабилизации деформации на данной ступени. 4.42. Условно стабилизовавшейся считают деформацию, приращение которой не превышает 0,005 мм за следующие интервалы времени: для песков - 6 ч, для супесей - 12 ч, для суглинков и глин - 24 ч. Критерием стабилизации деформации является также величина приращения деформации, которая за те же интервалы времени должна быть менее 5 % полной деформации, достигнутой на данной ступени нагружения. Стабилизацию считают достигнутой, если указанные условия выполняются в течение двух последующих интервалов времени. 4.43. Для каждой установленной ступени нагрузки определяют вес груза (разновесов) в кг: Рг = pFN, где F - площадь образца грунта, вычисленная по внутреннему диаметру рабочего кольца, в см2; N - соотношение плеч рычагов пресса (например, 1:20 или 1:40); р - давление на образец грунта в кг/см2. 4.44. Подготовленный в соответствии с рекомендациями пп. 4.1-4.15 настоящего Руководства образец грунта помещают в одометр, на него устанавливают штамп и закрепляют измерители деформаций - индикаторы. После этого образец выдерживают в одометре не менее 1 ч. 4.45. По индикаторам, установленным в «нулевое положение», берут контрольные отсчеты, производят обжатие образца в соответствии с указаниями п. 4.21 и вновь берут контрольные отсчеты. 4.46. После обжатия образца индикаторы вновь устанавливают в «нулевое положение» и берут начальные отсчеты. Затем дают первую ступень нагрузки, одновременно включая секундомер, и производят последующие отсчеты. Результаты наблюдений записывают в журнал (табл. 27). 4.47. Отсчеты по индикаторам рекомендуют брать через следующие интервалы времени: 1, 5, 10, 20, 30 мин, а затем через 1, 3, 6, 12 ч и в дальнейшем через каждые 12 или 24 ч до полной стабилизации, устанавливаемой в соответствии с указаниями п. 4.42. Установленный режим наблюдений сохраняют для всех ступеней нагружения в каждом опыте. 4.48. В ходе опыта одновременно с измерением деформаций наблюдают за температурой окружающего воздуха, которая определяется автоматически при помощи самописца или путем разовых отсчету по термометру с ценой деления 0,1°. Периодические наблюдения позволяют своевременно реагировать на отклонения температуры от ее опытного значения. Данные наблюдений записывают в журнал (табл. 27). 4.49. После стабилизации деформации на последней ступени нагрузки считают опыт законченным, одометр быстро (в течение нескольких минут) разбирают, чтобы отжатая вода в нем не замерзла. Образец грунта вместе с кольцом извлекают из одометра. Появившуюся на поверхности образца воду рекомендуется удалять фильтровальной бумагой. Наконец, образец вместе с рабочим кольцом взвешивают с точностью до 0,01 г на технических весах, установленных в том же помещении. Таблица 27 (Форма) Данные наблюдений при испытании мерзлых грунтов на компрессию
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЖИМАЕМОСТИ 4.50. По результатам измерений, выполненных в соответствии с п. 4.33, определяют начальную высоту образца грунта с точностью до 0,1 мм. Ее вычисляют как среднюю арифметическую величину (hн) из числа замеров (п), сделанных штангенциркулем
По установленным значениям размера образца мерзлого грунта (высоты, диаметра) и результатам его взвешивания до и после опыта рассчитывают следующие характеристики грунта: объемный вес образца грунта влажность Wc и льдистость Л. 4.51. По результатам наблюдений при испытаниях (табл. 27) определяют абсолютную деформацию грунта и прибора (в мм) срочностью до трех десятичных знаков. Ее рассчитывают как среднюю арифметическую величину из показаний двух индикаторов (или записей двух автоматических измерительных устройств). Затем рассчитывают величину абсолютной деформации самого грунта с учетом поправки на тарировку прибора (п. 4.20). 4.52. Для каждой нагрузки во все моменты времени ее действия определяют величину относительной деформации грунта δ = λhн с точностью до третьего десятичного знака или до десятых долей процента δ = λhн×100 %, где λ - абсолютная деформация грунта в мм; hн - начальная высота образца в мм. Результаты всех вычислений заносят в журнал (табл. 28). 4.53. По сведениям журнала (табл. 27) строят: а) кривые консолидации, т.е. кривые изменения относительной деформации во времени, при действии постоянной нагрузки (рис. 12); по этим кривым судят о стабилизировавшейся деформации δ = f(t) на каждой ступени нагружения; б) компрессионную кривую, т.е. кривую зависимости относительной деформации от нагрузки (рис. 13) δ = f(р) по результатам всех ступеней нагружения.
4.54. Компрессионную кривую строят по конечным деформациям грунта, т.е. по деформациям, стабилизовавшимся на каждой ступени нагрузки, откладывая по оси абсцисс величину давления р (кг/см2), а по оси ординат - величину относительной деформации δ (в долях единицы). 4.55. По кривой зависимости относительной деформации δ от нагрузки р определяют величину коэффициента сжимаемости мерзлого грунта аi. С этой целью компрессионную кривую заменяют ломаной прямой и величину коэффициента сжимаемости аi мерзлого грунта определяют как отношение приращения относительной деформации сжатия Δδ к величине приращения давления Δр. Таким образом, коэффициент сжимаемости аi численно равен тангенсу угла наклона к оси абсцисс прямой, интерполирующей компрессионную кривую в пределах выбранного интервала уплотняющих давлений (см. рис. 13): (54) Интервалы давлений Δр и соответствующие им изменения деформаций Δδ грунта определяют графически и записывают в журнал (табл. 28). 4.56. Модуль деформации Ei мерзлого грунта, как обратную величину коэффициента сжимаемости аi, рассчитывают по формуле (55) где μ - коэффициент бокового расширения (коэффициент Пуассона). При отсутствии данных о значении коэффициента бокового расширения величину β можно принимать равной 0,8. (Форма) Результаты определения показателей величины сжимаемости мерзлого грунта
СЖИМАЕМОСТЬ ОТТАИВАЮЩЕГО ГРУНТА4.57. Расчет оснований, оттаивающих при эксплуатации зданий и сооружений, производят по второму предельному состоянию (по деформациям) по формулам (28) и (31) в соответствии с указаниями пп. 5.35 и 5.36 главы СНиП II-Б.6-66. В эти формулы входит важная характеристика оттаивающего мерзлого грунта, называемая относительным сжатием. 4.58. Под относительным сжатием вечномерзлого грунта при его оттаивании понимают осадку, отнесенную к слою грунта единичной толщины, обусловленную таянием ледяных включений и уплотнением оттаявшего грунта при воздействии сжимающей нагрузки. 4.59. Величину относительного сжатия вечномерзлого грунта определяют по формуле где Аi - безразмерный коэффициент оттаивания, зависящий исключительно от объема ледяных включений в грунте. Он характеризует осадку оттаивающего слоя мерзлого грунта единичной толщины без воздействия давления; ai - коэффициент сжимаемости или уплотнения оттаивающего грунта под нагрузкой. Он равен относительной осадке, приходящейся на единицу давления, т.е. , см2/кг; σi - давление в кг/см2, которое в опыте должно быть равно давлению в середине i-го слоя оттаивающего грунта основания и обусловленное собственным весом вышележащей толщи грунта и внешней нагрузкой. 4.60. Коэффициенты Аi и аi, характеризующие сжимаемость оттаивающего грунта, могут быть определены в полевых условиях горячими штампами или в лабораторных условиях методом компрессионных испытаний. 4.61. Основным видом испытания для определения характеристик сжимаемости оттаивающего грунта Ai и ai появляется полевой метод. При полевом испытании грунта получают значения Ai и ai, осреднениые по слоям литологического разреза. Полевой метод применим для всех видов грунтов, но ввиду трудоемкости он используется главным образом для определения сжимаемости оттаивающих разрушенных коренных пород, крупнообломочных и сильнольдистых мерзлых грунтов. Метод компрессионных испытаний оттаивающего грунта рекомендуется для грунтов, указанных в п. 4.1. ПОЛЕВОЙ МЕТОД ОБОРУДОВАНИЕ 4.62. Деформативные характеристики оттаивающего грунта определяют непосредственно на строительной площадке в оборудованном для этих целей опытном шурфе с помощью специальных установок. 4.63. Для испытания грунта в шурфе применяют жесткие квадратные или круглые плоские штампы площадью не менее 5000 см2. Сравнительно большой размер штампа вызван необходимостью учета влияния на осадку при оттаивании криогенного строения текстурированных грунтов и крупных включении крупнообломочных грунтов. 4.64. Конструкция штампа должна обеспечивать его нагревание электроэнергией, горячей водой или газом. Наиболее простой и рациональной является конструкция штампа с электрообогревом (рис. 14). Потребляемая мощность для штампа площадью 5000 см2 должна быть 6-7 квт, чтобы обеспечить наблюдаемую в естественных условиях скорость протаивания грунта. 4.65. Испытание грунта в опытном шурфе желательно производить двумя штампами с целью выявления неравномерности осадки по площади. При работе с одним штампом сечение шурфа в плане принимают 2,5×2,5 или 2,5×4,5 м при наличии двух штампов. 4.66. Нагрузку на штамп создают при помощи гидравлического домкрата или любого тарированного груза (при использовании грузовой платформы или рычага). В последнем случае нагрузку осуществляют бетонными погрузочными блоками весом до 2,5 т. Величина нагрузки при опыте берется из расчета получения в испытываемом слое грунта напряжений, предусмотренных заданием. Рис. 14. Штамп с электрообогревом 1 - плита; 2 - боковая поверхность штампа; 3 - крышка; 4 - упор; 5 - стойка; 6 - ребро (100×360 мм); 7 - ребро (100×255 мм); 8 - наконечник; 9 - ручка; 10 - фарфоровый ролик; 11 - фарфоровая трубка; 12 - нагревательная электрическая спираль общей мощностью 6 - 1 квт; 13 - асбест 4.67. Наиболее целесообразно применять распорное устройство в сочетании с гидравлическим домкратом (рис. 15). Распорное устройство состоит из саней, двух опорных ферм, двух продольных и одного поперечного пакета. Для выемки грунта из шурфа и спуска в него материалов и оборудования предусматривают кран-укосину с лебедкой. Рис. 15. Схема полевой установки для определения сжимаемости мерзлого грунта при оттаивании 1 - балласт - бетонные блоки; 2 - продольный пакет; 3 - опорные фермы; 4 - сани; 5 - поперечный пакет; 6 - гидравлический домкрат с индикатором перемещений и манометром давлений; 7 - винтовой (ручной) домкрат; 8 - насосная станция; 9 - кран-укосина для выемки грунта из шурфа и спуска в него материалов и оборудования; 10 - электрическая лебедка; 11 - распределительный электрощит; 12 - колонна штанг на фланцевом соединении; 13 - металлический штамп с электронагревателем: 14 - деревянная венцовая крепь; 15 - насыпной грунт; 16 - суглинистый грунт; 17 - крупнообломочный грунт 4.68. Предлагаемая распорная установка в опытном шурфе позволяет проводить испытания одновременно двумя штампами. Расстояния между центрами штампов должны быть не менее 2 м, чтобы исключить их взаимное влияние. 4.69. Нагрузку от гидравлических домкратов, каждый из которых крепится к поперечному пакету установки, передают на штампы через колонну вертикальных штанг. Для испытаний целесообразно применять домкраты с механическим приводом от насосной станции марки НСП-400 м. 4.70. Вертикальные штанги изготовляют из металлических труб диаметром 168 мм на фланцевых соединениях. Комплект штанг для одного штампа при его заглублении до 15 м состоит из труб длиной 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,2; 1,5 м и пяти труб длиной 2 м. Возможность продольного изгиба колонны штанг при заглублении штампа более чем на 10 м устраняют установкой распорок к каждой стенке шурфа через каждые 4 м по высоте. 4.71. Нижний конец штанги снабжен шаровой пятой, которая опирается на подпятник (наконечник) штампа. На верхний конец штанги крепят ручной винтовой домкрат, с помощью которого окончательно устанавливают длину колонны штанг (в пределах 300 мм), требуемую по условиям опыта. 4.72. Манометр для регистрации давления монтируют непосредственно на гидравлическом домкрате. Максимальное рабочее давление в опыте должно укладываться в пределах 2/3 шкалы манометра. 4.73. Для поддержания в течение всего опыта в масляной системе постоянного давления, соответствующего заданной нагрузке на штамп, гидравлический домкрат с насосной станцией оборудуют магнитным пускателем с реле, а вместо обычных применяют электроконтактные манометры с теми же пределами измерений. 4.74. Вертикальные перемещения штампа измеряют индикаторами часового типа или другими измерительными устройствами. Окончательную осадку определяют как среднее из двух показаний измеряющих устройств, фиксирующих осадку противоположных сторон штампа. ПОДГОТОВКА ШУРФА К ИСПЫТАНИЯМ 4.75. Место для опытного шурфа выбирают в зависимости от задания с учетом инженерно-геологических и мерзлотно-грунтовых условий строительной площадки. 4.76. Выбранную площадку планируют. Для сохранения температурного режима мерзлых грунтов строительной площадки (в период монтажа оборудования) на ее поверхность отсыпают балластную подушку из гравия, гальки или горелой породы толщиной 20-40 см. 4.77. На выровненную площадку устанавливают при помощи отвеса и уровня распорную установку. После этого проходят шурф с креплением стенок до глубины максимального сезонного оттаивания, а в случае несливающейся вечномерзлой толщи - до ее верхней поверхности. Над шурфом устраивают перекрытие с люками и наблюдательную будку. На продольные пакеты установки укладывают бетонные блоки, а затем в будке монтируют все необходимое оборудование. 4.78. До начала испытания описывают и зарисовывают криогенное строение стенок шурфа с тщательным замером ледяных включений в соответствии с указаниями пп. 1.12-1.19. На уровне установки штампа отбирают два-три монолита мерзлого грунта весом более 4-5 кг каждый для определения состава и основных физических характеристик. Исходные данные об условиях проведения полевого опыта записываются в журнал (табл. 29). 4.79. Перед установкой штампа забой шурфа тщательно выравнивают и зачищают до ненарушенного мерзлого грунта. Выступы отдельных валунов и крупной гальки сбивают, а образовавшиеся углубления засыпают песком и уплотняют для обеспечения надежного контакта штампа с грунтом. 4.80. В местах установки штампа под его центром пробуривают, если это возможно, скважину диаметром 3-4 см и глубиной 50 см. В ней устанавливают пять электротермометров сопротивления на глубинах 10, 20, 30, 40 и 50 см. 4.81. Скважины с установленными электротермометрами по всей глубине тщательно забивают охлажденной глиной или суглинком, чтобы предотвратить попадание воды при оттаивании мерзлого грунта под штампом. Концы проводов от электротермометров сопротивления выводят в будку для наблюдений и подключают к измерительной аппаратуре. 4.82. На подготовленный забой шурфа под центром гидравлического домкрата по отвесу и уровню устанавливают штамп и монтируют вертикальные штанги требуемой длины. Гидравлический домкрат подключают к насосной станции, а штамп с обогревательными спиралями включают в электрическую сеть. Всю измерительную аппаратуру, установленную в будке, приводят в рабочее положение. 4.83. Перед началом испытания полностью собранную установку тарируют нагрузкой, согласно условиям опыта, но без включения подогрева штампа. Верхний предел тарировочной нагрузки должен на 10-15 % превышать максимальное давление на штамп. По данным этих испытаний строят тарировочный график установки. Таблица 29 (Форма) Исходные данные при определении осадки мерзлых грунтов в процессе оттаивания в полевых условиях
ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ 4.84. Грунты оснований испытывают послойно. Путем послойного опробования оттаивающих грунтов определяют характеристики сжимаемости Ai и ai ряда слоев мерзлых грунтов до заданной проектной глубины. 4.85. Испытанию подвергают слой грунта толщиной менее половины ширины или радиуса штампа. После испытания каждого слоя штамп демонтируют, убирают опробованную породу и снова монтируют всю установку. 4.86. Рекомендуется подогрев штампа производить до момента, когда глубина оттаивания грунта под штампом достигнет 20 см, после чего обогревательную установку выключают. Дальнейшее оттаивание грунта происходит за счет запаса тепла в оттаявшем грунте. 4.87. При штампе диаметром 70,7 см и потребляемой мощности электроэнергии 6-7 квт оттаивание на глубину 20 см в среднем происходит за 6-10 ч в зависимости от разновидности грунтов и типа их криогенной текстуры. 4.88. Перед началом каждого испытания на штамп прикладывают кратковременную (до 3 мин) нагрузку обжатия, равную природному давлению грунта на отметке установки штампа, по не менее 0,5 кг/см2. После снятия нагрузки обжатия приступают непосредственно к испытаниям. 4.89. Испытание грунта в шурфе горячим штампом производят путем оттаивания грунта без нагрузки - первый этап и до следующего его уплотнения под нагрузкой - второй этап. (Форма) Данные наблюдения за осадкой штампа в процессе оттаивания и уплотнения грунта
4.90. При оттаивании грунта (первый этап) на него передается нагрузка лишь от веса штампа и штанг, что создает давление не более 0,2 кг/см2, которым в расчетах пренебрегают. 4.91. После оттаивания производят уплотнение грунта (второй этап) давлением, равным: для глин σi = 1 кг/см2 и для песков σi = 2 кг/см2. 4.92. При наличии крупнообломочных грунтов и разрушенных коренных пород их оттаивание без нагрузки может привести к заклиниванию крупных включений. Поэтому для таких грунтов оттаивание следует производить под нагрузкой σi - 1 кг/см2 (первый этап). Последующее уплотнение (второй этап) производят под нагрузкой σi - 2 кг/см2. 4.93. При испытаниях измеряют протекающие во времени осадки штампа и максимальную глубину оттаивания грунта под штампом. Данные измерений записывают в журнал (табл. 30 и 31). Таблица 31 (Форма) Наблюдения за температурой грунта под штампом
4.94. Осадки грунта измеряют индикаторами или самописцами, а глубину оттаивания грунта определяют щупами через каждый час и контролируют термометрическими измерениями (см. п. 4.80). Глубину оттаивания грунта под серединой штампа определяют графически, экстраполируя измеренные щупом (минимум в пяти точках) глубины протаивания. 4.95. При каждой ступени нагрузки испытание проводят до условной стабилизации осадки, что устанавливают периодическим наблюдением за процессом уплотнения. Измерения деформации производят по показаниям индикаторов через 1; 5; 10; 20 и 60 мин от начала опыта и далее через каждый час до установления стабилизации. 4.96. За критерий стабилизации осадки штампа принимают условие, когда приращение осадки штампа в течение трех последних (часовых) отсчетов не превышает 0,1 мм для крупнообломочных и песчаных грунтов и 0,05 мм для глинистых грунтов. 4.97. По окончании каждого опыта вертикальные штанги и штамп демонтируют, из зоны оттаивания удаляют оттаявший слой грунта, зарисовывают вид оттаявшей зоны и замеряют ее глубину и диаметр. Затем описывают криогенную текстуру пород и характер их залегания в опробованном слое. 4.98. После завершения опробования одного слоя опыт повторяют на следующем слое. Оттаявший грунт удаляют из шурфа и на 5-10 см зачищают мерзлую поверхность забоя. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОТТАИВАНИЯ И СЖИМАЕМОСТИ ОТТАИВАЮЩЕГО МЕРЗЛОГО ГРУНТА 4.99. Для каждого опробованного слоя по опытным значениям осадки штампа S и глубины оттаивания грунта Нот определяют величину относительного сжатия , которую записывают в журнал (табл. 30). 4.100. По результатам, представленным в табл. 30, строят графики изменения осадки штампа S во времени t, по которым судят о стабилизации осадки и графики зависимости величины относительного сжатия оттаивающего грунта Si от уплотняющего давления σi. 4.101. Для каждого опробованного слоя по графикам зависимости относительного сжатия Si от давления σi определяют коэффициент оттаивания грунта Ai и коэффициент сжимаемости ai, оттаивающего под нагрузкой грунта. Таблица 32 (Форма) Результаты определения характеристик сжимаемости мерзлых грунтов при их оттаивании горячими штампами
Результаты определения записывают и журнал (табл. 32). 4.102. Коэффициент оттаивания Ai - выражается зависимостью Aj = d0 = S0/Hот, где S0 - осадка без нагрузки, определяемая на первом этапе испытания, а Hот - глубина оттаявшего слоя. На графике зависимости δi-σi коэффициент Ai соответствует начальной ординате графика. 4.103. Коэффициент сжимаемости грунта ai выражается зависимостью (57) где δ0 и δ1 относительное сжатие соответственно при первом этапе испытания без нагрузки и при втором этапе испытания под нагрузкой; σ0 и σ1 - нагрузка соответственно от веса штампа с колонной штанг на первом этапе испытания и от уплотняющего давления на втором этапе испытаний. 4.104. Для крупнообломочных грунтов коэффициенты ai и Ai- выражаются зависимостями: (57 a) где δ1 и δ2 - относительное сжатие под первой и второй нагрузками; σi и σ2 величины уплотняющих давлении. На графике зависимости δi-σi коэффициент ai определяется как тангенс угла наклона прямой, соединяющей экспериментальные точки, а Ai- - как отрезок па оси ординат, отсекаемый этой прямой. ЛАБОРАТОРНЫЙ МЕТОД ПРИБОРЫ 4.105. Для лабораторного определения коэффициентом сжимаемости оттаивающих грунтов применяют компрессионную установку, состоящую из рычажного пресса, одометра, нагревательной и измерительной аппаратуры. Общая схема установки представлена на рис. 16, а. 4.106. Одометр для испытания мерзлого грунта изготовляют из материала низкой теплопроводности (оргстекла, эбонита, текстолита), чтобы обеспечивалось оттаивание образца грунта только сверху. Оттаивание осуществляют с помощью теплого штампа, устанавливаемого на образец мерзлого грунта (рис. 16, б), или путем естественного оттаивания при комнатной температуре под обычным штампом. Рис. 16. Схема прибора для определения сжимаемости мерзлого грунта при оттаивании а - общая установка: б - одометр; 1 - станина; 2 - одометр (основание и направляющий цилиндр); 3 - рабочее кольцо с образцом грунта; 4 - штамп; 5 - рычажный пресс; 6 - ультратермостат; 7 - индикаторы 4.107. Одометр, используемый при определении сжимаемости оттаивающего грунта, состоит из трех основных частей: корпуса, рабочего кольца и штампа. Корпус одометра сборный - состоит из основания с перфорированным дном и направляющего цилиндра, изготовленных из оргстекла. Толщина стенок должна составлять не менее 5-7 см. Рабочее кольцо (из оргстекла) имеет толщину стенок 5-6 мм, оно должно плотно, без зазора, входить в корпус одометра. Штамп - полый цилиндр высотой 6-7 см, изготовляют из меди или нержавеющей стали. Дно штампа двойное: верхнее - сплошное, а нижнее (на расстоянии 1,5-2 см) - перфорированное с отверстиями не более 1 мм, через которые отводится вода из оттаивающего грунта. Сверху штамп наглухо закрывают крышкой, на которой укреплены шток по центру и два штуцера для подачи и отвода теплой воды, которая во время опыта циркулирует в верхней полости штампа. На внешней цилиндрической поверхности штампа внизу имеются отверстия диаметром 1 мм, а по всей высоте узкие вертикальные бороздки, обеспечивающие отвод воды, поступающей из образца в нижнюю полость штампа. При естественном оттаивании образца мерзлого грунта за счет теплообмена с окружающим воздухом используют обычный перфорированный штамп из теплопроводного материала (латунь, медь). 4.108. Для определения осадки мерзлых грунтов при оттаивании размеры рабочего кольца выбирают в зависимости от состава и однородности грунта. Рекомендуется пользоваться кольцами высотой от 3 до 6 см с внутренними диаметрами 8,74; 11,3 и 16 см, что позволяет испытывать образцы грунта площадью соответственно 60, 100 и 200 см2. 4.109. Для обеспечения равномерности оттаивания образца мерзлого грунта в одометре рекомендуется пользоваться ультратермостатом, с помощью которого в штампе поддерживают заданную температуру воды. Удобен ультратермостат марки ТС-16-А. Ультратермостат присоединяют к штуцерам штампа с помощью резиновых шлангов. При отсутствии ультратермостата вода в штамп может поступать из любого большого сосуда (бака, ведра), в котором поддерживают заданную температуру. 4.110. Температуру воды в штампе принимают согласно заданию в соответствии с режимом оттаивания грунтов под сооружением. Если температура, при которой должно производиться оттаивание образца мерзлого грунта, не регламентирована заданием, то опыт рекомендуется проводить при температуре +20 °С. 4.111. Осадку при оттаивании и уплотнении образца мерзлого грунта под заданными нагрузками измеряют с помощью индикаторов часового типа с точностью до 0,01 мм. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ 4.112. Перед началом опыта производят проверку компрессионной установки: уравновешивают рычаг с помощью противовеса подготавливают индикаторы, гири, ультратермостат; проверяют штамп на герметичность; на штоке штампа укрепляют держатель индикаторов. 4.113. Испытание по определению осадки оттаивающего грунта предпочтительно проводить при отрицательной температуре воздуха. Допускается вести испытание и при обычной температуре. Однако в таком случае вся подготовительная работа (перемещение образца грунта в рабочее кольцо, взвешивание его и сборка одометра) обязательно осуществляется при отрицательной температуре воздуха, после чего прибор переносят в теплое помещение, где будет производиться испытание. 4.114. Перед установкой образца одометр и штамп охлаждают до возможно низкой отрицательной температуры. Затем подготовленный в соответствии с указаниями пп. 4.2-4.15 образец мерзлого грунта помещают в одометр (грунт с торцов должен быть покрыт бумажными фильтрами). На образец устанавливают штамп с закрепленными на нем индикаторами; прибор в собранном, виде устанавливают на станину и производят обжатие образца (см. п. 4.21). 4.115. К штампу присоединяют шланги от ультратермостата, записывают начальные показания индикаторов, прикладывают нагрузку, при которой будет производиться оттаивание, снова берут отсчеты по индикаторам и затем включают ультратермостат, фиксируя при этом время начала опыта. Перед началом опыта индикаторы целесообразно устанавливать на нуль. 4.116. Отсчеты по индикаторам при определении осадки оттаивающего грунта производят через 1, 5, 10, 20, 30 мин. от начала оттаивания и далее через каждые 30 мин до стабилизации осадки. Осадку оттаивания считает законченной, если при двух последних отсчетах изменение показаний индикаторов не превышает 0,01 мм. Результаты опыта записывают в журнал (табл. 33). Таблица 33 (Форма) Данные наблюдений осадки мерзлых грунтов в процессе оттаивания при компрессионных испытаниях
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТТАИВАНИЯ И СЖИМАЕМОСТИ ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТОВ 4.117. Оттаивание мерзлого грунта под нагрузкой сопровождается резким изменением его пористости. Для оттаивающего вечномерзлого грунта его относительное сжатие δi определяют по формуле (56). 4.118. Коэффициент Ai представляет собой параметр, характеризующий деформацию грунта вследствие оттаивания, не зависящую от нормального давления. Его значение численно равно начальной ординате спрямленного графика зависимости δi от σi при σi = 0, которым заменяют кривую σi = f(σi) (рис. 17). Таким образом, величину Ai рассматривают как параметр линейной зависимости сжатия грунта при его оттаивании под нагрузкой. Практически оттаивание ведут при небольшой нагрузке, обеспечивающей сжатие грунта только за счет вытаивания ледяных включений и смыкания образующихся при этом полостей. Поэтому принимается; что величина Ai соответствует сжатию слоя грунта под действием собственного веса. Поскольку толщина слоев hi принимается небольшой, то давление от веса вышележащего грунта обычно не превышает 0,1 кг/см2. Рис. 17. Зависимость относительного сжатия δi от давления σi 4.119. Коэффициент сжимаемости аi представляет собой угловой коэффициент спрямленной опытной зависимости δi от σi или тангенс угла наклона прямой. Опыт показывает, что в большинстве случаев линейная зависимость δi от σi допустима при изменении σi: для песков - от 0 до 4-5 кг/см2, для глинистых грунтов - от 0 до 2-4 кг/см2. 4.120. Определение коэффициентов Ai и аi производят по результатам испытаний нескольких образцов, оттаивающих под разными нагрузками (первый способ) или по результатам испытания одного образца (второй способ). Второй способ используют для определения приближенных значений коэффициентов Ai и аi, когда отсутствует необходимое количество идентичных образцов грунта. 4.121. При первом способе определяют величину осадки при оттаивании S для нескольких идентичных образцов мерзлого грунта, каждый из которых оттаивает под определенной нагрузкой σi. Для каждого испытания вычисляют относительное сжатие , соответствующее каждой нагрузке. Результаты испытаний записывают в журнал (табл. 34). Учитывая неоднородность мерзлых грунтов, определение осадки при оттаивании рекомендуется проводить с трехкратной повторностью при трех-четырех значениях давления: для глинистых грунтов - при давлениях 0,1; 0,5; 1; 3 кг/см2; для песчаных грунтов - при 0,1; 1; 3; 5 кг/см2. Таблица 34 (Форма) Результаты определений сжимаемости оттаивающих грунтов
Для определения значений коэффициентов Ai и аi этим способом необходимо иметь не менее девяти идентичных образцов мерзлого грунта. По полученным в каждом отдельном опыте величинам вычисляют среднеквадратичные значения параметров и по формулам (58) и (59): (58) (59) где δi,j - относительное сжатие мерзлого грунта, оттаивающего при давлении σi,j; п - число опытов; j - порядковый номер опыта от 1 до п. Осреднение опытных данных при определении и может быть произведено также графически (см. рис. 17). На графике зависимости δi от σi коэффициент соответствует отрезку на оси ординат, отсекаемому прямой; коэффициент - тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс. 4.122. При втором способе значения Ai и аi определяются из испытания одного образца - сначала определяют осадку образца мерзлого грунта, оттаивающего под нагрузкой 0,1 кг/см2, и приближенно принимают, что (60) т.е. приведенный коэффициент оттаивания Аi принимают равным величине относительного сжатия мерзлого грунта δ0,1 оттаивающего под нагрузкой 0,1 кг/см2, или изменению коэффициента пористости Δε. Затем к оттаявшему образцу грунта прикладывают нагрузку, равную 1 кг/см2, определяют осадку (в стабилизированном состоянии) и рассчитывают относительное сжатие ; коэффициент уплотнения при оттаивании определяют из условия см2/кг, (61) где δ1 - относительное сжатие грунта, оттаивающего под нагрузкой 0,1 кг/см2 и уплотненного нагрузкой, равной 1 кг/см2. 4.123. Определение коэффициентов Ai и ai - вторым способом рекомендуется проводить не менее чем с трехкратной повторностью (на трех и более идентичных образцах мерзлого грунта). Средние значения Ai и ai вычисляют как среднее арифметическое из всех определений. 4.124. Для предварительных расчетов величину относительного сжатия δi вечномерзлого песчаного грунта, оттаивающего в процессе эксплуатации, допускается определять по формуле (61 а) где - объемный вес скелета оттаявшего песчаного грунта после уплотнения его под нагрузкой определяется опытным путем, а для ориентировочных подсчетов конечных осадок принимается равным объемному весу скелета воздушно-сухого грунта при максимальной его плотности в кг/см3 (по образцам нарушенной структуры); - объемный вес скелета мерзлого грунта, кг/см3, определяется на образцах природного сложения. СОПРОТИВЛЕНИЕ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ НОРМАЛЬНОМУ ДАВЛЕНИЮ4.125. Важной характеристикой мерзлых грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений, является сопротивление грунта нормальному давлению. Предельно длительное значение этого сопротивления принимают за нормативную величину сопротивления грунта нормальному давлению Rн и используют для оценки несущей способности мерзлых грунтовых оснований. 4.126. Значение нормативного сопротивления грунта нормальному давлению Rн определяется для основных разновидностей грунтов по табл. 6 главы СНиП II-Б.6-66. Для ряда видов грунтов - сильнольдистых, засоленных, заторфованных и др., а также для корректировки и уточнения приведенных в главе СНиП значений рекомендуется Rн определять экспериментальным путем. 4.127. Основным методом определения нормативного сопротивления мерзлых грунтов нормальному давлению Rн является метод испытания грунтов статическими нагрузками (испытание штампом). Испытание мерзлого грунта штампом трудоемко, так как связано с сохранением в течение длительного времени отрицательной температуры грунта и окружающего воздуха. Испытания по этому методу проводят, как правило, в особых случаях и по специальной программе. 4.128. Нормативное сопротивление мерзлого грунта нормальному давлению Rн определяют также в лабораторных условиях по результатам испытания образцов мерзлого грунта на сдвиг, трехосное и одноосное сжатие. Все эти испытания производят в условиях ползучести при постоянно действующих нагрузках. 4.129. Методика испытания мерзлого грунта на сдвиг описывается в пп. 4.184-4.232. Испытания мерзлых грунтов на трехосное сжатие ввиду трудоемкости эксперимента применяют для мерзлых грунтов в случаях, специально предусмотренных заданием. Такие испытания проводят при проектировании особо ответственных сооружений, а также в тех случаях, когда грунт работает в условиях, при которых существенно сказывается влияние всестороннего давления - глубокозаложенные подземные выработки и сооружения, основания тяжелонагруженных фундаментов большого размера в плане и др. Испытания мерзлого грунта на одноосное сжатие проводят только с глинистыми грунтами. Они заключаются в испытаниях при постоянно действующем напряжении серии однородных и однотипных образцов под разными нагрузками. 4.130. При определении нормативного сопротивления Rн можно пользоваться также характеристиками эквивалентного сцепления сэкв и сопротивления грунта сжатию σсж, полученными из испытаний образцов мерзлого грунта упрощенными экспресс-методами: методом испытания грунта шариковым штампом (метод Цытовича); методом испытания грунта на одноосное сжатие в условиях непрерывно меняющегося напряжения (метод Вялова). 4.131. Метод испытания шариковым штампом применяют для всех разновидностей мерзлых грунтов с массивной, мелкосетчатой и тонкослоистой криогенной текстурой, за исключением крупнообломочных грунтов и крупного песка. Метод испытания на одноосное сжатие в условиях меняющегося напряжения используют для всех видов песчаных и глинистых мерзлых грунтов, за исключением глин со слоистой криогенной текстурой при толщине ледяных включений более 2 см. 4.132. Значение нормативного сопротивления мерзлого грунта нормальному давлению Rн по данным испытания образцов грунта шариковым штампом определяют по формуле 1 (62) где сэкв - нормативное значение эквивалентного сцепления в кг/см2; q = Н - пригрузка в кг; - объемный вес мерзлого грунта в кг/см3; Н - глубина заложения фундамента в см. 4.133. Значение нормативного сопротивления мерзлого грунта нормальному давлению Rн по данным испытания образцов грунта на одноосное сжатие в условиях уменьшающегося напряжения определяют по формуле (63) где - нормативное значение предельно длительного сопротивления грунта одноосному сжатию. 1 Формулы (62) и (63) справедливы для оснований под фундаменты круглого и квадратного сечения. ИСПЫТАНИЕ ШАРИКОВЫМ ШТАМПОМ 4.134. Сущность метода испытания образцов грунта шариковым штампом заключается в определении деформаций ползучести грунта при длительном вдавливании в него под постоянной нагрузкой шарикового штампа, По полученным значениям деформаций образца грунта вычисляют эквивалентное сцепление сэкв и фиксируют его изменение во времени. Эквивалентное сцепление сэкв является комплексной характеристикой мерзлого грунта, учитывающей как его сцепление с, так и внутреннее трение φ (при φ £ 20°). 4.135. Значение эквивалентного сцепления cэкв для каждого момента времени определяют по величине погружения в грунт шарикового штампа при действии постоянной нагрузки и рассчитывают по формуле где Р - нагрузка, передаваемая на штамп, в кг; dш - диаметр шарикового штампа в см; Sш - деформация грунта под штампом, или глубина погружения штампа, в см. В приведенной формуле (64) деформация грунта под штампом является переменной во времени величиной, зависящей от продолжительности действия нагрузки, В связи с этим различают наибольшее, или условно-мгновенное, эквивалентное сцепление мерзлого грунта сэкв..мгп, определяемое для десятисекундного момента времени от начала испытания, и наименьшее, или предельно длительное, эквивалентное сцепление сэкв.дл, определяемое за время, в которое наступает стабилизация деформации образца под штампом. ПРИБОРЫ 4.136. Определение эквивалентного сцепления мерзлых грунтов рекомендуется производить на шариковых приборах. Схематическое изображение одного из них представлено на рис. 18. Шариковые приборы состоят из следующих основных частей: опорной плиты, являющейся основанием прибора и служащей подставкой для испытуемого образца грунта; консоли с установленными на ней грузовой площадкой, измерительным прибором, шариковым штампом и направляющей стойки, на которой крепится консоль и осуществляется ее фиксация в рабочем положении. Каждый шариковый прибор имеет набор штампов разного диаметра. 4.137. Для определения эквивалентного сцепления мерзлого грунта могут быть рекомендованы одноштоковые и многоштоковые шариковые приборы (рис. 19 и 20). Одноштоковые приборы отличаются простотой конструкции, небольшим весом и малыми габаритами. Преимущество многоштоковых приборов заключается в возможности одновременного проведения измерений в нескольких (по числу штоков) точках испытуемого образца, что повышает точность определяемых характеристик и сокращает сроки испытаний. 4.138. При испытании мерзлого грунта с криогенной текстурой, указанной в п. 4.131, применяют шариковые штампы диаметром 22 мм. При испытании мерзлого грунта с более крупными включениями льда используют штампы больших размеров, при этом диаметр отпечатка шарика должен быть не менее чем в 10 раз больше самых крупных видимых отдельностей льда. Для предохранения мерзлого образца грунта при испытании от воздействия колебаний температуры в помещении и выветривания шариковые приборы рекомендуется располагать либо в специально вырытой в толще вечномерзлых грунтов нише с застекленной рамой, если испытание ведется в полевых условиях, либо накрывать прибор защитным колпаком (коробом) из органического стекла, если испытание ведется в холодильной камере. При этом образец грунта на время испытания рекомендуется накрывать бумажным кружком из глянцевой или парафинированной бумаги, соответствующим по размеру внутреннему диаметру кольца пробобрателя. Бумажный кружок должен иметь отверстия, через которые свободно может проходить штамп прибора. Чтобы уменьшить испарение с поверхности мерзлого образца, вокруг прибора укладывают кусочки льда. Рис. 18. Схема шарикового прибора (конструкция НИС «Гидропроекта») 1 - опорная плита (основание); 2 - консоль; 3 - направляющий стержень (стойка); 4 - зубчатая рейка; 5 - нивелировочный винт; 6 - индикатор; 7 - зажимной винт индикатора; 8 - грузовая площадка; 9 - шариковый штамп; 10 - стопорный винт штампа
ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ 4.139. Испытание образца грунта шариковым штампом выполняют при одной постоянной в течение всего опыта нагрузке. Величину нормальной нагрузки устанавливают исходя из следующих рекомендаций. При испытании шариковым штампом диаметром в 22 мм назначают следующие нагрузки: на глинистый мерзлый грунт в пластичномерзлом состоянии 2-3 кг; на песчаный грунт в пластичномерзлом состоянии и глинистый грунт в твердомерзлом состоянии 4-5 кг. 4.140. При испытании мерзлого грунта с крупными включениями льда (см. п. 4.138) величину нагрузки устанавливают опытным путем. Определение величины нагрузки производят на основании данных, полученных из серии кратковременных испытаний; продолжительность опыта принимают равной 15 мин при условии, что граничное погружение штампа за это время удовлетворяет требованию 0,005d < S15 < 0,05d, где S15 - деформация мерзлого грунта под штампом за 15 мин от начала опыта; d - диаметр шарикового штампа. 4.141. Перед каждым испытанием проверяют готовность прибора к работе: прибор устанавливают в горизонтальном положении (см. п. 4.19), тарируют (см. п. 4.20), устанавливают индикаторы, подбирают нагрузку (см. пп. 4.139 и 4.140), проверяют подвижность штоков и уравновешивают их (см. п. 4.142). 4.142. Уравновешивание одноштокового шарикового прибора осуществляется либо с. помощью противовесов (в рычажном приборе), либо путем подбора тарировочной пружины. Загрузку многоштокового прибора производят при неуравновешенном штоке и штампе. Собственный вес штока и штампа включают в общий вес, т.е. учитывают при определении общей величины нагрузки. 4.143. На опорную плиту прибора (см. рис. 18) устанавливают подготовленный в соответствии с указаниями пп. 4.4-4.13 образец грунта, выдержанный при определенной температуре (п. 4.14), и обжимают его плоским штампом в соответствии с требованиями п. 4.21. Затем шариковый штамп доводят до поверхности грунта, следя за отклонением стрелки индикатора на 1-2 деления, и закрепляют стопорным винтом; с помощью поворота шкалы индикатор устанавливают в «нулевое положение» и загружают грузовую площадку подготовленными гирями, вес которых назначают в зависимости от требований пп. 4.139, 4.140. Передачу нагрузки на образец мерзлого грунта осуществляют путем ослабления стопорного винта штампа. С момента начала загружения штампа включают секундомер и берут отсчеты по индикатору, записывая их в журнал (табл. 35). 4.144. Отсчеты по индикатору производят через следующие промежутки времени от начала опыта: 1, 5, 10, 20, 30 мин (по секундомеру), а затем через 1, 2, 3, 4, 6, 8 ч и далее один раз в сутки до полной стабилизации деформации. Критерием стабилизации деформации служит ее приращение, которое не должно превышать 0,01 мм за два следующих друг за другом интервала времени продолжительностью 24 ч каждый. 4.145. Испытание образца мерзлого грунта шариковым штампом допускается производить также ускоренно; в этом, случае опыт продолжается 8 ч, считая от начала нагружения. 4.146. Штампы многоштокового шарикового прибора загружают последовательно с интервалами 10 мин. Дальнейшая процедура испытания выполняется в соответствии с программой испытания образца на одноштоковом шариковом приборе (п. 4.144). 4.147. Испытание образца мерзлого грунта производят минимум с тройной повторностью, при этом расстояние между центрами погружения шарикового штампа должно быть на 25 % больше диаметра штампа (1,25 d). 4.148. Во время проведения испытания ведут наблюдение за деформацией образца грунта и температурой окружающего воздуха. Температуру воздуха определяют по данным автоматической записи термографом или путем разовых отсчетов по психрометрическому термометру, устанавливаемому рядом с прибором. При этом ртутный резервуар термометра должен располагаться на уровне верхнего основания образца. Данные измерений записывают в журнал (табл. 35). 4.149. После стабилизации деформации образца грунта под шариковым штампом опыт считают законченным и производят разгрузку прибора: образец грунта извлекают из кольца, взвешивают на технических весах, установленных в том же помещении, а затем высушивают в сушильном шкафу до постоянного веса. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНО ДЛИТЕЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОГО СЦЕПЛЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ 4.150. Величину эквивалентного сцепления сэкв мерзлого грунта определяют по результатам испытаний грунта шариковым штампом. Величину сцепления сэкв рассчитывают по формуле (64) с точностью до 0,01 кг/см2. Результаты вычислений записывают в журнал (табл. 35). 4.151. По полученным значениям эквивалентного сцепления сэкв мерзлого грунта строят кривую зависимости сцепления от времени t, т.е. кривую длительной прочности, по которой затем определяют величины мгновенного сэкв..мгн и предельно длительного сцепления сэкв.дл. Величина мгновенного сцепления сэкв.мгн соответствует ординате для момента времени, равного 10 сек после начала загружения, а величина предельно длительного сцепления сэкв.дл - ординате, соответствующей времени, при котором происходит стабилизация деформации (рис. 21). Результаты определения величины предельно длительного эквивалентного сцепления записывают в журнал (табл. 36). (Форма) Данные наблюдений при испытании мерзлого грунта шариковым штампом
(Форма) Результаты определения эквивалентного сцепления мерзлого грунта
4.152. Величину предельно длительного эквивалентного сцепления по результатам кратковременных (8-часовых) испытаний образца определяют из выражения сэкв.дл = 0,8, (65) где - эквивалентное сцепление, рассчитанное по деформации образца грунта под штампом, полученной через 8 ч после загрузки прибора. Рис. 21. Изменение во времени сопротивления мерзлого грунту вдавливанию шарикового штампа 4.153. Нормативную величину длительного сцепления мерзлого грунта определяют как среднее значение из нескольких (минимум трех) повторных определений. Результаты определений записывают в журнал (табл. 36). ОДНООСНОЕ СЖАТИЕ В УСЛОВИЯХ НЕПРЕРЫВНО МЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ 4.154. Способ испытания образца мерзлого грунта на одноосное сжатие при непрерывно изменяющемся напряжении сводится к определению минимального значения напряжения, устанавливающегося в образце мерзлого грунта при длительном воздействии на него уменьшающейся во времени сжимающей нагрузки. Эта нагрузка создается предварительно сжатым динамометром. Испытание образца грунта сопровождается развитием деформации ползучести, в результате чего происходит разжатие динамометра и уменьшение передаваемого им напряжения. В опыте этот процесс продолжают до стабилизации деформации. 4.155. Достижение стабилизации деформации образца грунта соответствует наступлению равновесного состояния между нагрузкой, передаваемой динамометром, и внутренними силами сопротивления грунта. Если начальное напряжение задают близким к условно-мгновенному сопротивлению грунта сжатию σсж.мгн, то конечное напряжение, при котором достигается стабилизация деформации, соответствует предельно длительной прочности грунта при сжатии. 4.156. По результатам испытания двух образцов (не считая повторности) методом одноосного сжатия при непрерывно уменьшающемся напряжении σсж определяют значение предельно длительной прочности при сжатии σсж.дл. ПРИБОРЫ 4.157. Для испытаний используют динамометрический прибор конструкции Вялова - Ермакова (рис. 22). Прибор состоит из следующих основных узлов: нагрузочного устройства, образцового динамометра с индикатором для измерения деформаций динамометра, а также индикатора для измерения деформаций образца грунта и станины. 4.158. Нагрузочное устройство состоит из винта и воротка. Образцовый динамометр с усилием от 0,2 до 5 т служит для передачи нагрузки на образец грунта. Деформацию динамометра измеряют индикатором с ценой деления 0,01 мм, а деформацию образца грунта - индикатором с ценой деления 0,01-0,02 мм. Прибор смонтирован на столе, ножки которого снабжены винтами для установки в горизонтальном положении. Загрузку образца осуществляют вращением нагрузочного винта воротом. Усилие от нагрузочного винта передается через сферический шарнир на динамометр и далее через пуансон на образец мерзлого грунта. Рис 22. Схема динамометрического прибора 1 - образец; 2 - индикатор для замера деформаций образца; 3 - пуансон; 4 - образцовый динамометр; 5 - индикатор для замера деформаций динамометра; 6 - сферический шарнир; 7 - станина; 8 - вороток; 9 - нагрузочный винт; 10 - расточка опорной плиты; 11 - расточка штампа; 12 - опорная плита; 13 - стол 4.159. Для обеспечения центрировки образца в опорной плите прибора имеется специальная цилиндрическая расточка, центр которой строго совпадает с вертикальной осью прибора. Штамп (пуансон), с помощью которого передают нагрузку на образец грунта, также снабжен аналогичной расточкой (по размеру равной диаметру образца); пуансон помещен в специальную направляющую обойму, которая строго центрирована относительно оси прибора; динамометр устанавливается между пуансоном и загрузочным винтом, причем сочленение между загрузочным винтом и динамометром выполнено в виде сферического шарнира. Рис. 23. Развитие деформаций во времени при испытаниях на динамометрическом приборе а - динамометра; б - образца 4.160. Прибор рассчитан на испытание образца цилиндрической формы диаметром 45,2 мм при высоте 100 мм. Наибольшее сжимающее усилие составляет 3000 кг. 4.161. Деформацию динамометра λ' в мм для любого момента времени определяют по разности между начальным его сжатием λ'0 и расжатием λ'0(t), зависящим от продолжительности испытания: при натяжении в динамометре возникает начальная деформация сжатия λ'0 (рис. 23, а), а в процессе испытания динамометр постепенно разжимается на величину λ'0(t). Эту деформацию измеряют индикатором. Таким образом, общую деформацию динамометра для заданного момента времени определяют из выражения λ' = λ'0 - λ'(t). (66) По мере разжатия динамометра его деформация λ'(t), уменьшаясь, достигает конечной величины λ'к, соответствующей стабилизованному состоянию. 4.162. Деформацию образца грунта λ" определяют непосредственно по показаниям индикатора. Деформация образца грунта состоит из начальной деформации λ”0 и деформации, развивающейся во времени, λ" (t). Последнюю вычисляют по формуле . (67) 4.163. Значение нагрузки, передаваемой динамометром на образец, определяют по тарировочному графику или вычисляют по формуле Р = Кд λ', (68) где Кд - коэффициент жесткости динамометра, определяемый по данным тарировки, в кг/мм; λ' - деформация динамометра, определяемая из выражения (66), в мм. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ 4.164. Предварительно, до определения предельно длительной прочности образца мерзлого грунта на сжатие σсж.дл, проводят испытание образца грунта при быстром приложении возрастающей нагрузки, в результате чего устанавливают условно-мгновенное, максимальное сопротивление образца данного грунта сжатию под нагрузкой Рмгн. Затем с идентичным образцом грунта проводят основной опыт по определению значения предельно длительной прочности σсж.дл. Начальную нагрузку в этом опыте задают близкой (несколько меньшей) к значению рмгн. 4.165. Испытание проводят в помещении с отрицательной температурой, соответствующей заданной. Подготовленный образец мерзлого грунта, предварительно выдержанный при температуре испытания, устанавливают в прибор. Загрузочный винт должен плотно соприкасаться с динамометром, для этого медленно подкручивают винт так, чтобы стрелка индикатора, слегка отклонившись, снова вернулась к нулю. После установки образец не менее 1 ч выдерживают в приборе при заданной температуре. 4.166. Испытание при быстром воздействии нагрузки проводят в такой последовательности: вращением воротка образцу передают непрерывно и равномерно возрастающую нагрузку. Опыт продолжают в течение 20-30 сек и заканчивают его либо при разрушении образца, либо при значении осевой деформации образца грунта, равной 20 % начальной высоты, т.е. когда λ” = 0,2h мм. В конце опыта определяют деформацию динамометра λ’, соответствующую разрушению образца или его деформации λ” = 0,2h. 4.167. Значение нагрузки, при которой произошло разрушение образца или была достигнута деформация образца грунта λ” = 0,2h, соответствует условно-мгновенной, максимальной разрушающей нагрузке Pсж.мгн. Эту нагрузку определяют непосредственно по тарировочному графику данного динамометра или согласно выражению (68). 4.168. Перед проведением основного опыта для определения предельно длительной прочности σсж.дл производят обжатие образца при нагрузке, соответствующей 0,25 Рмгн. Для этого задают натяжение динамометра, определяемое из выражения см. Под обжимающей нагрузкой образец выдерживают в течение 2 мин, после чего производят разгрузку, и образец в течение 2 ч выдерживают в приборе при температуре испытания. 4.169. Основной опыт, служащий для определения предельно длительной прочности на сжатие σсж.дл, проводят при начальной нагрузке Pн = 0,75 Рмгн. 4.170. Загружение образца грунта осуществляется плавно, но достаточно быстро, в течение 10-15 сек. В процессе загружения следят, чтобы в образце грунта не появились трещины, а при последующих испытаниях не происходили перекосы. При возникновении трещин и перекосов опыт проводят сначала. 4.171. После приложения начальной нагрузки Рн положение динамометра закрепляют с помощью натяжного устройства и сразу регистрируют показания индикаторов, служащие для определений начальных деформации образца и динамометра. В процессе дальнейшего испытания ведут наблюдения за изменяющимися во времени деформациями образца и динамометра. Показания индикаторов регистрируют сначала через 20-30 сек, затем через 1, 5, 10, 20, 40 мин, далее через 3,5, 8, 12 и 24 ч от начала опыта и, наконец, через каждые сутки. Результаты наблюдений записывают в журнал (табл. 37). Таблица 37 (Форма) Данные наблюдений при испытании мерзлого грунта на одноосное сжатие в динамометрической установке
4.172. Опыт заканчивается, когда достигается стабилизация деформации. Стабилизацию деформации считают достигнутой, если приращение относительной деформации образца не превышает 0,5·10-4 за сутки. В целях более точного определения σсж.дл (если это специально предусмотрено заданием) принимают, что приращение деформации образца не должно превышать δ = 0,25·10-4 за пять суток. По результатам испытаний вычисляют в соответствии с формулой (66) абсолютную конечную деформацию динамометра. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНО ДЛИТЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА ОДНООСНОМУ СЖАТИЮ 4.173. Используя полученное значение деформации , определяют конечную нагрузку Рк в соответствии с п. 4.163, соответствующую стабилизированной деформации. 4.174. На основании полученных данных определяют значение предела длительной прочности образца грунта при сжатии σсж.дл кг/см2. Если динамометр обладает достаточно большой жесткостью, то σсж.дл = σк, где σк - значение конечного напряжения, определяемое из выражения , при этом F - площадь образца после окончания опыта в см2. 4.175. Жесткость динамометра, при которой справедливо выражение σсж.дл = σк, определяют по формуле (69) где - начальная деформация образца; -конечная стабилизовавшаяся деформация образца в мм; Δ - допускаемая погрешность, принимаемая равной 0,1. 4.176. В случае, если условие по формуле (69) не удовлетворяется, значение предельно длительной прочности при одноосном сжатии вычисляют по формуле где - конечная, стабилизовавшаяся деформация динамометра; и - соответственно начальная и конечная деформации образца; т - параметр, характеризующий нелинейность связи между напряжением и деформацией мерзлых грунтов и определяемый в соответствии с п. 4.177. 4.177. Параметр т, входящий в формулу (70), определяют из выражения или из выражения в которых = + и = + суммарная начальная деформация динамометра () и образца () соответственно для первой и второй начальных нагрузок; и - деформации |динамометра в данный момент времени ti соответственно для первой и второй начальных нагрузок (рис. 24, а); Рмгн - условно-мгновенное (максимальное) значение разрушающей нагрузки. 4.178. Для получения исходных данных для расчета параметра т по формуле (71) дополнительно проводят испытание идентичного образца при другой начальной нагрузке Рн(2), отличной от Рн(1) (см. п. 4.169). 4.179. Начальную нагрузку в дополнительном опыте рекомендуется принимать равной Рн(2) = 0,5 Рмгн или Рн(2) = 0,6Рмгн. Дополнительный опыт проводят по той же методике, что и основной (см. пп. 4.170-4.172). Рис. 24. Определение параметра т по данным испытаний а - при заданных начальных нагрузках Рн(1) и Рн(2); б, в - при непрерывно возрастающей нагрузке 4.180. По данным опытов для каждого значения начальной нагрузки Рн(1) и Рн(2) строят график в координатах деформация динамометра λ' - время t (рис. 24, а) и по нему для произвольно выбранных моментов времени ti определяют значения и . Подставляя эти данные в формулу (71), вычисляют значение т. Для контроля выполняют не менее трех таких определений для различных моментов времени ti; (различных точек графика). В качестве расчетной величины т принимают среднее ее значение. 4.181. Для расчета параметра т по формуле (72) во время испытания при быстром приложении нагрузки (пп. 4.166, 4.167) измеряют осевые деформации образца грунта и динамометра. Для этого прибор оборудуют самописцем. По данным опыта строят график в координатах ÷ нагрузка Р - деформация образца грунта λ" (рис. 24, б). Затем график этот представляют в логарифмических координатах (рис. 24, в). Угол наклона полученной прямой к оси абсцисс определяет величину α = arctg m. 4.182. Используя полученное значение параметра т, вычисляют предельно-длительное значение сопротивление данного мерзлого грунта одноосному сжатию σсж.дл по формуле (70). 4.183. Допускается величину предельно-длительного сопротивления мерзлого грунта одноосному сжатию определять также по результатам восьмичасовых испытаний. В этом случае в качестве конечной величины деформации и и нагрузки Рк принимают значения этих характеристик, полученные через восемь часов от начала опыта. Обработку опытных данных проводят в соответствии с пп. 4.173-4.182. Предельно-длительное сопротивление σсж.дл при динамометре достаточной жесткости 1 определяют из выражения: σсж.дл = . (73) 1 В этом случае условие жесткости динамометра определяют выражением
где 0,8 - эмпирический коэффициент; - начальная деформация образца; - деформация образца через 8 ч после начала опыта; Δ - допускаемая погрешность, принимаемая равной 0,1, Если не удовлетворяется условие жесткости динамометра (п. 4.175), то σсж.дл определяют из выражения: (74) где σсж.8 - сопротивление одноосному сжатию, рассчитанное по данным восьмичасовых испытаний; 0,8 - эмпирический коэффициент; и - деформации динамометра и образца грунта по прошествии восьми часов после начала опыта. Результаты определений записываются в журнал (табл. 38). Таблица 38 (Форма) Результаты определения длительного сопротивления мерзлого грунта сжатию
СОПРОТИВЛЕНИЕ МЕРЗЛЫХ И ОТТАЯВШИХ ГРУНТОВ СДВИГУ4.184. В соответствии с действующими в настоящее время СНиП для расчета несущей способности фундаментов и их оснований используются характеристики сопротивления грунта сдвигу - сцепление с и угол внутреннего трения φ. 4.185. Основными методами определения этих характеристик являются: испытания на сдвиг при одновременном воздействии нормального напряжения; испытания на трехосное сжатие под воздействием различных радиальных и осевых нагрузок. Испытания на трехосное сжатие наиболее полно воспроизводят реальную работу грунта в массиве, т.е. в основании сооружения. Однако, вследствие значительной сложности трехосных испытаний, проведение их рекомендуется для особо ответственных случаев. 4.186. В настоящем Руководстве излагается общепринятый и широко используемый метод определения параметров прочности с и φ из испытаний грунта на сдвиг при одновременном воздействии нормального напряжения. При таких испытаниях используют стандартные приборы, выпускаемые серийно. 4.187. Для определения сопротивления грунта сдвигу τ используют связь между ним, нормальным напряжением σ, сцеплением и углом внутреннего трения τ = с + σ tg φ, где tgφ - коэффициент внутреннего трения; с - удельное сцепление. Значения нормального напряжения σ, при котором производится срез образцов, а для мерзлых грунтов также и значения температуры, устанавливаются заданием. 4.188. Для мерзлых грунтов в качестве расчетных характеристик принимаются предельно-длительные значения сцепления σдл и угла внутреннего трения φдл. Для оттаявшего грунта расчетные характеристики с и φ принимают по данным испытаний на сдвиг образцов грунта, имеющих плотность и влажность оттаявшего основания. ПРИБОРЫ 4.189. Для определения сопротивления мерзлого или оттаявшего грунтов сдвигу используют одноплоскостной прибор с фиксированной плоскостью среза (рис. 25). 4.190. Рекомендуется пользоваться прибором ГГП-30 системы Гидропроекта. Нормальная и сдвигающая нагрузки в приборе этого типа прикладываются независимо одна от другой. Сдвиг осуществляется смещением одной части образца относительно другой, при одновременном воздействии сжимающей нагрузки, приложенной перпендикулярно к плоскости сдвига. 4.191. Срезной прибор ГГП-30 рассчитан на усилия до 400 кг. Для испытания мерзлого грунта используют этот же прибор, переоборудованный и специализированный для работы с большими усилиями, достигающими 900-1000 кг: уменьшен диаметр испытываемого образца грунта до 50,5 мм, увеличено передаточное число рычагов, усилены тросы. 4.192. Для испытания мерзлого грунта наряду с прибором ГГП-30 Гидропроекта используют также значительно более мощные клиновые приборы конструкции ВНИМИ (рис. 26). Эти приборы позволяют испытывать образцы при усилиях свыше 900 кг. В отличие от приборов ГГП-30 в клиновом приборе касательное и нормальное усилия не могут быть заданы автономно, а определяются путем расчета. 4.193. Клиновой прибор состоит из двух чугунных обойм, в которые помещают образец грунта. Нагрузку Р прикладывают вертикально. При наклонном положении образца грунта составляющие усилия Р по нормали и касательной к плоскости среза образуют нормальную N и касательную Т нагрузки. Желаемое соотношение между нормальным и касательным напряжениями получают, изменяя угол наклона образца α при помощи сменных металлических клиньев. 4.194. Испытание на клиновом приборе обычно проводят при наклоне образца от 30 до 60 - 70°. Нагрузку Р на образец подают гидравлическим или механическим прессом, а при испытании слабых грунтов - рычажным прессом. 4.195. Значения нормальных () и касательных () напряжений в зависимости от угла наклона образца грунта α определяют по формулам: где α - угол наклона образца в град; F - площадь среза в см2; Р - вертикальная нагрузка в кг. 4.196. Испытание на срез производят с образцом цилиндрической формы. При испытании на приборе ГГП-30, обычно высота образца талого грунта 50 мм, диаметр 71,4 мм (площадь 40 см2), а мерзлого грунта при той же высоте образца сокращают диаметр до 50,5 мм (площадь 20 см2). На клиновом приборе испытывают во всех случаях образец высотой 100 мм и диаметром 71,4 мм. Примечание. В тех случаях, когда высота монолита или керна не позволяет получить образец грунта указанной высоты, допустимо ее уменьшение до 35 мм при испытании на приборе тина ГГП-30 и до 95 мм при испытании на клиновом приборе. 4.197. Для определения значений сопротивлений сдвигу оттаявших грунтов текучей и мягкопластичной консистенции рекомендуют использовать одноплоскостной сдвиговой прибор ВСВ-1 системы Гидропроекта (рис. 27). 4.198. Передачу сдвигающей и нормальной нагрузок на приборе ВСВ-1 осуществляют с помощью динамометров. Для передачи нормальной нагрузки используют динамометр типа ДС-02 или ДС-1, для сдвигающей - типа ДС-02. Рис. 27. Схема сдвигового прибора ВСВ-1 1 - динамометр для передачи вертикальной нагрузки; 2 - штамп; 3 - верхняя обойма; 4 - верхняя часть разрезного кольца для грунта; 5 - резиновая оболочка; 6 - образен, грунта; 7 - нижняя обойма; 8 - нижняя часть разрезного кольца для грунта; 9 - тормозное устройство для индикатора динамометра; 10 - динамометр ДС-02 для измерения сопротивления сдвигу; 11 - дно нижней обоймы; 12 - пористый вкладыш; 13 - подвижная плита; 14 - арретирный винт; 15 - винт для приложения вертикальной нагрузки; 16 - винт для приложения сдвигающего усилия Рис. 28. Тормозное устройство 1 - неподвижная ножка индикатора; 2 - крепежный винт; 3 - прижимной винт; 4 - упор для пружины; 5 - пружина; 6 - корпус; 7 - подвижная ножка индикатора; 8 - регулировочный винт 4.199. На неподвижную часть ножки индикатора динамометра, измеряющего напряжение сдвига, устанавливают тормозное устройство (рис. 28), фиксирующее значение максимального напряжения сдвига. Прижимной штифт тормозного устройства должен быть прижат к подвижной части ножки индикатора с достаточной силой, чтобы воспрепятствовать ее обратному ходу, но не затруднять перемещение ножки при приложении нагрузки. 4.200. Прибор ВСВ-1, позволяющий производить испытание на сдвиг в течение 8-10 сек, используют при определении условно-мгновенного значения сопротивления грунта сдвигу. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНО-МГНОВЕННОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕРЗЛОГО ГРУНТА СДВИГУ 4.201. Определение сопротивления мерзлого грунта сдвигу производят без предварительного уплотнения образца грунта. 4.202. Опыт ведут при трех-четырех значениях нормального напряжения, величина которого обусловливается заданием на лабораторное испытание, учитывающим требования расчета. Число повторных определений должно быть не менее трех. 4.203. Определению предельно длительного сопротивления мерзлого грунта сдвигу предшествует испытание данного вида грунта при быстром приложении нагрузки, при котором определяют значения условно-мгновенного; сопротивления τмгн. 4.204. При испытании на срезных приборах с раздельной передачей нормального и касательного напряжения образец грунта устанавливают в прибор и нагружают заданной нормальной нагрузкой. 4.205. Образцу быстро, но, не допуская удара, сообщают непрерывно и равномерно возрастающую сдвигающую нагрузку Т. Загружение осуществляют дробью. Продолжительность испытания должна составлять 20-30 сек. Опыт заканчивают, когда разрушается образец грунта или когда его деформирование происходит с ускорением и без дальнейшего увеличения нагрузки Т. После опыта из зоны сдвига отбирают две пробы на влажность. В процессе опыта ведут запись данных наблюдений в журнал (табл. 39). 4.206. Значение условно-мгновенного сопротивления мерзлого грунта при быстром сдвиге τмгн определяют как частное от деления разрушающего усилия Тмгн на площадь среза образца F. Полученные результаты заносят в журнал (табл. 39). 4.207. По результатам испытаний образца данного грунта известной влажности и температуры строят диаграмму сдвига (рис. 29, кривая l): по оси абсцисс откладывают значения нормального напряжения σ, а по оси ординат - соответствующие значения сопротивления быстрому сдвигу τмгн. 4.208. Условно-мгновенные значения параметров смгн и φмгн данного вида грунта определяют графически по полученной диаграмме сдвига или путем расчета. Значение смгн определяют отрезком, отсекаемым на оси ординат диаграммой сдвига (см. рис. 29). Таблица 39 (Форма) Данные наблюдений при испытании мерзлого грунта на быстрый сдвиг в приборе Гидропроекта
(Форма) Результаты определений характеристик сопротивления мерзлого и оттаявшего грунта сдвигу
Значение угла внутреннего трения φмгн определяют углом наклона диаграммы к оси абсцисс. Расчетным путем значения смгн и φмгн определяют со среднеквадратным приближением - способом наименьших квадратов по формулам: (77) (78) где п - число определений сопротивления сдвигу (не менее 9) Полученные, значения смгн и φмгн заносят в журнал (табл. 40). 4.209. Испытание на срезном приборе при передаче одной суммарной нагрузки (клиновой прибор) проводят при различных (не менее трех) значениях угла наклона а образца грунта. Рекомендуется принимать α = 30, 45 и 60°. 4.210. Образец мерзлого грунта освобождают от формы, помещают в обойму прибора, установленного под прессом при заданном угле наклона, и выдерживают не менее одного часа. 4.211. Образцу быстро, не допуская удара, сообщают непрерывно и равномерно возрастающую нагрузку Р (см. рис. 26). Далее опыт проводят в соответствии с указаниями п. 4.205. В процессе опыта ведут запись в журнал (табл. 41). 4.212. По данным испытания на клиновом приборе сопротивление сдвигу вычисляют в следующей последовательности: определяют полное разрушающее напряжение по плоскости среза Рмгн/F, где F - первоначальная площадь среза образца в см2; подставляют полученную величину Pмгн/F в формулы (75), (76) и вычисляют τмгн и σ. Полученные данные заносят в журнал (табл. 40). 1 - условно-мгновенное сопротивление; 2 - предельно длительное сопротивление 4.213. По результатам испытания строят диаграмму сдвига (см. п. 4.207, рис. 29), по которой определяют смгн и φмгн. Полученные значения заносят в журнал (табл. 40). 4.214. Если необходимо иметь значение смгн и φмгн в широком диапазоне нормальных напряжений (более 20-25 кг/см2), то, используя результаты испытания грунта на обоих приборах, наносят их на общую диаграмму сдвига и по ней определяют смгн и φмгн. Таблица 41 (Форма) Данные наблюдений при испытании мерзлого грунта на быстрый сдвиг в клиновом приборе
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОДЛИТЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕРЗЛОГО ГРУНТА СДВИГУ 4.215. Определения предельно длительного сопротивления мерзлого грунта сдвигу, как и при быстром сдвиге, производят не менее чем для трех значений нормального напряжения σ, или трех значений угла наклона образца а. Значение нормальной нагрузки или угла наклона α назначают в соответствии с заданием. 4.216. Испытание на сдвиг для каждого значения σ или α проводят с трехкратной повторностью. Сдвигающее усилие или суммарную нагрузку Р прикладывают равными ступенями. 4.217. Величину последовательно прикладываемой ступени нагрузки принимают равной 1/10 от условно-мгновенного сопротивления Тмгн или Рмгн, т.е. Т = 0,1Тмгн или Р = Рмгн. 4.218. Измерения деформаций образца производят с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм. 4.219. Перед началом опыта индикатор устанавливают в нулевое положение. Затем прикладывают первую ступень нагрузки Т или Р и, включив секундомер, наблюдают за деформацией образца во времени. 4.220. Каждую ступень нагрузки выдерживают до стабилизации деформаций. Стабилизацию деформации считают достигнутой, когда приращение деформации не превышает 0,01 мм для песков за время 6 ч, для супесей 12 ч, для суглинков и глин 24 ч. 4.221. Интервалы времени между отсчетами деформаций принимают следующими. В начале каждой ступени, если скорость деформации значительна, отсчеты ведут не реже 1 раза в минуту. По мере уменьшения скорости деформирования, когда за одну минуту приращение деформации не фиксируется, интервалы времени между отсчетами постепенно увеличивают до 2, 4, 8, 15, 30 мин и далее до 1, 2, 3 и до 8 ч. При этом период времени между последующими отсчетами корректируют по величине деформации, которая не должна превышать 0,5 мм. В противном случае время между отсчетами уменьшают. (Форма) Данные наблюдений при длительных испытаниях мерзлого грунта на сдвиг
4.222. В процессе испытаний ведут запись данных наблюдений (табл. 42). Абсолютную деформацию λi определяют разностью данного и нулевого отсчета. Приращение деформации вычисляют разностью данной и предыдущей деформации. Скорость деформации определяют как частное от деления приращения деформации на интервал времени, соответствующий этому приращению. 4.223. После достижения стабилизации деформации от первой нагрузки (пункт 4.220) переходят к следующей ступени нагружения, которую также продолжают до стабилизации деформации. Опыт продолжают до той ступени нагружения, на которой деформация не стабилизируется, переходя в незатухающее деформирование с постоянной скоростью. Деформирование с постоянной скоростью считают достигнутым, когда не менее чем при четырех последующих отсчетах не наблюдают закономерного увеличения или уменьшения скорости деформирования. 4.224. Опыт прекращают, когда четко установлено незатухающее деформирование не менее чем при двух очередных ступенях нагрузки (рис. 30, пятая и шестая ступени). Каждую из этих нагрузок выдерживают в течение трех суток с тем, чтобы убедиться в незатухающем характере деформирования. 4.225. По результатам испытаний (табл. 42) строят графики в координатах: деформация сдвига - время (рис. 30). По оси ординат откладывают деформацию сдвига λi (мм), а по оси абсцисс - время t; для каждого значения нормального напряжения σ или угла наклона образца α строят свой график. 4.226. Каждая ступень нагрузки соответствует своему значению сдвигающего усилия Т (срезной прибор) или вертикального усилия Р (клиновой прибор). 4.227. Предельно длительное сопротивление Тдл или Рдл при данном значении σ или α находится в диапазоне напряжений между наибольшим его значением Т4 или Р4 при котором деформации еще стабилизируются, и наименьшим Т5 или Р5, при котором наблюдается незатухающее течение, т.е. V > 0. Предел длительной прочности с известным запасом принимают равным первому из указанных значений, т.е. Тдл = Т4 (или Рдл = Р4) Рис. 30. Развитие деформаций во времени при загружении ступенями 1 - для N (α1); 2 - для N2 (α2); 3 - для N3 (α3) 4.228. Значение предельно длительного сопротивления мерзлого грунта сдвигу по испытаниям на срезном приборе определяют непосредственно из графика (см. рис. 30) зависимости λ - t, полученного для данного значения α. 4.229. Если испытания проводились на клиновом приборе, то из графиков зависимости λ - t (см. рис. 30) определяют значение для данного угла наклона образца грунта и по нему рассчитывают предельно длительное сопротивление мерзлого грунта сдвигу τдл и соответствующее ему нормальное напряжение σ по формулам: (79) (80) 4.230. Для определения расчетных параметров сдл и φдл для данного грунта строят диаграмму сдвига (см. рис. 29, кривая 2). На оси абсцисс графика откладывают значения нормального напряжения σ, а на оси ординат - соответствующие им значения предельно длительного сопротивления сдвигу τдл. 4.231. По полученной диаграмме сдвига (см. рис. 29, кривая 2) определяют по аналогии с указаниями пп. 4.207, 4.208, предельно длительные значения сцепления сдл и угла внутреннего трения φдл для данного грунта, которые заносят затем в журнал. 4.232. Приближенно значение параметра φдл мерзлого грунта массивной, тонкослоистой и тонкосетчатой текстуры может быть определено по результатам испытания сопротивления сдвигу образца данного грунта в немерзлом состоянии. Эти испытания проводят в соответствии с ГОСТ 12248-66. При этом опыты проводят с образцом грунта, имеющим влажность и объемный вес, соответствующие таковым в мерзлом его состоянии. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ СДВИГУ ОТТАЯВШИХ ГРУНТОВ 4.233. Определение предельного сопротивления сдвигу оттаявшего грунта текучей или мягкопластичной консистенции проводят на приборе ВСВ-1 (см. рис. 27), передающем усилия с помощью динамометра. Каждый из динамометров, используемых при испытании, должен иметь свидетельство о государственной проверке. 4.234. По данным, приведенным в свидетельстве, строят тарировочный график в координатах: показание индикатора динамометра λ (мм) - нагрузка Р (кг). Для удобства в работе график, перестроив, представляют в координатах λ - σ и λ - τ, где кг/см2 и кг/см2, где F - площадь поперечного сечения образца в см2. Пользуясь тарировочными графиками, по измеренной при испытании образца деформации λ определяют соответствующие значения σ и τ. 4.235. Определение сопротивления оттаявшего грунта сдвигу производят при различных (не менее трех - четырех) значениях вертикальной нагрузки Р, величину которой принимают по заданию в соответствии с требованием предполагаемого расчета. Количество повторных определений должно быть не менее трех. 4.236. Если необходимо получить характеристики прочности для грунта непосредственно после его оттаивания (с сохранением влажности, соответствующей мерзлому грунту), то испытание проводят в условиях закрытой системы: образец мерзлого грунта заключают в тонкую резиновую оболочку (толщиной не более 0,2 мм) и помещают, в рабочее кольцо срезывателя. Затем образец грунта с обоих торцов покрывают резиновыми прокладками. Примечание. Для того чтобы при загружении в прибор образец не деформировался, внутренний диаметр кольца пробобрателя должен быть меньше диаметра рабочего кольца срезывателя на толщину резиновой оболочки. 4.237. Перед испытанием образец переносят в теплое помещение и устанавливают в срезыватель прибора. 4.238. Оттаивание образца происходит в приборе при комнатной температуре. Окончание оттаивания устанавливают с помощью зондирования тонкой проволокой через верхний торец образца. Как правило, оттаивание продолжается 40-60 мин. 4.239. После оттаивания образца устанавливают динамометры, отпускают арретирный винт и сразу производят определение сопротивления грунта сдвигу: вращением винта создают заданное вертикальное давление; показание индикатора, соответствующее этому давлению, находят по графику, прилагаемому к данному динамометру. 4.240. Непосредственно после приложения вертикального усилия равномерным вращением винта быстро (в течение 8-10 сек) производят сдвиг: прекращение увеличения сдвигающего усилия является показателем возникшего сдвига. В момент сдвига индикатор фиксирует максимальное значение деформаций λ, соответствующее предельному сопротивлению сдвига. Во избежание завышения сопротивления грунта сдвигу за счет упругости резиновой оболочки необходимо наблюдать за кареткой срезывателя, не допуская ее смещения более чем на 5 мм. 4.241. При испытании образца грунта необходимо следить за постоянством вертикального давления, поддерживая его с помощью регулировочного винта (см. рис. 27). 4.242. После окончания опыта прибор разбирают, образец грунта вынимают из резиновой оболочки и из зоны сдвига берут пробу для определения влажности. 4.243. Значение предельного сопротивления сдвигу τ находят по графику, приложенному к динамометру. 4.244. По результатам испытаний строят диаграмму сдвига оттаявшего грунта данной влажности. Расчетные параметры с и φ определяются в соответствии с указаниями пп. 4.207, 4.208. 4.245. Определение характеристик сопротивления сдвигу оттаявших грунтов тугопластичной и полутвердой консистенции может быть произведено также на приборе типа ГГП-30 в соответствии с ГОСТ 12248-66, разработанным для немерзлых грунтов. СОПРОТИВЛЕНИЕ МЕРЗЛОГО ГРУНТА СДВИГУ ПО БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ФУНДАМЕНТА4.246. При расчетах фундаментов по устойчивости и прочности на действие сил пучения необходимо знать сопротивление мерзлого грунта сдвигу по поверхности фундамента , именуемое нормативным сопротивлением мерзлых грунтов сдвигу по боковой поверхности смерзания. 4.247. Значение определяют экспериментально по результатам полевых испытаний фундаментов пробными нагрузками или на основании лабораторных испытаний. Основным методом определения являются полевые испытания. При отсутствии опытных данных величина принимается по табл. 5 главы СНиП II-Б.6-66. 4.248. Лабораторные испытания образцов мерзлого грунта на сдвиг по боковой поверхности смерзания, если это предусмотрено заданием, производятся для получения значений в зависимости от состава грунтов, температуры, влажности, нормального давления и других факторов. ПРИБОРЫ 4.249. Для определения сопротивления мерзлых грунтов сдвигу по боковой поверхности фундаментов лабораторным методом используют приборы, в которых через испытуемый грунт продавливаются модели фундаментов (прибор Н.А. Цытовича) или элементы фундаментов (прибор В.Ф. Ермакова), а также сдвиговые приборы, в которых сдвиг осуществляется по плоскости смерзания грунта с элементом фундамента (прибор НИИ оснований). 4.250. Прибор Н.А. Цытовича (рис. 31) состоит из наружного кольца (диаметром 105 мм, высотой 80 мм); поддона с круглым отверстием в центре; вкладыша, закрывающего отверстие в поддоне; стойки (диаметром 40 мм и высотой 120 мм), изготовленной из различного строительного материала; наголовника, надеваемого на стойку.
Для проведения испытаний наружное кольцо устанавливается на поддон, отверстие в котором закрывается вкладышем; на вкладыш ставится стойка. Пространство внутри кольца заполняется грунтом. После этого прибор ставится в холодильную камеру или шкаф, где производится замораживание грунта. Перед испытанием из поддона удаляют вкладыш, а на стойку надевают наголовник; прибор устанавливают под пресс и производят продавливание стойки через грунт. 4.251. Прибор В.Ф. Ермакова (рис. 32) состоит из двух частей: стального корпуса и пластины из строительного материала, имитирующего элемент фундамента. Корпус выполняется в виде прямоугольного короба размером 200×150×100 мм с прорезью в днище. В прорезь устанавливается пластина из строительного материала размером 150×120×40 мм. Во избежание трения пластины о боковые стенки корпуса в последних устраиваются прорези, которые закрываются съемными накладками, После установки пластины в корпус прибора его заполняют грунтом и устанавливают в холодильную камеру или шкаф для замораживания грунта. Перед испытанием с корпуса прибора снимают накладки, закрывающие нижнюю и боковые прорези. Подготовленный прибор помещают под пресс и прикладывают нагрузку к верхнему торцу пластины. Рис. 33. Схема прибора НИИ оснований 1 - сдвиговая камера; 2 - подвижная каретка; 3 - направляющая обойма; 4 - материал фундамента; 5 - образец; 6 - стальной шарик; 7 - крепежный винт; 8 - опорная плита; 9 - боковой штамп; 10 - боковая упорная плита; 11 - винт; 12 - кронштейн динамометра; 13 - скоба динамометра; 14 - боковая стойка; 15 - стяжной винт 4.252. Прибор НИИ оснований 1 (рис. 33) имеет сдвиговую камеру и направляющую обойму, в которой на стальных шариках перемещается подвижная каретка. К сдвиговой камере крепится устройство для передачи нормального давления, состоящее из четырех стоек, упорной плиты, винта и динамометра. 1 Конструкция прибора разработана Л.В. Садовским при участии С.Э. Городецкого. 4.253. Образец в виде цилиндра, состоящий из смерзшихся друг с другом грунтовой части и материала фундамента, помещают в сдвиговую камеру и цилиндрическое углубление подвижной каретки. Сдвигающая нагрузка с помощью пресса передается на образец через верхний прилив подвижной каретки. Передачу нормальной нагрузки на образец осуществляют с помощью винта, вращающегося в боковой упорной плите. Усилие, создаваемое винтом, через динамометр и боковой штамп передается на образец. Для предотвращения опрокидывания весь прибор закрепляется на опорной плите с помощью крепежного винта. 4.254. В том случае, когда испытания проводятся с приложением нормальной нагрузки, сопротивление сдвигу следует рассчитывать с поправкой на трение в приборе. Для этого предварительно определяют опытным путем коэффициент трения подвижной каретки по направляющей обойме. 4.255. Коэффициент трения определяют следующим образом. Подвижная каретка устанавливается на горизонтально расположенную направляющую обойму, продольные канавки которой заполнены стальными шариками. В каретку устанавливают стальной цилиндр диаметром на 15 мм меньше, чем диаметр образца, затем к каретке несколькими ступенями прикладывают вертикальную нагрузку и по динамометру для каждой ступени определяют усилие, которое необходимо для того, чтобы придать каретке медленное перемещение по направляющей обойме. После нескольких загружений строится график, по которому определяют коэффициент трения прибора: Кп = tg φп, (81) где φп - угол наклона спрямленной кривой, выражающей зависимость сдвигающего усилия, при котором начинается медленное перемещение каретки, от нормальной нагрузки. Величину , кг/см2 для каждой ступени нормальной нагрузки N, кг вычисляют по формуле (82) где Т - сдвигающее усилие в кг; F- площадь образца в см2; Кп - коэффициент трения прибора. 4.256. Из перечисленных приборов более совершенным является прибор НИИ оснований, поэтому методика приготовления образцов и проведения испытаний для определения сопротивления мерзлых грунтов сдвигу по боковой поверхности фундамента излагается применительно к этому прибору. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ 4.257. Образец для испытания на приборе НИИ оснований представляет собой цилиндр и состоит из двух смороженных между собой частей: грунтовой части и материала фундамента. Грунтовая часть образца заключена в металлический стакан внутренним диаметром 71,3 мм и высотой 35 мм. Материал фундамента выполняется в виде диска наружным диаметром 73,3 мм и высотой 15 мм. Рис. 34. Формы для изготовления образцов а - при одностороннем охлаждении с подтоком воды; б - при всестороннем охлаждении без подтока воды; в - при одностороннем охлаждении без подтока поды; 1 - крепежное кольцо; 2 - запирающее кольцо; 3 - стяжное кольцо; 4 - промежуточное кольцо; 5 - стяжной винт; 6 - дырчатый диск; 7 - трубка для подвода воды; 8 - гайка; 9 - материал фундамента; 10 - стакан-грунтонос; 11 - резервуар для соды; 12 - крышка; 13 - закладное кольцо; 14 - грунт 4.258. Для приготовления образцов, т.е. смораживания грунта с материалом фундамента, используют формы, при помощи которых создаются различные условия промерзания грунта; 1) для одностороннего охлаждения грунта через поверхность материала фундамента в открытой системе, т.е. с постоянным подтоком воды к фронту промерзания, форму изготовляют из оргстекла толщиной стенок 25 мм (рис. 34, а); 2) для всестороннего охлаждения без подтока воды форму изготовляют из металла (рис. 34,б); 3) для одностороннего охлаждения в закрытой системе, т.е. без подтока воды к фронту промерзания, форму изготовляют из оргстекла толщиной стенок 25 мм (рис. 34, в). 4.259. Последовательность операций при приготовлении образцов должна быть следующей: предварительно высушенный и размельченный грунт доводится до требуемой влажности; затем, в зависимости от задач эксперимента, выбирается нужная форма для смораживания, в нее закладываются диск материала фундамента и металлический стакан, который заполняется грунтом. Таким образом собранную форму помещают в холодильную камеру. 4.260. Режим замораживания образцов выбирают в зависимости от задания с учетом теплового влияния сооружения. При этом следует руководствоваться формулой (10) главы СНиП II-Б.6-66. 4.261. В процессе замораживания грунта наблюдают за температурой с помощью термопар. Термопары вводят в образец грунта через отверстия в стенке металлического стакана и формы. После полного промерзания грунта образец вынимают из формы и выдерживают в ультратермостате или холодильной камере не менее 2 ч при температуре, принятой в опыте. 4.262. В качестве формы для приготовления образцов грунта может быть использована сдвиговая камера прибора НИИ оснований. Это следует делать в случаях, когда необходимо определить сопротивление сдвигу по поверхности фундамента при действии нормальных (обжимающих) усилий. В природной обстановке нормальные усилия возникают в процессе замерзания грунта, ограниченного боковой поверхностью фундамента и стенкой скважины, в которую он погружен, например при смерзании грунта со сваей в скважине, заполненной разжиженным грунтом (шламом). 4.263. Приготовление образца в приборе НИИ оснований (рис. 33) производится по следующей методике. В сдвиговую камеру устанавливают стакан-грунтонос, а в цилиндрическое углубление подвижной каретки закладывают диск материала фундамента. В собранном виде прибор устанавливают так, чтобы материал фундамента оказался под стаканом-грунтоносом. После этого стакан-грунтонос заполняют грунтом. На поверхность грунта накладывают штамп и устанавливают динамометр. Для выравнивания поверхности грунта под штампом с помощью винта грунт в течение 5 мин обжимают давлением 0,1 кг/см2. После этого прибор ставится в холодильную камеру. В процессе промерзания грунта наблюдают за показаниями динамометра, который фиксирует усилие пучения в грунте при смерзании его с материалом фундамента. После того как процесс пучения грунта закончится, прибор помешают под пресс и производят испытание на сдвиг. 4.264. Стенки стакана-грунтоноса перед заполнением грунтом следует смазать техническим вазелином или солидолом и проложить слоем полиэтиленовой пленки; поверхность штампа, соприкасающуюся с грунтом, также смазывают вазелином или солидолом. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ 4.265. Конечной целью испытаний является определение предельно длительного сопротивления сдвигу мерзлого грунта по материалу фундамента. 4.266. Для проведения испытаний могут быть использованы гидравлические, электромеханические и рычажные прессы и испытательные машины. Кратковременные испытания производят на гидравлических и электромеханических прессах; испытания на ползучесть - на рычажных прессах или испытательных машинах, приспособленных для поддержания постоянной нагрузки в течение длительного времени. 4.267. Величина нормальной нагрузки определяется заданием в зависимости от способа установки или погружения фундамента в вечномерзлый грунт. Если величина нормальной нагрузки не задана, то испытания проводят при действии только сдвигающей нагрузки. 4.268. Методика испытаний аналогична методике, применяемой для испытаний мерзлых грунтов на сдвиг. Согласно этой методике, определениям предельно длительного сопротивления сдвигу предшествуют испытания в условиях быстрого приложения нагрузки, в результате которых определяют значение условно-мгновенного сопротивления. 4.269. Согласно общей методике сдвиговых испытаний (пп. 4.184-4.200), испытания с целью определения предельно длительного сопротивления сдвигу мерзлого грунта по поверхности фундамента проводятся при нагружении образца постоянной сдвигающей нагрузкой равными ступенями. Величина каждой ступени принимается равной 1/10 от условно-мгновенного сопротивления сдвигу. 4.270. Каждая ступень сдвигающей нагрузки выдерживается до стабилизации деформации. Стабилизация деформаций считается достигнутой, когда ее приращение не превышает 0,01 мм за следующие интервалы времени: для песков за 6 ч, для супесей за 12 ч, для суглинков и глин за 24 ч. Таблица 43 (Форма) Исходные данные при определении предельно длительного сопротивления сдвигу мерзлых грунтов по поверхности фундаментов
Таблица 44 (Форма) Данные наблюдений при длительных испытаниях на сдвиг мерзлых грунтов по поверхности фундамента
4.271. При последующем увеличении сдвигающей нагрузки стабилизации деформаций не наблюдается, а деформирование продолжается с постоянной скоростью. Тогда прикладывается следующая ступень нагрузки для того, чтобы убедиться, что процесс деформирования протекает в стадии установившейся ползучести. Опыт прекращается, когда незатухающее деформирование хорошо фиксируется при двух последовательных ступенях сдвигающей нагрузки. Исходные данные и данные наблюдений записывают в журнал (табл. 43 и 44). ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ 4.272. За величину предельно длительного сопротивления сдвигу мерзлого грунта по поверхности фундамента при заданном значении нормальной нагрузки (или без нее) принимается сопротивление сдвигу, соответствующее наибольшему значению сдвигающей нагрузки, при которой произошла стабилизация деформации (см. рис. 30). Результаты определения предельно длительного сопротивления сдвигу мерзлых грунтов по поверхности фундамента записываются в журнал (табл. 45). 4.273. Расчетная величина нормативного сопротивления сдвигу мерзлого грунта по поверхности фундамента по результатам лабораторных испытаний принимается равной среднему значению предельно длительного сопротивления сдвигу, определенному в соответствии с п. 4.270. КАСАТЕЛЬНЫЕ СИЛЫ ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ4.274. Под морозным выпучиванием фундаментов и конструкций сооружений понимают их вертикальные смещения (поднятия), вызываемые пучением грунта при промерзании. 4.275. Силы пучения грунта по направленности их к поверхности фундамента подразделяют на касательные и нормальные. Под касательными понимают силы, направленные вдоль боковой поверхности фундамента (или конструкции сооружения), под нормальными - силы, направленные перпендикулярно боковой поверхности или подошве фундамента. (Форма) Результаты определений предельно длительного сопротивления сдвигу мерзлых грунтов по поверхности фундамента
4.276. При расчетах фундаментов на вечномерзлых грунтах необходимо проверять устойчивость фундамента на действие касательных сил пучения. Для проведения расчета согласно пп. 5.14-5.21 главы СНиП II-Б.6-66 необходимо знать нормативное значение касательных сил пучения τн. Значение τн рекомендуется принимать на основании опытных данных, и лишь при отсутствии их для осредненных мерзлотногрунтовых условий допускается назначать 0,6-0,8 кг/см2, а для сложных условий - 1 кг/см2. 4.277. В зависимости от времени и сроков проведения изыскательских и проектных работ, местоположения возводимого объекта и других причин значения касательных сил пучения могут быть установлены на основании проведения полевых и лабораторных испытаний. Основным методом получения расчетных значений являются полевые испытания. Лабораторные испытания проводятся для уточнения τн, полученных в результате полевых испытаний в части оценки влияния на τн влажности грунта, температуры и других факторов. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНОЙ КАСАТЕЛЬНОЙ СИЛЫ ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ 4.278. Полевые испытания касательных сил пучения грунтов могут предусматривать решение следующих задач: а) оценка сил пучения на определенной площадке, выбранной под конкретный строительный объект; б) оценка сил пучения в качестве расчетной характеристики для района строительства в целом. 4.279. В первом случае силы пучения определяются на опытных фундаментах, аналогичных тем, которые будут заложены на проектируемом объекте. При этом искомой величиной Т, кг является результирующее значение всех сил, действующих на опытный фундамент при промерзании грунтов. По результатам определения Т проверка устойчивости проектируемого сооружения на действие касательных сил пучения производится по формуле (83) где п1 - коэффициент перегрузки постоянной нагрузки, действующей на фундамент, принимаемый равным 0,9; -нормативное значение постоянной нагрузки, включая вес фундамента и грунта, лежащего на его уступах, в кг. 4.280. Во втором случае силу пучения определяют на моделях столбчатых фундаментов, устанавливаемых на глубину сезонного промерзания (протаивания). При этом искомой величиной является нормативное значение касательной силы пучения τн в кг/см2, определяемое по формуле (84) где Т - суммарная сила пучения, определяемая испытанием модели фундамента, в кг; и - периметр модели фундамента в см; z - глубина сезонного промерзания (протаивания) в см. По результатам определения τн расчет устойчивости фундаментов на действие касательных сил пучения производится в соответствии с п. 5.15 главы СНиП II-Б.6-66 (14). 4.281. Для полевого определения касательных сил пучения используются установки, в которых суммарная сила пучения, действующая на опытный фундамент или его модель, через силоизмерительное устройство передается на анкер, закрепленный в грунте (рис. 35). Вместо анкера может использоваться платформа с грузом, в которую через динамометр упирается опытный фундамент. При этом вес груза должен в 1,5-2 раза превышать ожидаемую суммарную силу пучения. Рис. 35. Схема опытной установки для определения касательных сил пучения и полевых условиях 1 - анкерная стойка; 2 - упор (двутавровая балка); 3 - динамометр; 4 - опытный фундамент; 5 - обсадная труба; 6 - поверхность вечномерзлого грунта; 7 - термометр сопротивления 4.282. При выборе типа установок предпочтение следует отдавать установкам с одиночными фундаментами и раздельными анкерами для каждого фундамента. ВЫБОР ОПЫТНОЙ ПЛОЩАДКИ И ТРЕБОВАНИЯ К ИСПЫТАНИЯМ 4.283. Определение сил пучения производится на опытных площадках, располагаемых в местах будущего строительства. Размеры опытных площадок должны быть не менее 20×20 м, границы площадки должны быть удалены от строений и насаждении не менее чем на 10 м. Рис. 36. Схемы анкерных опор I - рамные опоры; II - одиночная заглубленная опора; III - опора в виде анкерной плиты; а - для одного фундамента; б - для нескольких фундаментов 4.284. Опытную площадку оборудуют тремя однотипными установками. 4.285. Основными элементами полевой установки (рис. 36) являются: опытный фундамент, анкерная опора (одна или несколько), упор, силоизмерительное устройство. Установка обычно оборудуется приспособлениями и приборами для измерения перемещения грунта вблизи фундамента, температуры и глубин его промерзания. 4.286. При проектировании конструктивных элементов установки необходимо учитывать следующие требования: все элементы установки следует рассчитывать на действие ожидаемых касательных сил пучения с учетом возможного их превышения в 1,5-2 раза; за силы, удерживающие анкерную опору в грунте, следует принимать силы смерзания (при наличии вечно-мерзлых грунтов сливающегося типа), определяемые по главе СНиП II-Б.6-66 (п. 5.7, табл. 5), или силы трения, определяемые по главе СНиП II-Б.6-66 (п. 5.17); если анкерная опора установки выполняется с уширением в нижней части в виде башмака, плиты и т.п., то ее следует рассчитывать на выдергивание, руководствуясь п. 6.16 главы СНиП II-И.9-62 «Линии электропередачи напряжением выше 1 кв. Нормы проектирования» и принимая коэффициент условий работы равным 1; опытный фундамент следует выполнять в виде одиночной опоры, боковая поверхность которой должна иметь такую же шероховатость, что и у фундаментов проектируемых сооружений; упорные элементы опытной установки необходимо проектировать с таким расчетом, чтобы их деформации, а следовательно, и максимальное перемещение опытного фундамента, были минимальными и не превышали 5-6 мм; для измерения сил пучения следует использовать: стандартные пружинные динамометры, динамометрические кольца и другие силоизмерительные приборы. Жесткость динамометров должна быть, возможно, большей, а верхний их предел измерений должен назначаться исходя из ожидаемых сил пучения с учетом возможного их превышения в 1,5-2 раза. МОНТАЖ УСТАНОВОК 4.287. Погружение анкерных опор в вечномерзлый грунт производится в лидерные скважины, проходимые виброударным способом или бурением. В пластичномерзлые и высокотемпературные грунты анкерные опоры забиваются непосредственно дизель-молотами или виброударными установками. Лидерная скважина устраивается несколько большего диаметра, чем диаметр анкерной стойки. После установки опоры свободное пространство скважины заливается разжиженным грунтом (шламом). 4.288. При необходимости искусственного охлаждения вечномерзлых грунтов после установки анкерных опор нижнюю часть скважины заливают ледосоляной эвтектической смесью или вентилируют через внутреннюю полость опоры холодным наружным воздухом. 4.289. Установку анкерных опор в лидерные скважины завершают за 2-3 месяца до начала сезонного промерзания грунтов. 4.290. Анкерные опоры, имеющие уширение в нижней части в виде башмака или плиты, устанавливают в шурф или котлован. Анкерные опоры с уширением используются на участках, где вечномерзлые грунты в основании отсутствуют или залегают на большой глубине (8-10 м). 4.291. Погружение в грунт опытного фундамента должно производиться по аналогии с проектными предложениями по производству фундаментных работ. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ 4.292. При испытаниях касательных сил пучения грунтов фиксируют: величину пучения грунта около фундамента; глубину промерзания и температуру грунта; температуру воздуха; уровень грунтовых вод (при наличии вечномерзлых грунтов несливающегося типа или при сезоннопромерзающих грунтах); влажность грунта. Регулярно контролируется устойчивость анкерных опор и опытного фундамента. Данные наблюдений записывают в журнал (табл. 46 и 47). 4.293. Наблюдение за силами пучения начинают с наступлением морозного периода и продолжают с частотой 4-5 раз в декаду. 4.294. Пучение грунта фиксируют по перемещениям специальных марок, устанавливаемых на поверхности грунта. Марки представляют собой деревянные или металлические диски диаметром 80-100 мм и толщиной 10 мм с острым шипом длиной 30-40 мм посередине диска. Марки закрепляются путем вдавливания шипа до упора в грунт. Их перемещения фиксируют нивелиром или рейкой, закрепленной на анкерной опоре. Марки закрепляют на расстоянии 2, 25, 50 и 100 см от боковой поверхности фундамента. Наблюдения за перемещением марок проводят 2-3 раза в месяц. (Форма) Журнал записи показаний температуры воздуха, грунта по глубине и деформации перемещения его поверхности у опытного фундамента Площадка №_________________ Установка №_________________
Таблица 47 (Форма) Журнал записи влажности образца грунта Площадка №,_________________ Установка № _________________
4.295. Глубину промерзания грунта определяют мерзлотомером Данилина, представляющим резиновую трубку с дистиллированной водой. Высота льда, образующегося в трубке, определяет глубину промерзания грунта. Глубина промерзания может определяться также бурением. 4.296. Температуру грунта вблизи опытного фундамента измеряют вытяжными ртутными термометрами, термопарами или электротермометрами сопротивления, погружаемыми в скважины. Температуру грунта измеряют на глубинах 20, 50, 100, 150 см и далее через 1 м до подошвы фундамента. 4.297. Влажность грунта и ее распределение по глубине определяют для образцов, отобранных через 0,5 м и скважине до и после промерзания грунта. Все данные наблюдений заносятся в журнал (табл. 46). ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ КАСАТЕЛЬНОЙ СИЛЫ ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ 4.298. Механическое взаимодействие фундамента и пучащегося при промерзании грунта в лабораторных условиях моделируется контактной задачей. Этот метод определения удельной касательной силы пучения τн основан на эквивалентности касательной силы пучения и так называемого устойчивого сопротивления сдвигу модели мерзлого грунта относительно фундамента. 4.299. Значение устойчивого сопротивления сдвигу определяется в лаборатории из испытания по продавливанию модели фундамента, вмороженной боковой поверхностью в грунт, с постоянной скоростью перемещения, близкой к скорости морозного пучения грунта, моделируемой в природной обстановке. 4.300. При испытании сопротивления сдвигу сдвигающее усилие по мере увеличения перемещения модели фундамента относительно мерзлого грунта сначала возрастает, а затем убывает и, стабилизируясь, достигает значения устойчивого сопротивления сдвигу. Устойчивое сопротивление сдвигу в опыте фиксируют в момент, когда перемещение модели фундамента относительно мерзлого грунта достигает 10 мм. 4.301. Удельное значение устойчивого сопротивления сдвигу τу, кг/см2 определяют отношением расчетной величины устойчивого сопротивления сдвигу Р, кг, действующего на модель фундамента при указанных в п. 4.299 условиях, к площади боковой поверхности F, см2, смерзшейся с грунтом: (85) 4.302. Температура, влажность (льдистость) образца грунта (заданного гранулометрического состава) и скорость его перемещения по модели фундамента, определяющие условия проведения испытаний, устанавливают в соответствии с природными условиями обследуемой строительной площадки. ПРИБОРЫ 4.303. Для исследования устойчивого сопротивления сдвигу мерзлого грунта относительно модели фундамента рекомендуется применять механизированный динамометрический пресс (конструкция ЦНИИС Минтрансстроя). 4.304. Механизированный динамометрический пресс (рис. 37) состоит из двух стоек, опорной балки, измерительного устройства - динамометра, электромотора, редуктора, рабочей платформы, имеющей вертикальные перемещения с необходимой заданной скоростью. Пресс запрограммирован на пять скоростей перемещения рабочей платформы: 0,2 1; 5; 10; 20 мм/сутки. Переключение скоростей производится сменой парных шестерен. Максимальное перемещение рабочей платформы равно 60 мм. Перемещение платформы в процессе проведения испытаний осуществляется с помощью электромотора, а для установления пресса в рабочее положение предусмотрена возможность подъема и опускания платформы вручную. Перемещение и закрепление балки на необходимом уровне в зависимости от высоты исследуемых моделей фундамента производится вручную с помощью регулировочных гаек. Рис. 37. Схема динамометрического пресса для определения сопротивления сдвигу мерзлого грунта по модели фундамента конструкции ЦНИИС Минтрансстроя 1 - стойка пресса; 2 - опорная балка; 3 - динамометр; 4 - электромотор; 5 - редуктор; 6 - рабочая платформа; 7 - регулировочная гайка; 8 - гнездо для крепления динамометра; 9 - самописец; 10 - стопорная накладка; 11 - форма-кольцо с образцом грунта с моделью фундамента; 12 - индикатор часового типа; 13 - хомутик для крепления индикаторов; 14 - наголовник модели фундамента 4.305. Измерительным устройством служат образцовые динамометры типа ДОСМ, рассчитанные на нагрузки 0,5; 1; 3 или 5 г с точностью измерения порядка 0,5 %. Динамометр закрепляется на опорной балке в специальном гнезде. Показания динамометра посредством системы рычагов передаются на самописец, где усилие фиксируется на ленте с увеличением деформации динамометра в 100 раз. Величина смещения мерзлого грунта относительно модели фундамента измеряется индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. 4.306. Исследуемый образец грунта и модель фундамента размещаются в форме (рис. 38), которая имеет: наружное кольцо диаметром около 105 мм и высотой 80 мм; поддон с отверстием для модели и вкладышем, используемым при замораживании грунта; модель фундамента, изготовляемую из дерева, бетона и других материалов диаметром 40 мм и высотой 120 мм. 4.307. Температура воздуха в холодильной камере контролируется показаниями ртутных термометров и термографом. Температура образца грунта измеряется термопарой, размещаемой на контакте грунта с поверхностью модели фундамента. Рис. 38. Форма для замораживания образца грунта с моделью фундамента 1 - кольцо; 2 - поддон; 3 - модели фундамента; 4 - термопара ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ 4.308. Перед укладкой грунта собирают форму: кольцо надевается на поддон, в отверстие поддона снаружи устанавливают вкладыш, верх которого с поверхностью поддона образует углубление (2-3 мм) для центрирования и устойчивости положения модели в форме. На внутреннюю поверхность поддона укладывается в виде кольца промасленная бумага или резиновая пленка. Затем в углубление поддона устанавливают модель фундамента, поверхность которой предварительно увлажняется (модель в течение суток выдерживается в воде). При укладке в форму сильно увлажненного грунта щели между кольцом, поддоном и вкладышем рекомендуется замазывать техническим вазелином. 4.309. В форму укладывают грунт с нарушенной структурой и заданной влажностью W1 соответствующей природной. Если влажность образца грунта меньше заданной влажности, то до укладки грунта в форму в него добавляют необходимое количество воды gв, которое рассчитывают по формуле (86) где g1 - вес образца грунта в г с природной весовой влажностью W1 %; W2 - влажность грунта, при которой должно проводиться испытание, в %. После добавления требуемого количества воды грунт тщательно перемешивают до получения однородной массы. В связи с потерями влаги от испарения при перемешивании и укладке грунта в прибор значение W2 рекомендуется принимать на 2-3 % больше заданной влажности. 4.310. Перед укладкой грунта в форму берут 2-3 контрольные пробы на влажность. Данные о влажности грунта записывают в журнал (табл. 48). Укладку грунта производят послойно (в 1-2 см) с приданием образцу необходимой плотности. Высота образца грунта в форме должна быть 6-7 см. Для уменьшения испарения влаги поверхность грунта прикрывают слоем промасленной бумаги или резиновой пленкой. 4.311. Заложенный в форму грунт замораживают в холодильной камере при условии одностороннего его промораживания (сверху). Для этого форму устанавливают в ящик с теплоизолирующим материалом, которым тщательно изолируются стенки и дно прибора. Продолжительность промораживания грунта принимают от 2 до 4 суток в зависимости от температуры холодильной камеры. (Форма) Журнал записи влажности образцов грунта Площадка_________________ Выработка № ________________ Дата проходки_________________
ПОДГОТОВКА ПРЕССА К ПРОВЕДЕНИЮ ИСПЫТАНИЙ 4.312. Подготовкой пресса к проведению испытаний предусматриваются проверка работы узлов пресса и его тарировка, которая сводится к установлению зависимости между величиной нагрузок, прикладываемых к динамометру, и перемещениями пера самописца (с часовым механизмом), имеющим недельный ход. 4.313. Перед тарировкой необходимо проделать следующие подготовительные операции: установить на рабочую платформу стальную наставку с углублением для шарика, располагаемого между динамометром и наставкой; подвести наставку с шариком к нижней загрузочной площадке динамометра, перемещая рабочую платформу вручную так, чтобы шарик соприкасался с динамометром; завести часовой механизм и установить стрелку самописца в исходное положение на 3-5 мм от низа барабана; включить электродвигатель. При включении электродвигателя рабочая платформа будет перемещаться вверх и через наставку и шарик будет оказывать давление на динамометр, упирающийся в неподвижную опорную балку. 4.314. Основная задача в процессе тарировки заключается в одновременной записи показаний динамометра и самописца. При достижении нагрузкой максимального значения (для данного типа динамометра) электродвигатель выключают. После соответствующего переключения электромотора платформа опускается, а нагрузка на динамометр уменьшается. В процессе обратного хода также снимают одновременные показания динамометра и самописца. 4.315. Тарировку для каждого динамометра выполняют не менее 3-4 раз при заданной температуре испытания. Результаты тарировки наносят на график. В случае неудовлетворительного разброса тарировочных точек необходимо установить и устранить причины неисправности в записывающей системе и повторить тарировку. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ 4.316. Образец грунта с моделью фундамента после полного промерзания при данной температуре устанавливают на рабочую платформу пресса. На цилиндр формы сверху надевают хомут с индикаторами часового типа, а на модель фундамента устанавливают наголовник с хомутом (см. рис. 37); в концы хомута упирают ножки индикатора. После этого ослабляют стопорные накладки и рабочую платформу вручную поднимают до соприкосновения через шарик модели фундамента с нижней загрузочной площадкой динамометра. Таким образом, платформа будет поставлена в исходное положение, в котором она закрепляется с помощью стопорных накладок. Затем устанавливают перо самописца в исходное положение. После выдерживания в течение 3-4 ч образца грунта в форме при заданной температуре и проверки температуры грунта по термопаре включают электродвигатель и приводят во вращение систему передаточных шестерен, устанавливаемых в зависимости от требуемой скорости подъема рабочей платформы. (Форма) Журнал записи показаний температуры воздуха, образца грунта и его перемещения относительно модели фундамента Образец _________________ Дата начала замораживания _________________ Дата окончания замораживания ______________
(Форма)
Журнал записи результатов испытания устойчивого сопротивления сдвигу Образец № ___________
4.317. Во время испытания образца систематически записывают показания индикаторов, установленных на форме и динамометре самописца, термопары и термографа. Все отсчеты рекомендуется производить круглосуточно с интервалом времени от 1 до 3 ч в зависимости от скорости перемещения образца грунта по модели фундамента. Опыт считается законченным при величине смещения модели фундамента относительно грунта, равной 10 мм. Данные о температурах воздуха, грунта и перемещениях, а также условия опыта и результаты испытания устойчивого сопротивления сдвигу записывают в журнал (табл. 49, 50). 4.318. По окончании испытания пресс разгружают, ослабляют стопорные накладки и рабочую платформу вручную опускают в исходное положение. После снятия хомутика с индикатора форму разбирают, для чего рекомендуется небольшой подогрев кольца. Освободив от поддона и кольца образец грунта, измеряют его высоту. Измерение высоты образца грунтов производят в 5-6 точках вокруг модели с точностью до 1 мм. 4.319. Влажность мерзлого грунта на контакте с боковой поверхностью модели фундамента определяют как среднюю из трех проб, взятых из контактной зоны грунта - из верхней, средней и нижней части модели фундамента. Для этого вскрытый образец грунта разрезается ножом вдоль образующей модели фундамента на две части, одна из которых освобождается от модели. Данные о влажности мерзлого грунта записывают в журнал (табл. 48). ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ 4.320. Удельное значение устойчивого сопротивления сдвигу τу определяют как среднюю величину из трех-четырех испытаний при одинаковых условиях опыта: заданных температуре tср, влажности Wc и скорости перемещения v рабочей платформы с образцом грунта относительно модели фундамента. 4.321. Значения τу, соответствующие частным значениям tср, Wc, используются при расчете фундаментов на действие касательных сил пучения для определенных природных условий с теми же характеристиками исходных данных, включая состав грунта. 4.322. При освещении строительных площадок с переменными значениями температуры, влажности и скорости морозного пучения грунта возникает необходимость установления зависимости величины τу от изменения температуры, влажности, скорости пучения. В этом случае проводят серию испытании, в каждой из которых выявляется значение τу в зависимости от изменения в заданных пределах одной из характеристик при постоянстве двух других. Если каждая из трех характеристик (tcр, Wc, v) получает в опыте п разных заданных значении при m-кратном повторении каждого опыта (т = 3÷4), то общее число испытаний для одной грунтовой разности достигает N = m3n. 4.323. По результатам серий испытаний строятся графики зависимости τу от tcp, Wc, v. Для построения каждой такой кривой требуется не менее трех точек, поэтому п ≥ 3. 4.324. Выполнение большого числа испытаний п, требующееся для установления функции τу = (tcр, Wc, v), всегда оправдывается в случае освещения пучинистых свойств грунтов больших территорий, осваиваемых строительством. 4.325. В предлагаемой методике определения τу предполагалась однородность гранулометрического состава грунтов. При наличии на осваиваемой территории нескольких грунтовых разновидностей испытания проводятся для каждой из них. ВЯЗКОСТЬ ВКЛЮЧЕНИЙ ЛЬДА4.326. Расчет по второму предельному состоянию оснований с включением льда производится из условий ограничения осадки, вызванной вязким течением льда за заданный период времени. 4.327. При расчетах осадки лед рассматривают как нелинейно-вязкое тело. Основные параметры деформативности такого льда п и Кл, необходимые для расчета его осадки, определяются из условия, что при установившемся течении коэффициент вязкости льда равен: (87) где θ - температура льда в оС без учета знака минус; Т - интенсивность касательных напряжений в кг\см2; п - безразмерный показатель степени, характеризующий нелинейную зависимость скорости вязкого течения льда от нагрузки; его определяют экспериментально; Кл - параметр, характеризующий вязкость льда; он зависит от структуры и температуры льда; измеряется в . Параметры Кл и п определяются из лабораторных испытаний льда на вдавливание штампа или одноосное сжатие. ПРИБОРЫ 4.328. При испытаниях льда на одноосное сжатие и вдавливание штампов могут быть использованы гидравлические и электромеханические прессы различной конструкции, а также рычажные прессы, используемые для испытаний грунтов. Приборы должны обеспечивать возможность деформирования образца на величину, не меньшую 20 % его первоначальной высоты. Наиболее удобно использовать рычажные прессы с секторными рычагами на 0,5 и 1 т конструкции Гидропроекта. Из гидравлических прессов используются испытательные машины, оборудованные холодильным шкафом (например, испытательные машины ДМК-30 t). 4.329. Приборы оборудуются устройствами для измерения осевых и радиальных деформаций образца. Для таких измерений используют индикаторы часового типа с ценой деления 0,002 мм или, как исключение, с ценой деления 0,01 мм. 4.330. На одноосное сжатие испытывают образцы льда цилиндрической формы с диаметром 50 мм и высотой 100 мм. При испытаниях вдавливанием штампов используют цилиндрические образцы, диаметр которых составляет 10d, а высота 5d (d -диаметр штампа). Рекомендуется принимать d = 50 мм. Подготовка образцов льда производится в соответствии с указаниями пп. 4.2-4.4. 4.331. При проведении испытаний образцов льда следует обращать внимание на параллельность торцовых поверхностей образца и его центровку по отношению к штампу испытательной машины. В центре штампа наносится кольцевая риска, имеющая размер диаметра образца, по которой устанавливается образец. Торцы образца тщательно зачищаются мелкой наждачной бумагой. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ 4.332. При испытаниях на ползучесть определяют значения скорости относительной деформации установившегося течения льда при различных напряжениях. По результатам таких испытаний рассчитывают характеристики вязкости льда. 4.333. Опыты проводят с серией идентичных образцов льда. Образцы испытывают при различных, но постоянных в течение каждого опыта напряжениях и при неизменной для данной серии опытов температуре льда. Значения задаваемых давлений (не менее трех) ориентировочно определяются следующим образом: наибольшее давление принимают равным кг/см2, где θ - температура образца без учета знака минус. Последующие давления приближенно принимают соответственно 0,75 и 0,5 от наибольшего. В процессе опыта ведут измерения осевых и радиальных деформаций. 4.334. Испытания допускается проводить при одном значении температуры θ, равном одной трети ее значения на глубине 10 м. 4.335. При каждой нагрузке испытывают не менее трех образцов льда. Количество повторных опытов увеличивают, если полученные результаты определений скорости установившегося течения v (мм/мин) различаются более чем на 20 %. 4.336. При испытаниях льда на ползучесть площадь поперечного сечения образца, по мере его деформирования, может значительно изменяться. Если площадь изменяется по сравнению с первоначальной более чем на 5 %, то для сохранения в опыте постоянства напряжения σ нагрузка Р должна увеличиваться в соответствии с ростом рабочей площади образца. Изменение действующей нагрузки достигается применением автоматического устройства; при его отсутствии изменение нагрузки производят вручную обычной догрузкой. 4.337. Измерение деформации ползучести начинают с того момента, когда нагрузка достигает заданной величины. Результаты измерения записывают в журнал (табл. 51).
(Форма) Данные наблюдений при испытаниях льда на ползучесть Площадь образца F, см2 ____________________________ Напряжение а, кг/см1 ______________________________ Начальная нагрузка P = Fσ, кг _______________________
4.338. В процессе опыта для каждого интервала времени между регистрацией деформаций определяют скорость деформирования v, мм/мин: (88) где λi - λi-1 - приращение деформации за время ti - ti-1. Значения v вписывают в журнал (табл. 51). 4.339. Интервалы времени между замерами деформаций зависят от скорости деформирования и стадии ползучести. На стадии неустановившейся ползучести отсчеты производят через каждую минуту, а затем по мере уменьшения скорости деформирования промежутки времени между отсчетами последовательно увеличивают и принимают равными Δti = 2 Δti-1, т.е. отсчеты производят через интервалы времени в 2, 4, 8, 15, 30 мин, 1, 2 ч и т.д. При этом приращение деформации за время ti+[ - ti не должно быть менее 0,005 мм. В противном случае время между отсчетами увеличивают. 4.340. Если не менее чем при трех последующих отсчетах скорости деформирования окажутся одинаковыми, то считают, что наступила стадия течения с постоянной скоростью. 4.341. На станции течения с постоянной скоростью деформации измеряют через равные промежутки времени Δt = const, при этом Δt принимают равным интервалу времени между последними отсчетами на стадии неустановившейся ползучести. 4.342. Опыт заканчивают, когда не менее чем при пяти последующих отсчетах скорость деформирования остается постоянной. Рис. 39. Зависимость относительной деформации льда δ от времени t при различных значениях напряжения (σ1 > σ2 > σ3) 4.343. При испытаниях вдавливанием штампа опыты проводят по изложенной выше методике с той лишь разницей, что нагрузка в процессе опыта не изменяется. ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЯЗКОСТИ ЛЬДА 4.344. Исходными данными для определения характеристик вязкости льда служат значения абсолютной скорости деформации v, мм/мин на стадии установившегося течения. При испытаниях на одноосное сжатие по опытным значениям скорости v вычисляют относительную скорость установившегося течения где h - начальная высота образца в мм. Для проверки правильности определения относительной скорости vот по результатам каждого из опытов строят кривую ползучести, т.е. кривую зависимости относительной деформации δ от времени t (см. рис. 39). Для этого берут из табл. 51 значения абсолютной осевой деформации λi, соответствующие значениям времени ti и определяют относительную деформацию (где h - первоначальная высота образца). По результатам испытаний образцов данной серии получают семейство кривых ползучести, при этом каждая кривая соответствует своему постоянному значению напряжения σ1 > σ2 > σ3. 4.345. На каждой из кривых ползучести выделяют линейный участок, соответствующий течению с постоянной скоростью (рис. 39). Затем определяют установившуюся скорость относительной деформации voтi = const, численно равную тангенсу угла наклона линейного участка каждой из кривых ползучести к оси абсцисс (времени), т.е. получают ряд скоростей voт1 = tgα1; voт2 = tgα2 и т.д. по числу опытов. Эти значения должны совпадать со значениями относительной скорости voтi, вычисленными по формуле (89). 4.346. Для определения параметров п и Кл строится график, по оси ординат которого откладывается логарифм установившейся скорости относительной деформации ξ, пересчитанной в 1/ч, а по оси абсцисс - логарифм соответствующего этой скорости напряжения σ (рис. 40). 4.347. На основании полученного графика определяют значения расчетных параметров п и Кл данного вида льда при заданной его температуре. Параметр п принимают равным тангенсу угла наклона полученной прямой к оси абсцисс, а Кл рассчитывают по формуле (90) где θ - абсолютное значение температуры льда в °С без учета знака минус; ξ - установившаяся скорость относительной деформации в 1/ч при σ = 1 кг/см2, определяемая из рис. 40 как отрезок на оси ординат. 4.348. Обработка результатов испытаний вдавливанием штампа заключается в следующем: а) строят график развития осадки штампа s, мм во времени t, мин, из которого находят значения установившейся скорости осадки v, мм/мин для различных (не менее трех) напряжений, по аналогии с рекомендациями п. 4.345 для значения δ; Рис. 40. Зависимость установившейся скорости относительной деформации от напряжения (в логарифмическом масштабе) б) по полученным значениям v, пересчитанным в см/ч, в логарифмическом масштабе строят зависимость в от σ (по аналогии с указаниями п. 4.346, см. рис. 40). Из этого графика определяют параметр п как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс; параметр Кя вычисляется из выражения (91) где v’ = скорость установившегося течения, см/ч при σ = 1 кг/см2, определяемая из графика рис. 40 как отрезок на оси ординат; d - диаметр штампа, в см; е - основание натурального логарифма, е1,6 = 4,95; θ - температура, при которой производились испытания, без учета знака минус, °С.
Нравится
|