Предел прочности на сжатие и растяжение грунтов
В статье рассказывается о трех основных методах определения предела прочности горных пород при одноосном растяжении/сжатии образцов. В связи с тем, что подобные испытания проводятся всё в большем количестве, а сроки, отводящиеся на их выполнение, становятся все более сжатыми, автор предлагает применение метода, который заключается в разрушении образцов произвольной формы встречными сферическими инденторами. Для проведения испытаний в статье рекомендуется применение нового оборудования ПСН-0.16.10 и ПСН-1.14.10, разработанного специалистами ООО «ПрогрессГео».
Игорь Озмидов
Генеральный директор ООО «ПрогрессГео», советник РАЕН
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Подробнее: Современные методики и оборудование для определения механических свойств скальных грунтов и горных…
Настоящий стандарт распространяется на твердые горные породы с пределом прочности при одноосном растяжении не менее 0,5 МПа и устанавливает следующие методы определения предела прочности при одноосном растяжении породы по образцам, изготовляемым из представительной породной пробы:
метод разрушения цилиндрических и призматических образцов прямым растяжением;
метод разрушения цилиндрических образцов сжатием по образующим;
метод разрушения образцов произвольной формы встречными сферическими инденторами;
метод комплексного определения пределов прочности при одноосном растяжении и сжатии.
Стандарт не распространяется на мерзлые горные породы.
(Измененная редакция, Изм. № 1).
Подробнее: ГОСТ 21153.3-85 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении»
К строительным материалам относится продукция, которая используется в строительстве зданий и сооружений, в качестве отделочных, облицовочных и лакокрасочных материалов:
- лесоматериалы и изделия деревянные строительные;
- щебень, песок, глина, камень, керамзит, блоки, плиты;
- материалы из природного камня;
- цемент;
- материалы стеновые и перегородочные,
- известь, гипс, смеси бетонные;
- изделия керамические: плитки, трубы;
- черепица;
- материалы тепло и звукоизоляционные;
- материалы отделочные полимерные, кровельные, гидроизоляционные;
- линолеум;
- мастики, пасты, эмульсии кровельные и гидроизоляционные;
- строительные нетканые материалы и др
Подробнее: Испытания на прочность строительных материалов: кирпич, плитка, песок
Методика испытаний бетонов и асфальтобетонов
Основные показатели, которые тщательно проверяются на соответствие стандарту ГОСТ, это прочность на сжатие, на осевое растяжение, морозостойкость, водонепроницаемость и средняя плотность.
Испытания прочности бетона проводятся в лаборатории и путем проведения измерений на строительной площадке.
В лаборатории проводят испытание кубиков бетона. Берут кубик 10х10х10 и применяют к нему давление, определяя граничную силу нажима, при котором материал начинает разрушаться. Таким образом подтверждается марка бетона на прочность (В). Образец должен быть выдержан 28 суток, но возможно определение прочности и для 7-дневного бетона, или выдержанного всего 3 или 14 дней. В таком случае будет определена прочность промежуточной стадии твердения. Например, считается, что 7-суточный бетон имеет 70% прочности.
Виды испытаний бетона
Подробнее: Испытания на прочность строительных материалов: бетон и асфальт
Стандарт устанавливает методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона бетона
Призменную прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона следует определять на образцах-призмах квадратного сечения или цилиндрах круглого сечения с отношением высоты к ширине (диаметру), равным 4. Ширина (диаметр) образцов должна приниматься равной 70, 100, 150, 200 или 300 мм в зависимости от назначения и вида конструкций и изделий. За базовый принимают образец размерами 150´150´600 мм.
Размеры образцов в зависимости от наибольшей крупности заполнителя должны удовлетворять требованиям ГОСТ 10180-78
Подробнее: ГОСТ 24452-80 БЕТОНЫ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
1. Классификация грунтов по пределу прочности на одноосное сжатие | |||
Разновидность грунтов | Предел прочности на одноосное сжатие | ||
| Очень прочный | > 120 | ||
| Прочный | 120 — 50 | ||
| Средней прочности | 50 — 15 | ||
| Малопрочный | 15 — 5 | ||
| Пониженной прочности | 5 — 3 | ||
| Низкой прочности | 3 — 1 | ||
| Очень низкой прочности | < 1 | ||
Подробнее: Классификация грунтов по пределу прочности на одноосное сжатие
Для характеристики деформационных свойств грунтов используются: модуль деформации E (модуль упругости Еу и модуль общей деформации Еобщ), коэффициент поперечного расширения р., модуль сдвига G и модуль объемного сжатия К.
Показатели деформационных свойств в пределах справедливости закона Гука связаны определенными зависимостями, которые позволяют по двум любым показателям определять остальные.
Модуль упругости Eу равен отношению напряжения при одноосном сжатии к относительной обратимой деформации.
Подробнее: Деформационные свойства скальных грунтов
Испытания образцов на одноосное сжатие являются простейшими и применяются для прочных скальных, полускальных, мерзлых и плотных глинистых грунтов, из которых можно вырезать образец цилиндрической и призматической формы с диаметром или стороной поперечного сечения 40— 45 мм. Особенностью такого испытания является отсутствие боковых напряжений (σх=σу=0), т.е. возможность свободных боковых деформаций грунта (εх = εу—∞).
Согласно рис. 1а относительная деформация образца грунта
(5.1)
Рис. 1. Испытание грунта на одноосное сжатие: а — схема испытания; б — диаграмма деформаций
Связь между напряжением и деформацией устанавливается согласно известному из сопротивления материалов закону Гука σ=εЕ, где Е— модуль упругости грунта.
Таким образом, испытание грунта на одноосное сжатие в наименьшей степени соответствует действительным условиям деформирования грунта в массиве, так как не учитывает реакции окружающего его грунта, который ограничивает боковые перемещения.
Источник
Прочность грунтаПрочность грунта (далее – ПГ) – это способность грунта сопротивляться разрушению, в основном при механическом воздействии на него. Ее выражают и оценивают временным сопротивлением сжатию, разрыву, скалыванию (для полускальных и скальных грунтов), сдвигу (для глинистых грунтов и песков). Она обусловлена взаимодействием между элементами, составляющими грунт.
ПГ зависит не только от самого грунта, но и от вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.), условий эксплуатации (температура, скорость нагружения, длительность и число циклов нагружения, воздействие окружающей среды и т.д.). В зависимости от всех этих факторов в механике грунтов приняты различные категории: предел ПГ, предел текучести, предел усталости и др. Повышение ПГ достигается термической и механической обработкой, введением добавок, применением армированных и композиционных материалов.
Виды прочности грунта
Длительная прочность – ПГ при длительном действии нагрузки. Характеризуется кривой длительной прочности. Она зависит, в основном от прочности структурных связей грунта.
У грунтов с крепкими кристаллизационными и конденсационными связями прочность до их разрушения снижается до 70-90% от начальной (для большинства скальных грунтов до 60-80%). При наличии самых слабых структурных связей (коагуляционных) длительная прочность уменьшается до 20-60% от начальной.
В глинистых грунтах длительная ПГ зависит также от их влажности и консистенции. У глинистых грунтов пластичной консистенции прочность с течением времени при постоянной нагрузке снижается сравнительно быстро, и длительная ПГ для текучепластичных глин составляет от 20-40% до 50-60% для тугопластичных глин от начальной прочности. У мёрзлых грунтов длительная ПГ составляет 15-50% от начальной прочности, длительная ПГ льда уменьшается до нуля. При сжатии прочность снижается в меньшей мере, чем при сдвиге и тем более при растяжении. В условиях сложного напряжённого состояния, чем больше среднее нормальное напряжение, тем в меньшей степени снижается прочность. С ростом температуры снижение ПГ идет интенсивнее.
Контактная прочность – характеристика твёрдости породы, определяемая при вдавливании штампа в необработанную поверхность образца и составляющая, например, для песчаников 3,5 – 18,0 МПа, для сланцев 3,0 – 7,0 МПа.
Мгновенная прочность – ПГ при мгновенном приложении нагрузки.
Прочность грунта на сжатие – разрушение грунта при сжатии. Проводится в условиях свободного бокового расширения (такое испытание называется простым или одноосным сжатием) или при его ограничении. Она характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие Rс и равно частному от деления максимальной разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения образца до испытания. По величине Rс приближённо оценивается несущая способность свай. Она прямо пропорциональна предельной расчётной величине прочности на одноосное сжатие. Величина Rс используется также для определения устойчивости массива грунтов, в котором происходит подземная выработка, величин его смещения, нагрузок на крепь и параметров крепи. По значению Rс вычисляют коэффициент крепости по Протодьяконову.
Предел прочности на одноосное сжатие в лабораторных условиях изучают на образцах правильной (кубической или цилиндрической) и неправильной форм. Между пределом прочности на одноосное сжатие для образцов правильной Rс и неправильной Rс.н. формсуществует эмпирическая взаимосвязь Rс=5,3 Rс.н. Предел прочности на одноосное сжатие зависит от трещиноватости грунта, размера, формы и характера упаковки слагающих грунт частиц, прочности структурных связей между частицами, степени насыщения грунта водой или льдом.
Стандартная прочность – ПГ (песчаных и глинистых), оцениваемая методом медленного сдвига после предварительного полного их уплотнения при давлении, соизмеримом с давлением, создаваемым инженерным сооружением.
Структурная прочность – ПГ, обусловленная структурными связями между компонентами грунта, преимущественно твёрдыми. Она зависит от вида компонент и их физической природы, отвечает величине нагрузки, при которой начинается деформирование грунта. Различают структурную прочность при сжатии и сдвиге. Структурная ПГ при сжатии ориентировочно определяется по формуле: σстр=2с cosφ /(1-sinφ), где φ – угол внутреннего трения; с – сцепление.
Прочность грунта фильтрационная – сопротивление грунтов, главным образом песчаных, разрушению при действии на них фильтрационного потока.
Прочность остаточная – минимальное касательное напряжение при данной величине деформации, которое грунт выдерживает без деформирования и разрушения.
Прочность пластическая – предельное сопротивление сдвигу глинистых грунтов, определяемое по результатам лабораторных пенетрационных исследований по формуле: Рm=KaP/h2, где Ka – константа конуса, равная 0,959 при угле вершины конуса 300; Р – усиление пенетрации; h – глубина погружения конического наконечника под действием усилия Р.
Главная—>Справочник геолога—>Прочность грунта
Источник
Пределом прочности грунта при одноосном сжатии Rc называется предельное сжимающее напряжение, при котором происходит разрушение грунта, находящегося в условиях одноосного напряженного состояния. Прочность на одноосное сжатие соответствует критерию прочности, предложенному Галилеем (первая теория прочности), согласно которому разрушение тела наступает в момент, когда сжимающее нормальное напряжение о достигнет критического (предельного) значения. Предел прочности па одноосное сжатие Rc определяют как отношение приложенной к образцу вертикальной нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения. Результаты испытаний грунта используются при определении несущей способности и устойчивости грунтов, определении показателя консистенции глинистых грунтов, для определения недренированной прочности связных грунтов, расчета сваи стоек.
По характеру поведения пробы в процессе деформации и разрушения выявляют пять типов деформаций грунтов [84]: хрупкий, хрупковязкий, хрупкопластичный, вязкопластичный, пластичный.
Рис. 8.49. Типы деформационного поведения глинистых пород при одноосном сжатии: а хрупкий: б хрупкопластичный: в пластичный
При хрупком типе разрушения деформация носит упругий характер до величины предела упругости, затем быстро наступает разрушение. В этом случае прочность на одноосное сжатие равна пределу упругости (рис. 8.49, а).
При хрупковязком типе деформирования после упругих деформаций начинается вязкое течение с постоянной скоростью, которое заканчивается хрупким разрушением.
При хрупкопластичном типе деформирования пластическое течение заканчивается хрупким разрушением (рис. 8.49, о).
При вязкопластичном типе деформирования вязкое деформирование переходит в пластичное течение.
При вязкопластичном и пластичном типах деформирования величину Rc определяют при достижении относительной деформации в 20 % (рис. 8.49, в).
При одноосном сжатии грунтов начинается вначале резкое нарастание деформации, затем, по мере уплотнения частиц, сопровождающегося увеличением числа контактов между ними и возрастанием (в глинистых грунтах) сил отталкивания между молекулами связанной воды сближаемых частиц, интенсивность нарастания деформации постепенно уменьшается.
После снятия нагрузки не все вновь образовавшиеся контакты исчезают. Кроме того, процессы разрушения цементационных связей между твердыми частицами и нарушения структуры скелета грунта являются необратимыми, т. е. при разгрузке нарушенные цементационные связи и структура грунтов не восстанавливаются. Опыты по многократному циклическому нагружению и разгружению грунтов в условиях последовательного возрастания с каждым новым циклом величины максимальною давления показывают, что ветвь нагрузки при давлениях, не превышающих их максимального значения, достигнутого в процессе предшествующею нагружения, проходит близко к ветви предыдущей нагрузки, а при более высоких давлениях выходит на продолжение исходной кривой (как при однократной нагрузке).
При малом количестве циклов нагрузки-разгрузки деформации грунтов являются в основном остаточными. По мере увеличения числа циклов количество контаков между твердыми частицами возрастает, а деформации грунта, в основном остаточные, уменьшаются. При этом ветви нагружения и разгрузки при постоянном максимальном давлении с каждым циклом сближаются и все более совпадают. При достаточно большом количестве циклов деформации грунта становятся практически полностью упругими и объясняются только выжиманием связанной воды из контактов и упругим сжатием скелета грунта и в меньшей степени объемным деформациями материала твердых частиц.
Для некоторых грунтов, например для мергелей, разрушение может произойти по плоскостям, параллельным оси образца. Это происходит вследствие неоднородности напряженною состояния образца. В некоторых случаях поверхность смещения формируется в виде комбинации вертикальных и наклонных поверхностей скола. В подобных случаях определение сопротивления сдвигу методом одноосною сжатия производить не следует.
Для вычисления деформационных характеристик грунтов по измеренным значениям вертикальных и поперечных деформаций образца, соответствующим различным вертикальным напряжениям о, строят графики зависимости 
и 
, где е и а — продольные и поперечные относительные деформации образца.
Модуль деформации Ео и коэффициент поперечной деформации п вычисляют с использованием выражений (8.4) и (8.5) по нагрузочным ветвям зависимостей а от с: для по- лускальных грунтов при уровне нафузки, составляющей 50…60 %, и для скальных грунтов в диапазоне напряжений от 5 до 50 % от предела прочности при одноосном сжатии Rc. Модуль упругости Е и коэффициент Пуассона р вычисляют в этом же диапазоне напряжений по тем же формулам, в которых значения Деі и Лє2 принимают по разгрузочным ветвям зависимостей t’l =До) И Є2 =.Д<т).
Определение коэффициента структурной прочности S,. Дисперсные грунты природного сложения имеют более высокую прочность на сжатие, чем те же грунты нарушенного сложения. Для оценки этого эффекта используют показатель, называемый чувствительностью (по Скемптону), или коэффициентом структурной прочности S,. Подсчитать S, можно как отношение сопротивления грунта сжатию в естественном (Rc) и в нарушенном состоянии (Лен): S, = Rc/ Rcн. Оценить прочность структуры связей можно по величине показателя структурной прочности L = 1 / S,. Величина S, меняется от 1,2… 1,5 для нелитифицированных глинистых грунтов до 10… 16 и более для литифицированных.
Сопротивление недренированному сдвигу си, МПа, водонасыщенного глинистого грунта (рис. 8.50), соответствующее сцеплению грунта при нсконсолидированно- недпениоованном испытании, определяют по формуле
(8.24)
Определение сцепления и угла внутреннего трения. В тех случаях, когда при разрушении четко выявляется плоская площадка скольжения, метод одноосного сжатия позволяет определять величину сцепления с и угла внутреннего трения <р. С этой целью замеряют угол наклона поверхности площадки а к горизонту (рис. 8.51).
Рис. 8.50. Зависимость нагрузки σ от относительной вертикальной деформации образца с
Рис. 8.51. Определение сцепления и угла внутреннего трения при одноосном сжатии грунта: а — схема разрушения образца породы при одноосном сжатии; б — диаграмма Мора при одноосном сжатии
По определенным величинам Re и а находятся параметры прямолинейной огибающей диаграммы Мора:
При малых углах внутреннего трения (φ —*■ 0, а = 45°) сцепление определяется но формуле (8.24).
Определение коэффициента размягчаемости ksof. Различают пределы прочности при сжатии образцов: в воздушно-сухом состоянии, в водонасыщенном состоянии и при естественной влажности. У некоторых полускальных грунтов (мертели, аргиллиты и др.) под влиянием увлажнения происходит уменьшение прочности. Это свойство называют размягчаемостью породы и характеризуют коэффициентом размягчаемости, который
представляет собой отношение пределов прочности на сжатие после и до насыщения водой. Согласно [34], подразделение грунтов по прочности на одноосное сжатие проводится для водонасыщенного состояния грунта и по коэффициенту размягчаемости.
Коэффициент размягчаемости к-,,,/ определяется при испытаниях на одноосное сжатие как отношение прочности водонасыщенного грунта (RIW) к прочности того же воздушно-сухого грунта (R,.):
Величина коэффициента размягчаемости kiof меняется от 0 до 1: если км/> 0,75, то грунт считается неразмягчаемым; если kSOf < 0,75, то грунт относится к категории размягчаемых. Чем ниже коэффициент размягчаемости, тем больше снижается прочность породы при насыщении водой. Среди скальных грунтов наибольшая размягчаемость характерна для грунтов с неводостойкими структурными связями; например, глинистые сланцы, песчаники с глинистым цементом, алевролиты, аргиллиты, мергель и др. Для изверженных пород коэффициент размягчаемости практически равен единице. Осадочные породы. породы с глинистым или легко растворимым в воде цементом обладают низким коэффициентом размягчаемости (меньше 0,5). Определение коэффициента размягчаемости, как правило, производят только для полускальных грунтов с глинистым или другим слабым цементом.
Рис. 8.52. Кривая длительной прочности
Определение длительной прочности. Различают мгновенную прочность, когда время нагрузки стремится к нулю, и длительную прочность, когда время нагрузки стремится к бесконечности. Длительная прочность имеет важное значение при проектировании сооружений, так как определяет размеры фундамента. Кривая длительной прочности, т. е. -зависимости времени г до разрушения образца от величины приложенного напряжения а, представлена на рис. 8.52, где 
— условно-мгновенная прочность; σх — предел длительной прочности, строится по данным ряда испытаний с фиксированными напряжениями, составляющими определенную долю от величины Rc (рекомендуется ряд напряжений: 0,9Rc; 0,8Rc; 0,7Rc», 0.6Rc; 0,5Rc). За величину оУ принимается такое напряжение, при котором в течение суток относительная продольная деформация увеличивается менее чем на 0,1 %.
Источник