RU2275628C2 - Method and device for ground shearing test performing along with pore pressure determination - Google Patents

Abstract

FIELD: building, particularly ground shearing tests to determine angle of internal friction, cohesion and pore pressure.

SUBSTANCE: method involves installing ground sample between two dies; connecting one die with pore pressure sensor and with means, which determines water volume to be extracted from the sample; sealing the sample with elastic water-tight shell arranged along side surface thereof and with dies located from top and bottom surfaces; installing upper and lower ferrules around the shell so that the ferrules are spaced apart and may be displaced in horizontal direction one relative another; applying predetermined volumetric pressure to upper die and elastic shell along with measuring water volume to be extracted from ground sample or along with measuring pore pressure; creating shear force in ground sample by displacing one ferrule relative another one after water volume or pore pressure stabilizing; registering time-variable shear force values and pore pressure values corresponding to time-variable shear force values in ground sample, which are used to determine angle of internal friction and ground cohesion. Ground sample testing device comprises air-tight body composed of upper and lower parts. Body cavity communicates with pressure source and with pressure sensing means arranged in the body in spaced apart position. Upper and lower ferrules connected by elastic water-tight shells are installed so that the ferrules may be displaced one from another. Upper and lower dies are installed in the ferrules so that dies and water-tight shell define air-tight chamber for ground sample receiving. One die may perform vertical movement and is connected with pore pressure sensor and with means, which measures water volume to be extracted from the sample.

EFFECT: increased accuracy and extended range of method and device usage for grounds having different consistence and water content.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при испытании грунта на срез для определения угла внутреннего трения и сцепления с одновременным замером порового давления.The invention relates to the field of construction and can be used when testing soil for shear to determine the angle of internal friction and adhesion while measuring pore pressure.

Наиболее близким аналогом способа является способ «одноплоскостного среза» [1], где в зависимости от состояния грунта (стабилизированное или нестабилизированное) проводят консолидированно-дренированное или неконсолидированно-недренированное испытание грунтов природной плотности и влажности.The closest analogue of the method is the method of "single-plane cut" [1], where depending on the soil condition (stabilized or unstabilized) conduct consolidated-drained or unconsolidated-undrained soil tests of natural density and moisture.

Консолидированно-дренированные испытания проводят после консолидации образца в уплотнительных приборах при низких скоростях среза, рекомендуемых [1], при этом считается, что поровые давления в образце грунта не возникают.Consolidated-drained tests are carried out after consolidation of the sample in sealing devices at the low cutting speeds recommended [1], and it is believed that pore pressures do not occur in the soil sample.

Неконсолидированно-недренированное испытание проводят «не более чем за две минуты с момента приложения нормальной нагрузки» [1], при этом считается, что при скорости приложения ступеней срезающего усилия 10-15 сек поровые давления в образце не успевают рассеиваться.The unconsolidated undrained test is carried out “no more than two minutes after the application of the normal load” [1], and it is believed that at the speed of application of the shear force steps of 10-15 sec, the pore pressures in the sample do not have time to dissipate.

Однако при загрузке образца в рабочее кольцо невозможно добиться полной герметичности образца грунта, так как между кольцом и образцом неминуемо остаются зазоры, и при приложении нормальных и касательных нагрузок неизбежно происходит выдавливание части поровой жидкости. То есть при использовании этого способа происходит неконтролируемое изменение напряженного образца во время сдвига за счет перераспределения напряжений между контактами частиц и поровой жидкостью, что приводит к искажению показателей прочности. Если для песчаных необводненных грунтов и глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции эти изменения не столь значительны, то для глинистых мягкопластичных и текучих, а так же для водонасыщенных песчаных эти изменения весьма велики.However, when loading the sample into the working ring, it is impossible to achieve complete tightness of the soil sample, since there will inevitably be gaps between the ring and the sample, and when normal and tangential loads are applied, a part of the pore fluid will inevitably be extruded. That is, when using this method, an uncontrolled change in the stress specimen occurs during shear due to the redistribution of stresses between the contacts of the particles and the pore fluid, which leads to a distortion of the strength indicators. If for sandy non-watery soils and clay soils of solid and semi-solid consistency these changes are not so significant, for clay soft-plastic and fluid, as well as for water-saturated sand, these changes are very large.

Известно также устройство - сдвиговой прибор ВСВ-25 [2], соответствующий требованиям [1]. В состав прибора ВСВ-25 входят:A device is also known - a shear device VSV-25 [2] that meets the requirements of [1]. The composition of the BCV-25 device includes:

- срезная коробка, состоящая из подвижной и неподвижной частей и включающая рабочее кольцо с внутренними размерами, соответствующими требованиям [1], жесткие сплошной и перфорированный штампы;- a shear box consisting of movable and fixed parts and including a working ring with internal dimensions that meet the requirements of [1], rigid continuous and perforated dies;

- механизм для вертикального нагружения образца;- a mechanism for vertical loading of the sample;

- механизм для создания срезного усилия;- a mechanism for creating shear forces;

- устройства для измерения деформаций образца и прикладываемых нагрузок.- devices for measuring deformation of the sample and applied loads.

Указанный прибор не обеспечивает испытание грунта на срез с одновременным определением порового давления.The specified device does not provide soil testing for shear with the simultaneous determination of pore pressure.

Задача изобретения как в части способа, так и в части устройства - повышение точности получаемых показателей и расширение области использования для грунтов различной консистенции и водонасыщенности.The objective of the invention both in part of the method and in the part of the device is to increase the accuracy of the obtained indicators and expand the field of use for soils of different consistency and water saturation.

Задача в части способа решается за счет того, что предложен способ испытания образца грунта на срез с одновременным определением порового давления, характеризующийся тем, что он предусматривает установку образца грунта между двумя штампами, один из которых соединяют с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды, герметизацию образца грунта по боковой поверхности эластичной водонепроницаемой оболочкой, а сверху и снизу - штампами, установку вокруг оболочки верхней и нижней обойм, которые размещают с зазором относительно друг друга и с возможностью горизонтального смещения одной обоймы относительно другой, после чего прикладывают к верхнему штампу и эластичной оболочке объемное заданное давление с одновременным замером порового давления в образце грунта или с одновременным замером объема отжимаемой из образца грунта воды и после стабилизации порового давления или объема отжимаемой воды создают в образце грунта срезающее усилие путем смещения одной обоймы относительно другой и регистрируют переменные по времени значения величин срезающего усилия и соответствующие им величины порового давления в образце грунта.The task in terms of the method is solved due to the fact that a method for testing a soil sample for shear with simultaneous determination of pore pressure is proposed, characterized in that it involves the installation of a soil sample between two dies, one of which is connected to a pore pressure sensor and a device for measuring the squeezed volume from a water soil sample, sealing the soil sample along the lateral surface with an elastic waterproof shell, and above and below with stamps, installing upper and lower clips around the shell, cat They are placed with a gap relative to each other and with the possibility of horizontal displacement of one cage relative to another, after which a predetermined volumetric pressure is applied to the upper stamp and elastic shell while measuring the pore pressure in the soil sample or simultaneously measuring the volume of water squeezed from the soil sample and after stabilization pore pressure or the volume of squeezed water creates a shearing force in the soil sample by displacing one cage relative to another and register time variables values of shear forces and the corresponding values of pore pressure in the soil sample.

Задача в части устройства решается за счет того, что предложено устройство для испытания образца грунта на срез с одновременным определением порового давления, характеризующееся тем, что оно содержит герметичный, составной из верхней и нижней частей корпус, полость которого сообщена с источником давления и с измеряющим это давление приспособлением, размещенные в корпусе с зазором относительно друг друга верхнюю и нижнюю обоймы, объединенные эластичной водонепроницаемой оболочкой и установленные с возможностью горизонтального перемещения одной обоймы относительно другой, установленные в обоймах нижний и верхний штампы с образованием ими и эластичной водонепроницаемой оболочкой герметичной камеры для образца грунта, при этом один из штампов установлен с возможностью вертикального перемещения и соединен с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды.The problem in terms of the device is solved due to the fact that a device is proposed for testing a soil sample for shear with simultaneous determination of pore pressure, characterized in that it contains a sealed, composite of the upper and lower parts of the housing, the cavity of which is in communication with the pressure source and with measuring it pressure device, placed in the housing with a gap relative to each other, the upper and lower clips, United elastic waterproof shell and installed with the possibility of horizontal movement one of the cages relative to the other, the lower and upper dies installed in the cages with the formation of an airtight chamber for the soil sample by them and the elastic waterproof shell, while one of the dies is mounted with the possibility of vertical movement and connected to a pore pressure sensor and a device for measuring the volume squeezed from the sample ground water.

Технический результат, обеспечиваемый обоими объектами изобретения, состоит в том, что обеспечена возможность испытания с высокой точностью образцов на срез с замером порового давления, позволяющая определять одновременно значения усилия среза и порового давления и рассчитывать по ним прочностные показатели грунтов (угол внутреннего трения и сцепление), соответствующие природным условиям, и испытывать даже слабые структурно-неустойчивые грунты.The technical result provided by both objects of the invention is that it is possible to test with high accuracy the samples for a slice with a measurement of pore pressure, which allows to simultaneously determine the values of the shear force and pore pressure and calculate the strength parameters of soils from them (angle of internal friction and adhesion) corresponding to natural conditions, and experience even weak structurally unstable soils.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства, на фиг.2 - графики зависимостей срезающего усилия от объемного давления с учетом порового давления в образце грунта.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a schematic diagram of a device, Fig.2 is a graph of the dependence of the shearing force on the volumetric pressure, taking into account pore pressure in the soil sample.

Устройство состоит из герметичного составного корпуса с нижней частью 1 и верхней частью 2 в виде съемной крышки. Полость корпуса через штуцер 3 соединена с источником давления, например компрессором (на чертеже не показан), для создания объемного давления, которое регистрируется измерительным приспособлением 4, например манометром. В днище корпуса размещена подвижная каретка 5, на которой установлен нижний штамп 6, на боковой поверхности которого закреплена эластичная водонепроницаемая оболочка 7 с помощью уплотнительных колец 8, которые обжимаются нижней срезной обоймой 9, закрепленной болтами (на чертеже не показаны) на подвижной каретке 5. На нижнем штампе 6 размещен образец грунта 10, торец которого перекрыт верхним штампом 11, который установлен с возможностью вертикального перемещения при уплотнении образца грунта 10. Боковая поверхность образца грунта 10 перекрыта эластичной водонепроницаемой оболочкой 7, которая закреплена с помощью уплотнительных колец 12 на верхнем штампе 11, имеющем дренажный канал 13. Дренажный канал 13 гибкими магистралями 14 связан с датчиком порового давления 15 и приспособлением 16 (например, бюретки) для замера объема отжимаемой из образца грунта 10 воды и краном 17, расположенными на съемной крышке 2. Нижний 6 и верхний 11 штампы с эластичной водонепроницаемой оболочкой 7 образуют герметичную камеру для образца грунта 10. На боковую поверхность верхнего штампа 11 с возможностью скользящей посадки установлена верхняя срезная обойма 18, на верхней части которой посредством резьбового соединения установлено упорное кольцо 19. Верхняя срезная обойма 18 с возможностью свободного перемещения сопрягается с центратором 20, который на шпильках 21 закреплен гайками (на чертеже не показаны) на нижней части корпуса 1. Срезные обоймы 9 и 18 размещены в корпусе с зазором 22 относительно друг друга, причем нижняя срезная обойма 9 имеет возможность горизонтального смещения относительно верхней 18 при поступательном движении подвижной каретки 5. Поступательное движение подвижной каретки 5 осуществляется перемещением горизонтально расположенного штока (плунжера) 23 во втулке 24, один конец которого закреплен на каретке 5, а другой соединен с динамометром и редуктором поступательного перемещения с постоянной скоростью (на чертеже не показаны).The device consists of a sealed composite housing with a lower part 1 and an upper part 2 in the form of a removable cover. The cavity of the housing through the fitting 3 is connected to a pressure source, for example, a compressor (not shown in the drawing), to create a volumetric pressure, which is recorded by a measuring device 4, for example, a manometer. A movable carriage 5 is placed on the bottom of the housing, on which a lower die 6 is mounted, on the lateral surface of which an elastic waterproof shell 7 is fixed using sealing rings 8, which are crimped by a lower shear clip 9, bolted (not shown) to the movable carriage 5. A soil sample 10 is placed on the lower die 6, the end of which is blocked by the upper die 11, which is mounted with the possibility of vertical movement when compaction of the soil sample 10. The lateral surface of the soil sample 10 is blocked an elastic waterproof casing 7, which is fastened with sealing rings 12 to an upper die 11 having a drainage channel 13. The drainage channel 13 is connected by flexible lines 14 to a pore pressure sensor 15 and a device 16 (for example, a burette) for measuring the volume of soil 10 water and a crane 17 located on a removable cover 2. The lower 6 and upper 11 dies with an elastic waterproof shell 7 form a sealed chamber for soil sample 10. On the side surface of the upper stamp 11 with the possibility of the upper shear ring 18 is installed on the upper part of which a thrust ring 19 is installed by means of a threaded connection. The upper shear ring 18 can be freely mated with the centralizer 20, which is fixed on the studs 21 with nuts (not shown) on the lower part of the housing 1 The shear clips 9 and 18 are placed in the housing with a gap 22 relative to each other, and the lower shear clip 9 has the possibility of horizontal displacement relative to the upper 18 during the translational movement of the movable carriages ki 5. The translational movement of the movable carriage 5 is carried out by moving a horizontally positioned rod (plunger) 23 in the sleeve 24, one end of which is fixed to the carriage 5, and the other is connected to a dynamometer and translational movement reducer at a constant speed (not shown in the drawing).

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Образец грунта 10 устанавливают на нижний штамп 6 внутрь закрепленной уплотнительными кольцами 8 эластичной водопроницаемой оболочки 7, верхнюю часть которой перегибают через верхний край нижней срезной обоймы 9. Верхний торец образца грунта 10 перекрывают верхним штампом 11, после чего на боковые поверхности образца 10 и верхнего штампа 11 натягивают свободный край эластичной оболочки 7 и закрепляют уплотнительными кольцами 12. Верхнюю срезную обойму 18 опускают на нижнюю обойму 9. На нижнюю часть 1 корпуса устанавливают центратор 20 и прикрепляют гайками на шпильках 21 к нижней части 1 корпуса. Зазор 22 между срезными обоймами 9 и 18 устанавливают путем вращения упорного кольца 19 в резьбовом соединении. Перед началом опыта к верхнему штампу 11 подключают гибкую магистраль 14 с датчиком порового давления 15 и приспособлением 16 для замера объема отжимаемой из образца грунта 10 воды (бюретка) и нижнюю часть 1 корпуса герметично соединяют со съемной крышкой 2.A soil sample 10 is installed on the lower die 6 inside an elastic permeable shell 7 fixed by the sealing rings 8, the upper part of which is bent through the upper edge of the lower shear ring 9. The upper end of the soil sample 10 is closed with the upper die 11, and then onto the side surfaces of the sample 10 and the upper die 11 pull the free edge of the elastic shell 7 and fix the sealing rings 12. The upper shear clip 18 is lowered to the lower clip 9. On the lower part 1 of the housing set the centralizer 20 and attaching T nuts on the studs 21 to the bottom of the housing 1. The gap 22 between the shear clips 9 and 18 is set by rotation of the thrust ring 19 in a threaded connection. Before starting the experiment, a flexible line 14 with a pore pressure sensor 15 and a device 16 for measuring the volume of water squeezed from the soil sample 10 (burette) and the lower part 1 of the body are hermetically connected to the removable cover 2 to the upper die 11.

Консолидированно-недренированные испытания на срез проводят при открытом кране 17. В герметичном корпусе воздушным компрессором создают объемное заданное давление, регистрируемое манометром 4. Объемное давление через подвижный верхний штамп 11 и эластичную водонепроницаемую оболочку 7 воздействует на образец грунта 10, который уплотняется, отжимая поровую воду в приспособление 16 - бюретку, по которой определяют объем отжатой из образца грунта 10 воды. Дополнительные параметры, которые могут быть получены на стадии объемного сжатия полностью водонасыщенных грунтов, - коэффициент консолидации С_v и модуль объемного сжатия К. Фазу объемного сжатия продолжают до стабилизации объема отжатой воды в бюретке 16. После достижения стабилизации объема отжатой воды кран 17 закрывают, включают редуктор поступательного перемещения и производят срез образца путем перемещения одной обоймы 9 относительно другой 18. Во время испытания через определенные временные интервалы регистрируют значения сдвигающего усилия и по датчику 15 соответствующие им значения порового давления. Выполнив испытания нескольких (не менее трех) образцов при разных заданных объемных давлениях, по полученным результатам определяют угол внутреннего трения (тотальный) φ и сцепление (тотальное) С при поровом давлении, а за вычетом порового давления определяют эффективные угол внутреннего трения φ' и сцепление С'. Пример обработки результатов испытаний показан на фиг 2.Consolidated-undrained shear tests are carried out with the tap 17 open. In the sealed housing, the air compressor creates the volumetric set pressure recorded by the pressure gauge 4. The volumetric pressure through the movable top stamp 11 and the elastic waterproof shell 7 acts on the soil sample 10, which is compacted by squeezing pore water in the device 16 - the burette, which determine the volume of water squeezed out of the soil sample 10. Additional parameters that can be obtained at the stage of volumetric compression of completely water-saturated soils are the consolidation coefficient C _v and volumetric compression module K. The volumetric compression phase is continued until the volume of squeezed water in the burette is stabilized 16. After stabilization of the volume of squeezed water is reached, the valve 17 is closed, a translational displacement reducer and produce a slice of the sample by moving one cage 9 relative to another 18. During the test, shear values are recorded at certain time intervals force and sensor 15 corresponding pore pressure values. Having tested several (at least three) samples at different given volumetric pressures, the internal friction angle (total) φ and adhesion (total) C at pore pressure are determined from the results, and the effective internal friction angle φ 'and adhesion are determined minus pore pressure FROM'. An example of processing the test results is shown in FIG. 2.

Неконсолидированно-недренированные испытания на срез проводят следующим образом. Перекрывают кран 17, в герметичном корпусе воздушным компрессором создают избыточное давление, регистрируемое манометром 4, которое через подвижный верхний штамп 11 и эластичную водонепроницаемую оболочку 7 воздействует на образец грунта 10, в котором возникает поровое давление, регистрируемое датчиком порового давления 15. Фаза объемного сжатия продолжается до стабилизации порового давления. После достижения стабилизации порового давления включают редуктор поступательного перемещения и производят срез образца путем перемещения одной обоймы 9 относительно другой 18. Во время испытания регистрируют через определенные временные интервалы срезающее усилие и поровое давление при фиксированном давлении в герметичном корпусе. Выполнив испытания нескольких (не менее трех) образцов при разных объемных давлениях, определяют угол внутреннего трения (тотальный) φ и сцепление (тотальное) С при поровом давлении, а за вычетом порового давления определяют эффективные угол внутреннего трения φ' и сцепление С'.Unconsolidated undrained shear tests are carried out as follows. The valve 17 is closed, an overpressure is recorded in the sealed housing with an air compressor, recorded by a pressure gauge 4, which, through a movable top stamp 11 and an elastic waterproof shell 7, acts on a soil sample 10 in which pore pressure is detected by a pore pressure sensor 15. The volume compression phase continues until pore pressure stabilizes. After stabilization of the pore pressure is achieved, the translational displacement reducer is turned on and the sample is cut by moving one cage 9 relative to the other 18. During the test, the shear force and pore pressure are recorded at fixed pressure in a sealed enclosure at certain time intervals. Having tested several (at least three) samples at different volume pressures, the angle of internal friction (total) φ and adhesion (total) C at pore pressure are determined, and minus pore pressure, the effective internal friction angle φ 'and adhesion C' are determined.

Источники информацииInformation sources

1. ГОСТ 12248-96 "Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости".1. GOST 12248-96 "Soils. Laboratory methods for determining the characteristics of strength and deformability."

2. ГОСТ 12248-78 "Грунты. Методы лабораторного определения сопротивления срезу".2. GOST 12248-78 "Soils. Laboratory methods for determining the shear resistance."

Claims (2)

1. Способ испытания образца грунта на срез с одновременным определением порового давления, характеризующийся тем, что он предусматривает установку образца грунта между двумя штампами, один из которых соединяют с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды, герметизацию образца грунта по боковой поверхности эластичной водонепроницаемой оболочкой, а сверху и снизу - штампами, установку вокруг оболочки верхней и нижней обойм, которые размещают с зазором относительно друг друга и с возможностью горизонтального смещения одной обоймы относительно другой, после чего прикладывают к верхнему штампу и эластичной оболочке объемное заданное давление с одновременным замером объема отжимаемой из образца грунта воды или с одновременным замером порового давления и после стабилизации объема отжимаемой воды или порового давления создают в образце грунта срезающее усилие путем смещения одной обоймы относительно другой и регистрируют переменные по времени значения величин срезающего усилия и соответствующие им величины порового давления в образце грунта, которые используют для определения угла внутреннего трения и сцепления грунта.1. A method of testing a soil sample for shear with the simultaneous determination of pore pressure, characterized in that it involves the installation of a soil sample between two dies, one of which is connected to a pore pressure sensor and a device for measuring the volume of water squeezed from the soil sample, sealing the soil sample by lateral surface with an elastic waterproof shell, and on top and bottom with stamps, installation of upper and lower clips around the shell, which are placed with a gap relative to each other and with the possibility of The horizontal displacement of one cage relative to another, after which a volumetric predetermined pressure is applied to the upper stamp and elastic shell while measuring the volume of water squeezed out of the soil sample or while measuring the pore pressure and after stabilizing the volume of squeezed water or pore pressure, create a shearing force in the soil sample by shifting one clip relative to another and registering time-variable values of the shear force and the corresponding threshold values pressure in the soil sample, which is used for determining the angle of internal friction and soil adhesion. 2. Устройство для испытания образца грунта на срез с одновременным определением порового давления, характеризующееся тем, что оно содержит герметичный, составной из верхней и нижней частей корпус, полость которого сообщена с источником давления и с измеряющим это давление приспособлением, размещенные в корпусе с зазором относительно друг друга верхнюю и нижнюю обоймы, объединенные эластичной водонепроницаемой оболочкой и установленные с возможностью горизонтального перемещения одной обоймы относительно другой, установленные в обоймах нижний и верхний штампы с образованием ими и эластичной водонепроницаемой оболочкой герметичной камеры для образца грунта, при этом один из штампов установлен с возможностью вертикального перемещения и соединен с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды.2. A device for testing a soil sample for shear with the simultaneous determination of pore pressure, characterized in that it contains a sealed, composite of the upper and lower parts of the housing, the cavity of which is in communication with the pressure source and with a device measuring this pressure, placed in the housing with a gap relative to each other's upper and lower clips, united by an elastic waterproof shell and installed with the possibility of horizontal movement of one clip relative to another, installed in a clip x upper and lower dies to form them and elastic waterproof shell sealed chamber for the soil sample, wherein one of the dies mounted for vertical movement and is connected to the sensor pore pressure and a device for measuring the volume of water pressed from the soil sample.

Images