Механические свойства мерзлых грунтов

 

Механические свойства мерзлых грунтов выражаются обычно через количественные показатели, которые устанавливают функциональную связь междувеличиной и видом механического воздействия и реакцией грунта на это воздействие.

К деформационным характеристикам мерзлых грунтов относятся модули общей и упругой деформации, коэффициент Пуассона, показатели реологических свойств – коэффициенты вязкости и сжимаемости. К показателям прочностных свойств относятся кратковременные и длительные значения прочности грунта на сдвиг, сжатие, растяжение и эквивалентное сцепление.

Мерзлые грунты в зависимости от их температуры, величины и времени внешнего воздействия могут вести себя как твердые или пластичные тела. Чем меньше и длительнее воздействие, тем в большей мере грунт проявляет пластические свойства. Образование льда при промерзании влажных грунтов и возникновение в них льдоцементационных связей приводит к повышению их прочности и сопротивления деформируемости. Между минеральными частицами и кристаллами льда, разделенными пленками незамерзшей воды, обычно развиваются льдокоагуляционные и льдоагрегационные структурные связи, а между кристаллами льда и льдом и минеральным скелетом кристаллизационные

С понижением дисперсности и засоленности мерзлых грунтов прочность структурных связей возрастает в связи с уменьшением содержания незамерзшей воды и соответственно с усилением связи между частицами скелета и кристаллами льда.

При длительном действии нагрузки роль льдоцементационного сцепления снижается, что обусловлено реологическими свойствами льда. Льдоцементационное сцепление может уменьшаться и при появлении в мерзлом грунте микротрещин, к развитию которых приводят термомеханические напряжения, возникающие при достаточно быстром охлаждении.

Модуль общей деформации, Е0, имеет определенный физический смысл, отражая сопротивление мерзлого грунта развитию деформаций. Он уменьшается с увеличением напряжения и времени действия нагрузки Увеличение дисперсности частиц грунта и повышение температуры также приводит к снижению модуля общей деформации

Модуль упругости, Е, отражает зависимость между напряжением и деформацией в упругой области. Он увеличивается при уменьшении дисперсности пород и понижении температуры.

Испытание мерзлого грунта методом компрессионного сжатия проводят для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости пластичномерзлых грунтов, mfi, коэффициента оттаивания, Аtf, и сжимаемости при оттаивании, m, для песков и глинистых грунтов (кроме песков гравелистых и крупных), а также заторфованных, засоленных и сыпучемерзлых разностей указанных грунтов. В общем виде суммарный коэффициент сжимаемости складывается из частных коэффициентов сжимаемости за счет соответственно упругого сжатия, закрытия пор и дефектов, фазового перехода льда в незамерзшую воду и оттока незамерзшей воды.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой в мерзлом или оттаянном состоянии.

Коэффициент Пуассона, n, характеризует поперечную упругость мерзлых грунтов. Он отражает зависимость между поперечными и продольными деформациями. Значительное влияние на его величину оказывает температура грунтов, так при повышении температуры он стремится к максимальной величине (0,5), а при понижении – к величинам характерным для твердых тел (0,15).

Важным свойством мерзлых грунтов является ползучесть – нарастание деформаций во времени под действием постоянной нагрузки. Механизм ползучести проявляется в развитии пластических деформаций путем скольжения одних слоев кристаллов льда относительно других, а также минералов и их агрегатов относительно друг друга. Вид кривых ползучести зависит от приложенного напряжения. При незначительных нагрузках происходит постепенное уменьшение скорости необратимых деформаций до нуля (затухающая ползучесть).

В общем случае процесс незатухающей ползучести включает три стадии:

1) неустановившуюся ползучесть, при которой скорость деформаций стремится к некоторой постоянной величине;

2) установившуюся ползучесть, идущую с постоянной скоростью;

3) прогрессирующую ползучесть – с возрастанием скорости, заканчивающуюся разрушением.

Вязкостьпредставляет собой одно из основных реологических свойств мерзлых грунтов. Ее можно охарактеризовать коэффициентом вязкости, h, численно равным отношению величины действующих напряжений к скорости, вызываемой им деформации течения. В общем случае при прочих равных условиях коэффициент вязкости возрастает с уменьшением дисперсности мерзлых грунтов и увеличением жесткости их минерального каркаса.

Высокотемпературные мерзлые грунты обладают значительной сжимаемостью под нагрузкой. Уплотнение мерзлых фунтов обусловлено деформируемостью и перемещениями всех компонентов: газообразных, жидких (незамерзшая вода), пластичновязких (льда) и твердых (минеральные частицы). Сжимаемость мерзлых грунтов определяют по данным компрессионных испытаний.

К прочностным свойствам мерзлых грунтов принято относить временное сопротивление сжатию, длительное сопротивление сжатию, растяжению или разрыву, сдвигу и эквивалентное сцепление.

Сопротивление мерзлых грунтов сдвигу обусловлено не только силами сцепления, но и внутренним трением. В большинстве случаев сопротивление мерзлых грунтов сдвигу возрастает с понижением температуры. Предельно длительное сопротивление в 2,5–6 раз меньше мгновенного. Доля сцепления в общем сопротивлении сдвигу мерзлых грунтов очень значительна. Для мерзлых глин она колеблется в пределах 60–94 %.

В инженерной практике для определения расчетных значений прочностных характеристик мерзлых грунтов широко используется комплексный параметр – эквивалентное сцепление сeq, МПа, учитывающий совместно как силы сцепления, так и трения.

Эквивалентное сцепление мерзлых грунтов отражает прочность связей между структурными элементами грунта и определяется методом шарикового штампа.

Испытание мерзлого грунта шариковым штампом проводят для определения предельно длительного значения эквивалентного сцепления сeq мелких и пылеватых песков и глинистых грунтов, кроме заторфованных засоленных и сыпучемерзлых разностей этих грунтов. Предельно длительное эквивалентное сцепление определяют по глубине погружения шарикового штампа в образец грунта от заданной нагрузки при температуре испытаний не ниже минус 5 °С. Значение нагрузки определяют из условия, что давление в образце на первой ступени нагружения должно быть равным напряжению от собственного веса грунта на горизонте отбора образца, а на последней – расчетному сопротивлению грунта под подошвой фундамента, R, задаваемому программой испытаний.

В значительной степени оно зависит от температуры грунта и времени действия и величины нагрузки: сeq = f(T, t, P).

По показаниям устройств для измерения деформаций определяют глубину погружения шарикового штампа в грунт в конце испытания (по достижении условной стабилизации деформации или через 8 ч – при ускоренном режиме испытания). При приложении нагрузки в течение 5–10 секунд вычисляемое сцепление будет мгновенным. Значение эквивалентного сцепления мерзлого грунта сeq, МПа, определяют с точностью 0,01 МПа по формуле:

 

 

где – нагрузка на шариковый штамп, кH;

– диаметр шарикового штампа, см;

– глубина погружения шарикового штампа в грунт в конце испытания, см;

k – безразмерный коэффициент, равный 1 при испытаниях до условной стабилизации деформации и 0,8 – при ускоренном режиме.

Расчетные сопротивления мерзлых грунтов сжатию R, под подошвой фундаментов устанавливают по данным испытаний грунтов шариковым штампом или на одноосное сжатие.

Расчетные значения R вычисляются по формуле [8]:

 

R = 5,7cn/gg + g1 d,

 

где cn – нормативное значение предельно длительного сцепления, принимаемого равным cn = c еq при испытаниях шариковым штампом и сn = 0,5sn – при испытаниях на одноосное сжатие, где cеq и sn – соответственно предельно длительное эквивалентное сцепление и сопротивление грунта одноосному сжатию;

gg – коэффициента надежности по грунту,

g1 – расчетное значение удельного веса грунта, кН/м3 (кгс/см3);

d – глубина заложения фундамента, м (см).

При промерзании влажных дисперсных грунтов на контакте поверхности конструкции с мерзлыми грунтами возникает особого рода сцепление, которое получило название прочности смерзания. Оно характеризуется расчетным сопротивлением мерзлого грунта сдвигу на поверхности смерзания, Rаf. Установление этой величины связано с расчетами несущей способности фундаментов на мерзлых грунтах и устойчивости конструкций на действие сил морозного пучения.

Испытание мерзлого грунта методом одноплоскостного среза по поверхности смерзания проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивления срезу мерзлого грунта, грунтового раствора и льда по поверхности их смерзания с материалом (фундамента или другим твердым материалом) Raf, сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности смерзания с другим грунтом или грунтовым раствором Rsh, сопротивления срезу льда по поверхности смерзания с грунтом или грунтовым раствором Rsh,i..

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем приложения к образцу грунта, смерзшегося с образцом материала фундамента, грунтовым раствором или льдом, касательной нагрузки при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза.

Предельно длительные значения сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности смерзания определяют как наибольшие касательные напряжения, при которых произошла стабилизация деформации среза образца при заданном нормальном напряжении.

Для расчета оснований сооружений II и III классов ответственности, возводимых с сохранением мерзлого состояния грунтов, а также для выполнения предварительных расчетов оснований и привязки типовых проектов к местным условиям, расчетные значения прочностных характеристик мерзлых грунтов R и Rаf допускается принимать по их физическим характеристикам, составу и температуре в соответствии с табличными данными, приведенными в СП 25.13330.

Одноосное сжатие.Испытания на одноосное сжатие выпол­няются с целью определения деформационных и прочностных свойств мерзлых пород при постоянной температуре. Кратковременные испытания проводятся обычно на гидравлических, пнев­матических и электромеханических прессах с усилием до 50 кН (5 тс); испытания на ползучесть – на рычажных прессах с усилием до 5–10 кН (0,5–1 тс). Прессы должны обеспечивать центрированное приложение к образцу нагрузки, заданное напряжение в течение длительного времени (с точностью не менее 5 %), возможность деформирования образца не менее чем на 20 % от его начальной высоты.

Прессы оборудуются специальными приборами для установки, центрирования и крепления образца, а также измерения его продольной и поперечной деформации. Указанные приборы (рис. 3.3) состоят из основания (10), направляющего приспособления (3), верхнего (4) и нижнего (5) штампов, имеющих углубления на 2,0+0,1 мм, с диаметром, равным диаметру образца (+0,1 мм), подвижного штока (2). При проведении испытаний необходимо обеспечивать неизменное положение оси подвижного штока, через который передается нагрузка на образец (1) в резиновой оболочке (6) от пресса. В качестве устройств для измерения продольной (8) и поперечной (9) деформации могут использоваться индикаторы часового типа, прогибомеры (7), микрометры, электрические датчики перемещения, различные приборы для автоматической записи деформации. Главные требования к этим устройствам – обеспечение измерения деформаций величиной до 20 % от начальной высоты образца с точностью не менее 0,01 мм.

Испытания обычно проводятся на образцах мерзлого грунта цилиндрической формы диаметром (40–71,4) ±0,1 мм и высотой (60–140) ±0,1 мм. Необходимым требованием к размерам образцов является соблюдение отношения высоты к диаметру, равного 1,5–2,0. Следует обращать особое внимание на параллельность торцевых поверхностей образцов, чистоту их обработки и центрирование образцов относительно штампов испытательного прибора. Перед загружением образца измеряют его диаметр и высоту. Нагрузка на образец, помещенный в испытательный прибор на прессе, передается через верхний вертикальный шток.

Одноосное растяжение.Испытания мерзлых пород на растя­жение проводятся с целью определения прочностных свойств мерзлых грунтов на разрыв (условно-мгновенная R0p и предельно-длительная Rp прочности) и деформационных характеристик мерзлых грунтов при растяжении (условно-мгновенный E0p и предельно-длительный Ep модули деформации). Для испытаний используются прессы, позволяющие деформировать и разрушать образцы мерзлого грунта приложением одноосного растягивающего напряжения.

Для испытания мерзлых грунтов на растяжение существуют несколько типов приборов. Прибор, сконструированный на кафедре геокриологии МГУ (рис. 3.4), с помощью гидравлического пресса обеспечивает растяжение и разрушение образцов при быстром загружении. Устройство состоит из двух металлических рам (неподвижной А и подвижной Б) с захватами (2 и 3) для образца. Установка снабжена ограничителями (6 и 7), между которыми устанавливается захват (3). Крепление и регулировка верхнего захвата (2) по высоте осуществляется при помощи винта (4) и гайки (5). Усилие поршня (1), передаваемое на образец через подвижную раму Б, фиксируется с помощью динамометра (8) или манометра, установленного на прессе. Недостатком описанного прибора является эксцентриситет приложения нагрузок на противоположные стороны образца и возникновение крутящих усилий, делающих получаемые результа­ты заниженными.

От указанных недостатков свободна установка конструкции ВОДГЕО, предложенная В.И. Климовым и М.Н. Захаровым (рис. 3.5). Конструкция прибора включает в себя две симметричные полые муфты, нагрузочные и измерительные устройства. Образец грунта (1) помешается между захватами (2 и 3), соединенными с несущими траверсами (4 и 5). По оси траверс расположены шаровые шарниры (6 и 7), соединенные гибкими тросами (8 и 9) с нагрузочным устройством, выполненным в виде системы рычажного типа, неподвижные опорные стойки (10) и опорный столик (11). Для измерения деформации образца используются индикаторы часового типа (12). Конструкция прибора позволяет измерять боковые деформации образца.

Для проведения испытаний мерзлых пород на растяжение используются образцы в форме восьмерок или катушек. К форме и размеру образцов предъявляются следующие требования:

1. длина шейки образца должна быть достаточно большой: чем она длиннее, тем равномернее распределение напряжений по сечению в плоскости разрыва;

2. при испытании образца не должно возникать перекосов, равнодействующая внутренних сил должна совпадать с осью внеш­них растягивающих сил;

3. в местах закрепления образца в приборе концентрация на­пряжении должна быть сведена к минимуму:

4. поверхность образца не должна иметь выколов, надрезов, царапин, резких изменений сечения, являющихся концентраторами напряжений.

Раскалывание.Раскалывание является косвенным методом, позволяющим определить условно-мгновенное сопротивление мерзлых пород разрыву. Сущность метода заключается в раскалы­вании цилиндрических образцов твердомерзлых грунтов по обра­зующей сосредоточенными нагрузками. Метод основан на решении задачи Герца в теории упругости, из которого следует, что растягивающие напряжения, перпендикулярные к плоскости действия внешних сил, имеют постоянную величину и равномерно распределены по диаметру образца. Данный метод называется «бразильским». В настоящее время используются его различные варианты (рис. 3.6).

Цилиндрические образцы, используемые для испытания мерз­лых грунтов на раскалывание, должны иметь высоту 30–60 мм при ее отношении к диаметру, равном 0,7–1,1. Ось образца и лезвия клиньев при испытании должны находиться в одной вертикальной плоскости.

Компрессионные испытания.Компрессионные испытания образцов мерзлых пород проводят в условиях ступенчатого одноосного нагружения без возможности бокового расширения. Основным показателем сжимаемости мерзлых пород является коэффициент сжимаемости d. Его определяют по величинам стабилизированных продольных деформаций сжатия образца, развивающихся под действием ступенчато возрастающей нагрузки.

Для проведения компрессионных испытаний образцов мерз­лых пород применяются стандартный металлический одометр и рычажный пресс на 10–15 кН (1,0–1,5 тс). Рычажный пресс должен обеспечивать центрированную передачу нагрузки на штамп, ее постоянство на каждой ступени и неподвижность рабочего кольца в одометре при испытаниях.

На рис. 3.7 представлен прибор конструкции МГРИ. На чугунном основании (1) помещается база (2) с муфтой (3), соединяющей базу с рабочим цилиндром (4), в который входит поршень (5). Давление на поршень передается через шарик (б) с помощью системы рычагов (7) и тяги (8). Верхний рычаг укреплен на двух ша­риковых подшипниках в обойме (9) и имеет противовес (10). Обойма соединена с основанием прибора винтом (11), регулирующим высоту рычага. Для уравновешивания нижнего рычага служит Уравнительный винт (12) на тяге (8). К основанию прибора при­креплена стойка (13), по которой перемещается держатель (14) ин­дикатора (15). Испытываемый образец (16) закладывается в специальное кольцо, которое ввинчивается в рабочий цилиндр. Снизу и сверху образца помешаются пористые фильтры (17). Для закрепления рычага в определенном положении служит специальный винт (18). Нагрузка на рычаги осуществляется грузом, укладываемым на специальный держатель-подвеску (19). Деформации образца измеряются индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. При испытании малосжимаемых мерзлых пород необходимо повышение точности измерения деформации, что может быть достигнуто применением индикаторов часового типа с ценой деления 0,002 или 0,001 мм (или других устройств с той же или большей точностью измерения деформации).

Для компрессионных испытаний мерзлых пород кроме металлических могут применяться специальные одометры из нетеплопроводных материалов (плексиглас, текстолит и др.). Их целесообразно применять при температурах, близких к 0 °С, при которых сжимаемость мерзлых грунтов весьма чувствительна даже к незначительным (0,1–0,2 °С) колебаниям температуры.

Испытываемые образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 71 мм и отношение высоты к диаметру 1:3,5. При подготовке образцов для компрессионных испытаний должны выполняться общие требования к механическим испытаниям мерзлых грунтов. Особое внимание следует обращать на плотное прилегание боковой поверхности образцов к рабочему кольцу одометра, а также на тщательную обработку торцов и их параллельность.

Вдавливание шарикового штампа.Вдавливание в мерзлый грунт шарикового штампа позволяет определить предельно-длительное значение эквивалентного сцепления сeq. Метод заключается в том, что в грунт под заданной нагрузкой Р вдавливается жесткий штамп шаровой формы и измеряется глубина его погружения в процессе вдавливания.

Одноштоковый шариковый штамп конструкции НИС «Гидропроект» (рис. 3.8) состоит из опорной плиты (1), направляющей стойки (2), консоли (3), передвигающейся по зубчатой рейке (6) с помощью нивелировочного винта (5), и штока, установленного на консоли с помощью направляющей муфты (7). На верхнем конце штока (4) находится площадка (8) для размещения груза (14) и передачи нагрузки на шарико­вый штамп (9). Масса штока уравновешивается пружиной, которая находится в направляющей муфте. Для закрепления штампа используется стопорный винт (10); индикатор для изме­рения деформаций (12) крепится при помощи держателя (11) с винтом (13).

Для определения сил сцепления могут использоваться приборы других модификаций. Ис­пытание шариковым штампом рекомендуется проводить при температуре не ниже минус 5°С на мерзлых глинах, суглинках, супесях и песках, имеющих массивную, тонкослоистую и мелкосетчатую криогенные текстуры при отсутствии в них обломочного материала. Диаметр штампа должен составлять 22+2 мм и быть в 8–10 раз больше среднего размера наибольших макроструктурных элементов мерзлого грунта. Испытания проводят на образцах диаметром не менее 71 мм и при отношении высоты к диаметру 1: 3,5.

Перед опытом прибор устанавливают по уровню, сопротивление пружины компенсируют нагрузкой АР. Поэтому величина нагрузки, действующей на образец в процессе испытания, должна равняться P=Q–AP, где Q – нагрузка на грузовой площадке. Величина АР определяется следующим образом. При открытом стопорном винте штампа ножка индикатора подводится к грузовой площадке. Нагружая грузовую площадку гирями, определяют нагрузку (с точностью до 50 г), при которой начинается движение штока, фиксирующееся по отклонению стрелки индикатора.

Трехосное сжатие. Наиболее достоверную оценку деформационных и прочностных свойств мерзлых пород при сложном напряженном состоянии, развивающемся в массиве пород при воздействии внешних нагрузок, дают испытания на трехосное сжатие. Результатом этих испытаний является определение сцепления, угла внутреннего трения, модуля обшей деформации, коэффициента поперечной деформации, а также параметров, характеризующих реологические свойства мерзлых пород – изменчивость прочности и деформации во времени.

Рис. 3.8. Одноштоковый шариковый штамп конструкции НИС «Гидропроект» [6]

В настоящее время разработан ряд конструкций приборов трехосного сжатия – стабилометров. По характеру приложения нагрузки различают статические и динамические стабилометры, а по принципу работы они подразделяются на разные типы. Схема стабилометра конструкции ПНИИИС представлена на рис. 3.9. Цилиндрический образец мерзлого грунта (1) в тонкой резиновой оболочке (2) устанавливается между верхним и ниж­ним поршнями (3) и помеща­ется в герметически закрытую камеру (6). Поверхности порш­ней, прилегающие к торнам об­разца, имеют перфорацию. Все­стороннее давление на образец передается путем нагнетания в испытательную камеру незамер­зающей жидкости (4), имеющей температуру испытания, через штуцер (7). Осевое давление на образец передается через верти­кальный шток (5) при помощи пресса, благодаря чему создается добавочное давление на торцы образца. При этом можно в зависимости от принятой методики сохранять или снижать боковое давление, поддерживая неизменным вертикальное давление, или менять то и другое в соответствии с заданным режимом. В процессе испыта­ния измеряются осевые и поперечные деформации образца. Стабилометр конструкции ПНИИИС характеризуется тем, что образец всегда находится под действием одинакового всестороннего давления. Осевое давление не может быть меньше бокового. При сжатии образца объем жидкости в камере меняется как в результате вхождения в камеру части штока, так и вследствие изменения объема образца.

Рис. 3.9. Схема стабилометра конструк­ции ПНИИИС [6]

Испытания статическими нагрузками на ползучесть в условиях сложного напряженного состояния проводятся обычно в стабилометрах этого типа. При этом используются образцы мерзлого грунта цилиндрической формы диаметром 40-70 мм и высотой 100-150 мм. Применяется нагрузка, либо неизменная в течение всего процесса деформирования, либо ступенчато возрастающая, нопостоянная на каждой ступени.

Обычно в стабилометрах трехосное сжатие осуществляется всесторонним равномерным деформированием образца при различных величинах гидростатического давления (первая схема) или под воздействием на образец различных комбинаций осевой s1 и боковых s2=s3 нагрузок (вторая схема). Вторая схема используется в двух вариантах:

1) вертикальное (осевое) напряжение s1 ступенчато увеличивается, а радиальное (боковое) s2=s3 поддерживается постоянным;

2) s1 ступенчато увеличивается, тогда как s2=s3 ступенчато уменьшается с сохранением условия:

 

sm= (s1+ s2 + s3)/3 = const.

Первую схему используют для изучения объемных деформаций мерзлого грунта, вторую – для исследования его длительной прочности и деформируемости. При изучении объемных деформаций мерзлого грунта моделируются условия трехосного сжатия элемента грунта в естественном массиве, происходящего под вли­янием гидростатического давления (р=sm=s1=s2 = s3).

Изучение изменения прочности и деформируемости мерзлого грунта во времени (вторая схема) является одним из самых распространенных. Первый вариант этой схемы используют для определения только прочностных показателей грунта, в соответствии с теорией Кулона–Мора, это сцепление – с и угол внутреннего трения – j. Второй вариант схемы применяют для изучения реологических свойств мерзлого грунта в условиях ползучести. При этом основной задачей является установление вида функций, связывающих напряжения, деформации и время.

Сдвиг. Испытание мерзлых пород на сдвиг позволяет определить основные прочностные показатели: прочность (условно-мгновенную R0 и предельно-длительную R), сцепление с и угол внутреннего трения j (как условно-мгновенные с0 и j 0, так и предельно-длительные с и j ).

Испытания обычно проводятся по схеме одноплоскостного среза. Основными узлами прибора являются срезыватель, состоя­щий из верхней и нижней обойм, и устройство для передачи на образец нормальной и сдвиговой нагрузки. Сдвиг осуществляется с помощью срезывателя смешением одной части цилиндрическо­го образца относительно другой при одновременном воздействии нормальной нагрузки. Нормальная нагрузка, как правило, задается через рычажное устройство или динамометр. Сдвиговые деформации измеряются индикаторами часового типа.

Для испытаний мерзлых грунтов на сдвиг чаше применяют приборы конструкции Гидропроекта ГГП-30 и ВСВ, НИИ осно­ваний ПРС, клиновой прибор конструкции ВНИМИ.

Прибор ВСВ (рис. 3.10, а) применяется для кратковременных испытаний мерзлых и оттаивающих пород. Разрушение образца (1), помешенного в рабочее кольцо в приборе ВСВ, осуществляется смешением нижней его части (3) относительно верхней (2) при одновременном действии нормальной нагрузки. Сдвиговое и нор­мальное усилия задаются независимо друг от друга через винтовые устройства (4 и 5) и динамометры (6 и 7).

Для испытания на приборах разных типов используют образцы различных размеров: на ГГП-30 – диаметром 60,5 мм и высотой 50,5 мм, на ВСВ – соответственно 71,4 и 35 мм на клиновом приборе соответственно 71,4 и 100 мм.

а) б) Рис. 3.10. Сдвиговые приборы: а) схема сдвигового прибора ВСВ; б) схема сдвигового прибора ПРС конструкции НИИ оснований [6]

Сдвиг по поверхности смерзания.Испытания мерзлых пород на сдвиг по поверхности смерзания с различными материалами позволяют определять характеристики прочности смерзания – условно-мгновенные, длительные и предельно-длительные значения прочности смерзания Rаf, сцепления caf и коэффициента трения по поверхности смерзания fаf.

Для определения прочности смерзания в лабораторных услови­ях применяются два метода: 1 – испытание в сдвиговых приборах; 2 – продавливание (или выдергивание) моделей фундаментов, смороженных с грунтом.

Для испытания мерзлых грунтов по методу 1 рекомендуется од-ноплоскостной (срезной) прибор ПРС конструкции НИИ основа­ний, разработанный А.В. Садовским и С.Э. Городецким, а также прибор типа ВСВ для кратковременных опытов с пластично-мерз­лыми породами, а для испытания по методу 2 обычно используются приборы Н.А. Цытовича и Е.Ф. Ермакова.

Сдвиговой (срезной) прибор ПРС (рис. 3.10, б) состоит из осно­вания (7), сдвиговой камеры (1) и подвижной каретки (2), пере­мещающейся вдоль направляющей обоймы (3) на стальных ша­риках (6). Приспособление для передачи нормального давления укреплено четырьмя стойками (14) на сдвиговой камере и состоит из боковой упорной плиты (10), винта (11) и динамометра (12, 13). Цилиндрический образец грунта (5), смерзшийся с материа­лом (4), помещается в углубление сдвиговой камеры, во врез в подвижной каретке, который имеет цилиндрическую форму. Нор­мальная нагрузка на образец передается винтом (11) через дина­мометр и боковой штамп (9). Сдвиговая нагрузка прикладывается к образцу с помощью рычажного пресса через верхнюю часть под­вижной каретки. Весь прибор закрепляется на опорной плите (8). Деформация сдвига образца измеряется индикатором часового типа.

Образцы грунта имеют диаметр 71,4 мм и толщину 35 мм. Они смораживаются в специальных формах с цилиндрическими дисками, имеющими диаметр 71,4 мм и толщину 15 мм и выпол­ненными из технического материала (металл, бетон, дерево и др.). Формы изготавливаются из металла (для всестороннего промерза­ния грунта при подготовке образца) или из теплоизолирующего материала (для одностороннего промерзания).

Прибор Н.А. Цытовича (рис. 3.11, а) состоит из цилиндри­ческой емкости, представляющей собой кольцо (1), вставленное в поддон (2). В днище поддона имеется круглое отверстие, пред­назначенное для продавливания цилиндрической стойки из мате­риала фундамента (4). Внутренний диаметр кольца должен быть равен пяти диаметрам стойки. Стойка устанавливается в центре емкости над отверстием в ее днище. Устойчивость и вертикаль­ное положение стойки обеспечивается направляющей трубкой, вмонтированной в центр крестовины, которая накладывается сверху емкости и скрепляется с ней. Отверстие в днище закрыва­ется вкладышем (3).

Прибор Е.Ф. Ермакова (рис. 3.11, б) представляет собой пря­моугольный корпус (1) с прорезью в днище. В прорезь устанавли­вают пластину из материала фундамента (2).

Емкости приборов Н.А. Цытовича и Е.Ф. Ермакова заполня­ют грунтом и проводят замораживание грунта с од­новременным смораживанием его с материалом фундамента в требуемом режиме. Во время испытания сдвиговая нагрузка зада­ется путем передачи вертикального давления на стойку (в приборе Н.А. Цытовича) и пластину (в приборе Е.Ф. Ермакова).

Нормальная нагрузка моделируется давлением на модель фундамента, возника­ющем при замерзании грунта. Недостатком этих приборов являет­ся невозможность задавать нормальную нагрузку, следовательно, и разделять caf и faf [6].