Величины установившегося давления грунта, определенные путем замера
Схема прибора, использованного для замера величины бокового давления грунта, показана на рис. 10.6. Этот прибор дает возможность подвергать испытанию образец грунта цилиндрической формы диаметром 1 фут и высотой 1,5 фута путем приложения сверху нормального усилия определенной величины и измерения с малым шагом по всей высоте соответствующего бокового давления и перемещения в боковых направлениях. Из-за своего размера этот прибор для испытания монолитов естественного грунта с ненарушенной структурой непригоден.
Прибор представляет собой цилиндр с толстыми стенками, разрезанный по вертикали пополам. Левая половина, показанная на рис. 10.6, представлена сверху донизу сплошной стенкой, а правая состоит из расположенных горизонтально друг над другом 12 полуколец. Полукольца установлены на шарикоподшипниках, так что каждое из них может откатываться от сплошной стенки. Торцы полуколец соединены со сплошной половиной прибора при помощи динамометров, на которых установлены электротензометры SR-4, позволяющие тем самым определять полное боковое давление Fh на каждое полукольцо высотой h=1,5". Из соотношения phDh=2Fh можно затем вычислить боковое давление грунта σ3=ph, действующее на каждое полукольцо. Внешние смещения полуколец измеряются с помощью мессур.
Нормальное вертикальное давление σ1=pv прикладывается к верху образца грунта за счет давления воздуха, передаваемого на грунт через резиновую мембрану, форма которой может быть приноровлена к контурам поверхности грунта. Эта методика обеспечивает отсутствие по верхней поверхности грунта каких-либо касательных напряжений при приложении к грунту вертикальной нагрузки и наличии тенденции к расширению грунта в боковых направлениях.
Вертикальная осадка образца грунта определяется с помощью ряда измерительных стержней, установленных на резиновой мембране по контакту с поверхностью грунта.
Внутренняя поверхность камеры, заключающей образец, покрыта пористым бетоном, чтобы обеспечить возможность отвода из образца воды.
В начале испытания образец грунта может быть подвергнут уплотнению в течение необходимого времени при любой желаемой нагрузке вплоть до 3 т/фут2. В этот период консолидации грунта изменение бокового давления на различной высоте образца может определяться по изменениям показаний динамометров.
Для каждого полукольца на каждом этапе испытания можно вычислить значение K=ph/pv; при этом предполагается, что вертикальное давление pv по всей высоте образца остается постоянным. Как будет показано далее, это предположение совершенно неправильно, и его придерживаются лишь в целях удобства выражения результатов испытания и их общей оценки, так как пока еще нет возможности точно измерить действительное изменение вертикального давления pv по высоте испытуемого образца.
Считается, что боковое давление на верхнее подвижное полукольцо прибора близко соответствует давлению грунта в состоянии покоя, возникающему внутри его массива, так как на него не оказывает влияние
трение вдоль верхней границы грунта, когда для передачи вертикального давления используется резиновая мембрана. Трение вдоль стенок верхнего кольца также незначительно, так как отношение высоты полукольца (1,5") к его диаметру (12") равно 1:8. Значительная высота образца грунта (16") от верхнего кольца до нижней жесткой базы прибора уменьшает сдерживающее влияние этой базы на величину развивающегося бокового давления. Под «верхним активным кольцом» подразумевают кольцо, которое находится сверху тотчас же под резиновой мембраной и, следовательно, не подвергается непосредственному боковому давлению воздуха. Таким образом, для условий, показанных на рис. 10.6, верхним активным кольцом будет считаться второе кольцо сверху. Расположенное над ним небольшое тарелкообразное углубление в поверхности грунта, по-видимому, не будет оказывать влияния на результаты, так как контрольные испытания, выполненные при обратной кривизне поверхности грунта, искусственно созданной до начала эксперимента, дало идентичную величину бокового давления.
На рис. 10.7 приводятся результаты такого испытания с песком. Следует заметить, что величина Kn для верхнего активного кольца весьма близка к 0,5. На рис. 10.8 для верхнего активного кольца приводятся изменения величины Kn во времени в период консолидации образца «голубой» глины с нарушенной структурой, которая имела предел текучести wL = 43% и число пластичности Ip = 18%. Глина помещалась в прибор после тщательного перемятая при добавлении воды. Из рис. 10.8 видно, что непосредственно после приложения вертикальной нагрузки к полностью насыщенному образцу, находящемуся до этого в ненапряженном состоянии, отношение вертикального давления к боковому Kn, как показали измерения на верхнем активном кольце, было почти равно единице (через 10 мин после приложения вертикальной нагрузки Kn=0,97). В процессе испытания и развития консолидации величина Kn уменьшалась до тех пор, пока окончательно не стабилизировалась при Kn=0,5. Общий вид кривой зависимости Kn от времени оказался даже более близок к типичной кривой консолидации во времени, чем кривая, показанная на рис. 10.8 для проведенного отдельно компрессионного испытания того же грунта, которая отражает влияние вторичных эффектов времени. Отсюда следует, что уменьшение бокового давления в процессе консолидации, начиная от условия полного подобия гидростатическому давлению (Kn = 1) до названного Чеботаревым консолидированно-равновесного состояния (Kn равно приблизительно 0,5), происходит в результате рассеяния избыточного порового давления и передачи всей вертикальной нагрузки от воды, заполняющей поры глины, на скелет грунта.
Подобные результаты были получены при испытаниях пылеватой глины с пределом текучести wL=30% и числом пластичности Ip=7%. После завершения консолидации, а также при консолидированно-равновесном состоянии коэффициент Kn нейтрального давления, или бокового давления грунта в состоянии покоя, был получен приблизительно (с отклонением ±10%) равным 0,5. Почти идентичные величины были получены на той же пылеватой глине в период крупномасштабных модельных испытаний по определению бокового давления грунта на гибкие подпорные стенки.