ГРУНТЫ

Метод определения сопротивления сдвигу
оттаивающих грунтов

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН Научно-исследовательским, проектно-изыскательским и конструкторско-технологическим институтом оснований и подземных сооружений НИИОСП им Н.М. Герсеванова - филиалом Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский центр «Строительство» (ФГУП «НИЦ» «Строительство»)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2009 г. № 892-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Содержание

ГОСТ Р 53582-2009

ГРУНТЫ

Метод определения сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов

Soils. Method for determination of thawing soil shear resistance

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает метод лабораторного определения сопротивления сдвигу оттаивающих глинистых, органоминеральных грунтов, а также мелких и пылеватых песков для оценки устойчивости склонов и откосов при строительстве в районах распространения многолетнемерзлых и сезонномерзлых грунтов.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 5180-84 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик

ГОСТ 12071-2000 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов

ГОСТ 12248-96 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости

ГОСТ 12536-79 Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава

ГОСТ 20522-96 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний

ГОСТ 24847-81 Грунты. Методы определения глубины сезонного промерзания

ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация

ГОСТ 30416-96 Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте использованы термины по ГОСТ 25100, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 оттаивающий грунт: Грунт, в котором при переходе из мерзлого состояния в талое разрушаются криогенные структурные связи.

3.2 граница оттаивания (нулевая изотерма): Граница раздела оттаивающего и мерзлого грунта, движущаяся сверху вниз в процессе оттаивания.

3.3 приконтактный слой грунта: Тонкий (2-4 мм) слой оттаивающего грунта вблизи границы оттаивания, имеющий наибольшие разрыхленность, водопроницаемость, влажность и поровое давление.

3.4 оттаявший грунт: Грунт, в котором восстанавливается структура, уменьшаются разрыхленность, водопроницаемость, влажность и поровое давление (расположен выше приконтактного слоя).

4 Общие положения

4.1 Настоящий стандарт устанавливает метод лабораторного определения сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов.

4.2 Для испытаний используются образцы мерзлого грунта ненарушенного и нарушенного сложения в зависимости от свойств грунта и целевого назначения определения характеристик грунта. Образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения должны сохранять форму, природную температуру, влажность и льдистость.

4.3 Горные выработки для отбора образцов мерзлого грунта ненарушенного сложения необходимо проходить без предварительного протаивания грунта, с сохранением плотности, влажности и криогенной структуры.

4.4 Образцы мерзлого грунта необходимо отбирать при отрицательной температуре окружающего воздуха, в теплое время года - при условии их немедленной теплоизоляции и доставки в хранилище с отрицательной температурой воздуха. Бурение скважин допускается вести без применения жидкости, с продувкой воздухом, охлажденным до отрицательной температуры (см. ГОСТ 12071).

4.5 Образцы грунта нарушенного сложения (с заданными физическими свойствами) должны замораживаться в холодильных камерах при заданной температуре в специальных формах из нетеплопроводного материала, обеспечивающих требуемое направление теплопотока и формирование криогенной текстуры грунта.

4.6 Общие требования к лабораторным испытаниям грунтов, оборудованию и приборам, лабораторным помещениям, способы изготовления образцов для испытаний приведены в ГОСТ 30416 и ГОСТ 12248.

4.7 Для испытываемых грунтов должны быть определены следующие физические характеристики по ГОСТ 5180: суммарная влажность для мерзлого грунта, плотность, плотность частиц, влажность на границе текучести и раскатывания, влажность оттаивающего грунта на контакте с мерзлым грунтом, гранулометрический и микроагрегатный составы грунтов по ГОСТ 12536, а также должны быть вычислены коэффициент пористости, степень заполнения объема пор льдом и незамерзшей водой, число пластичности и показатель текучести для оттаивающего грунта.

4.8 В процессе испытаний грунтов ведут журнал по форме, приведенной в приложении А.

5 Сущность метода

5.1 Испытания оттаивающего грунта методом одноплоскостного среза по поверхности мерзлого грунта проводят для определения следующих характеристик: сопротивления грунта срезу т, угла внутреннего трения φ, удельного сцепления с оттаивающих грунтов.

5.2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов мерзлого грунта нарушенного и ненарушенного сложения в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига касательной нагрузкой оттаивающего образца относительно другой его части - мерзлого образца.

5.3 Оттаивание образцов мерзлого грунта нарушенного и ненарушенного сложения проводится сверху вниз. Сдвиг проводится на контакте оттаивающего грунта с мерзлым слоем («приконтактный слой»).

5.4 Сопротивление грунта сдвигу определяют как предельное среднее касательное напряжение, при котором образец оттаивающего грунта сдвигается по фиксированной плоскости, проходящей на 2-4 мм выше поверхности мерзлого грунта при заданном нормальном напряжении. Для определения значений φ и с необходимо провести не менее трех испытаний при различных значениях нормального напряжения.

5.5 Испытания проводят по схеме быстрого недренированного испытания - сдвига глинистых, органоминеральных грунтов, а также мелких и пылеватых песков.

Для испытаний используют образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения с природной плотностью и влажностью - льдистостью или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности. Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой 0,6-0,7 диаметра.

Примечание - По специальному заданию могут применяться другие методы оттаивания грунта и конструкции приборов, обеспечивающие моделирование процесса промерзания - оттаивания и нагружения грунта.

6 Оборудование и приборы

6.1 Все операции по изготовлению, подготовке и испытанию образцов мерзлого грунта следует выполнять в помещениях с постоянной отрицательной температурой (холодильных камерах или подземных лабораториях, расположенных в толще вечномерзлых грунтов), которая должна обеспечивать сохранность мерзлого состояния грунта, недопущение сколов и других нарушений поверхности в процессе обработки. Температура воздуха в помещении для подготовки образцов ненарушенного сложения и изготовления образцов нарушенного сложения должна приниматься в соответствии с техническим заданием или моделированием природного состояния.

6.2 Измерения, контроль и запись значений температуры в холодильных камерах осуществляется автоматически или с помощью термодатчиков, заленивленных термометров и термографов. Монолиты, проботборники, ножи, кольца, приборы, эксикаторы должны постоянно находиться в помещении для приготовления и подготовки образцов или выдерживаться до начала работ не менее двух часов в помещении с отрицательной температурой.

6.3 В состав установки для испытаний оттаивающего грунта методом одноплоскостного сдвига по поверхности мерзлого грунта должны входить:

- срезной прибор с фиксированной плоскостью среза, состоящий из подвижной и неподвижной частей, включающих в себя рабочие кольца с внутренними размерами не менее 70 мм;

- жесткий тепловой штамп с регулируемой постоянной температурой;

- устройство для создания и регулирования температуры теплового штампа;

- датчики (щупы и др.) для контроля границы раздела оттаивающего и мерзлого грунта;

- механизм для вертикального нагружения образца;

- механизм для создания касательной нагрузки;

- устройства для измерения вертикальных и горизонтальных деформаций образца;

- комплект оборудования для изготовления и подготовки образцов мерзлого грунта к лабораторным испытаниям на сдвиг оттаивающих грунтов.

Принципиальная схема установки для определения сопротивления сдвигу оттаивающего грунта на контакте с мерзлым грунтом приведена в приложении Б.

6.4 В комплект оборудования для подготовки образцов мерзлого грунта к лабораторным испытаниям на сдвиг оттаивающих грунтов должны входить:

- винтовой пресс-станок;

- кольца-пробоотборники из нержавеющей стали с режущим краем, заостренным под углом 45°, внутренним диаметром, соответствующим диаметру образца грунта и высотой, на 5 мм превышающей высоту образца, предназначенного для испытаний;

- выталкиватель диаметром, равным диаметру образца грунта;

- пила (по дереву и металлу);

- нож из нержавеющей стали с прямым лезвием;

- эксикатор (со льдом или снегом на дне);

- технические весы;

- изопаролента (или полиэтиленовая пленка, пакеты).

6.5 В комплект оборудования для изготовления образцов мерзлого грунта нарушенного сложения дополнительно к 6.4 должны входить:

- формы для замораживания грунта;

- уплотнитель.

6.6 Формы, в которых проводится замораживание грунта, должны быть изготовлены из нетеплопроводного материала (органическое стекло и др.) со стенками толщиной не менее 20 мм и обеспечивать возможность промораживания в заданном направлении, а также исключать возможность отжатия воды или утечки ее из грунта во время промораживания.

Схема формы для приготовления образца мерзлого грунта нарушенной структуры приведена в приложении В.

Примечание - Для исключения радиального оттаивания изготавливаются рабочие кольца из нетеплопроводного материала или штамп, диаметр которого на 2 мм меньше диаметра рабочего кольца.

7 Подготовка образцов грунта к испытанию

7.1 Образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения с природной влажностью и льдистостью вырезают из монолита или керна так, чтобы при последующем испытании он имел по отношению к нагрузке ориентировку, соответствующую природному залеганию.

7.2 При изготовлении образцов грунта из монолита предварительно выпиливают заготовки в виде призм, размеры основания и высота которых должны на 2-3 см превышать заданные размеры образцов.

7.3 Перед изготовлением образцов мерзлого грунта кольца-пробоотборники нумеруют, взвешивают, измеряют их высоту и внутренний диаметр. Кольцо-пробоотборник смазывают с внутренней стороны тонким слоем технического вазелина и устанавливают режущим краем на зачищенную поверхность основания призмы (или керна). Кольцо-пробоотборник одновременно может служить рабочим кольцом.

7.4 При помощи пресса кольцо-пробоотборник слегка вдавливают в мерзлый грунт и острым ножом начинают срезать грунт. Постепенно надвигают кольцо на образующийся грунтовый цилиндр до полного его заполнения. Штангенциркулем измеряют высоту образца не менее чем в четырех различных точках, расположенных по диаметру образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях, проверяют взаимную параллельность оснований образца с погрешностью 0,1 мм. Из кольца-пробоотборника образец грунта перемещают в рабочие кольца. Образец грунта вместе с рабочим кольцом взвешивают с погрешностью не более 0,01 г.

7.5 Для испытуемых образцов грунта дополнительно к физическим характеристикам, указанным в 4.7, должны быть определены тип криогенной текстуры и льдистость по ГОСТ 25100.

7.6 Образцы грунта нарушенного сложения изготавливают из талого грунта заданного состава, влажности и плотности. Требуемая плотность достигается уплотнением грунта при заполнении рабочих колец. Между рабочими кольцами помещают прокладки для создания зазора между кольцами.

7.7 Замораживание грунта проводят в специальных формах из оргстекла, крышку формы устанавливают в зависимости от заданных условий промораживания: при помещении крышки снизу - промораживание сверху; при помещении крышки сверху - промораживание снизу. Форму с образцом помещают в помещение или холодильный шкаф с заданной отрицательной температурой воздуха.

7.8 Во время замораживания измеряют температуру контрольного образца грунта, в который помещают термодатчик. Промораживание заканчивают, когда температура контрольного образца достигнет заданного значения. После этого образец извлекают из формы, герметизируют и сохраняют в эксикаторах (со льдом или снегом) до испытаний. Время хранения - не более пяти суток.

7.9 До начала проведения испытаний необходимо провести тарировку приборов.

8 Проведение испытания

8.1 Образец грунта в рабочих кольцах помещают в сдвиговый прибор. На образец грунта ставят тепловой штамп и центрируют его.

8.2 Температура в тепловом штампе создается и регулируется с помощью ультратермостата (циркуляция антифриза или другой незамерзающей жидкости) или других нагревающих устройств. Температура на нижней поверхности штампа не должна превышать 50 °С.

8.3 Проводят регулировку механизма нагрузки. Закрепляют устройства для измерения вертикальных и горизонтальных деформаций, записывают время начала испытаний и начальные показания приборов. На образец грунта передают нормальное давление р, при котором будет проводиться сдвиг образца. Значение р принимают по таблице 1.

Таблица 1 - Нормальное давление на образец грунта с учетом консистенции и водонасыщения

8.4 Время (скорость) оттаивания зависит от размеров образца, состава, плотности и влажности грунта. В процессе оттаивания с помощью щупа (термодатчиков и др.) контролируют температуру грунта в зоне сдвига, т. е. на границе раздела оттаивающего и мерзлого грунта, которая должна быть расположена на 1-3 мм ниже верхней части рабочего кольца в подвижной обойме (см. приложение Б). Устанавливают зазор 2 мм между подвижной и неподвижной частями срезной коробки.

8.5 Приводят в действие механизм для создания касательной нагрузки и проводят срез образца грунта не более чем за 2 мин с момента приложения нагрузки.

При передаче касательной нагрузки ступенями их значения не должны превышать 10 % значения нормального давления, при котором проводится срез, и приложение ступеней нагрузки должно следовать через каждые 10-15 с.

При передаче непрерывно возрастающей касательной нагрузки скорость среза принимают в интервале 2-3 мм/мин так, чтобы срез проходил в течение указанного времени.

8.6 Испытание следует считать законченным, если при приложении очередной ступени касательной нагрузки происходит мгновенный срез (срыв) одной части образца по отношению к другой или общая деформация среза превысит 5 мм.

При проведении среза с постоянной скоростью за окончание испытаний принимают момент, когда срезающая нагрузка достигнет максимального значения, после чего будет наблюдаться некоторое ее снижение или установление постоянного значения, или общая деформация среза превысит 5 мм.

8.7 После окончания испытания следует разгрузить образец, извлечь рабочее кольцо с образцом из прибора и отобрать пробы для определения влажности из зоны среза образца.

В процессе испытания ведут журнал, форма которого приведена в приложении А.

9 Обработка результатов

9.1 По измеренным в процессе испытания значениям касательной и нормальной нагрузок вычисляют касательные и нормальные напряжения τ и σ, МПа, по формулам:

                                                                                                                         (9.1)

                                                                                                                        (9.2)

где Q и F - касательная и нормальная силы к плоскости среза, кН;

А - площадь среза, см².

Определение τ необходимо проводить не менее чем при трех различных значениях р.

Из каждого значения τ вычитают поправку за счет трения в приборе по заранее построенной тарировочной кривой. При фиксации хода испытаний автоматическими приборами в полученную диаграмму среза также вносят поправку за счет трения в приборе.

По измеренным в процессе испытания значениям деформации среза Δl, соответствующим различным напряжениям τ, строят график зависимости Δl = f (τ) (см. приложение Г).

За сопротивление грунта сдвигу принимают максимальное значение τ, полученное по графику Δl = f(τ) или по диаграмме среза на отрезке Δl, не превышающее 5 мм.

Если значение τ возрастает постепенно, то за сопротивление грунта сдвигу следует принимать τ при Δl = 5 мм.

9.2 Угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с оттаивающего грунта определяют как параметры линейной зависимости

τ = σ tg φ + с.

Угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с, МПа, вычисляют по формулам в соответствии с ГОСТ 20522:

                                                                                        (9.3)

                                                                                  (9.4)

где τ_i - опытные значения сопротивления сдвигу оттаивающего грунта, определенные при различных значениях σ_i - и относящиеся к одному инженерно-геологическому элементу или отдельному монолиту грунта (при n ≥ 3);

n - число испытаний.

Примечание - Для оценки разброса экспериментальных данных и выявления ошибок испытаний перед вычислением значений tg φ и с строят график зависимости τ = f(σ) (см. приложение Г).

Приложение А
(рекомендуемое)

ЖУРНАЛ
испытаний для определения сопротивления оттаивающего грунта сдвигу

Приложение Б
(рекомендуемое)

Принципиальная схема установки для определения сопротивления сдвигу оттаивающего грунта на контакте с мерзлым грунтом

1- индикатор часового типа для измерений деформаций сдвига; 2 - подвижная обойма; 3 - неподвижная обойма; 4 - устройство для создания и регулирования температуры теплового штампа; 5 - индикаторы часового типа для измерения деформации осадки; 6 - вертикальная нагрузка; 7 - тепловой штамп; 8 - оттаявший грунт; 9 - плоскость среза; 10 - приконтактный слой (оттаивающий грунт); 11 - граница раздела оттаивающего и мерзлого грунта; 12 - мерзлый грунт; Р - сдвигающая нагрузка

Рисунок Б.1

Приложение В
(рекомендуемое)

Схема формы для приготовления образца мерзлого грунта нарушенной структуры

1 - рабочее кольцо; 2 - грунт; 3 - крышка формы; 4 - защитное кольцо формы; 5 - кольцевая прокладка; 6 - опорное кольцо формы; 7 - диск-вкладыш

Рисунок В.1

Приложение Г
(рекомендуемое)

Образец графического оформления результатов испытания оттаивающего грунта методом одноплоскостного сдвига

Рисунок Г.1

Ключевые слова: метод лабораторного определения сопротивления сдвигу, оттаивающий грунт, приконтактный слой