Прочность грунта на растяжение (одноосное растяжение)

Главная > Часто задаваемые вопросы > Свойства грунтов > Механические свойства грунтов > Прочность грунта > Прочность грунта на растяжение (одноосное растяжение)

Прочность грунтов на растяжение (σр) определяется максимальным напряжением, которое приводит к разрыву породы. Показатель измеряется в МПа (мегапаскалях). Он актуален только для грунтов, чей предел сопротивления растяжению превышает 0,5 МПа. К ним относятся скальные и связные дисперсные типы.

Прочность на растяжение всегда ниже, чем на сжатие. Это связано с тем, что при растягивающей нагрузке связи между минералами грунта, частицами и агрегатами быстрее разрушаются, нет этапа их восстановления.

Силой, вызывающей растяжение, часто выступает гравитация. Она вызывает оползни в горах и на холмах, разрушение откосов, провалы подземных выработок. Деформации растяжения могут возникать под воздействием горизонтальных потоков воды и воздуха.

Прочность растяжения важно определять в следующих ситуациях:

• При расчетах крутизны откосов
• Во время планировки креплений в подземных выработках
• При строительстве плотин
• При строительстве зданий на склонах
• Для защиты грунтов от ветровой и водной эрозии

Дальше мы рассмотрим методы лабораторного определения прочности грунтов на растяжение.

Определение прочности грунта на растяжение

Для испытания грунта на растяжение применяется несколько методов:

• Определение цилиндрических и призматических образцов прямым растяжением
• Разрушение цилиндрических образцов сжатием
• Разрушение образцов произвольной формы встречными сферическими инденторами
• Комплексное определение пределов прочности при одноосном сжатии и растяжении

Методы прописаны в ГОСТ 21153.3-85. Детальное описание каждого из них вы найдете в продолжении статьи.

Определение цилиндрических и призматических образцов прямым растяжением

Метод предназначен для испытания прочности грунта в поперечном сечении. Ось растяжения задается в определенном направлении с учетом слоистости образца. Для испытаний отбираются пробы весом не менее 200 г и с размерами 30х30х10 мм. Также необходимо сразу же определить их естественную влажность.

Для проведения опыта понадобятся:

• Шлифовальный станок для изготовления пробы скального грунта цилиндрической или призматической формы
• Пресс либо испытательная машина, с помощью которой можно создавать давление на 20-30% большее, чем максимальное, для испытуемого образца
• Нагрузочное устройство для растягивания образца, которое не будет вызывать изгиб или кручение
• Клейкое вещество, с помощью которого проба грунта крепится к устройству

Для опыта вырезают образец цилиндрической или кубической формы.

Его размеры:

• Диаметр цилиндра — 30-60 мм (оптимальный — 38-42 мм)
• Сторона квадрата призмы — 20-60 мм (оптимальная — 39-41 мм)
• Соотношение между диаметром (стороной квадрата) и высотой — 1:2

Диаметр и сторону квадрата измеряют штангенциркулем в трех местах. Разница между размерами не должна превышать 0,5 мм. Стороны делают прямыми, с погрешностью не более 0,5 мм. Изготавливают 6 проб для испытаний. Разница между их размерами не должна превышать 0,2 мм.

Порядок проведения испытания:

1. Образец приклеивают к обоймам нагрузочного устройства, проводят его отцентровку.
2. Когда клей затвердеет, образец помещают в испытательную машину. Его нагружают со скоростью 1-5 МПа/с.
3. Затем в журнал записывают силу растяжения, при которой образец разрушается. Она фиксируется в кН (килоньютонах) на измерительном приборе испытательной машины.

Предел прочности при одноосном (σрⁿᵖ) растяжении вычисляют по формуле:

Испытание повторяют на трех образцах. Затем вычисляют среднее арифметическое значение прочности, квадратическое отклонение и коэффициент вариации. Отклонения в показателях не должны превышать 0,01 МПа. Коэффициент вариации должен быть в пределах 1%.

Разрушение цилиндрических образцов сжатием

Метод используется при массовом испытании горных пород и грунтов. Цилиндрические образцы разрушают встречными плитами или клиньями в заданных плоскостях относительно их слоистости. Требования к пробам для опытов такие же, как и в предыдущем случае.

Для проведения испытаний понадобятся:

• Шлифовальный станок для подготовки образца к испытаниям
• Прессовальная машина
• Стальные плиты толщиной от 0,3 диаметра образца или клинья стальные с радиусом закругления 4-6 мм

Длина клиньев и плит должна на 3-5 мм превышать диаметр пробы грунта. Если в прессовальной машине нет верхней подвесной сферической плиты, используют сегментный цилиндрический шарнир. Его помещают между основанием машины и клином (стальной плитой).

Перед началом испытаний подготавливают цилиндрические или призматические образцы с такими размерами:

• Диаметр цилиндра — 30-60 мм (оптимальный 40-44 мм)
• Сторона призмы — 20-60 мм (оптимальная — 39-41 мм)
• Соотношение диаметра и высоты — 2:1 (оптимальное 1:1)

Готовят 6 образцов одинакового размера. Допускаются отклонения по диаметру и высоте не более 1 мм. На них карандашом обозначают линии предполагаемых разрывов.

Порядок проведения испытания:

1. Пробу грунта устанавливают на опору прессовальной машины между плитами или клиньями.
2. Линии предполагаемого раскола должны находиться в одной плоскости с плитами либо клиньями.
3. Образец нагружают, увеличивая давление на него со скоростью 1-5 МПа/с.

Показатель прочности вычисляют по той же формуле, что и в предыдущем испытании.

Разрушение образцов произвольной формы встречными сферическими инденторами

Сферический индентор — это наконечник прибора для испытания прочности материала соответствующей формы. Его изготавливают из стали. Метод предназначен для определения прочности при растяжении грунта в направлении, наиболее склонном к разрыву. Его также используют для исследовательских и массовых испытаний горных пород в лабораторных и полевых условиях.

Пробу для опыта готовят таким же методом, как и в предыдущих случаях. Площадь предполагаемого раскола должна быть не менее 3 см и не более 100 см, высота образца — от 10 мм. Количество образцов правильной формы — 6, неправильной — 10.

Для исследования понадобятся следующие инструменты:

• Пресс или специальная машина для испытаний
• Устройство со сферическими стальными инденторами диаметром 15 мм
• Лист клетчатой бумаги с масштабом и координатами для нанесения очертаний разрыва грунта

Перед началом опыта карандашом обозначают точки приложения инденторов. Нагрузка должна быть ориентирована по заданному направлению относительно слоистости грунта.

Порядок проведения испытания:

1. Сначала образцы грунта устанавливают между инденторами с учетом слоистости (параллельно или перпендикулярно слоям)
2. Нагрузку увеличивают со скоростью 0,1-0,5 кН/с до тех пор, пока образец не расколется на 2 части
3. Затем определяют площадь поверхности раскола

Результат вычисляют по формуле:

Таблицу показателей масштабного коэффициента при разной площади разрыва вы найдете ниже.

Площадь раскола пробы с неправильной формой высчитывают с точностью до 1 мм, правильной — до 0,1 мм. Результаты можно округлить до 1 мм.

В отличие от первых двух методов, при разрушении образцов произвольной формы не требуется их предварительная подготовка. Это значительно ускоряет работу. Не требуется оборудовать дополнительную площадь для обработки породы, устанавливать лишнее оборудование, обеспечивать безопасные условия труда, очищать рабочее помещение от пыли и мусора. Поэтому метод является одним из самых популярных и экономически оправданных.

Комплексное определение пределов прочности при одноосном сжатии и растяжении

При использовании этой методики прочность на растяжение определяют путем многократного раскалывания плоских образцов грунта или брусков в прессовальной машине. Нагрузку направляют с учетом слоистости. Показателем прочности считается сила, которую нужно приложить для разрушения пробы.

Для опыта берут образцы грунта следующего размера:

• Поперечные размеры или диаметр — 60 мм (допускается 40 мм)
• Толщина — 19-21 мм (допускается 20-30 мм)

Боковые поверхности должны быть параллельны друг другу. На одну из сторон карандашом наносят сетку из мелких квадратов. Образцы в форме диска делят на 4 части перпендикулярными диаметрами.

После того, как проба готова, переходят к испытаниям. Их проводят двумя способами — сначала раскалыванием, затем сжатием.

Порядок проведения испытания раскалыванием:

1. Грунт помещают между клиньями. Лезвие клина должно совпадать с одной из линий сетки.
2. На пробу оказывают давление со скоростью 1-5 МПа/с. После раскола клинья переставляют на новую линию сетки. После завершения испытания должно получиться несколько кубиков. Если образец имеет форму диска, его раскалывают по перпендикулярным друг к другу диаметрам.
3. После каждого раскалывания в журнал записывают силу нагрузки в кН, измеряют штангенциркулем и записывают длину раскола (с точностью до 0,05 см). В расчетах учитывают только те опыты, в которых длина линии раскола получилась больше 20 мм.

Предел прочности (σрᵏ) рассчитывают по формуле:

Порядок проведения испытания сжатием:

1. Кубовидные частицы грунта, образовавшиеся при раскалывании, ставят под пресс.
2. Грунт нагружают со скоростью 1-5 МПа/с до его разрушения.

Вычисляют результат по формуле:

Особенности прочности на растяжение разных типов грунтов

В этой части статьи мы рассмотрим, от чего зависит и как отличается прочность при растяжении у разных типов грунтов.

Мы опишем особенности следующих материалов:

• Скальных
• Связных дисперсных
• Мерзлых

Прочность на растяжение скальных грунтов

При растяжении скального грунта в нем сначала возникают упругие деформации. После увеличения нагрузки они становятся необратимыми. Материал раскалывается с образованием неровного шероховатого раскола. Такой тип разрушения называется хрупким.

Прочность при растяжении зависит от:

• Структуры грунта
• Дисперсности
• Выветрелости
• Наличия дефектов
• Влажности

Детальнее об этих факторах вы можете прочитать в наших статьях Прочность грунта и Прочность грунта на сжатие.

Большее сопротивление оказывают магматические и метаморфические грунты с кристаллизационными связями. Это прочные связи между молекулами минералов породы, образующими кристаллические решетки разной формы.

Осадочные разновидности более слабые из-за преобладания смешанных связей (цементационных и коагуляционных). Цементационные образуются за счет соединения отдельных частиц глиной, известняком, кремнием оксидами железа. Коагуляционные формируются слабыми контактами между отдельными молекулами, которые ослабевают и разрушаются под воздействием воды.

Прочность мелкозернистых и мелкокристаллических грунтов больше, чем у крупнокристаллических и крупнозернистых. Показатель всегда выше при растягивании вдоль слоистости. Это обусловлено тем, что связи внутри слоев прочнее, чем между ними.

В таблице ниже дана прочность на растяжение некоторых видов скальных грунтов.

У одного и того же типа грунтов прочность на растяжение может меняться в зависимости от степени выветрелости, трещиноватости и наличия крупных пор.

Кроме особенностей самого грунта на прочность при растяжении влияют и внешние факторы:

• Влажность

  При повышении этого показателя прочность уменьшается.

• Состав поровой жидкости

  Прочность на растяжение падает при высоком содержании сульфатов, карбонатов и гидрокарбонатов.

Прочность на растяжение связных дисперсных грунтов

У дисперсных грунтов прочность на растяжение зависит от типа внутренних связей и консистенции. Литифицированные (окаменевшие) разновидности с кристаллическими связями значительно дольше сопротивляются разрыву, чем грунты с цементационными и коагуляционными контактами между частицами. Прочность выше у глинистых грунтов, чем у пылеватых. Она снижается при появлении примесей песка.

Самый высокий показатель прочности у грунтов твердой консистенции. У них возникают как упругие, так и пластические деформации. Разрушение образцов идет по хрупкому типу.

У грунтов пластичной консистенции показатель падает в 10-20 раз. При нагрузке преобладают пластичные деформации. Это связано с ослаблением связей между частицами за счет образования водной пленки, разрушения цементирующего вещества и кристаллической решетки.

Прочность на растяжение мерзлых грунтов

Прочность на растяжение мерзлых грунтов обеспечивается криогенными связями. Они образуются за счет сцепления кристаллов льда с породой. Сопротивляться разрыву могут даже крупнообломочные и песчаные разновидности с высокой льдистостью.

На прочность мерзлых грунтов влияют такие фактор

• Количество льда

  Чем выше оледенение грунта, тем он прочнее.

• Тип включений

  Прочность на растяжение выше у грунтов с ледяными прослойками и глыбами, чем с мелкими ледяными включениями в порах

• Форма включений

  Если кристаллы льда неправильной формы проникают в грунтовые поры, они лучше скрепляют частицы между собой.

• Тип грунта

  Глинистые мерзлые грунты имеют более высокую сопротивляемость растяжению, чем крупнообломочные или песчаные. Это обусловлено дополнительными цементирующими и коагуляционными связями между мелкими частицами. У торфа неразложившиеся остатки растений играют роль своеобразной арматуры, что значительно повышает его прочность на растяжение.

• Засоленность

  При высоком содержании солей падает температура замерзания воды, снижается льдистость грунта, а значит и его прочность.

• Температура

  При снижении температуры прочность на растяжение возрастает, а при ее повышении падает.

После оттаивания льда прочность на разрыв мерзлых грунтов резко падает. У песка или крупнообломочного грунта она приближается к нулю.

Растяжение грунта чаще всего происходит под влиянием гравитации, воздействием водных и воздушных потоков. Поэтому показатель важно знать при создании креплений подземных выработок, возведении дамб и плотин, изучении эрозии плодородных почв. В частном строительстве его часто игнорируют. Но при планировке зданий на склоне и обустройстве подвальных помещений этот показатель лучше определить.