Наиболее точно модуль упругости грунта или материала устанавливают на однородной полупространственной конструкции, устроенной путем послойной укладки и уплотнения грунта или материалов при общей толщине не менее 4D. В этом случае модуль упругости вычисляют непосредственно по результатам испытания.
Модули упругости материалов слоев основания меньшей толщины определяют по результатам послойных штамповых испытаний. При испытании штампом, установленным на поверхности испытуемого слоя, определяют общий модуль Еобщ упругости конструкции, а при установке штампа на нижележащие слои Е2, затем по номограммам (рис. 29 и 30) рассчитывают модуль упругости испытуемого слоя.
Послойно следует испытывать конструкции с основанием, имеющим не больше двух слоев.
Грунты и слои одежды в испытуемой конструкции должны быть уложены в соответствии с действующими правилами производства и приемки работ; они должны быть во всем массиве однородными по зерновому (гранулометрическому) составу, по показателям плотности и влажности. При этих условиях испытания можно проводить на дорогах после устройства и приемки земляного полотна и основания (до укладки покрытия), а также в процессе эксплуатации дороги при наличии достоверной информации об условиях ее строительства.
Получаемые в этих случаях данные испытания относятся к состоянию конструкции в момент проведения испытания, обычно при влажности грунта и материалов основания меньше расчетной. Для того чтобы установить значения модулей упругости, соответствующие расчетному периоду (см. приложение 5), испытания следует приурочить к соответствующему моменту времени — весной, после дождей или специального увлажнения конструкции, В период испытания влажность связных грунтов должна соответствовал расчетной (см. приложение 2); влажность каменных материалов, в которых содержатся или образуются при уплотнении пластичные мелкие фракции (мельче 0,63 мм), должна быть не менее расчетного значения.
Wp = KkmWт+(1-m)Wk , (40)
|
где |
Кк |
— |
коэффициент, зависящий от климатических условий и принимаемый для II дорожно-климатической зоны, равным 0,8, для III-0,75, IV—0,7 и V—0,6; |
|
|
т |
— |
содержание в смеси фракций мельче 0,63 мм, в долях от единицы; |
|
|
Wт |
— |
предел текучести этих мелких фракций, %; |
|
|
Wk |
— |
водопоглощение щебня (гравия), % по массе. |
Модуль упругости конструкции определяют испытаниями с помощью установки (рис. 31). Нагрузка на поверхность испы-
Рис. 31. Схема установки для штамповых испытаний дорожной одежды
туемой конструкции передается через круглый жесткий штамп 6 и домкрат 4, упираемый в раму 2, груженого автомобиля или упорную балку пресс-рамы на грунтовом канале. Нагрузку на штамп измеряют с помощью механического динамометра 3. Вертикальное перемещение штампа фиксируют прогибомером рычажного типа, измерительный стержень которого 1 устанавливают в центре штампа. В этом случае домкрат на трех опорных стойках 5 устанавливают на штампе соосно. Вертикальное перемещение штампа можно также замерять двумя индикаторами часового типа, установленными вдоль диаметра штампа на равных расстояниях от его центра. Индикаторы надежно закрепляют на жесткой реперной балке, опоры которой должны быть удалены на расстояние не менее, чем 4D от штампа и колес испытательного автомобиля. Расчетное перемещение принимают равным полусумме отсчетов по этим индикаторам.
До испытания передние колеса автомобиля блокируют тормозами и жестко закрепляют на месте с помощью опорных башмаков.
При испытаниях автомобилем средней грузоподъемности для обеспечения испытательной нагрузки до 50 кН кузов и подрессоренную часть автомобиля «взвешивают» — приподнимают с помощью домкрата и под раму рядом с задним мостом подставляют опоры, на которые после разгрузки домкрата передается вес автомобиля. Расстояние между опорами и местом испытания должно быть не менее 1,5 м. При большом числе испытаний желательно, чтобы рессоры автомобиля были блокированы. Штамп устанавливают на испытуемый слой после тщательного выравнивания его поверхности тонким слоем (1—5 мм) из мелкого песка без нарушения сложившейся структуры материала и тщательно притирают. Затем конструкцию выдерживают под максимальной испытательной нагрузкой в течение 2 мин и разгружают.
Перед испытанием проверяют жесткость установки индикаторов и устойчивость измерительной системы. Для этого слегка постукивают металлическим предметом по швеллеру прогибомера или по опорной балке и следят за стрелкой индикатора, которая должна чуть заметно дрожать, но оставаться на одном и том же делении.
Нагрузку при испытании прикладывают ступенями до максимального расчетного значения: 0,5 МПа на поверхности основания, 0,2 МПа на подстилающих слоях и песках и 0,5—1 МПа на связных грунтах земляного полотна (большие значения — при влажности грунта менее 0,7Wт); всего должно быть не менее 3—5 ступеней. Время выдерживания нагрузки 30 с и паузы после разгрузки по 30 с, время затрачиваемое на нагружение и разгрузку, 10-20с.
Отсчеты по индикаторам снимают после выдерживания заданной ступени нагрузки, а также после паузы, следующей за разгрузкой; перед снятием отсчетов повторно легко постукивают по швеллеру прогибомера (или опорной балке).
Рис. 29 Номограмма для модуля упругости Е1 верхнего слоя двухслойной системы
Рис. 30 Номограмма для определе Е1 верхнего слоя двухслойной системы
По разности отсчетов определяют упругую деформацию конструкции. На основании таких данных строят график зависимости упругой деформации от удельной нагрузки. График должен представлять собой плавную кривую без точек перегиба, выпуклую вверх — для зернистых материалов и вниз — для связных грунтов; при испытании слоистой конструкции из зернистых материалов и связных грунтов зависимость обычно близка к линейной. Если график не соответствует этому, то, по всей вероятности, испытание проведено с дефектом, а его данные требуют более тщательной проверки.
Модуль упругости грунта или материала в однородной конструкции, а также общий модуль упругости слоистой конструкции, испытанных нагружением с помощью жесткого штампа
, (41)
|
где |
р |
— |
максимальное (расчетное) давление от штампа; |
|
|
D |
— |
диаметр жесткого штампа; |
|
|
μ |
— |
коэффициент Пуассона (для грунтов земляного полотна μ = 0,35, для материалов оснований μ = 0,25, а при вычислении общего модуля упругости μ = 0,3); |
|
|
t |
— |
упругая деформация, соответствующая этой нагрузке. |
Для дорожной одежды, испытанной с помощью сдвоенного колеса автомобиля, общий модуль упругости
, (42)
|
где |
Р |
— |
общая нагрузка на колесо; |
|
|
l |
— |
упругий прогиб конструкции между баллонами колеса; |
|
|
D |
— |
диаметр условного круглого, гибкого штампа, передающего нагрузку на покрытие, равный 0,33 м. |
При послойных испытаниях после определения общего модуля упругости в месте установки жесткого штампа удаляют материал испытуемого слоя на площадке размерами не менее трех диаметров» штампа и затем определяют модуль упругости подстилающих грунтов и материалов.
Послойно можно испытывать в узком шурфе, пробиваемом на ширину штампа. Это допустимо на конструкциях с ограниченными толщинами слоев; для несущей части основания — от 0,5 D до 1,0 D, а для дополнительного слоя основания — от 1,0 D до 2 D. В этом случае полученные испытаниями модули упругости подстилающих слоев следует уменьшить на 20% при установке штампа на связные грунты с повышенной влажностью (более 0,8 Wт) или на рыхлые (одноразмерные) и пылеватые пески с объемной массой скелета менее 1,8 г/см3, или же на 10% — при установке штампа на связные грунты с влажностью 0,7 Wт ≤ W ≤0,8 Wт или на плотные пески. При установке штампа в шурфе на слоях из щебеночных, гравийных, гравийно-песчаных и других плотных смесей и на связных грунтах с влажностью менее 0,7 Wт эта поправка не вводится.
Испытывать штампом щебеночные и гравийные основания можно при нагрузках менее 0,5 МПа, определяя модуль упругости при расчетной нагрузке путем экстраполяции. В частности, определив модуль упругости слоя основания E2 при испытательных нагрузках 0,2 МПа и Е3 при 0,3 МПа модуль для расчетной нагрузки (р = 0,5 МПа)
, (43)
По данным трех испытаний, проведенных через 10—15 м на дороге и через 1—2 м — в канале, определяют среднее арифметическое значение модуля упругости грунта или слоя; разброс отдельных показателей не должен превышать 20%.
Определение модуля упругости грунта в лаборатории. Расчетные значения модулей упругости грунта можно получить по результатам испытания грунта в лаборатории при той же влажности и плотности, которые он будет иметь в дорожной конструкции в расчетный период. Так как отобрать образцы с ненарушенным' сложением из конструкции в расчетный период ; весьма затруднительно, а при новом строительстве невозможно, приходится искусственно приготавливать образцы, обладающие требуемой влажностью и плотностью. Как показывают результаты сравнительных испытаний, разница в модулях упругости, определенных в конструкции и в лаборатории» для грунтов при одной и той же влажности и плотности, в большинстве случаев невелика. Расчетная влажность грунтов при приготовлении образцов (если для данных местных условий отсутствуют более достоверные ее значения) может быть определена по приложению 2.
Плотность грунта зависит от принятой расчетной влажности. При влажности, близкой к оптимальной, определенной методом стандартного уплотнения (около 0,65—0,70 от границы текучести), и более низкой, за расчетный коэффициент плотности грунта в верхней части земляного полотна следует принимать в дорожно-климатических зонах II—III Ку =0,98 /1,02;
в зонах IV—V Ку =0,95 / 0,98 (большие значения коэффициентов уплотнения принимают для капитальных дорожных одежд, меньшие — для облегченных и переходных).
При более высоких расчетных влажностях плотность образцов грунта устанавливают, исходя из условий, чтобы в порах скелета разместилась вся вода и защемленный воздух. В этом случае плотность скелета грунта:
, (44)
|
где |
|
— |
плотность минеральной части, принимаемая в среднем для непластичных грунтов 2,65 т/м3 и для пластичных — 2,68 т/м3; |
|
|
V |
— |
объем защемленного в порах воздуха, в долях единицы (обычно 0,05 — для пластичных 0,08 — для непластичных грунтов); |
|
|
W |
— |
весовая влажность, в долях единицы; |
|
|
|
— |
плотность воды, принимаемая равной 1 т/м3 |
Образцы грунта приготавливают с послойным уплотнением в стальной цилиндрической форме, диаметр которой должен быть не менее четырех, а высота — не менее трех диаметров D штампа. Так как грунт испытывают штампом D = 45 см, диаметр формы должен быть 15—20 см, а высота — 15 см.
Когда расчетная влажность образца не превышает значительно оптимальную, образец приготавливают при расчетной влажности и требуемой плотности. В этом случае необходимое количество (по массе) равномерно увлажненного грунта укладывают в форму в три-четыре приема, обычно равными порциями. Каждый слой уплотняют металлической трамбовкой до требуемого по расчету объема. Образовавшуюся на поверхности каждого слоя переуплотненную корку разрыхляют, затем укладывают и уплотняют следующую порцию грунта, и так до заполнения всей формы. Образец изготавливают на 2 см выше поверхности формы, для чего к форме с помощью фланцев крепят надставку, разрезанную по образующей (рис. 32). Перед испытанием надставку снимают, а излишек грунта аккуратно срезают заподлицо с поверхностью формы. Этим обеспечивают гладкую однородную поверхность образца, на которую устанавливают штамп при испытании.
Уплотненный в форме грунт вместе с надставкой помещают не менее, чем на сутки во влажный эксикатор для более равномерного распределения влаги. Только после этого образец испытывают.
Когда расчетная влажность грунта значительно выше оптимальной, образцы для испытания приготавливают, насыщая водой предварительно уплотненный до требуемой плотности
Рис. 32. Форма со съемной надставкой:
1 — надставка; 2 — форма; 3 — днище с отверстиями; 4 — патрубок.
грунт. Для этого металлическая форма должна иметь второе дно с отверстиями диаметром 0,5 -1 мм (см. рис. 32). В образующуюся полость вставляют два патрубка, к которым крепят резиновые трубки. Грунт укладывают в форму (поверх уложенной на дно с отверстиями фильтровальной бумаги) и уплотняют послойно до плотности скелета, вычисленной по формуле (44). Особенно тщательно нужно разрыхлять поверхность каждого слоя на глубину около 5 мм, чтобы разрушить образовавшуюся переуплотненную корку. В противном случае не будет достигнуто равномерное по высоте насыщение образца водой. Для насыщения на один патрубок надевают резиновый шланг от резервуара с водой, устанавливаемого так, чтобы уровень воды находился на 20—50 см выше поверхности грунта в форме. На другой патрубок надевают шланг, прикрепленный к установленной вертикально стеклянной трубке. При этом нужно следить, чтобы между поверхностью воды в полости формы и дном с отверстиями не образовалась воздушная подушка.
