Одноплоскостной срез

Нормативная документация: ГОСТ 12248.1-2020

Краткое описание метода

Метод одноплоскостного среза (direct shear test) – стандартизированная процедура для определения прочностных характеристик грунтов. Регламентируется ГОСТ 12248.1-2020 "Грунты. Определение характеристик прочности методом одноплоскостного среза".

Этот метод является одним из основных в процессе лабораторных инженерно-геологических изысканий и позволяет экспериментально установить ключевые параметры, описывающие сопротивление грунта сдвигу.

Суть метода:
Образец грунта помещается в специальный прибор (сдвиговый прибор). К образцу прикладывается постоянная осевая нагрузка (σ, нормальное напряжение), моделирующая давление вышележащих слоев. Затем к подвижной части прибора прикладывается постепенно возрастающая срезная нагрузка (сдвигающее усилие) до достижения образцом предела прочности на сдвиг по заданной плоскости (в зазоре между кольцами). Испытание повторяется на нескольких идентичных образцах одного грунта при разных значениях нормального напряжения.

Вычисляемые параметры:

На основании данных испытаний рассчитываются следующие параметры прочности грунта: 1. Удельное сцепление эффективное (c'):
* Единицы измерения: МПа (Мегапаскаль). * Описание: Параметр, характеризующий сопротивление грунта сдвигу за счет сил связности между частицами (молекулярного сцепления, цементационных связей) в условиях эффективных напряжений (т.е., когда учитывается влияние порового давления воды). Представляет собой отрезок, отсекаемый линией прочности на оси сдвигающих напряжений в координатах "касательное напряжение (τ) - эффективное нормальное напряжение (σ')".

Удельное сцепление эффективное остаточное (c'ᵣ):
- Единицы измерения: МПа (Мегапаскаль).
- Описание: Параметр, аналогичный эффективному сцеплению (c'), но определяемый после достижения образцом остаточного состояния прочности. Это состояние наступает после значительных сдвиговых деформаций, когда структура грунта разрушена, и его сопротивление сдвигу стабилизируется на минимально возможном для данного нормального напряжения уровне. Для многих грунтов (особенно глинистых) c'ᵣ близко к нулю или равно нулю.
Угол внутреннего трения эффективный (φ'):
- Единицы измерения: градусы (°).
- Описание: Параметр, характеризующий сопротивление грунта сдвигу за счет сил трения между частицами (механического зацепления, шероховатости) в условиях эффективных напряжений. Представляет собой угол наклона линии прочности к оси нормальных напряжений в координатах "касательное напряжение (τ) - эффективное нормальное напряжение (σ')".
Угол внутреннего трения эффективный остаточный (φ'ᵣ):
- Единицы измерения: градусы (°).
- Описание: Параметр, аналогичный эффективному углу внутреннего трения (φ'), но определяемый в остаточном состоянии прочности. Отражает трение между частицами после разрушения первоначальной структуры грунта при больших сдвиговых деформациях. Значение φ'ᵣ всегда меньше (или равно) значению φ'.

Теоретические основы метода

Метод базируется на теории прочности Кулона-Мора, которая для эффективных напряжений записывается как:

τ = c' + σ' * tan(φ') где: * τ - сопротивление грунта сдвигу (касательное напряжение) при разрушении. * c' - эффективное сцепление. * σ' - эффективное нормальное напряжение на плоскости сдвига. * φ' - эффективный угол внутреннего трения.

Процесс определения параметров:

Проведение испытаний: Испытывается не менее трёх образцов грунта при разных значениях нормального напряжения (σ).

Таблица 8.1 ГОСТ 12248.1-2020 — Значения нормальных давлений и ступеней давления при предварительном уплотнении грунтов

Грунты	Нормальное давление при предварительном уплотнении, МПа	Ступени давления, МПа
Пески гравелистые, крупные и средней крупности плотные; глины с I_L ≤ 0,25	0,1; 0,3; 0,5	0,1 до p = 0,1 и далее 0,2
Пески гравелистые, крупные и средней крупности средней плотности; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности; супеси, суглинки, слабозаторфованные и органоминеральные грунты с I_L ≤ 0,5; глины с 0,25 < I_L ≤ 0,5	0,1; 0,2; 0,3	0,05 до 0,1 и далее 0,1
Пески гравелистые, крупные и средней крупности, мелкие и пылеватые рыхлые; супеси, суглинки, глины, слабозаторфованные и органоминеральные грунты с 0,5 < I_L ≤ 1,0	0,1; 0,15; 0,2	0,025 до 0,05 и далее 0,05
Супеси, суглинки, глины, слабозаторфованные и органоминеральные грунты с I_L ≥ 1,0	0,025; 0,075; 0,125	0,025 до 0,075 далее 0,05

_{Примечания}

_{1. Нормальные давления p при предварительном уплотнении образцов просадочного грунта, испытываемых в водонасыщенном состоянии, должно составлять 0,1; 0,2 и 0,3 МПа и возрастать ступенями Δp = 0,05 МПа.}

_{2. Ступени давления для крупнообломочных грунтов с заполнителем назначаются по характеристикам заполнителя при его содержании свыше 40 % для песчаных и свыше 30 % для глинистых грунтов. При испытании крупнообломочных грунтов без заполнителя ступени давления назначаются как для песков гравелистых, крупных и средней крупности плотных.}

Таблица 8.2 ГОСТ 12248.1-2020 — Скорости среза для глинистых грунтов

Грунты	Скорость среза v, мм/мин
Супеси	0,3
Суглинки с I_p < 12 %	0,1
Суглинки с I_p ≥ 12 %	0,05
Глины с 17 % < I_p ≤ 30 %	0,02
Глины с 30 % < I_p ≤ 40 %	0,01
Глины с I_p ≥ 40 %	0,005

Таблица 8.3 ГОСТ 12248.1-2020 — Время выдерживания ступеней и критерий условной стабилизации деформаций образца

Грунты	Время выдерживания ступеней, не менее	Время условной стабилизации деформаций сжатия на конечной ступени, не менее, ч
Пески	5 мин	0,5
Глинистые (непросадочные и ненабухающие)
- супеси	30 мин	3
- суглинки с I_p < 12 %	30 мин	6
- суглинки с I_p ≥ 12 %	30 мин	12
- глины с I_p < 22 %	30 мин	12
- глины с I_p ≥ 22 %	30 мин	18
Органоминеральные	1 ч	24
Просадочные	30 мин	Как для непросадочных
Набухающие	30 мин	Как для ненабухающих

Таблица 8.4 ГОСТ 12248.1-2020 — Скорость среза песков и глинистых грунтов

Грунты	Скорость среза v, мм/мин
Крупнообломочные грунты, пески и супеси	≤ 0,5
Суглинки с I_p ≤ 12 %	≤ 0,1
Суглинки с I_p > 12 %	≤ 0,05
Глины с I_p ≤ 30 %	≤ 0,02
Глины с I_p > 30 %	≤ 0,01

Фиксация пиковых усилий: Для каждого испытания фиксируется максимальное (пиковое) сдвигающее усилие (T_max), соответствующее разрушению образца по плоскости среза.
Расчет касательных напряжений: По T_max и площади образца рассчитывается пиковое касательное напряжение (τ_peak) для каждого значения σ.
Построение диаграммы: На графике в осях "касательное напряжение (τ) - эффективное нормальное напряжение (σ')" откладываются точки (σ'₁, τ_peak₁), (σ'₂, τ_peak₂), (σ'₃, τ_peak₃).
Аппроксимация линии прочности: Через полученные точки проводится прямая линия наилучшего приближения (линия прочности Кулона-Мора для пиковых значений).
Определение c' и φ':
- c' - это отрезок, отсекаемый линией прочности на оси ординат (оси τ) при σ'=0.
- φ' - это угол наклона (arctg) линии прочности к оси абсцисс (оси σ').
Определение остаточных параметров (c'ᵣ, φ'ᵣ): Процедура аналогична (пп. 2-6), но вместо пикового усилия (T_max) используется усилие сдвига, установившееся на постоянном уровне после прохождения пика и приложения значительных сдвиговых деформаций (остаточное усилие T_res). По T_res рассчитывается τ_res и строится линия прочности для остаточного состояния.

Значение параметров в практике:
Определенные методом одноплоскостного среза параметры c', c'ᵣ, φ', φ'ᵣ являются фундаментальными для расчетов устойчивости откосов, несущей способности фундаментов, давления грунта на подпорные стенки и других задач геотехники. Пиковые параметры (c', φ') используются для оценки прочности грунта в ненарушенном состоянии перед началом возведения сооружения. Остаточные параметры (c'ᵣ, φ'ᵣ) критически важны для анализа устойчивости склонов и массивов, уже испытавших значительные деформации сдвига (например, при оценке риска оползней).