Опыты на перекашивание проводились по следующей методике. К образцам-близнецам, вырезанным из одного монолита, прикладывали постепенно возрастающие касательные напряжения. Нагружение производили либо условно-мгновенно (ступенями), либо струйкой воды, с постоянной скоростью нагружения 0,02 кгс/см² в 1 мин.

В период нагружения, а также при постоянном касательном напряжении через определенные промежутки времени измеряли суммарную деформацию сдвига, суммарную вертикальную деформацию и поровое давление в разных точках образца. Деформацию сдвига определяли при помощи оптиметра с точностью измерения 0,5 мк. Точность измерения порового давления составляла 0,01 кгс/см².

Было замечено, что скорость деформации сдвига, в процессе нагружения увеличивается, а после его окончания постепенно уменьшается до определенной величины в зависимости от напряженного состояния (рис. I.13). Как видно из рисунка, начиная с определенного момента времени, характерного для данного вида грунта и его напряженного состояния, наступает стадия течения, в которой скорость можно считать постоянной.

В проведенных опытах угол перекашивания принимался небольшим (до 7°), так как при дальнейшем увеличении угловых деформаций в приборах нарушилось бы однородное напряженное состояние всего образца грунта.

В процессе перекашивания образцов было установлено, что при нагружении образцов и в ходе деформации сдвига в образцах развивается поровое давление. При испытаниях по открытой системе поровое давление уменьшается во времени, обычно падая до нуля.

Рис. I.13 Изменение. скоростей деформации сдвига у слабых водонасыщенных глинистых грунтов на приборе перекашивания во времени
1 - бентонит (паста), =2,6; 2 - ил из Каширы, =1,4; 5 -каолинит (паста), =1,3

Рис. I.14 Зависимость между скоростью деформации сдвига и поровым давлением и на приборе перекашивания
1 - значения порового давления у поверхности образца; 2 - значения порового давления в середине образца

Однако в ряде случаев наблюдается остаточное норовое давление (в некоторых опытах отрицательное). Это явление было характерно для грунтов с начальным градиентом напора. В опытах установлено, что максимальному значению порового давления и соответствовал период, при котором скорость деформации достигала максимальных значений (рис. I.14). Процесс течения с практически постоянной скоростью наблюдался, когда поровое давление снижалось до нуля.

Величина порового давления и скорость его снижения в образце глинистого грунта зависит от его напряженного состояния, пористости, минералогического состава, физических свойств и др. Хотя поровое давление и зависит от скорости нагружения, однако в значительном интервале скоростей максимальная величина порового давления меняется мало. Так, при увеличении скорости нагружения речного ила ( =3 кгс/см²; = 0,7 кгс/см²) в 4 раза максимальные поровые давления не превышали 10% максимальных значений. В опытах наблюдалось, что при одинаковых нормальных напряжениях в образцах грунта поровое давление увеличивается при возрастании напряжения сдвига.

В результате экспериментов, проведенных на приборе перекашивания, можно получить данные о напряженном состоянии грунта ( и ), а также о его деформациях (вертикальных - и сдвига - угол ). Для построения кругов Мора в напряжениях воспользуемся положением А. Надаи о совпадении главных осей напряжений и деформаций (или скоростей деформаций) в процессе перекашивания. Это, очевидно, применимо к обработке результатов проведенных опытов, так как угол скашивания имел в них небольшие значения.

Построим круг Мора для скоростей деформаций по методике, предложенной К. Роско. Обозначим деформации буквой , скорости деформаций , линейную деформацию в вертикальном направлении , деформацию сдвига (угол) , а скорость деформации сдвига . Так как в процессе перекашивания горизонтальные размеры образца не меняются, то горизонтальная линейная деформация будет равна нулю, а скорость вертикальной деформации больше нуля (). Поэтому точка H на рис. I.15 с координатами показывает скорость деформации в горизонтальном направлении, а точка М с координатами - скорость деформации в вертикальном направлении. Центр С круга Мора для скоростей деформаций является серединой отрезка VH, а на этом отрезке, как на диаметре, строится круг Мора. По кругу можно определить угол между горизонталью и направлением главной наибольшей скорости деформации также скорость деформации в любом направлении. Максимальная скорость деформации сдвига возникает на плоскостях, которые образуют угол величиной с вертикальной осью.

Рис. I.15 Круг Мора для скоростей деформаций, построенный по результатам испытаний на приборе перекашивания

Из допущения, что главные оси напряжений и деформаций (скоростей деформаций) совпадают, следует, что круги Мора для скоростей деформаций и напряжений подобны. Поэтому, зная нормальные и касательные напряжения из опыта на перекашивание, при которых величина порового давления достигает максимальных значений, т. е. и , строим на осях напряжения точку с координатами , . Зная также угол между направлением главных напряжений и направлением напряжения в точке , находим центр круга Мора в напряжениях и строим круг, показанный на рис. I.16 в общих (тотальных) напряжениях пунктирной линией. По величине порового давления, определенного в опыте, можно построить круг Мора для эффективных напряжений при данной скорости деформирования (на рис. I.16 сплошная линия).

Принимая другое нормальное напряжение для образца-близнеца, вырезанного из одного монолита, проводим второй опыт и строим по аналогии второй круг Мора на этом же графике. По полученным в эффективных напряжениях кругам Мора проводим касательную, которая определяет параметры сдвига и с для данной скорости сдвига. Если провести ряд опытов на перекашивание с различными скоростями сдвига, то можно установить зависимость между характеристиками прочности (углом внутреннего трения и сцепления) и различными скоростями сдвига. По опытам можно установить зависимость между напряжениями и деформациями.

Рис. I.16  Круг Мора для напряжений, построенный по результатам испытаний на приборе перекашивания образцов речного ила из района Каширы

Сопоставление результатов испытания исследуемых грунтов на приборе перекашивания с результатами испытаний тех же грунтов на срезных приборах и на стабилометрах показывает, что при испытании грунтов на приборах перекашивания угол внутреннего трения оказывается на 1-2° меньше по сравнению с результатами испытания тех же грунтов на срезном приборе с предварительным уплотнением грунтов такими же величинами давлений, как и на приборе перекашивания. Величина сцепления, определенная на обоих приборах, примерно одинакова (опыты на стабилометрах проводились с предварительным обжатием грунтов всесторонним давлением и последующим испытанием образцов по закрытой системе с измерением порового давления).

При определении характеристик прочности грунтов основания в случае применения вертикальных песчаных дрен с пригрузочной насыпью, а также песчаных и известковых свай и т. п. необходимо определять характеристики прочности грунтов при их естественной пористости (по методике быстрого сдвига на срезных приборах или по закрытой системе на стабилометрах). Испытание следует производить при такой скорости нагружения, которую, вероятно, будут испытывать образцы грунта на данной глубине при возведении пригрузочной насыпи или других сооружений. Необходимо также установить изменяемость характеристик прочности в процессе консолидации грунта до конечной пористости, которая будет соответствовать окончанию осадки грунта под действием песчаных или известковых свай либо пригрузочной насыпи. Необходимо также установить характеристики прочности грунта на приборах прямого сдвига, стабилометрах и приборах перекашивания для определения прочностных характеристик грунтов после окончания процесса искусственного уплотнения основания. Скорость нагружения образцов в этих опытах должна быть равной скорости нагружения слоя грунта основания весом сооружения.