Компрессионные испытания грунтов.

Цель работы: освоить методику испытания грунта методом компрес­сионного сжатия для определения коэффициента сжимаемости , модуля деформации Е, структурной прочности на сжатие .

Приборы и оборудование: компрессионный прибор (одометр), со­стоящий из (рис. 1) рабочего кольца, цилиндрической обоймы, перфори­рованного вкладыша под рабочее кольцо и поддона с емкостью для воды; механизм для вертикального нагружения образца грунта; устройства для измерения вертикальных деформаций образца грунта.

 

Порядок выполнения работы.

 

Коэффициент сжимаемости , модуль деформации Е, структурную прочность на сжатие  определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возмож­ность бокового расширения образца грунта при его нагружении верти­кальной нагрузкой по ГОСТ 12248-96; по результатам измерения бокового давления при испытаниях в приборах трехосного сжатия, по моменту воз­никновения давления в поровой воде в водонасыщенных грунтах.

Структурная прочность обусловлена хрупкими кристаллизационными связями и водно-коллоидными, создающимися в процессе длительного существования грунтов.

Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется в программе испытаний или принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт. Образец должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 71 мм, с отношением высоты к диаметру 1/3,5.

Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или водонасыщенные или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности.

Образец грунта в рабочем кольце взвешивают, покрывают с торцов влажными фильтрами и помещают в компрессионный прибор.

Рис.1. Схема компрессионного прибора (одометра):

1 – компрессионное кольцо; 2 – корпус прибора;

3 – перфорированные штампы; 4 – индикаторы.

После помещения образца проводят следующие операции: устанавли­вают образец на перфорированный штамп; регулируют механизм нагружения образца; устанавливают приборы для измерения вертикальных де­формаций образца; записывают начальные показания приборов.

При необходимости водонасыщение образца проводят путем фильт­рации воды снизу вверх под арретиром. Для этого заполняют поддон во­дой. Водонасыщение проводят для глинистых грунтов в течение 2...5 сут., для песков - до момента появления воды над штампом.

Нагружение испытуемого образца проводят равномерно, без ударов, ступенями нагрузки.

Первую ступень давления , при испытании песков, в том числе заторфованных, принимают в зависимости от коэффициента пористости, а последующие ступени давления принимают равными 0,0125; 0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом 0,1 МПа до заданного значения нагрузки.

При испытании глинистых грунтов, в том числе органо-минеральных, для определения их структурной прочности на сжатие  первую и по­следующие ступени давления принимают равными 0,0025 МПа до момен­та начала сжатия образца грунта. Начало сжатия следует считать при отно­сительной вертикальной деформации образца грунта ε > 0,005. При даль­нейшем нагружении за очередную ступень давления принимают ближай­шее большее значение 0,0125; 0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом 0,1 МПа.

На каждой ступени нагружения образца грунта снимают отсчеты по приборам для измерения вертикальных деформаций в следующей после­довательности: первый отсчет - сразу после приложения нагрузки, а затем через 0,25; 0,5; 1; 2: 5; 10; 20; 30 мин и далее с интервалом один час в тече­ние рабочего дня, а затем - в начале и конце рабочего дня до условной стабилизации деформации образца. За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость деформации образца, не превышающую 0,01 мм за последние 4 ч наблюдений для песков, 16 ч - для глинистых и 24 ч - для органоминеральных и органических грунтов.

В процессе испытания полученные данные заносят в табл. 1.

Для определения характеристик , Е и . по результатам испы­тания для каждой ступени нагружения вычисляют:

- абсолютную вертикальную стабилизированную деформацию образца грунта , мм, как среднее арифметическое показаний измерительных;

- относительную вертикальную деформацию образца грунта (мо­дуль осадки) по формуле , где h - начальная высота образца.

По вычисленным значениям строят график зависимости и . Через точки графика проводят осредняющую плавную кривую или аппроксимируют эти точки монотонной зависимостью.

Значение давления, соответствующее точке пересечения кривой с осью давления  равно значению структурной прочности на сжатие .

В случае частичного разуплотнения грунта за  прини­мают абсциссу точки  графика  с ординатой .

Вычисляют коэффициенты пористости  грунта при давлениях  по формуле

.

Это уравнение компрессионной кривой. Чем больше изменение  при уве­личении , тем большей сжимаемостью будет обладать грунт.

Сжимаемость грунта характеризуется коэффициентом сжимаемости в заданном интервале давлений  и , который вычисляют с точностью 0,001 МПа  по формуле

, МПа ,

 где  и  -  коэффициенты пористости, соответствующие давлениям  и .

При расчете осадок уплотнения используют коэффициент относи­тельной сжимаемости

.

Если выделить прямолинейный участок на компрессионной кривой, то

.

Продифференцировав уравнение, получим закон сжимаемости

.

Бесконечно малое изменение коэффициента пористости (объема пор) прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления.

 

Основные характеристики сжимаемости.

 

Модуль общей деформации в интервале давлений  и  вычис­ляют с точностью 0,1 МПа по формулам:

или  β, МПа,

где  и  - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям  и ;  - коэффициент сжимаемости, соответствующий интервалу дав­ления от  и ;  - коэффициент, учитывающий отсутствие попереч­ного расширения грунта (коэффициент стеснения поперечных деформа­ций) в компрессионном приборе и вычисляемый по формуле:

 = 1,17 ,

где =0,3 - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона):

,

здесь  - горизонтальная;  - вертикальная деформация;  - коэффициент бокового давления, определяется в приборах трехосного сжатия соотноше­нием приращения горизонтального давления к вертикальному

.

При отсутствии экспериментальных данных допускается принимать  равным: 0,30.. .0,35 - для песков и супесей; 0,35.. .0,37 - для суглинков; 0,2.. .0,3 при < 0; 0,3...0,38 при 0<  < 0,25; 0,38...0,45 при 0,25 <  < 1,0 - для глин. При этом меньшие значения  принимают при большей плотности грунта.

В полевых условиях модуль деформации определяют по результатам динамического и статического зондирования, по результатам штамповых испытаний:

,

где  - диаметр штампа;  - коэффициент учитывающий форму штампа, для круглых равен 0,8;  - приращение осадки при изменении давления ;

или прессиометрических:

,

Сущность прессиометрического метода испытаний заключается в об­жатии буровой скважины боковым давлением с замером деформаций.

Вывод: в ходе лабораторной работы была освоена методика испытания грунта методом компрес­сионного сжатия и определены для него основные характеристики сжимаемости. Все результаты и графики приведены в приложении А.

 

Приложение А

Таблица 1 - Результаты проведения испытаний.

 

Время снятия отсчета t, мин	Номер ступени нагружения	Масса груза на подвесе рычага прибора, кг	Давление на образец грунта,    pi , МПа	Показания индикаторов деформации			Абсолютная деформация образца	Относительная деформация образца	Коэффициент пористости	Коэффициент сжимаемости mo , Мпа-1	Коэффициент относительной сжимаемости mv , Мпа	Модуль деформации E
						среднее
0,0 1 2	1	2	0,05	0 6 6	0 7 7	0 6,5 6,5	0,065	0,00325	0,353	0,16	0,118	9,92
1 2	2	4	0,1	14 14	22 22	18 18	0,18	0,009	0,345	0,12	0,088	13,30
2 3	3	8	0,2	28 28	44 44	36 36	0,36	0,018	0,333	0,1	0,077	15,20
3 4	4	12	0,3	38 38	63 63	50,5 50,5	0,505	0,02525	0,323	0,08	0,059	19,83
4 5	5	16	0,4	50 50	75 75	62,5 62,5	0,625	0,03125	0,315	0,06	0,044	26,60
5 6	6	20	0,5	55 55	86 86	70,5 70,5	0,705	0,03525	0,309	0,05	0,037	31,62
6 7	7	24	0,6	60 60	95 95	77,5 77,5	0,775	0,03875	0,304	0,04	0,03	39,00
7 8	8	28	0,7	65 65	102 102	83,5 83,5	0,835	0,04175	0,300	0,04	0,03	39,00