Определение компрессионной зависимости водонасыщенного грунта нарушенной структуры
Общей закономерностью, характеризующей сжимаемость грунтов при действии постоянной внешней нагрузки, является экспериментально определяемая зависимость между уплотняющим напряжением и коэффициентом пористости грунта. Эта зависимость в механике грунтов носит название компрессионной зависимости, а график – компрессионной кривой.
Основным процессом, обуславливающим сжимаемость грунтов, является их уплотнение, которое происходит за счет уменьшения объема пор между частицами грунта. Скелет и воду считают практически несжимаемыми. Так как в водонасыщенном грунте все поры заполнены водой, то при его уплотнении пористость и влажность уменьшаются по одной и той же закономерности. При этом между коэффициентом пористости и влажностью грунта существует следующая зависимость
,
где Wsаt – влажность грунта (в долях единицы) при полном заполнении водой пор.
Определение показателей сжимаемости грунта производится испытаниями на уплотнение под нагрузкой в условиях одномерной задачи, когда деформация грунта могут происходить только в одном направлении и никакие другие силы, кроме внешней, не действуют. Эти испытания проводятся в приборах с жесткими стенками – одометрах, обеспечивающих сжатие грунта только в направлении действия нагрузки без возможности его бокового расширения. Подобные условия соответствуют в натуре сжатию слоя грунта под действием сплошной равномерно распределенной нагрузки (рис. 8).
а - в одометре; б - при сплошной нагрузке.
Рис. 8. Схема сжатия слоя грунта без возможности его бокового расширения:
Компрессионная зависимость е=f(σ), полученная опытным путем, характеризует способность данного грунта уплотняться под действием внешней нагрузки.
При небольших изменениях напряжений, порядка 100-300 кПа, редко 400-500 кПа, обычно наблюдаемых в основаниях фундаментов естественного заложения, отрезок компрессионной кривой можно принять за прямую (отрезок bс на рис. 9). Тангенс угла наклона спрямленного участка компрессионной кривой к оси давлений tgα является величиной постоянной для рассматриваемого отрезка. Его численная величина m0 называется коэффициентом сжимаемости, который характеризует сжимаемость грунта в рассматриваемом диапазоне напряжений. Из треугольника bсd
или
, (кПа-1),
где е1 и е2 – коэффициенты пористости, соответствующие напряжениям σ1 и σ2.
Чем больше угол α, тем больше будет и изменение коэффициента пористости, т.е. грунт будет обладать большей сжимаемостью. Сильносжимаемые грунты имеют крутую компрессионную кривую, малосжимаемые – наоборот, пологую.
Обозначив σ1 – σ2= σ (где σ – действующее напряжение) будем иметь
, (кПа-1),
т.е. коэффициент сжимаемости равен отношению изменения коэффициента пористости к величине действующего напряжения.
Рис. 9. Компрессионная кривая
Коэффициент сжимаемости является важнейшей расчетной характеристикой грунтов при определении осадок сооружений. Кроме того, он дает возможность произвести и общую качественную оценку грунта как основания сооружений. Так, для m0 имеет величину порядка 0,00001 кПа-1, то грунты можно характеризовать как малосжимаемые; если m0 около 0,0001 кПа-1, то грунты будут среднесжимаемые; при величине m0 около 0,001 кПа-1 – сильносжимаемые.
Необходимое оборудование и материалы:
o компрессионные приборы (одометры);
o прибор для уплотнения грунтов ГГП-29;
o грунт водонасыщенный нарушенной структуры;
o бумажные фильтры, бюксы;
o шпатель, сушильный шкаф;
o весы с разновесами.
Подготовительные работы
Опыт проводится с уже приготовленным водонасыщенным грунтом. До зарядки одометра грунтом необходимо ознакомиться с его конструкцией (рис. 10). В качестве одометра в работе используется основная часть прибора предварительного уплотнения ГГП-29, который состоит из следующих элементов: верхнего (1) и нижнего (2) колец внутренней разъемной гильза; верхней (3) и нижней (4) частей наружного цилиндра; днища (6), поршня-штампа (8) и ванны (5).
Работа выполняется в течение трех занятий.
Рис. 10. Схема основной части прибора предварительного уплотнения ГГП-29, используемая в качестве одометра.
Ход работы
1 занятие. Зарядка одометра
1. В верхнее кольцо (1) внутренней разъемной гильзы вмазывается (без пустот) шпателем грунт; его поверхность выравнивается с краями кольца с обеих сторон. Кольцо с грунтом вкладывается в верхнюю часть (3), а нижнее кольцо (2) – в нижнюю (4) часть наружного цилиндра, после чего обе части цилиндра свинчиваются.
2. Цилиндр с грунтом помещается в ванну, на дне которой расположено пористое днище (6), покрытое кружком фильтровальной бумаги. Поверхность грунта также покрывается кружком фильтровальной бумаги, и на нее с помощью вспомогательного стержня (7) устанавливается пористый штамп, грунт продавливается вниз до соприкосновения с днищем.
3. Ванна с грунтом устанавливается под рычаг прибора для уплотнения и на его подвеску прикладывается груз в соответствии с заданным уплотняющим напряжением, указанным в таблице 9 (соотношение плеч рычага 1:10).
В зазор между стенками ванны и цилиндра и на штамп наливается вода. Грунт уплотняется до следующего занятия.
Описанным способом производится зарядка и уплотнение 4-х одометров.
![]() |
Коэффициент пористости е =ρs·Wsаt | ||||
Влажность грунта Wsаt | ||||
Масса бюкса с сухим грунтом m2, г | ||||
Масса бюкса с влажным грунтом m1, г | ||||
Масса бюкса m0, г | ||||
№ бюкса | ||||
Уплотняющее напряжение σ, кПа | ||||
Площадь прибора А, м2 | 40:10-4 | −//−//− | −//−//− | −//−//− |
Вес груза на подвеске рычага уплотняющего давления N, Н |
2-е занятие. Разгрузка одометров
4. Снимается нагрузка с рычага уплотняющего прибора, одометр разбирается, извлекается гильза с грунтом.
5. Грунт из гильзы выдавливается поршнем, бумажные фильтры снимаются и капельная влага с поверхности образцов удаляется сухой фильтровальной бумагой.
6. Берется проба грунта массой не менее 15 г в предварительно взвешенный бюкс для определения влажности (см. лабораторную работу №2). Бюкс с влажным грунтом после взвешивания помещается в термостат для высушивания.
3-е занятие. Определение влажности и построение компрессионной кривой
7. Бюксы с высушенным грунтом взвешиваются. Вычисляются влажности и коэффициенты пористости грунта. Все результаты заносятся в таблицу 9.
8. Строится компрессионная кривая е=f(σ) (рекомендуемые масштабы: для уплотняющего напряжения – 100 кПа=4 см; для коэффициента пористости – 0,100=4 см) и для заданного интервала напряжений определяется коэффициент сжимаемости. Результат:
a) компрессионная кривая
b) коэффициент сжимаемости: .
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5