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 W_sаt – 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