Задача 3. Физико-механические свойства грунтов
Деформационные свойства
Деформационные свойства грунтов характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические и, следовательно не приводящими к его разрушению. Для дисперсных грунтов наиболее важным деформационным свойством является их сжимаемость под нагрузкой, обусловленная уменьшением объема пор вследствие смещения частиц относительно друг друга, деформацией самих частиц, а также воды и газов, заполняющих поры. Показатели сжимаемости дисперсных грунтов определяются в лабораторных условиях с помощью компрессионных испытаний – сжатии без возможности бокового расширения.
На основании приведенных данных (таблицы 2.10, 2.11) построить компрессионную кривую (кривая зависимости коэффициента пористости от нагрузки) и рассчитать значения коэффициента уплотнения, компрессионный модуль деформации, модуль общей деформации и модуль осадки по Н.Н.Маслову. Дать название грунту по величине модуля осадки (таблица 2.12).
Таблица 2.10
Физические свойства исследуемых грунтов
| Вариант | Характеристика грунта | Плотность в естественном сложенииρ,г/см3 | Естественная влажность W, % | Плотность твердых частиц ρs ,г/см3 |
| Синие кембрийские глины | 2,16 | 16,0 | 2,70 | |
| Моренные суглинки | 2,22 | 15,0 | 2,72 | |
| Покровные суглинки | 1,97 | 23,0 | 2,69 | |
| Пойменные аллювиальные суглинки | 1,96 | 21,5 | 2,69 | |
| Старичный аллювий. супеси | 1,94 | 29,6 | 2,70 | |
| Озерно-аллювиальные пески | 1,76 | 13,0 | 2,68 |
Приведенные данные позволяют рассчитать значения плотности скелета грунта
ρd= ρ/(1+0,01W), и коэффициент пористости ε0=(ρs-ρd)/ρd. (физический смысл показателей описаны в разделе «Физические свойства грунтов»).
Таблица 2.11
Значения абсолютной деформации грунтов Δh (мм) под нагрузкой при компрессионных испытаниях (по показаниям миссуры). Начальная высота образца h=10 мм.
| Значения удельной нагрузки, σМПа | Варианты | |||||
| 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
| 0,1 | 0,41 | 0,04 | 0,04 | 0,08 | 0,44 | 0,02 |
| 0,2 | 1,17 | 0,07 | 0,09 | 0,13 | 0,71 | 0,07 |
| 0,3 | 1,66 | 0,11 | 0,15 | 0,16 | 1,05 | 0,10 |
| 0,4 | 1,79 | 0,14 | 0,24 | 0,19 | 1,16 | 0,12 |
Для записи результатов расчета можно воспользоваться нижеприведенной таблицей:
| Удельная нагрузка, МПа | Абсолютная деформация грунтаΔh (мм) | Относительная деформация грунтаΔh/h | Приведенная пористость Δεn = Δh(1+ε0)/h | Коэффициент пористости εn =ε0 -Δεn |
Коэффициент уплотнения – отношение изменения коэффициента пористости к разности напряжений, вызвавших эти изменения: а =Δε/Δσ.Коэффициент уплотнения измеряется в МПа-1.
Модуль компрессионной деформации Ек является количественной характеристикой сжимаемости грунтов при компрессионных испытаниях и величиной, обратной коэффициенту уплотнения: Ек = 1/а = Δσ/Δε, МПа.
Модуль общей деформации или просто модуль деформации Е характеризует деформационное поведение грунта в условиях возможности бокового расширения при условии присутствия упругих и остаточных деформаций. В практике инженерно-геологических исследований модуль деформации рассчитывают по формуле:
Е = β(1+ε0)/а, где β –множитель для перехода от сжатия (без возможности бокового расширения) при компрессионных испытаниях к сжатию, имеющему место в натуре; численно его принимают равным для песков 0,8; для супесей 0,7; для суглинков 0,5; для глин 0,4.
Модуль осадки ер –величина непосредственного вертикального сжатия столба грунта высотой в 1 м при приложении к нему дополнительной нагрузки σ=0,3 МПа (Маслов Н.Н.). ер = 1000 Δh/hмиллиметров на метр.
Таблица 2.12
Характеристика грунта по модулю осадки
| Категория грунта по сжимаемости | Модуль осадкиер, мм/м | Характеристика сжимаемости |
| I | Практически несжимаемая | |
| II | 1-5 | Слабая |
| III | 5-20 | Средняя |
| IV | 20-60 | Повышенная |
| V | Сильная |
Просадочность грунтов
Под просадочностью понимают уменьшение объема грунта при увлажнении.
Просадочность – это свойство большой группы макропористых грунтов, с небольшой природной влажностью(Sr ≤0,6), к которым относятся лессовые и лессовидные грунты.
Макропористыми называются такие грунты, которые содержат поры, превышающие по размерам наиболее крупные зерна данного грунта. Основная причина просадочностилессовых грунтов состоит в разрушении воднорастворимых структурных связей поддействием воды.
На основании данных, приведенных в таблице (таблица 2.13) построить график зависимости относительной деформации от нагрузки, рассчитать относительную просадочность и величину макропористости. По результатам всех вариантов построить зависимость величины относительной просадочности от нагрузки.
Таблица 2.13
Значения абсолютных деформаций образца лессового грунтаΔh,мм в зависимости от прилагаемой нагрузки. Начальная высота образца h0=10мм
| Нагрузка уплотнения, МПа | Значения абсолютных деформацийΔh,мм Варианты | |||||
| 0,05 | 0,12 | 0,07 | 0,03 | 0,04 | 0,06 | 0,05 |
| 0,05 замачивание | 0,23 | - | - | - | - | - |
| 0,1 | 0,28 | 0,09 | 0,08 | 0,10 | 0,09 | 0,09 |
| 0,1 замачивание | - | 0,24 | - | - | - | - |
| 0,2 | 0,34 | 0,28 | 0,12 | 0,13 | 0,12 | 0,13 |
| 0,2 замачивание | - | - | 0,32 | - | - | |
| 0,3 | 0,39 | 0,32 | 0,38 | 0,15 | 0,15 | 0,19 |
| 0,3 замачивание | - | - | - | 0,41 | 0,45 | - |
| 0,4 | 0,41 | 0,34 | 0,41 | 0,43 | 0,47 | 0,22 |
| 0,4 замачивание | - | - | - | - | 0,39 | |
| Пористостостьε0 | 0,92 | 0,85 | 0,87 | 0,79 | 0,91 | 0,79 |
Относительная просадочность δпр – представляет собой отношение изменения толщины слоя грунта (высоты образца) в результате замачивания при заданном вертикальном давлении к его толщине в природном залегании (высоте образца при природном давлении). Относительная просадочность определяется по формуле:
δпр =(h′-hпр)/ h0, где h′-–высота образца грунта природной влажности, обжатого без возможности бокового расширения при давлении испытания, hпр - высота того же образца после замачивания его до полного водонасыщения при сохранении давления замачивания, h0- высота того же образца природной влажности, обжатого без возможности бокового расширения давлением, равным давлению от собственного веса на рассматриваемой глубине. При значении относительной просадочности δпр ≥0,01 порода считается просадочной.
Макропористость характеризуется разностью значений пористости до и после просадки в результате увлажнения под нагрузкой. Для расчета макропористости подсчитать значения коэффициента пористости по формуле:ε = ε0 -Δh(1+ε0)/h до и после просадки и соответственно значения пористости через коэффициент пористости:
n= ε/(1+ ε).Разница в значениях пористости отвечает макропористости лессового грунта.