Деформационные характеристики грунтов по данным компрессионных испытаний

При исследовании деформационных свойств песчаных и глинистых пород наиболее часто производят их испытание на компрессию, при котором происходит деформация уплотнения пород без возможности бокового расширения. Сущность этих испытаний заключается в том, что породу подвергают уплотнению ступенями нагрузки (σ₁, σ₂, σ₃ и т. д.) в рабочем кольце специального компрессионного или компрессионно-фильтрационного прибора и наблюдают за изменением её пористости или коэффициента пористости. В результате получают характерную зависимость, которую выражают обычно в виде компрессионной кривой (рис. 5.1).

На малом участке компрессионной кривой от М₁ до М₂ её можно считать прямой. Тангенс угла наклона этого участка кривой характеризует сжимаемость породы на данном интервале давления:

tg α = (е₁ – е₂) / (σ₂ – σ₁) = de / dσ

Рис. 5.1 Компрессионная кривая: 1 – кривая уплотнения; 2 – кривая разуплотнения.

Тангенс угла наклона компрессионной кривой, т. е. tg α, принято обозначать через m₀ и называть коэффициентом сжимаемости. Чем больше величина tg α, тем порода слабее, так как она более податлива, сильнее уплотняется в пределах заданного интервала давлений.

Выбор точек на компрессионной кривой при определении коэффициента сжимаемости не может быть случайным. Координаты начальной точки должны соответствовать естественной природной нагрузке на породу и естественному коэффициенту пористости. Координаты конечной точки должны соответствовать конечной нагрузке на породу после возведения сооружения.

Коэффициент относительной сжимаемости m_ν, выражающий относительную деформацию породы, т. е. представляющий собой величину сжатия слоя породы от нагрузки σ, отнесённую к первоначальной мощности слоя.

Оборудование и материалы

Для определения коэффициента сжимаемости и коэффициента относительной сжимаемости песчаных и глинистых пород необходимо иметь компрессионный или компрессионно-фильтрационный прибор. Существует несколько типов компрессионных приборов различных конструкций, однако принципиальная схема всех приборов почти одинакова. Каждый прибор имеет соответствующий набор гирь, позволяющий вести уплотнение породы определёнными ступенями нагрузки.

а б

Рис. 5.2. Принципиальные схемы компрессионно-фильтрационных приборов: а – для испытаний по схеме нисходящего потока воды; б – для испытаний по схеме восходящего потока воды;

1 - корпус; 2 - поддон корпуса; 3 - основание корпуса; 4 - рабочее кольцо; 5 - направляющее кольцо; 6 - перфорированный вкладыш; 7 - перфорированный штамп; 8 - крышка; 9 - втулка; 10 - шток; 11 - спускная пробка; 12 - штуцер; 13 - резиновая прокладка; 14 - заглушка; 15 - прижимное кольцо верхнее; 16 - прижимное кольцо нижнее; 17 - гайка; 18 - стойка; 19 - шланг; 20 - стеклянная трубка; 21 - индикатор; 22 - держатель индикатора; 23 - опорная пятка индикатора; 24 - шарик; 25 - образец испытываемого грунта

Последовательность определения

Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется в программе испытаний или принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт.

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

Образец должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 71 мм и отношением высоты к диаметру 1:3,5.

Компрессионные и компрессионно-фильтрационные приборы тарируют на сжатие с помощью металлического вкладыша. Максимальное давление при тарировке принимают равным 1,0 МПа, нагружение ступенями давления – 0,05 МПа с выдержкой по 2 мин.

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

2. 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.

3. 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.

4. Hагружение испытуемого образца проводят равномерно, без ударов, ступенями нагрузки.

5 Первую ступень давления при испытании песков, в том числе заторфованных, принимают в зависимости от коэффициента пористости e по таблице 5.1, 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.

Таблица 5.8

Коэффициент пористости, e	0,75	0,75 0,6	0,6
Первая ступень давления МПа	0,0125	0,025	0,05

В отдельных случаях, предусмотренных заданием, могут быть приняты более дробные ступени давления исходя из особенностей деформируемости грунта, условий отсыпки и условий возведения сооружения.

Слабые породы испытывают при нагрузках 0,025; 0,05; 0,075; 0,1; 0,2; 0,3 МПа, а более плотные при нагрузках 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6 МПа.

Величину груза, который необходимо приложить на рычаг пресса при заданной удельной нагрузке на породу, вычисляют по формуле

P = (σF – g)×L, где

P – общая нагрузка, приложенная к рычагу пресса (Н);

σ – заданная удельная нагрузка на породу (МПа);

F – площадь образца, (см²);

L – передаточное число системы рычага.

6. Hа каждой ступени нагружения образца грунта снимают отсчеты по приборам для измерения вертикальных деформаций в следующей последовательности: первый отсчет - сразу после приложения нагрузки, затем через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 мин и далее с интервалом 1 ч в течение рабочего дня, а затем - в начале и конце рабочего дня до условной стабилизации деформации образца.

7. 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.

8. Если при компрессионных испытаниях породы необходимо получить кривую разуплотнения, то после достижения стабилизации осадки от максимальной ступени нагрузки производят разгрузку ступенями в обратном порядке. После стабилизации разуплотнения от каждой ступени нагрузки определяют соответствующие значения коэффициента пористости.

9. После определения коэффициента пористости породы, соответствующего последней ступени нагрузки, прибор освобождают от породы, тщательно протирают и смазывают тонким слоем вазелина.

10. Обработка результатов испытания должна включать: построение компрессионной кривой, вычисление коэффициента сжимаемости и коэффициента относительной сжимаемости и модуля общей деформации.

11. Компрессионную кривую строят по конечным значениям коэффициента пористости породы после стабилизации её уплотнения от каждой ступени нагрузки. Компрессионную кривую можно строить также в другой системе координат, т. е. в системе, когда на оси ординат вместо значений коэффициента пористости показывают значения относительной деформации, а на оси абцисс, как и в первом случае, – нагрузки. Такая система построения компрессионной кривой очень удобна при использовании её для прогноза осадок сооружений.

12. Заключение по результатам проводимых испытаний должно состоять из оценки степени деформируемости – сжимаемости пород, определения структурной прочности и оценки состояния в условиях естественного залегания.

Дата испытания	Температура испытания °С	Время снятия отсчета ч	Время от начала опыта ч	Hомер ступени нагружения	Масса груза на подвеске рычага прибора, кг	Давление на образец грунта МПа	Показания индикаторов деформаций
		среднее

Абсолютная деформация образца мм	Поправка на деформацию прибора мм	Абсолютная деформация с учетом поправки мм	Относительная деформация образца	Примечание

13. Для определения характеристик m₀ и E по результатам испытания для каждой ступени нагружения вычисляют:

- абсолютную вертикальную стабилизированную деформацию образца грунта h мм, как среднее арифметическое показаний измерительных приборов за вычетом поправки на деформацию компрессионного прибора ;

- относительную вертикальную деформацию образца грунта по формуле

14. По вычисленным значениям строят график зависимости .

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 .

15. Вычисляют коэффициенты пористости грунта при давлениях по формуле:

16. Коэффициент сжимаемости МПа , в заданном интервале давлений и вычисляют с точностью 0,001 МПа по формуле:

где и - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям и .

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

, или

где и - значения относительного сжатия, соответствующие давлениям и ;

- коэффициент сжимаемости, соответствующий интервалу давления от до ;

- коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе и вычисляемый по формуле:

где - коэффициент поперечной деформации, определяемый по результатам испытаний в приборах трехосного сжатия.

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.

Приближённо можно считать, что если при небольших нагрузках – 0,05 – 0,5 МПа (0,5 – 5 кг/см²) на песчаные и глинистые породы коэффициент выражается единицами и десятыми долями единицы, породы являются чрезмерно сильносжимаемыми и сильносжимаемыми, если составляет сотые доли единицы, - среднесжимаемыми, и если выражается тысячными долями единицы, - слабосжимаемыми.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6