Деформаційні характеристики грунтів по даним компресійних випробувань

При дослідженні деформаційних властивостей піщаних і глинистих порід найчастіше проводять їх випробування на компресію, при якому відбувається деформація ущільнення порід без можливості бокового розширення. Сутність цих випробувань полягає в тому, що породу піддають ущільненню рівнями навантаження (σ₁, σ₂, σ₃ і т. д.) в робочому кільці спеціального компресійного або компресійно-фільтраційного приладу і спостерігають за зміною її пористості або коефіцієнта пористості. В результаті отримують характерну залежність, яку виражають зазвичай у вигляді компресійної кривої (рис. 5.1).

На малій ділянці компресійної кривої від М₁ до М₂ її можна вважати прямою. Тангенс кута нахилу цієї ділянки кривої характеризує стисливість породи на даному інтервалі тиску:

tg = (е₁ – е₂) / (σ₂ – σ₁) = de / dσ

Рис. 5.1 Компресійна крива: 1 – крива ущільнення; 2 – крива розущільнення.

Тангенс кута нахилу компресійної кривої, тобто tg α, прийнято позначати через m₀ і називати коефіцієнтом стисливості. Чим більше величина tg α, тим порода слабкіша, оскільки вона податливіша, сильніше ущільнюється в межах заданого інтервалу тисків.

Вибір точок на компресійній кривій при визначенні коефіцієнта стисливості не може бути випадковим. Координати початкової точки повинні відповідати природному навантаженню на породу і природному коефіцієнту пористості. Координати кінцевої точки повинні відповідати кінцевому навантаженню на породу після зведення споруди.

Коефіцієнт відносної стисливості m_ν, що виражає відносну деформацію породи, тобто що є величиною стискування шару породи від навантаження σ, віднесену до первинної потужності шару.

Обладнання і матеріали

Для визначення коефіцієнта стисливості і коефіцієнта відносної стисливості піщаних і глинистих порід необхідно мати компресійний або компресійно-фільтраційний прилад. Існує декілька типів компресійних приладів різних конструкцій, проте принципова схема всіх приладів майже однакова. Кожен прилад має відповідний набір гирь, що дозволяє вести ущільнення породи певними ступенями навантаження.

а б

Рис. 5.2. Принципові схеми компресійно-фільтраційних приладів: а – для випробувань за схемою низхідного потоку води; б – для випробувань за схемою висхідного потоку води;

1 - корпус; 2 - піддон корпусу; 3 - основа корпусу; 4 - робоче кільце; 5 - направляюче кільце; 6 - перфорований вкладиш; 7 - перфорований штамп; 8 - кришка; 9 - втулка; 10 - шток; 11 - спускова пробка; 12 - штуцер; 13 - гумова прокладка; 14 - заглушка; 15 - притискне кільце верхнє; 16 - притискне кільце нижнє; 17 - гайка; 18 - стойка; 19 - шланг; 20 - скляна трубка; 21 - індикатор; 22 - утримувач індикатора; 23 - опорна п'ята індикатора; 24 - кулька; 25 - зразок випробовуваного грунту.

Послідовність визначення

Діапазон тисків, при яких проводять випробування, визначається в програмі випробувань або приймається в межах полуторного значення проектного тиску на грунт.

Для випробувань використовують зразки грунту непорушеного складання з природною вологістю або водонасичені, або зразки порушеного складання із заданими значеннями щільності і вологості.

Зразок повинен мати форму циліндра діаметром не менше 71 мм і відношенням висоти до діаметру 1:3,5.

Компресійні і компресійно-фільтраційні прилади тарують на стискування за допомогою металевого вкладиша. Максимальний тиск при таруванні приймають рівним 1,0 МПа, навантаження ступенями тиску – 0,05 МПа з витримкою по 2 хв.

1. Зразок грунту в робочому кільці зважують, покривають з торців вологими фільтрами і поміщають в компресійний прилад.

2. Після розташування зразка проводять наступні операції:

- встановлюють зразок на перфорований штамп;

- регулюють механізм завантаження зразка;

- встановлюють прилади для вимірювання вертикальних деформацій зразка;

- записують початкові показання приладів.

3. При необхідності водонасичення зразка проводять шляхом фільтрації води від низу до верху під аретиром. Для цього заповнюють піддон водою. Водонасичення проводять для глинистих грунтів протягом 2-5 діб, для пісків - до моменту появи води над штампом.

4. Навантаження випробовуваного зразка проводять рівномірно, без ударів, ступенями навантаження.

5 Перший рівень тиску при випробуванні пісків, у тому числі заторфованих, приймають залежно від коефіцієнта пористості eпо таблиці 5.1, а подальші рівні тиску приймають рівними 0,0125; 0,025; 0,05; 0,1 МПа і далі з інтервалом 0,1 МПа до заданого значення навантаження.

Таблиця 5.8

Коефіцієнт пористості, e	0,75	0,75 0,6	0,6
Перший рівень тиску МПа	0,0125	0,025	0,05

В окремих випадках, передбачених завданням, можуть бути прийняті більш дробові ступені тиску виходячи з особливостей деформованості грунту, умов відсипання і умов зведення споруди.

Слабкі породи випробовують при навантаженнях 0,025; 0,05; 0,075; 0,1; 0,2; 0,3 МПа, а щільніші при навантаженнях 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6 МПа.

Величину ваги, яку необхідно прикласти на важіль преса при заданому питомому навантаженні на породу, обчислюють за формулою

P = (σF – g)×L, де

P – загальне навантаження, прикладене до важеля преса (Н);

σ – задане питоме навантаження на породу (МПа);

F – площа зразка (см²);

L – передаточне число системи важеля.

6. На кожному ступені навантаження зразка грунту знімають відліки по приладах для вимірювання вертикальних деформацій в слідуючій послідовності: перший відлік - відразу після прикладення навантаження, потім через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 хв. і далі з інтервалом 1 год. протягом робочого дня, а потім - на початку і кінці робочого дня до умовної стабілізації деформації зразка.

7. За критерій умовної стабілізації деформації приймають швидкість деформації зразка, що не перевищує 0,01 мм за останніх 4 год. спостережень для пісків, 16 год. - для глинистих і 24 год. - для органомінеральних і органічних грунтів.

8. Якщо при компресійних випробуваннях породи необхідно отримати криву ущільнення, то після досягнення стабілізації осідання від максимального ступеня навантаження проводять розвантаження ступенями в зворотному порядку. Після стабілізації ущільнення від кожного ступеня навантаження визначають відповідні значення коефіцієнта пористості.

9. Після визначення коефіцієнта пористості породи, відповідного останньому ступеню навантаження, прилад звільняють від породи, ретельно протирають і змащують тонким шаром вазеліну.

10. Обробка результатів випробування повинна включати: побудову компресійної кривої, обчислення коефіцієнта стисливості і коефіцієнта відносної стисливості і модуля загальної деформації.

11. Компресійну криву будують по кінцевих значеннях коефіцієнта пористості породи після стабілізації її ущільнення від кожного ступеня навантаження. Компресійну криву можна будувати також в іншій системі координат, тобто в системі, коли на осі ординат замість значень коефіцієнта пористості показують значення відносної деформації, а на осі абцис, як і в першому випадку, – навантаження. Така система побудови компресійної кривої дуже зручна при використанні її для прогнозу осідань споруд.

12. Висновок за результатами випробувань, що проводяться, повинен складатися з оцінки міри деформованості – стисливості порід, визначення структурної міцності і оцінки стану в умовах природного залягання.

Дата випробування	Температура випробування °С	Час зняття відліку, год.	Час від початку досліду год.	Hомер ступеня навантаження	Маса вантажу на підвісці важеля приладу, кг	Тиск на зразок грунту МПа	Показники індикаторів деформацій
		середнє

Абсолютна деформація зразка мм	Поправка на деформацію приладу мм	Абсолютна деформація з урахуванням поправки мм	Відносна деформація зразка	Примітка

13. Для визначення характеристик m₀ і E за результатами випробування для кожного рівня вантаження обчислюють:

- абсолютну вертикальну стабілізовану деформацію зразка грунту h мм, як середнє арифметичне показань вимірювальних приладів за вирахуванням поправки на деформацію компресійного приладу ;

- відносну вертикальну деформацію зразка грунту по формулі

14. По обчислених значеннях будують графік залежності .

Через точки графіка проводять усереднюючу плавну криву або апроксимують ці точки монотонною залежністю.

Значення тиску, відповідне точці пересічення кривої з віссю тиску дорівнює значенню структурної міцності на стискування .

15. Обчислюють коефіцієнти пористості грунту при тисках по формулі:

16. Коефіцієнт стисливості МПа^-1, в заданому інтервалі тисків і обчислюють з точністю 0,001 МПа^-1 по формулі:

де і - коефіцієнти пористості, відповідні тискам і .

17. Модуль деформації МПа, в інтервалі тисків і обчислюють з точністю 0,1 МПа по формулах:

, або

де і - значення відносного стискування, відповідні тискам і ;

- коефіцієнт стисливості, відповідний інтервалу тиску від до ;

- коефіцієнт, що враховує відсутність поперечного розширення грунту в компресійному приладі і обчислюваний за формулою:

де - коефіцієнт поперечної деформації, визначуваний за результатами випробувань в приладах тривісного стискування.

За відсутності експериментальних даних допускається приймати рівним: 0,30-0,35 - для пісків і супісків; 0,35-0,37 - для суглинків; 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 цьому менших значень набувають при більшій щільності грунту.

Приблизно можна вважати, що якщо при невеликих навантаженнях – 0,05 – 0,5 МПа (0,5 – 5 кг/см²) на піщані і глинисті породи коефіцієнт виражається одиницями і десятими долями одиниці, породи є надмірно сильностискуваний і сильностискуваний, якщо складає соті долі одиниці, - середньостискуваний, і якщо виражається тисячними долями одиниці, - слабостискуваний.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6