14 Сжимаемость грунтов. Компрессионные испытания.

В отличии от твердых конструкционных материалов, деформирующихся почти без изменения объема, грунт под действием нагрузок существенно сжимается, т. е. уменьшает свою пористость и , соответственно, объем. В 30-е годы Н. М. Герсеванов доказал, что для грунта, уплотняемого статической нагрузкой, каждому давлению соответствует (после затухания деформаций) определенный коэффициент пористости. Для водонасыщенных грунтов, поры которых полностью заполнены водой (S_r=1), вместо коэффициента пористости е можно рассматривать влажность ω, ибо в этих случаях объем пор равен объему воды (влажность становится пропорциональной коэффициенту пористости).

Сжимаемость грунта обычно изучается в лабораторных условиях компрессионном приборе (иначе одометре), схема которого приведена далее.

К омпрессионное испытание основано на сжатии образца грунта цилиндрической формы вертикальной нагрузкой с замером вертикальных смещений. Грунт помещается в рабочее кольцо 2 внутренним диаметром не менее 71 мм, высотой в 3,5 раза меньшей диаметра, нагрузка передается на грунт через штампик 6 возрастающими ступенями, замеры смещений осуществляются двумя измерительными приборами (индикаторами) 5.

 Рисунок 3.7.1. - испытания в одометре: 1 – образец грунта (цилиндрический); 2 – обойма (рабочее кольцо); 3 – перфорированные пластинки; 4 – нагрузка, прикладываемая увеличивающимися ступенями через штампик; 5 – прогибомер или индикатор часового типа, замеряющий деформации.

Так как твердые частицы грунта практически несжимаемы, уменьшение объема образца грунта происходит только за счет уменьшения объема его пор. При этом объем образца грунта уменьшается за счет оседания грунта под «штампиком» , т. е. только за счет вертикальных деформаций. Это позволяет выражать изменения коэффициента пористости через осадки «штампика». Опуская промежуточные выкладки, приведем окончательную формулу:

  где e_i – коэффициент пористости грунта, уплотненного давлением p_i ;

       e₀ – начальный коэффициент пористости (до начала испытаний);

       S – осадка штампика (уменьшение высоты образца грунта);

       H – высота образца грунта.

Результаты испытаний грунта в компрессионном приборе, мы получаем в виде компрессионной кривой (зависимость коэффициента пористости e от давления p):

 

15 Компрессионные испытания. Основной закон уплотнения.

На практике чаще всего приходится иметь дело с небольшим интервалами нагрузок в пределах которых кривизна зависимости e–p проявляется очень слабо, на что обратил особое внимание Н. М. Герсеванов. Им был сформулирован следующий закон уплотнения: при небольших изменениях уплотняющих давлений изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления

 

 

   

г де  m₀ – коэффициент сжимаемости, [см²/кг; кПа^-1]

Для расчета осадок удобнее пользоваться коэффициентом относительной сжимаемости m_υ.

  где m_υ – это величина относительной деформации на единицу давления.

Имея m_υ, получаем весьма простую формулу для расчета осадок натурного слоя грунта

 где h – высота слоя;        P – давление.

Между коэффициентом сжимаемости m₀ (коэффициентом относительной сжимаемости m_υ) и модулем деформации Е существует зависимость

   где e₀ – начальный коэффициент пористости;

 

      β – величина, являющаяся функцией коэффициента поперечной деформации μ₀:

 Так как точность определения μ₀ обычно невысока, величина β часто принимается без расчета равной:

- для песков

- для суглинков и супесей 

- для глин

Модуль деформации, определенный по данным компрессионных испытаний, более или менее достоверно характеризует деформативность песков. Применительно же к глинистым грунтам он требует дополнительной корректировки. Получаемый «компрессионный» модуль деформации для глин и суглинков корректируется путем умножения его на специальный коэффициент («коэффициент Агишева»), принимаемый согласно СП 50-101-2004 (п. 5.3.6) равным от 2 до 6 (в зависимости от коэффициента пористости). Для объектов I и II уровней ответственности корректирующие коэффициенты следует устанавливать на основе сопоставления компрессионных испытаний с испытаниям того же грунта штампом.