Задание 9. Определение модуля общей деформации грунтов статическими нагрузками на штамп

Сжимаемость грунтов наиболее точно определяется нагрузками на штамп. При этом испытанию подвергается большой объем грунта, сохра¬няющий природное напряжение, естественную влажность, текстуру, темпе¬ратуру и, главное, неоднородность. В лабораторных условиях в образцах обычно не удается сохранить многие из названных свойств грунтов.

Цель и результаты работы - ознакомиться с методом испытания грун¬тов статическими нагрузками на штам1м для оценки их сжимаемости в по¬левых условиях и произвести пробное испытание грунтов штампом площа¬дью 5000 см2

Студенты должны иметь:

1) полевой журнал (прил.1);

2)графики зависимости осадки штампа от удельного давления и времени по ступеням нагрузки S=f(t) (рис.1)

3)расчет модуля обшей деформации грунтов E₀.

*Задания 1-8 приведены в методических указаниях по теме 1 Инженерно-геологическая разведка .

Основные положения метода и техническая характеристика штамповой установки

Все грунты в той или иной степени дефоршруются - сжимаются за, счет уплотнения под действием приложенной к ним статической нагрузки. Деформация грунтов слагается из упругой нагрузки, восстанавливающейся после снятия, к остаточой. Последняя преобладает в обломочных, песчаных, глинистых и сильно трещиноватых скальных грунтах. Количественной характеристикой упругой и остаточной деформации, т.е. сжимаемости, является модуль общей деформации Е₀, используемой проектировщиками для р очета осадок сооружений. Модулем деформации называется коэффициент пропорциональности между приращениями нагрузки и осадки.

Модуль общей деформации в полевых условиях чаще всего определяется по результатам испытания грунтов с помощью штампа в шурфах, скважинах строительных котлованах. Для испытаний в котлованах и горных выработках применяют стандартные диски площадью 2500 , 5000 и 10 000 см² в скважинах - площадью 600 см² На штамп передается нагрузка, на грунт - давление Р и измеряется осадка груйта ΔS , При этом объем сжимаемого грунта значителен и по глубине составляет около двух диаметров штампа, что по сравнению с другими методами наилучшим образом моделирует деформируемость грунтов в основании сооружений или в теле земляных сооружений (плотин, дамб, насыпей). Испытания грунтов штампом трудоемки, длительны и дорогостоящи, но возможность использования при проектировании сооружений наиболее достоверного прямого расчетного показателя грунтов Е₀ определяет достаточно широкое применение этого вида опытных работ в инженерно-геологических изысканиях.

Статические нагрузки на штампы передаются ступенями до стабилизации осадки штампа при каждой ступени. Для создания «давления на штамп существуют различные установки. В данном задании используется свайный гидравлический штамп конструкции ПНИИИСа.

Установка состоит, из жесткого стального штампа площадью 5000 см² упорной фермы, четырех анкерных свай, гидравлического домкрата мощ¬ностью 50 т и насосной станции с манометром для создания давления на штамп, двух прогибомеров (индикаторов) для регистрации осадок штампа в мм.

Порядок проведения опыта и обработка результатов

1.Ознакомиться со штамповой установкой, смонтированной в щурфе на опытной площадке.

2.Подготовить полевой журнал испытания грунтов статическими нагрузками на штамп, зарисовать схему установки в рабочем положении, описать исследуемые грунты и внести другие характеристики опыта в соответствии с принятой формой (прил. 1, рис.1).

3.Определить величину природного давления грунта на отметке ус-' тановки штампа по формуле Р_пр =ρ_w*H(МПа), где Н - глубина уста¬новки штампа, м ρ_w, - плотность влажного грунта, принимаемая 1,8 т/м³.

4.Рассчитать значения удельных давлений, передаваемых на грун¬ты, со следующими ступенями нагрузки: P₁=P_пр; P₂=0,1 МПа; Р_з=0,2 МПа; Р₄=0,3 МПа. Величина удельных давлений определяется по формуле P_j=P_н/F, где Р_н - нагрузка; передаваемая на штамп домократом, Н; F- площадь штампа, см²

Суммарное усилие, передаваемое на штамп Р_н, зависит от площади плунжера домкрата S_пл которая равна 100 см², и цены деления образцового манометра М. Соответственно нагрузка P_H=n*M*S_пл где n - коли¬чество делений по шкале манометра.

Задаваясь величиной ступени нагрузки P₁, P₂,Р₃ и Р₄, обратным расчетом определить показание манометра в атмосферах, соответствующее каждой ступени. При расчете нагрузки Р_н при каждой ступени следует упитывать усилие, создаваемое собственной массой всей установки,равное 200 кг. В расчетах 1 МПа = 10 кгс/см²=1 т/м².

5. Взять начальные отсчеты по двум прогибомерам, установленным иа противоположных сторонах штампа (S₁;S₂) для исключения переко¬сов, зафиксировав тем самым начало отсчета.

6. Передать на штамп первую ступень нагрузки P₁=P_np и замерить осадку штампа за время нагружения ( S_м ) по показаниям прогибомеров. Шести замеренные и рассчитанные значения осадок в полевой жур¬нал.

7. Выдержать первую ступень нагрузки в течение 10 мин, поддер¬живая ее величина с помощью домкрата.

Через каждые 1-2 мин снимать показания прогибомеров и заносить их в полевой журнал. Рассчитать осадку штампа за время полной стабилизаций осадки штампа при какой ступени (.S_с) и общую осадку штампа от первой ступени нагрузки (S_ст =S_м+S_с ).

8. Аналогичном образом провести нагружения штампа следующими тремя ступенями нагрузок, измеряя соответственно значения. S_H, S и рассчитывая величины осадок за каждую ступень нагруткения ( S_ст ) и суммарную осадку штампа от переданных ступеней нагружения ( S_полн).

9. В процессе опыта построить графики S = f (t) по всем ступеням нагружения и S=f(P) в заданном масштабе.

10. Провести полную разгрузку штампа, через 5 мин зафиксировать подъем штампа по показаниям прогибомеров. По результатам измерений построить на графике S=f(Р) ветвь разгрузки и определить величину упругой части деформации грунта (S_ynp ). Найти отношение остаточной деформации (S_ост ) к полной деформации S_полн.

11. Высчитать величину модуля обшей деформации грунта (Е0) по результатам проведенного испытания.

Для этого выделить на графике S=f(P) расчетный интервал дав¬лений ΔP. Через соответствующие точки графика (см.рис.1) провести осредшгацую прямую и определить величину приращения деформации (осад¬ки) ΔS , отвечающую приращению удельной ступени нагрузки ΔP.

Далее рассчитать величину Е₀ по форцуле , где М коэффициент бокового расширения грунта под штампом, прини¬маемый равным 0,3 (коэффициент Пуассона);

W - безразмерный коэффициент учитывающий форму штампа и соотно¬шение жесткости материала штампа и грунта (принимается равным 0,8);

d - диаметр штампа, d= 79,8 см;

ΔP - приращение удельной нагрузки, МПа;

ΔS - приращение осадки штампа, см.

12. Установить категорию сжимаемости испытанного грунта, принимая грунты сильносжимаемыми при Е₀<5 МПа, сжимаемыми при Е₀ =5-20МПа, малосжимаемыми при Е₀=20-50 МПа и незначительно сжимаемыми при Е₀ > 50 МПа. ;

В описанном опыте применена ускоренная схема испытаний и затра¬чиваемое бригадой студентов время не превышает 1ч. В этом случае значения E₀ завышаются на 10-30% и более по сравнению с испытаниями в производственных условиях, так как продолжительность производственно¬го опыта значительно больше. Она зависит от вида грунтов и составля¬ет около 1 сут в скальных и крупнообломочных, 2 сут в песчаных и 3-5 сут в глинистых грунтах. Для некоторых студенческих бригад от ру¬ководителя практики могут быть получены индивидуальные задания по обработке результатов длительных испытаний в производственных услови¬ях, приведенных в табл.1 и 2 (пример обработки см. в прил.2).