Лабораторная работа № 8

Определение сжимаемости грунта методом компрессионных испытаний

Компрессионные испытания грунтов выполняют в приборах одноосного сжатия (одометры) без возможности бокового расширения и в приборах трехосного сжатия (стабилометрах).

Сжатие грунта без возможности бокового расширения называется компрессией. Оно является частным случаем трехосного сжатия грунта.

Результаты компрессионных испытаний используют для расчета оснований зданий и сооружений. Компрессионные испытания позволяют определить:

а) зависимость сжимаемости (уплотнение) грунта от нагрузки;

б) время, в течении которого произойдет полное или частичное уплотнение грунта под нагрузкой;

в) величину упругой и остаточной деформации;

г) величину и силу набухания увлажняемого грунта в зависимости от нагрузки.

Образец грунта для компрессионных испытаний помещают в обойму с жесткими стенками, исключающими боковое расширение. При приложении к образцу вертикальной нагрузки он уменьшается по высоте. Изменяется его пористость, коэффициент пористости. Зависимость изменения коэффициента пористости от давления изображается компрессионной кривой (рис. 8.1.). Для ее построения необходимо несколько точек, которые получают путем изменения ступеней нагрузки. Каждая ступень нагрузки выдерживается во времени до наступления стабилизации осадки грунта. Она определяется моментом установления показаний индикатора. Практически стабилизация считается достигнутой, если разность между отсчетами через 16 часов не превышает 0,01 мм для глинистых грунтов и 4 часов для песчаных. По достижении стабилизации к образцу прикладывается следующая ступень нагрузки.

Учитывая учебный характер лабораторной работы, ее выполняют с условными упрощениями, которые заключаются в уменьшении выдержки каждой ступени нагрузки до 2…..3 минут.

Компрессионная кривая строится по нескольким точкам. Рекомендуемый нормами расчет осадки фундаментов основан на применении закона Гука. Для практического использования участок компрессионной кривой в определенном интервале давлений (обычно 0,05…0,25 МПа) заменяют прямой (рис. 8.1), а коэффициент уплотнения и модуль деформации рассчитываются по уравнениям:

остаточная

деформация

упругая

деформация

Рис. 8.1 Компрессионная кривая

1. ветвь нагрузки ( уплотнения)

2. ветвь разгрузки (набухания)

; , где:

– коэффициент уплотнения (см²/кгс), соответствующий интервалу давления от Р₁ до Р_1+1.

е₁, е₁₊₁ – коэффициенты пористости, соответствующие давлениям Р₁ и Р₁₊₁.

Р₁ , Р₁₊₁ – давления кгс/см².

- поправка, учитывающая отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе, принимаемая для пылевых и мелких песков 0.8, супесей – 0.7, суглинков – 0.5, глин – 0.4.

n – коэффициент несоответствия полевых и лабораторных испытаний. Принимается для учебных целей для глин – 3, для песков – 2.

Принципиальная схема одометра приведена на рис.8.2. Конструктивно он состоит из металлического кольца 4, в которое помещают пробу грунта. Кольцо опирается на дно 5. На кольцо опускают штамп. К штампу прикладывают нагрузку Р, под действием которой он перемещается вниз на величину осадки образца , которую измеряют одним или двумя индикаторами 1. Дно и штамп имеют отверстия для отвода воды, которая отжимается с образца в процессе испытания. Для этой цели по торцам образца сверху и снизу кольца устанавливают увлажненную фильтровальную бумагу 3 и 6.

При испытании грунта предварительно определяют его естественную плотность , плотность частиц грунта и влажность W.

рис. 8.2. Принципиальная схема одометра (разрез)

1 – индикатор для измерения вертикальной деформации; 2 - верхний штамп; 3 и 6 – фильтрационная бумага; 4 - режущее кольцо; 5 – днище прибора; 7 – образец грунта.

По этим данным рассчитывают начальный (до сжатия) коэффициент пористости грунта:

Вертикальная деформация грунта, соответствующая данной нагрузке, определяется по уравнению:

где

- перемещение штампа в результате приложения данной нагрузки, мм.

- тарировочная поправка при данной нагрузке, мм.

Коэффициент пористости, соответствующий каждой ступени нагрузки, определяют по уравнению:

, где:

h – первоначальная, до сжатия, высота образца грунта, мм.

Лабораторная работа выполняется в одометре типа К–1М. Нагрузка в приборе прикладывается с помощью гирь через дисковые рычажные системы с общей кратностью 10. Гиря массой 6 кг. на подвеске создает давление под поршнем равным 0.1 МПа.

Необходимое оборудование: Одометр К–1М, фильтровальная бумага, часы, тарировочная металлическая болванка, нож с прямым лезвием, технические весы с разновесами, сушильный шкаф, бюксы, эксикатор, штангенциркуль, пикнометр, фарфоровая ступка с пестиком, капельница, компрессионный и прибор КПр-1М (или компрессионный прибор другой модификации).

В зависимости от вида, состояния (консистенции) грунта, геологических условий исследуемой площадки и конкретной решаемой задачи определяют схему испытания. Возможные схемы испытания:

1) без предварительного замачивания образцов (для грунтов с большим естественным водонасыщением и для грунтов, увлажнение которых в процессе эксплуатации здания не прогнозируется);

2) с предварительным замачиванием образцов без возможности их набухания (под арретиром). Схема применяется для исследования грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод, набухающих грунтов с возможностью увлажнения (замачивания) во времени;

3) с замачиванием при свободном набухании в одометре (без арретира) в течение 5-7 суток. Схема применяется для изучения набухаемости грунтов;

4) без замачивания до заданной величины нагрузки с последующим замачиванием (для выявления просадочности грунтов).

Ниже излагается выполнение исследования по первой схеме.

Методика выполнения работы (c упрощениями, указанными выше):

1. Заполнить рабочее кольцо одометра грунтом. Ножом срезать излишки грунта сверху и снизу кольца;

2. Взвесить кольцо с грунтом на технических весах с точностью до 0.01 мм.,

3. Вставить кольцо с фильтровальной бумагой в одометр и привести его в рабочее положение. Установить показания на индикаторах на 0.

4. Определить для грунта значения .

5. Структурную прочность (Р_стр) глинистых, в том числе заторфованных грунтов следует определять путем нагружения образцов ступенями давления по 0.025 кгс/см² до начала сжатия. За начало сжатия следует считать относительную деформацию ( ), превышающую 0.005.

Для глинистых грунтов следует вычислить величину их разуплотнения( )после отбора и при подъеме образцов на поверхность по уравнению:

где

- увеличение высоты образца при разуплотнении, мм.

h – высота образца грунта до испытания, мм.

е₀ – начальный коэффициент пористости грунта природного сложения.

S_r – степень влажности грунта.

6. Начальные ступени нагрузок при определении сжимаемости пылеватых и мелких песков, в том числе заторфованных, следует выбирать в соответствии с коэффициентом пористости их сложения.

Коэффициент Пористости
Первые ступени давления Р, кгс/см²	0.125	0.25	0.5

Ступени давления при испытании грунтов должны быть равны 0.125, 0.25, 0.5, 1.0 кгс/см² и далее с интервалом в 1кгс/см² до необходимых пределов. После определения структурной прочности грунта очередную ступень давления следует принять ближайшую из приведенных.

7. Ступенями приложить вертикальную нагрузку Р ( до 0.3…0.4 МПа). Каждую ступень выдержать во времени до наступления стабилизации осадки. Учитывая учебный характер выполняемой работы, стабилизацию считать условно достигнутой по истечении 2…3 мин. По индикаторам h₁ и h₂ определить соответствующую среднюю деформацию образца, мм.

После наступления стабилизации от последней заданной ступени нагрузки прибор разгружают в обратной последовательности нагрузок со снятием замеров на индикаторах, для определения упругой и остаточной деформации грунта.

8. Полученные данные заносят в журнал лабораторных работ.

9. Построить компрессионную кривую ( рис 8.1.) и определить по ней для интервала давлений 0.05…0.25 МПа коэффициент сжимаемости грунта (а) и модуль деформации (Е).

Примечание:

1. Тарировочная поправка для каждого прибора задается преподавателем.

2. Компрессионная кривая строится осредненной по полученным точкам.

10. Компрессионные испытания с грунтами естественной влажности и с водонасыщенными образцами. Выполняются после их насыщения дистиллированной водой.

Водонасыщение образцов следует производить снизу вверх: глинистых – в течение 2 – 5 суток, песчаных – до появления воды над штампом.

11. Определить величину абсолютной деформации грунта ( ) для каждой ступени нагрузки, относительную деформацию грунта для каждой ступени нагрузки ( ) с точностью до 0.001, построить график зависимости относительных деформаций от вертикального давления =f(P). Соединить полученные точки лекальной кривой и определить структурную прочность грунта (рис. 8.3. а).

Рстр Р_i₊₁P_i₊₂Р_i₊₂ P_{1 кг с/см}²

Рис. 8.3 График испытания грунта при сжатии в компрессионном приборе

На рис. 8.3. показан график для продукта, обладающего структурной прочностью Р_рис. На рис. 8.3. показан такой же график для грунта не обладающего структурной прочностью (нарушенной структуры, разуплотненного, переувлажненного).

А – точка графика, принимаемая по ординате равной , Р_стр - величина структурной прочности при испытании грунта в компрессионном приборе.

давление Р: 0.25 кгс/см² – 10мм.

Масштаб графиков: -----------------------------------------------

относительное сжатие Е: 0,02 – 10мм.

Пример: Высота кольца h = 25 мм., диаметр 87.4 мм. площадь А = 60 см². Кратность рычажной системы одометра n = 10. Получены физические характеристики грунта: т/м³, т/м³ , W = 0.20.

1. Определяем начальный коэффициент пористости е₀

2. По результатам компрессионных испытаний строим компрессионную кривую (рис. 8.4.) и определяем значения а и Е.

(МПа^-1)

(МПа)

Рис. 8.4. график .