Компрессионные испытания грунта

Особенностью грунтов как дисперсных тел является их значительная сжимаемость, т.е. способность уменьшать свой объем под влиянием внешних воздействий (в частности под действием приложенных нагрузок).

Для установления основных показателей сжимаемости грунтов производят испытания их на уплотнение под нагрузкой в условиях, исключающих его боковое расширение (т.е. компрессионные испытания). Для испытания применяют прибор с жесткими стенками - одометр, в который помещают исследуемый образец грунта. Нагрузки к образцу прикладывают ступенями. Время выдержки под нагрузкой – до затухания деформаций.

Изменение коэффициента пористости

(6.1)

где ∆V_пор - изменение объема пор; V_s - объем скелета; S- деформация образца; А- сечение образца; V₀ - первоначальный (до приложения нагрузки) объем образца; m - объем скелета в 1 см грунта; h - начальная высота образца; e₀ - начальный коэффициент пористости.

Коэффициент пористости e_i, соответствующий деформации S_i, будет равен

(6.2)

Зависимость между давлением и коэффициентом пористости выражается компрессионной кривой e= f (P) (рис. 6.1).

Для практических целей в небольшом интервале давлений кривую спрямляют. Уравнение спрямленного участка компрессионной зависимости имеет вид

е_i= е₀-Р ∙ tg α= е₀ - аР, (6.3)

где α= tg α= (е₁- е₂) ( Р₂- Р₁)= ∆е / ∆Р - коэффициент сжимаемости.

Коэффициент относительной сжимаемости

кПа^-1. (6.4)

Физический смысл коэффициента относительной сжимаемости

Решая систему уравнений

(6.5)

получим S / hP= a / (e₀+1)= a₀. (6.6)

Коэффициент относительной сжимаемости - это относительная деформация (S / h= Е_e), приходящаяся на единицу давления. Модуль деформации

Е₀= β / α₀, кПа. (6.7)

Физически коэффициент β учитывает возможность бокового расширения грунта в реальных условиях.

При разгрузке образца ступенями строят декомпрессионную кривую. Анализ кривой показывает, что при разгрузке коэффи­циент пористости почти не меняется, т.е. в грунтах преобладают остаточные деформации. Упругие де­формации тоже имеют ме­сто, но они очень незначи­тельны.

Цель работы - опреде­ление характеристик сжи­маемости грунта: коэффи­циент сжимаемости, коэф­фициент относительной сжимаемости и модуль де­формации.

 

 

Рис. 6.1. Компрессионная кривая

 

1. Методика проведения испытаний

Схема прибора КП-1 с одометром II приведена на рис.6.2.

Зажимное кольцо одометра ставят острым краем на часть монолита, чтобы кольцо вдавливалось в грунт с небольшим усилием. Срезание грунта производят тонким слоем, начиная сверху. Когда проба будет врезана до края кольца, ставят второе кольцо и продолжают врезание до тех пор, пока грунт не заполнит второе кольцо на 5-8 мм.

 

 

Рис. 6.2. Прибор компрессионный КП-1:

 

I – стол, II – одометр, III – секторы в сборе (1 – винт опорный, 2 – подвеска с грузами, 3 – траверса подвески, 4 – трос грузовой, 5 – сектор, 6 – палец, 7 – трос тяговой, 8 – винт натяжной, 9 – нижнее коромысло, 10 – маховичок, 11 – стяжка, 12 – шарик для центральной передачи нагрузки, 13 – верхнее коромысло, 14 – упор, 15 – рычаг, 16 – противовес )

 

Схема одометра подробно представлена на рис. 6.3.

Цилиндрическую гильзу 4 с образцом 5 устанавливают на основание прибора 1, накидывают прижимную втулку 3, закрепляют ее винтами 2 и завертывают до упора направляющий стакан 7. Давление на образец передается через поршень 6 с отверстиями, шарик 8, стержень 9. Рычажная система с соотношением плеч рычагов 1:10. Деформацию образца измеряют индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм.

Цилиндрической гильзой 4 отобрать образец ненарушенной структуры. Собрать прибор так, как показано на рис. 6.3. Устанавливая индикатор, ход его нужно выбрать почти полностью, стрелки установить на ноль.

Рис.6.3. Одометр II в сборе

Приложить к образцу вертикальное давление, для чего положить на подвеску рычага груз требуемой массы.

После прекращения деформации образца записать показания индикатора и приложить следующую ступень уплотняющей нагрузки. Время выдержки под нагрузкой допускается принимать 2 мин, при нагрузке - 1,5 мин.

Ступени нагрузок принимать равными 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 кПа, что соответствует массе груза на подвеске рычага соответственно 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 и 24 кг. Результаты испытаний представлены в

табл. 6.1.

Начальная высота образца h= 30 мм. Начальный коэффициент пористости е=1,0. Коэффициент Пуассона v= 0,32.

 

Таблица 6.1. Результаты испытаний образца грунта

 

Масса груза на подвеске рычага, кг	Удельное вертикальное давление P, кПа	Деформация образца S, мм	Изменение коэффициента пористости ∆e= = (e0+1)(S/h)	Коэффициент пористости e0=e0-∆e
		1,20 2,19 2,63 2,82 2,91 3,00 3,08 3,13 3,13 3,13 3,13 3,12 3,11 3,09 3,04 2,93	0,06 0,1095 0,1315 0,141 0,1455 0,150 0,154 0,157 0,1565 0,1565 0,1564 0,156 0,155 0,1545 0,152 0,1465	1,00 0,940 0,891 0,889 0,859 0,855 0,850 0,846 0,844 0,844 0,844 0,844 0,844 0,845 0,846 0,848 0,854

 

2. Обработка результатов испытаний

Диапазон давлений P1 = 250 P2 = 300

Коэффициент сжимаемости а = ( е1 - еl2) / (P2 - P1) = (0,855 - 0,850) / / (300 - 250) = 0,0001 кПа-1

Коэффициент относительной сжимаемости а0 = а / (1 + е1) = 0,0001 / / 1 + 0,855 = 0,000054 кПа-1

β = 1 - (2 ∙ v02) / (1 - v0) = 1 - (2 · 0,322) / (1 - 0,32) = 0,70

Модуль деформации Е = β / a0 = 0,70 / 0,000054 = 13000 кПа

Вопросы для самопроверки

 

1. Каковы причины сжимаемости грунта?

2. Что понимают под компрессионными испытаниями?

3. Нарисуйте схему одометра и опишите методику компрессионных испытаний.

4. Как, зная деформацию образца, вычислить изменение коэффициента пористости? Сделайте вывод.

5. Напишите уравнение компрессионной зависимости.

6. Напишите уравнение спрямленного участка компрессионной зависимости. Поясните понятие коэффициента сжимаемости.

7. Каков физический смысл коэффициента относительной сжимаемости? Как он вычисляется?

8. Поясните понятие коэффициента компрессии. Каков его физический смысл?

9. Как вычислить модуль деформации? Что учитывает коэффициент ?

10. В каких расчетах используют результаты компрессионных испытаний?

11. Решить задачу. Образец грунта высотой 40 мм уплотнен в компрессионном приборе давлением 200 кПа, при этом деформация образца составила 0,5 мм. Коэффициент сжимаемости грунта равен 0,1 МПа^-1. Вычислить коэффициент пористости грунта после уплотнения.