Подготовка к испытаниям

Подготовку грунта производят по той же методике, как и при определении границы текучести или используют часть грунта (40–50 г), подготовленного для определения текучести.

 

Проведение испытаний

Подготовленную грунтовую пасту тщательно перемешивают, берут небольшой кусочек и раскатывают ладонью на стеклянной или пластмассовой пластинке до образования жгута диаметром 3 мм. Если при этой толщине жгут сохраняет связность и пластичность, его собирают в комок и вновь раскатывают до образования жгута диаметром 3 мм. Раскатывать следует, слегка нажимая на жгут, длина жгута не должна превышать ширины ладони. Раскатывание продолжают до тех пор, пока жгут не начинает распадаться по поперечным трещинам на кусочки длиной 3–10 мм.

Кусочки распадающегося жгута собирают в стаканчики, накрываемые крышками. Когда масса грунта в стаканчиках достигнет 10–50 г, определяют влажность. Влажность определяется по вышеприведенной методике.

В табл. 16 показана допустимая разница Δ результатов параллельных определений при определении физических свойств грунтов.

 

Таблица 16 – Допустимая разница Δ результатов параллельных

определений

 

	Влажность грунта W, %
	1-5	>5-10	>10 -50	>50 - 100	>100
Δ, %	0,2	0,6	2,0	4,0	5,0
Влажность на границе текучести WL, %
	до 80	80 и более
Δ, %	2,0	4,0
Влажность на границе раскатывания Wp, %
	до 40	40 и более
Δ, %	2,0	4,0
Плотность грунта ρ, г/см3
	Песчаные грунты	Пылевато-глинистые грунты
Δ, г/см3	0,04	0,03
Плотность частиц грунта ρd, г/см3
	До 2,75	2,75 и более
Δ, г/см3	0,02	0,03

Тема 5. Компрессионные свойства грунтов. Методика изучения.

Обработка результатов

 

Цель работы . Изучение процесса компрессионного сжатия грунта для определения характеристик деформируемости грунта.

Задание.

1. Ознакомиться с принципиальными особенностями существующих типов приборов, используемых для определения сжимаемости грунтов (одометры, стабилометры, компрессионно-фильтрационные приборы).

2. Ознакомиться с методикой проведения опыта на сжимаемость в компрессионном приборе и кратко описать методику лабораторных испытаний грунта. При описании методики отразить особенности выбора схем испытаний, обоснование размера ступеней. Методика определения компрессионных характеристик регламентируется ГОСТ 12248-96 "Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости". Она изложена в разделе 5.4, стр. 24–34 указанного гос. стандарта и кратко приведена ниже.

3. По представленным данным (в соответствии с заданным вариантом), полученным при испытании образца на сжатие без возможности бокового расширения, подсчитать для всех интервалов нагрузок коэффициент сжимаемости (m), модуль общей деформации (Е) и построить компрессионную кривую в координатах e = f (p).

4. Дать оценку сжимаемости грунта по коэффициенту сжимаемости:

m_о ³ 0,01 – сильносжимаемый, m_о = 0,01–0,001 – среднесжимаемый,

m_о < 0,001 – слабосжимаемый.

5. Сравнить вычисленные значения модуля деформации с нормативными значениями по СНиП 2.02.01–83 "Основания зданий и сооружений".

 

Контрольные вопросы.

1. Охарактеризовать принципиальные особенности существующих типов приборов для определения сжимаемости грунтов (одометры, компрессионно-филь-трационные и стабилометры).

2. В чем заключается сущность процесса компрессионного сжатия? Какие показатели определяются процессе компрессионных испытаний?

3. Какие разновидности грунтов выделяются по коэффициенту сжимаемости.

4. Какие показатели определяются при компрессионно-фильтрационных испытаниях?

 

Компрессионные испытания проводятся для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости (m_о), модуля деформации (E), структурной прочности на сжатие P_str, коэффициентов фильтрационной С_υ и вторичной консолидации С_α для песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов с показателем текучести I_L > 0,25, органно-минеральных и органических грунтов.

Для засоленых (содержащих легко- и среднерастворимые соли) песков (кроме гравелистых), супесей и суглинков в компресионно-фильтрационных приборах определяются характеристики относительного суффозионного сжатия (ε_sf) и начального давления суффозионного сжатия (Р_sf).

Результаты испытаний должны быть оформлены в виде графиков зависимостей деформаций образца от нагрузки и их изменения во времени.

 

5.1. Общие сведения о методе компрессионного сжатия

и используемом оборудовании

 

Под компрессией следует понимать сжимаемость образца под действием нагрузок без возможности бокового расширения. При этом диаметр образца не изменяется. Деформация грунта выражается в изменении его высоты (h), которая происходит, главным образом, за счет уменьшения коэффициента пористости (е).

Испытания грунта методом компрессионного сжатия проводят в компрессионных приборах (одометрах) и компрессионно-фильтрационых приборах.

Испытания проводят в диапазоне давлений, которое либо принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт, либо определяется в программе испытаний.

Для испытаний используются образцы различного состояния:

- ненарушенного сложения с природной влажностью;

- водоносыщенные;

- нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности (насыпные грунты).

В состав установки для испытаний грунта в условиях компрессионного сжатия должны входить:

- компрессионный прибор (одометр), состоящий из рабочего кольца с внутренними размерами образца цилиндрической формы диаметром не менее 71 мм и отношение высоты к диаметру 1: 3,5;

- механизм для вертикального нагружения образца грунта;

- устройство для измерения вертикальных деформаций образца грунта.

Принципиальная схема одометра и компрессионно-фильтрационного приборов приведена на рис. 3 и рис. 4.

 

Рис.3. Принципиальная схема одометра. Кольцо Терцаги.

1 – бронзовое кольцо; 2 – сосуд; 3 – второе кольцо; 4 – поршень с гнездом для стального шарика, который передает давление от пресса на грунт

 

Рис. 4. Принципиальные схемы компрессионно-фильтрационных приборов:

1 – корпус; 2 – поддон корпуса; 3 – основание корпуса; 4 – рабочее кольцо; 5 – направляющее кольцо; 6 – перфорированный вкладыш; 7 - перфорированный штамп; 8 – крышка; 9 – втулка; 10 – шток; 11 – спусковая пробка; 12 – штуцер; 13 – резиновая прокладка; 14 – заглушка; 15 – прижимное кольцо верхнее; 16 – прижимное кольцо нижнее; 17 – гайка; 18 – стойка; 19 – шланг; 20 – стеклянная трубка; 21 - индикатор; 22 – держатель индикатора; 23 – опорная пятка индикатора; 24 – шарик; 25 – образец испытываемого грунта

 

Компрессионный и компрессионно-фильтрационный прибор тарируют на сжатие с помощью металлического вкладыша. Максимальное давление при тарировке принимают равным 1,0 МПа, нагружение ступенями давления – 0,05 МПа с выдержкой по 2 мин.

 

На рис. 5 приведена принципиальная схема установки для испытаний грунта методом трехосного сжатия, дающей возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения при σ 1 ≥ σ 2 = σ 3, где σ 1– максимальное главное напряжение; σ 2, σ 3 – минимальные, или же промежуточные главные напряжения.

 

 

 

Рис. 5. Принципиальная схема установки для испытаний грунта методом трехосного сжатия

1 – основная камера; 2 – корпус камеры; 3 – вентиль для выпуска воздуха; 4 – шток; 5 – образец грунта в оболочке; 6 – верхний штамп; 7 – нижний штамп; 8 – трубка для дренирования и измерения давления в поровой жидкости; 9 – трубка для заполнения камеры и измерения давления в камере; 10 – манометр; 11 – индикатор; 12 – уплотнитель.

 

 

Особенности тарировки камеры трехосного сжатия описаны в гос. стандарте (ГОСТ 12248–96 “Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости”, стр. 74–75).

 

 

5.2. Методика компрессионных испытаний

5.2.1. Подготовка к компрессионным испытаниям

 

Образец грунта указанного выше размера помещают в рабочее кольцо, взвешивают, покрывают с торцов влажными фильтрами и помещают в компрессионный прибор. При этом проводят следующие операции:

- устанавливают образец на перфорированный штамп;

- регулируют механизм нагружения образца;

- устанавливают прибор для измерения вертикальных деформаций;

- записывают начальные показания приборов.

При необходимости водонасыщение образца проводят путем фильтрации воды снизу вверх под арретиром. Для этого заполняют поддон водой. Водонасыщение проводят для глинистых грунтов в течение 2–5 суток, для песков – до момента появления воды под штампом.

При испытании для определения характеристик суффозионной сжимаемости дополнительно к физическим характеристикам должны быть определены: коэффициент фильтрации по ГОСТ 25584–90 “Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации”, количество легко- и среднерастворимых солей (степень засоленности) и их качественный состав (по результатам анализа водной и солянокислой вытяжек). По специальному заданию для засоленных глинистых грунтов определяют емкость поглощения и состав обменных катионов.

 

5.2.2. Проведение испытаний

 

Определение коэффициента сжимаемости (m_o), модуля деформации (E), структурной прочности на сжатие P_str:

Испытания проводят посредством равномерного нагружения образцов ступенями нагрузки. Первая и последующие ступени давления назначаются в зависимости от типа грунта.

При испытании песков, в том числе заторфованных, первая ступень нагрузки (Р₁) принимается в зависимости от коэффициента пористости – е по табл. 15. Последующие ступени давления Р_i принимают равными 0,0125; 0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом 0,1 МПа до заданного значения нагрузки.

 

Таблица 17 – Величины ступеней давления в зависимости от коэффициента пористости

 

Коэффициент пористости, е	е ≥ 0,75	0,75 > е > 0,6	е ≥ 0,6
Первая ступень давления Р1, МПа	0,0125	0,025	0,05

 

Глинистые грунты обладают структурной прочностью. Для определения структурной прочности на сжатие P_str глинистых, в том числе органно-минеральных, первую и последующие ступени давления принимают равными 0,0025 МПа до момента начала сжатия образца грунта. Начало сжатия следует считать при относительной вертикальной деформации образца грунта ε > 0,005. Дальнейшее нагружение образца осуществляется ступенью давления, которая равна большему ближайшему значению вышеуказанных ступеней давления Р_i.

При определении структурной прочности P_str глинистых водонасыщенных грунтов следует учитывать возможность их разуплотнения после отбора образца и подъема его на поверхность посредством определения величины относительного разуплотнения (ε_i), вычисляемой по формуле (3)

, (3)

где – увеличение высоты образца при разуплотнении, см;

– высота образца до испытания, см;

е_о – начальный коэффициент пористости грунта после подъема образца на поверхность;

S_r – коэффициент водонасыщения грунта после подъема образца на поверхность.

На каждой ступени нагружения образца грунта снимают отсчеты по приборам для измерения вертикальных деформаций. Отсчеты снимают в следующей последовательности: первый отсчет – сразу после приложения нагрузки, затем через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 минут и далее с интервалом 1ч в течение рабочего дня, а затем в начале и конце рабочего дня до условной стабилизации деформации образца.

За критерий условной стабилизации деформации образца принимают скорость деформации образца, не превышающую 0,01 мм за последние 4 ч наблюдений для песков, 16 ч – для глинистых и 24 ч – для органно-минеральных и органических грунтов.

Вышеизложенное о назначении ступеней давления и времени их выдержки рекомендуется применять при испытании насыпных грунтов с заданными плотностью и влажностью. Для данных грунтов ступени давления и время их выдержки могут назначаться в зависимости от начального коэффициента увлажнения К_w по таблице 18.

 

 

Таблица 18 – Величины ступеней давления и времени их выдержки в зависимости от начального коэффициента увлажнения

 

Кw	Рi	Δ ti, ч
< 1,2	0,02
1,20-1.25	0,015
1,26-1,35	0,010
>1,35	0,01

 

При разгрузке образца регистрация деформации образца производится в последовательности обратной порядку нагружения с учетом упомянутого выше критерия условной стабилизации.

После окончания испытания образца грунта необходимо удалить воду сверху образца и из поддона, опустить арретир, снять нагрузку, взвесить рабочее кольцо с грунтом, определить влажность и массу сухого грунта.

Результаты испытаний заносятся в журнал, имеющий нижеприведенную форму.

Журнал

испытания грунта методом компрессионного сжатия

Номер образца___________

 

Дата испытаний

Температура испытания, Т0С

Время снятия отсчета ti, ч

Время от начала опыта ti, ч

Номер ступени нагружения

Масса груза на подвеске рычага, кг

Давление на образец грунта, Pi, МПа

Показания индикатора деформаций

Абсолютная деформация образца Δ hi, мм

Поправка на деформацию прибора Δ , мм

Абсолютная деформация с учетом поправки Δ hi, - Δ , мм

Относительная деформация образца ε

Примечание

h1

h2

среднее

 

 

5.2.3. Обработка результатов

 

По результатам испытаний грунта в компрессионном приборе определяется величина относительной деформации сжатия образцов грунта (e) при соответствующих значениях давлениях (Р, МПа) по формуле 4:

 

(4)

 

где Dh_i – абсолютная деформация, мм; h – высота образца, мм

 

По величинам относительной деформации строится график зависимости относительных деформаций от вертикального давления e = f (p). На рис. 6. приведен образец графического оформления результатов испытания грунта.

Вычисляют коэффициенты пористости (е_i) по значениям относительной деформации (e_i) взятым с графика при любом давлении (Р_i) по формуле:

е_i = е_о – e_i (1+ е_о), (5)

где е_о – начальный коэффициент пористости.

Коэффициент сжимаемости m_o, МПа^-1, в заданном интервале давлений Р_i и P_i+1. вычисляется с точностью 0,001 МПа^-1 по формуле:

(6)

где е_i , е _i+1 – коэффициенты пористости, соответствующие давлению P_{i+1 ……}Р_i;

 

Модуль деформации Е, МПа в интервале давления от Рi и Р_i+1. Вычисляют с точностью 0,1 МПа по формуле:

, (7)

где m_i - коэффициент сжимаемости, е_о – коэффициент пористости, b - поправка, учитывающая отсутствие бокового расширения грунта в компрессионном приборе, принимаемая для песков – 0,8, супесей – 0,7, суглинков – 0,5, глин – 0,4.

5.3. Варианты заданий для определения характеристик m_i, Е_i

Во всех заданиях приведены результаты компрессионных испытаний грунтов при естественной влажности. В таблице 19 приведены показатели физических свойств, полученные лабораторными методами. По известным формулам (табл. 10) рассчитать остальные показатели и заполнить таблицу 19.

В таблице 20 для вышеуказанных вариантов приведены значения абсолютной деформации грунта, полученные в результате компрессионных испытаний грунта.

В таблице 21 по ниже приведенной форме привести результаты обработки компрессионных испытаний.

 

Таблица 19 – Физические свойства грунтов

 

Варианты	Показатели свойств грунта
ρs, г/см3	ρ, г/см3	ρd, г/см3	W, %	Sr, д.е	n, %	е, д.е	WL, %	WP, %	IP, %	IL, д.е
	2,70	2,0
	2,68	2,08
	2,68	2,01
	2,73	1,85
	2,73	1,96
	2,68	2,03
	2,68	2,03

Продолжение таблицы 19

 

Варианты	Показатели свойств грунта
ρs, г/см3	ρ, г/см3	ρd, г/см3	W, %	Sr, д.е	n, %	е, д.е	WL, %	WP, %	IP, %	IL, д.е
	2,70	2,04
	2,68	1,99
	2,70	2,10
	2,73	2,01
	2,73	2,04
	2,70	2,09
	2,68	2,01
	2,70	2,07
	2,74	1,96
	2,67	2,01
	2,71	1,99
	2,67	2,02
	2,72	1,98

 

Таблица 20 – Результаты компрессионных испытаний

Условия испытаний. При естественной влажности. Высота кольца – 2,5 см

 

Давление на образец Р, МПа	Абсолютная деформация, Dhi, мм
Варианты
0,05	0,34	0, 4	0,13	0,08	0,14	0,11	0,16	0,27	0,30	0,10
0,1	0,43	0,54	0,25	0,14	0,19	0,23	0,30	0,39	0,40	0,18
0,15	0,49	0,67	0,37	0,20	0,28	0,38	0,46	0,48	0,48	0,22
0,2	0,58	0,75	0,53	0,30	0,37	0,48	0,58	0,55	0,58	0,29
0,25	0,69	0,85	0,59	0,38	0,45	0,56	0,72	0,61	0,70	0,37
0,3	0,75	0,95	0,67	0,45	0,53	0,62	0,85	0,85	0,74	0,42
b	0,743	0,565	0,534	0,565	0,9	0,534	0,534	0,9	0,565	0,9

 

Продолжение таблицы 20

 

Давление на образец Р, Мпа	Абсолютная деформация - Dhi, мм
Варианты
0,05	0,33	0,16	0,04	0,10	0,14	0,36	0,09	0,06	0,12	0,31
0,1	0,45	0,22	0,10	0,26	0,19	0,45	0,15	0,12	0,24	0,43
0,15	0,51	0,30	0,15	0,42	0,26	0,54	0,21	0,17	0,40	0,49
0,2	0,57	0,37	0,22	0,58	0,36	0,60	0,31	0,24	0,56	0,55
0,25	0,68	0,42	0,27	0,7	0,40	0,71	0,39	0,29	0,68	0,66
0,3	0,73	0,47	0,33	0,82	0,45	0,76	0,46	0,35	0,80	0,71
b	0,743	0,9	0,534	0,534	0,743	0,734	0,534	0,534	0,534	0,734

 

Таблица 21 – Обработка результатов компрессионных испытаний

 

Давление на образец Р, МПа	Абсолютная деформация. Dhi, мм	Относительная деформация, ei = Dhi /h	Коэффициент пористости, еi	Коэффициент уплотнения, mi, Мпа-1	Модуль деформации, Еi, МПа
0,0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3

 

Построить график зависимости относительной деформации от давления. Структурную прочность грунта (Р_str) принять равной 0,01МПа.

 

 

 

Относительное сжатие водонасыщенного грунта в зависимости от давления Р

Относительное сжатие глинистого грунта при частичном разуплотнении в зависимости от давления Р

 

Рис. 6. График e = f (p)

Масштаб графиков: по горизонтали 10 мм – 0,025 МПа для Р; по вертикали 10 мм – 0,02 для e.

А – точка графика, принимаемая по ординате равной e =Dh_н / h; Р_str – структурная прочность при испытании грунта в компрессионном приборе

 

Вывод сделать по следующей схеме: Наименование типа грунта, разновидности по показателю текучести, привести значения показателей природной влажности, плотности и коэффициента пористости, отметить особенность изменения величины относительной деформации, коэффициента уплотнения и модуля деформации в интервале нагрузок.

 

Тема 6. Прочностные свойства грунтов. Методика изучения.

Обработка результатов

 

Цель работы. Ознакомиться с методом и методикой определения сопротивления срезу образцов грунтов на одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза, применяемых при исследованиях грунтов оснований фундаментов зданий и сооружений.

Задание.

1. Ознакомиться с ГОСТ 12248–96 "Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости". Дать краткое описание прибора, используемого для определения прочностных характеристик по методу одноплоскостного среза.

2. Ознакомиться с методикой проведения опыта на срез. Описать методику лабораторных испытаний грунта. При описании методики отразить применяемые схемы испытаний, особенности их выбора и обоснование размера ступеней прилагаемой нагрузки.

3. По представленным данным, полученным при испытании образца на срез построить график зависимости сопротивления грунта срезу от нормального давления, τ = ƒ (σ).

4.Вычислить по формуламугол внутреннего трения φ^о и удельное сцепление С,МПа.

5. По результатам лабораторных испытаний сделать вывод о прочности исследованного образца грунта.