4.3. Методика компрессионных испытаний грунтов

Опытное определение сжимаемости грунта, как это указано выше, состоит в определении зависимости е_i = f(р_i) и построении компрессионной кривой. Для испытаний используют образцы грунта ненарушенной структуры с природной влажностью (в случае проектирования фундаментов зданий) или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности (при проектировании плотин, дамб и т.д.).

Результаты испытаний оформляют, как правило, в виде графиков зависимости деформаций образца от нагрузки и их изменение во времени.

Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется программой исследований и принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт. На рис. 4.3 приведена схема компрессионного прибора конструкции института «Гидропроект».

	1 – режущее кольцо; 2 – корпус прибора; 3 – нижний перфорированный штамп; 4 – верхний перфорированный штамп (поршень); 5 – индикатор; 6 – поддон; 7 – грунт
Рис. 4.3. Схема одометра

Исследуемый грунт помещают в предварительно взвешенное режущее кольцо 1. Техника отбора грунта в кольца изложена в разделе 2.

Погрузив грунт в кольцо, ножом тщательно зачищают верхнюю и нижнюю плоскости образца грунта в режущем кольце.

Размеры кольца: диаметр D = 87,4 мм; высота h =25 мм; отношение

D/ h = 3,5; площадь образца А = 60 см².

Давление на грунт осуществляется через пористый поршень, на который через шаровый шарнир передается нагрузка N. Перфорированный поршень 4 и нижний пористый штамп 3 позволяют производить отток воды, выжимаемой из пор грунта при его уплотнении. Листы фильтровальной бумаги предохраняет пористый поршень и донную пластину штампа от засорения частицами грунта. Нагрузка на поршень передается с помощью рычага, соотношение плеч которого 1 : 10. Таким образом, груз, приложенный к подвеске рычага, массой 1 кг передает на поршень одометра усилие в размере 1∙10∙g = 100 Н (здесь g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с² , в инженерных расчетах принимают g = 10 м/с²).

Компрессионный прибор снабжен устройством для измерения вертикальных деформаций образца грунта при помощи двух индикаторов часового типа.

Конструкция прибора обеспечивает отвод и подачу воды к образцу снизу одометра. Первоначальное давление на образец создается весом штампа-поршня и закрепленными на нем измерительными приборами, p = 0,0025 МПа.

В заводских условиях компрессионный прибор протарирован на сжатие с помощью металлического вкладыша с двумя бумажными фильтрами, который помещается в режущее кольцо. График тарировки прикладывается к инструкции прибора. Такую тарировку проводят ежегодно. Максимальное давление при тарировке принимают равным 10 МПа, нагружение осуществляется ступенями давления p = 0,05 МПа с выдержкой 2 мин.

Подготовка к определению сжимаемости грунта

1. Перед испытанием грунта на сжатие в компрессионном приборе определяют все его физические характеристики.

2. Взвешивают рабочее режущее кольцо прибора, предварительно смазав его тонким слоем вазелина или машинным маслом.

3. Из монолита грунта берут пробу для определения влажности и плотности грунта.

4. При испытании грунта естественной структуры образцы загружают в прибор, располагая их так же, как и в условиях естественного их залегания, т.е. чтобы верх и низ соответствовали залеганию грунта в естественных условиях.

5. Отбирают из монолита режущим кольцом грунт естественной структуры и влажности. Порядок вырезания образца описан ранее. После взятия грунта, кольцо очищают от приставших частиц и взвешивают на технических весах с точностью 0,01 г.

6. Определяют плотность грунта ρ и его влажность W, плотность частиц грунта ρ_s , плотность сухого грунта ρ_d и коэффициент пористости е.

7. Грунт в кольце с обеих сторон покрывают влажной фильтровальной бумагой и осторожно помещают в одометр.

8. Собирают одометр и устанавливают его на станину загрузочного устройства.

9. Проверяют наличие шарового шарнира между загрузочной рамкой и поршнем одометра, а также проверяют правильность установки рычагов и подвески для грузов.

10. Устанавливают на поршне одометра два индикатора часового типа. Проверяют правильность сборки прибора. При легком нажатии пальцем на рычаг одометра стрелки индикаторов должны отклониться, а при снятии нагрузки они должны вернутся в первоначальное положение.

11. В журнале (табл. 4.2) записывают начальные отсчеты по индикаторам, дату и время начала испытаний.

Таблица 4.2

Журнал испытаний грунта методом компрессионного сжатия

Номер образца

Дата испытаний

Время снятия отсчета, ti , ч

Время от начала опыта, t, ч

Номер ступени нагружения

Масса груза на подвеске рычага прибора, m, кг

Давление на образец грунта, pi, МПа или кПа

Показания индикаторов деформаций

Абсолютная деформация образца, Δhi, мм

Поправки на деформацию прибора, Δ, мм

Абсолютная деформация с учетом поправки, ΔhI - Δ

Относительная деформация, λZ = (ΔhI – Δ)/h

Примечание

п1

п2

среднее

Проведение испытаний сжимаемости грунта для определения

характеристик m₀, Е и р_str.

1. Нагружение испытываемого образца грунта проводят равномерно ступенями нагрузки.

2. Первую ступень давления р_i при испытании песков принимают в зависимости от коэффициента пористости е (табл. 4.3), а 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 давления [11].

Таблица 4.3

Первая ступень давления для песков

в зависимости от коэффициента пористости

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

В отдельных случаях, предусмотренных заданием, принимают более дробные ступени давления р_i, исходя из особенностей деформируемости грунта, условий его отсыпки и особенностей возведения сооружения.

3. В случае испытания глинистых грунтов при определении их структурной прочности на сжатие р_str первую и последующие ступени давления принимают равным 0,025 МПа до момента начала сжатия образца. Начало сжатия принимают при относительной деформации грунта Δh/h ≥0,005. При дальнейшем нагружении за очередную ступень давления принимают ближайшее большее значение по пункту 2. Для получения заданного давления р_i на образец грунта определяют массу груза Q, которую нужно приложить на подвеску рычага загрузочного устройства одометра по формуле

Q_i = p_i · A/(10·g ), (4.31)

где А – площадь образца грунта в кольце;

10 – соотношение плеч рычага;

g – ускорение свободного падения.

При последующем повышении давления на Δр необходимое увеличение массы груза на подвеске загрузочного устройства составит

ΔQ_i = Δp· A/(10·g). (4.32)

Приращения нагрузки или ее ступени определяются целями и задачами испытания.

Однако могут быть специальные опыты, когда не только начальное давление, но и последующие приращения давления принимают меньше или больше значений, указанных в пункте 2.

4. Для глинистых водонасыщенных грунтов, в случае их разуплотнения во время отбора образцов, при определении структурной прочности, следует вычислить их относительное разуплотнение Δh_н /h по формуле:

Δh_н /h=e_o (1-S_r )/(1+ e_o ), (4.33)

где Δh_н - увеличение высоты образца при разуплотнении, см;

h - высота образца до испытания, см;

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

S_r – коэффициент водонасыщения грунта после подъема образца

на поверхность.

5. На каждой ступени нагружения образца снимают отсчеты по приборам (индикаторам) для измерения вертикальных деформаций 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 1 час в течение рабочего дня, а затем в начале и в конце рабочего дня - до условной стабилизации деформации образца. За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость деформации образца, не превышающую 0,01 мм за последние 4 часа наблюдений для песков, 16 часов – для глинистых и 24 часа - для органоминеральных и органических грунтов. Так, постепенно увеличивая давление на грунт и выдерживая после приложения каждой ступени нагрузки время условной стабилизации деформаций, испытания продолжают до достижения конечной нагрузки Q=36 кг.

6. После приложения последней ступени давления на грунт р_К, равной расчетному сопротивлению грунта под подошвой проектируемых фундаментов, производят разгрузку образца грунта в последовательности, обратной порядку нагружения.

При разгрузке последняя ступень должна соответствовать давлению, создаваемому весом поршня и смонтированных на нем индикаторов.

Регистрацию деформаций образца при разгрузке следует вести через интервалы времени, указанные в пункте 5, как и при нагрузке. За критерий условной стабилизации деформаций образца принимается скорость деформации (увеличение его высоты) равной 0,01 мм по пункту 5.

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