Лабораторная работа № 8

Компрессионные испытания грунтов

Цель работы: Определение характеристик сжимаемости грунтов. Оценка правильности полученного результата.

Теоретическая часть

Сжимаемостью грунтов называется их способность уменьшиться в объеме под действием внешней нагрузки. Сжимаемость зависит от пористости грунтов, гранулометрического и минералогического состава, природы внутренних структурных связей и характера нагрузки.

Характеристиками сжимаемости являются:

коэффициент сжимаемости m₀, МПа^-1;

коэффициент относительной сжимаемости m_v, МПа^-1;

модуль деформации E, МПа;

структурная прочность на сжатие P_стр, МПа.

Одним из способов определения характеристик сжимаемости в лабораторных условиях являются компрессионные испытания. Это испытания грунта в условиях одноосного сжатия без возможности бокового расширения. Компрессионное сжатие моделирует процесс уплотнения грунта под центром фундамента. Компрессионные испытания грунтов производят в одометрах - приборах с жесткими металлическими стенками, препятствующими боковому расширению грунта при сжатии его вертикальной нагрузкой. При испытаниях происходит уплотнение грунта за счет уменьшения объема пор и влажности.

Рис. 8.1 - Схема одометра:

1 – образец грунта; 2 – кольцо; 3 – фильтровальная бумага; 4 – штамп с отверстиями; 5 – поддон; 6 – жесткая обойма; 7 – индикаторы часового типа; 8 – центрирующий шарик.

Для оценки сжимаемости (уплотнения) строят график зависимости коэффициента пористости от вертикального давления, получают так называемую компрессионную кривую (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Компрессионная кривая

Компрессионная зависимость состоит из 2-х ветвей: кривой уплотнения и кривой набухания. Кривая набухания получается при разгрузке первоначально сжатого образца. В этом случае будет происходить увеличение объема и пористости образца. Увеличение объема грунта при снятии нагрузки характеризует упругие деформации, а разность между первоначальным объемом и объемом образца после разгрузки – остаточные деформации. Во многих случаях в пределах небольших изменений давлений, компрессионная кривая сравнительно близка к секущей прямой (хорде) АВ. Тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс характеризует сжимаемость грунта и называется коэффициентом сжимаемости.

Коэффициент сжимаемости есть отношение изменения коэффициента пористости к разности давлений. Значение коэффициента сжимаемости определяется по формуле:

m₀ = tg a = ( е₁- е₂) / ( p₂ - p₁)

      где е₁ - значение коэффициента пористости при давлении p₁; е₂ - значение коэффициента пористости при давлении p₂.

Необходимое оборудование: компрессионный прибор, набор гирь, секундомер, фильтровальная бумага; оборудование для определения физических характеристик грунта

Подготовка к испытанию

1. Предварительно определяют физические характеристики грунта.

2. Компрессионный прибор устанавливают в лаборатории на жесткое основание, исключающее вибрацию.

3. Определяют диаметр и высоту рабочего кольца с точностью до 0,01мм и взвешивают его.

4. Образец грунта для испытания вырезают рабочим кольцом без образования зазоров между грунтом и рабочим кольцом. Кольцо с грунтом до опыта взвешивают.

5. Образец грунта в кольце покрывают с 2-х сторон влажными фильтрами и помещают в компрессионный прибор.

6. Устанавливают стрелки индикатора в начальное положение.

Порядок выполнения работы

1. Испытание заключается в том, что образец грунта в рабочем кольце подвергается уплотнению постепенно возрастающим давлением, прикладываемым ступенями. Рост давления вызывает изменение высоты образца грунта, которое регистрируется индикатором и записывается в журнал.

Ступени давления при испытании грунтов должны быть равными 0,0125; 0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом в 0,1 МПа до необходимых пределов (0,4-0,6 МПа).

2. После приложения каждой ступени давления, показания индикаторов следует регистрировать по ГОСТ 26518-85 через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 60 минут, далее через 1 час в течение рабочего дня, а затем в начале и в конце рабочего дня до достижения условной стабилизации деформаций.

За критерий условной стабилизации деформаций грунта при данной ступени давления следует принимать деформацию не более 0,01 мм для глинистых грунтов за 16 часов; для пылеватых и мелких песков за 4 часа.

3. Разгрузку образца грунта производят также ступенями давления в последовательности, обратной порядку нагружения.

4. После завершения испытания грунт высушивают при температуре 105⁰С и определяют массу сухого грунта. Все результаты измерений и взвешиваний записывают в журнал.

5. При выполнении учебной лабораторной работы величины давления можно принять следующие, кПа: ;;;исходя из приложенных гирь 3, 6 или 9 кг. Каждую ступень давления следует выдерживать 4 минуты. При этом отсчеты берем через одну минуту по секундомеру. Все данные заносят в журнал испытаний с вычислением осадки (деформации) абсолютной и относительной (табл. 8.1)

При испытании образец грунта находится в цилиндрическом кольце диаметром D, высотой h. При проведении компрессионных испытаний грунта на приборах конструкции Гидропроекта исходные данные будут следующими:

высота образца грунта h, мм	25
площадь образца А, см^2	60
диаметр D, мм	87,4
отношение плеч рычага, передающего нагрузку п	1:10.

Таблица 8.1 - Журнал испытаний (пример заполнения)

Масса гирь на подвеске m, кг	Главное вертикальное напряжение , кПа	Время наблюдения , мин.	Показания индикаторов		Осадка
			при нагрузке	при разгрузке	абсолютная , мм	относительная =S/h
						при нагрузке	при разгрузке
0	0,0	0	0,00	0,25	0,00	0,00	0,0100
3	50	1 2 3 4	0,18 0,20 0,21 0,21	0,26	0,18 0,20 0,21 0,21	0,0072 0,0080 0,0084 0,0084	0,0104
6	100	1 2 3 4	0,25 0,26 0,27 0,27	0,28	0,25 0,26 0,27 0,27	0,0100 0,0104 0,0108 0,0108	0,0112
9	150	1 2 3 4	0,30 0,31 0,32 0,32	0,32	0,30 0,31 0,32 0,32	0,0120 0,0124 0,0128 0,0128	0,0128

Примечания:

1. h =25 мм; А=60 см²; п=1:10=0,1

2. кПа

3.

Перед началом опыта должен быть назначен начальный коэффициент пористости грунта e₀, соответствующий давлению на образец ₀=0

6. Вычисляют приращение коэффициента пористости и значение коэффициента пористостипри каждой ступени давления, гдеe₀ – начальный коэффициент пористости грунта, вычисляемый для каждого образца грунта по формуле: е=(_s-_d)_/_d или принимаемый равным 1,1. Полученные данные заносят в таблицу 8.2.

Таблица 8.2 - Журнал вычислений (пример)

Главное вертикальное напряжение , кПа	Стабилизированная осадка		Коэффициент пористости
	абсолютная S, мм	относительная	приращение по сравнению с начальным,	значение
0	0,00	0,0000	0,000	0,960
50	0,21	0,0084	0,016	0,944
100	0,27	0,0108	0,021	0,939
150	0,32	0,0128	0,0025	0,935

7

е

. По данным табл. 8.1 строят график зависимости относительных деформаций от вертикального напряжения и по табл. 8.2 строят график зависимости коэффициента пористости от напряжения, т.е. компрессионные кривые (рис. 8.3).

1

2

e₁

e₂

0,960

0,950

0,940

0,930

0,920

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014



50

100

, кПа

150

Рис. 8.3 - Графики компрессионных кривых: 1 – кривая уплотнения; 2 – кривая разуплотнения.

8. Определяют коэффициент сжимаемости (уплотнения) m₀, МПа^-1 в каждом интервале напряжений по формуле: m_0i = e/ = (e_i + e_i+1)/(_i+1- _i),

где e_i и e_i+1 - соответствующие значения коэффициентов пористости; _i+1 и _i - границы интервала изменения главного вертикального напряжения.

9. Определяют коэффициент относительной сжимаемости m_v, МПа^-1 в каждом интервале напряжений по формуле: m_vi= m_0i / (1+e₀).

10. Определяют модуль общей деформации грунта E, МПа в соответствующих интервалах напряжений по формуле: Е_i = β/ m_vi, где β – поправка, учитывающая отсутствие поперечного расширения, принимаемая для пылеватых и мелких песков – 0,8; супесей - - 0,7; суглинков – 0,5 и глин – 0,4.

11. Результаты вычислений записывают в таблицу 8.3.

Таблица 8.3 – Результаты компрессионных испытаний грунта

Главное вертикальное напряжение , кПа	Время наблюдения t, мин.	Осадка (деформация)		Коэффициент пористости e	Коэффициент сжимаемости (уплотнения) m0, МПа^-1	Модуль общей деформации грунта E, МПа
		абсолютная S, мм	относительная ε
50	1 2 3 4
100	1 2 3 4
150	1 2 3 4

12. По полученным результатам делают вывод о степени сжимаемости грунта с использованием данных табл. 8.4.

Таблица 8.4 - Степень сжимаемости грунта

Степень сжимаемости грунта	mo, МПа^-1	Е0, МПа
Несжимаемый Малосжимаемый Среднесжимаемый Повышенной сжимаемости Сильносжимаемый	< 0.01 0.01 - 0.05 0.05 - 0.1 0.1 - 1 >1	>100 30 - 1000 15 -30 5 -15 <5

вывод