Значения ln(1  sw/h) для вычисления коэффициента фильтрации

SW/h	ln(1-SW/h)	SW/h	ln(1-SW/h)	SW/h	ln(1-SW/h)
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,30 0,31 0,32 0,33	 0,010 0,020 0,030 0,040 0,051 0,062 0,073 0,083 0,094 0,105 0,117 0,128 0,139 0,151 0,163 0,174 0,186 0,196 0,210 0,223 0,236 0,248 0,261 0,274 0,288 0,301 0,315 0.329 0,346 0,357 0,371 0,385 0,400	0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,40 0,41 0,42 0,43 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 0,49 0,50 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 0,59 0,60 0,61 0,62 0,63 0,64 0,65 0,66 0,67	0,416 0,431 0,446 0,462 0,478 0,494 0,510 0,527 0,545 0,562 0,580 0,598 0,616 0,635 0,654 0,673 0,693 0,713 0,734 0,755 0,777 0,799 0,821 0,844 0,868 0,892 0,916 0,941 0,957 0,994 1,022 1,050 1,079 1,109	0,68 0,69 0,70 0,71 0,72 0,73 0,74 0,75 0,76 0,77 0,78 0,79 0,80 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99	1,139 1,172 1,204 1,238 1,273 1,309 1,347 1,385 1,427 1,470 1,514 1,561 1,609 1,661 1,715 1,771 1,838 1,897 1,966 2,040 2,120 2,207 2,303 2,408 2,526 2,659 2,813 2,996 3,219 3,507 3,912 4,605

вень воды в трубке выше поверхности песка. После уплотнения песка трубку устанавливают в прежнее положение и процесс испытания повторяют.

Коэффициент фильтрации следует определять не менее чем при трех плотностях песка. Плотность сухого песка для каждого случая испытания рассчитывают по зависимости

ρ_d = m/A · l,

где m – масса засыпанного в трубку сухого песка; l  высота слоя песка, определяемая по миллиметровой шкале трубки (см. рис. 8.2, в, l = l₁, l₂, l₃, …); А – площадь поперечного сечения трубки.

Определения и результаты расчетов заносятся в таблицу (табл. 8.2), находящуюся в «Журнале лабораторных работ…».

Таблица 8.2

Определение коэффициента фильтрации песка

Площадь поперечного сечения трубки А =­­­___см²

Масса сухого песка в трубке m =____г

Номер опыта

Высота слоя песка l, см

Плотность сухого грунта d, г/см^3

Температура воды Тф, ^0С

Температурная поправка  = 0,7 +0,03Тф

Уровень воды в стакане 1, см

Начальный уровень воды в трубке 2, см

Начальная разность напоров h = 2 - 1, см

Понижение уровня воды в трубке SW, см

Время понижения уровня t, с

ln(1 - SW /h).

Коэффициент фильтрации kф, см/с

Коэффициент фильтрации при 10^0град. С kф,10 = kф /τ, см/с

По результатам работы в «Журнале лабораторных работ…» строится график зависимости коэффициента фильтрации k_ф,10 от плотности сухого песка ρ_d.

Работа 9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЖИМАЕМОСТИ ГРУНТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ

КОМПРЕССИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ

Сжимаемостью грунтов называют способность грунтов уменьшаться в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления. Степень сжимаемости и явления, происходящие при сжатии, зависят от характера и структуры грунта, условий, в которых находится или будет находиться исследуемый грунт.

Оценку деформации сжатия принято представлять зависимостью коэффициента пористости е или относительной деформации  от напряжения , принимая допущение о том, что сжатие образца происходит только за счет изменения объема пор, а объем твердых частиц остается неизменным.

В соответствии с ГОСТ 1224896 характеристики сжимаемости грунта определяются в компрессионных приборах (одометрах) или компрессионно-фильтрационных приборах, исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой N (рис. 9.1). Во время испытания при известном (созданном) напряжении  (=N/A, A – площадь образца, А=40см²) фиксируется перемещение штампа, т.е. деформация h образца высoтой h.

Рис. 9.1. Схема компрессионного прибора

По результатам компрессионных испытаний в механике грунтов принято строить зависимость изменения коэффициента пористости грунта е от сжимающих напряжений  (рис. 9.2,б), которую называют компрессионной кривой, реже строят зависимость вертикальной деформации  от напряжения  (рис. 9.2,а). Компрессионная кривая состоит из ветви уплотнения 1 (загрузки) при увеличивающихся сжимающих напряжениях и может иметь ветвь разгрузки 2 при уменьшающихся сжимающих напряжениях.

Для оценки сжимаемости грунтов обычно заменяют отдельные криволинейные участки графика 1 прямыми, что не приводит к большой погрешности, если диапазон  ^//   ^/ небольшой (см. рис. 9.2,б). Тогда уравнение спрямленного участка компрессионной кривой приобретает вид

е= - а + в, (9.1)

где а и в  параметры прямой.

Рис. 9.2. Графики зависимости относительной деформации (а)

и коэффициента пористости (б) грунта от напряжения:

1 – ветви уплотнения; 2 – ветви разуплотнения

Параметр а характеризует изменение коэффициента пористости при изменении напряжения; например, на участке от  ^/ до  ^// величину а определяют, используя уравнение (9.1), по формуле

. (9.2)

Величина а характеризует сжимаемость грунта в рассматриваемом диапазоне напряжений, является расчетной характеристикой и называется коэффициентом уплотнения (коэффициентом сжимаемости) грунта. При a>0,5 (0,05 ) грунт обычно считают сильносжимаемым, при 0,5≥a≥0,05  среднесжимаемым, а при a<0,05 (0,005 )  малосжимаемым.

Выпрямляя кривую разбухания, получим уравнение, аналогичное (9.1), в котором а заменяется на коэффициент разбухания

. (9.3)

В том случае, когда построен график связи деформаций  с напряжениями  (см. рис. 9.2, а), замена кривой    прямыми позволяет определить модуль деформации на каждом участке. В частности, на участке от  ^/ до  ^// модуль деформации (см. [2, 5])

,

где ξ – коэффициент бокового давления грунта, назначаемый по справочным данным либо определяемый в специальных опытах.

При вычисленных по зависимостям (9.2), (9.3) значениях коэффициентов уплотнения а или разуплотнения а_р модуль деформации Е или разуплотнения Е_р грунта находят по известному соотношению

Е (или Е_р) = . (9.4)

Учитывая, что для многих грунтов (1+е)  1, модули Е или Е_р допускается определять по приближенному соотношению

Е (или Е_р ) . (9.5)

Конструкция компрессионного прибора

B учебной лаборатории механики грунтов используется модель компрессионного прибора (рис. 9.3) Всесоюзного гидрогеологического треста. Исследуемый образец грунта помещается в режущее кольцо 3 (см. рис. 9.3,б) внутренним диаметром 71,4мм, высотой 20мм и площадью поперечного сечения 40см². Для распределения равномерного давления на образец используется пористый поршень 7. Избыток воды, образующийся при сжатии грунта, удаляется через отверстия диска поршня. Режущее кольцо вставляется в обойму 4 с перфорированным металлическим диском 2, которая завинчивается до отказа. При проведении исследований под водой эта конструкция устанавливается в ванну 8, монтируемую на плите 10 станины прибора.

Для передачи нагрузки на образец грунта используется рычажное устройство, расположенное под плитой пресса. Оно состоит из рычага с отношением плеч 1 : 10, противовеса 1, подвески для размещения на ней гирь 14, верхней и нижней серьги, соединенных двумя тягами с фиксирующими гайками (см. рис. 9.3,б). Верхняя серьга имеет приспособление для вертикального перемещения и ее фиксирования. Для закрепления рычага в определенном положении служит специальный винт-арретир 9, который ограничивает движение поршня вверх и тем самым предотвращает набухание грунта при насыщении образца водой. Движение рычажной системы вниз ограничивается упорными гайками.

Проведение компрессионного испытания грунта

Подготовка образца грунта. Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или водонасыщенные или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности. Образец грунта в рабочее кольцо 3 прибора (см. рис. 9.3,б) помещают методом режущего кольца (см. работу 2). Кольцо с грунтом взвешивают и подсчитывают начальную плотность влажного грунта . Из оставшихся обрезков грунта берут пробу для определения его влажности w (см. работу 3).

Сборка прибора. Однорычажный пресс в собранном виде ставят на любую ровную площадку в строго горизонтальное положение и проверяют рычажное устройство. Рычаг 11 вместе с серьгой 12, но без подвески 13, приводят в горизонтальное положение противовесом 1 и закрепляют рычажную систему арретиром 9 и упорными гайками. На дно вкладыша компрессионного прибора укладывают кружок смоченной водой фильтровальной бумаги, вырезанный по внутреннему диаметру режущего кольца. Кольцо 3 с грунтом вставляют в обойму 4 и ввинчивают ее с кольцом в дно вкладыша до упора. На поверхность грунта укладывают второй кружок смоченной фильтровальной бумаги и устанавливают поршень 7. Собранный таким образом вкладыш вставляют в ванну 8 компрессионного прибора, которую устанавливают на опоре пресса так, чтобы головка фиксатора плиты вошла в гнездо дна ванны. На поршень прибора помещают верхнюю серьгу так, чтобы винт 6 опирался на шарик поршня; затем гайками закрепляют верхнюю серьгу в горизонтальном положении. Для замера осадки поршня устанавливают индикатор и закрепляют его на стойке 5. Затем приступают к испытанию, предварительно отпустив упорные гайки.

Проведение испытания. Нагружение испытываемого образца грунта проводится равномерно, без ударов ступенями нагрузки. Для грунтов ненарушенной структуры интенсивность первой ступени нагрузки принимается равной природному давлению (напряжению), величина которого вычисляется по формуле

_g = g z,

где z  глубина взятия образца от дневной поверхности;   плотность грунта в естественном состоянии; g  ускорение силы тяжести.

Последующие ступени нагрузки рекомендуется принимать равными: 0,0125; 0,0250; 0,0500; 0,1000 МПа и далее с интервалом 0,1МПа до заданного значения нагрузки. Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется программой испытаний или принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт (с учетом нагрузки сооружения).

Рис. 9.3. Общий вид (а) и разрез компрессионной установки (б)

На каждой ступени нагружения образца грунта по приборам для измерения вертикальных деформаций снимают отсчеты в следующей последовательности: первый отсчет  сразу после приложения нагрузки, потом через 0,25; 0,50; 1,00; 2,00; 5,00; 10,00; 20,00; 30,00 минут и далее с интервалом 1 час в течение рабочего дня, а затем в начале и конце рабочего дня до условной стабилизации деформации образца^.

За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость деформации образца, не превышающую 0,01мм за последние четыре часа наблюдений для песков, шестнадцати часов  для глинистых и двадцати четырех часов  для органоминеральных и органических грунтов.

При проведении испытаний с образцами естественной или заданной (фиксированной) влажности необходимо предохранять образец oт высыхания.

После прекращения деформации от последней ступени нагрузки так же ступенями в обратном порядке производят разгрузку образца грунта и замеряют вертикальные смещения при его разбухании. Окончание процесса разбухания грунта от каждой ступени разгрузки устанавливается с помощью индикатора по величине условной стабилизации.

Значения нагрузки и разгрузки на каждой ступени, показания индикатора и время их снятия заносятся в таблицу (табл. 9.1), находящуюся в «Журнале лабораторных работ…».

Таблица 9.1