10. Испытания грунтов на консолидацию

Испытание грунтов на консолидацию проводится для изу­чения процесса сжатия грунта постоянным давлением в зави­симости от времени.

В песчаных грунтах стабилизация деформаций при сжатии наступает быстро, в глинистых же грунтах для этого требуется значительное время. Поэтому такое испытание проводят для глинистых грунтов и, отчасти, пылеватых песков.

Для испытания берут, как правило, образцы грунта ненару­шенной структуры и естественной влажности при полном и ча­стичном заполнении водой. В отдельных случаях испытывают и образцы грунта нарушенной структуры определенной влаж­ности. Испытания проводят в компрессионных приборах.

По результатам испытания строят график консолидации, оп­ределяют степень консолидации U_к для любого значения вре­мени после приложения давления, коэффициент консолидации С_к и коэффициент фильтрации K_ф.

Коэффициенты С_к и K_ф входят в формулы по расчету осадок оснований фундаментов во времени.

Приборы те же, что и для компрессионных испытаний, плюс секундомер.

Проведение опыта. Образец грунта ненарушенной структуры и естественной влажности отбирают так, как при компрессион­ных испытаниях. Определяют объемный вес ₀ , влажность W, вычисляют коэффициент пористости _о и степень влажности G.

Испытание проводят в компрессионном приборе при одной или нескольких ступенях давления.

После приложения к образцу давления, при котором изу­чается процесс консолидации (например р = 0,2 МПа или р = 0,1 МПа), отсчеты по индикатору, показывающие развитие деформации, снимают через следующие промежутки времени: 6, 15 и 30 сек; 1, 2, 4, 8, 15, 30 мин; 1, 2, 3, 6 и 12 час; а иногда и через 24 час.

При испытании нужно предохранять образец от высыхания.

Обработку результатов испытания проводят в следующем порядке.

Определяют деформацию образца грунта для указанных вы­ше значений времени с учетом деформации прибора при дан­ном давлении. Деформацию прибора получают по тарировочной кривой.

Строят кривую консолидации в полулогарифмическом масшта­бе в системе координат «деформация у - время t» (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Кривая консолидации глинистого грунта в полулогарифмическом масштабе.

Выделяют на кривой участки первичной (фильтрационной) и вторичной (пластической) консолидации. На участке первичной консолидации деформация образца нарастает за счет выжимания воды из пор грунта, а скорость нарастания деформации определяется водопроницаемостью грунта.

На участке вторичной консолидации деформации увеличиваются за счёт явления ползучести грунтового скелета вследствие сдвига связанной воды, расположенной на поверхности минеральных частиц. В ряде случаев, а именно, когда грунт со­держит большое количество прочно свя­занной воды, боль­шая часть процесса консолидации или даже весь процесс может протекать в виде вторичной кон­солидации.

Для определения начала участка пер­вичной консолида­ции откладывают на оси ординат значе­ния деформации y, а на оси абсцисс - корень квадратный из времени и строят начальный участок кривой консолидации (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Нахождение точки, соответствую­щей началу участка фильтрационной кон­солидации.

Продолжение прямолинейного участка полученной кривой до пересечения с осью ординат даст точку, которую при­ближенно можно рассматривать как на­чало участка первичной консолидации.

Положение точки l, характеризующей конец участка первичной консолидации (см. рис. 10.1), определяют, продолжая прямолинейные участки кривой консо­лидации в полулогарифмическом масшта­бе до их пересечения.

Полученные точки (к и l ) соответствуют степеням первич­ной консолидации U_К = 0 и U_К = 1,0.

Степень консолидации для значений деформаций, полученных в процессе ис­пытания, определяют по формуле

где: y_Р - деформация образца за отрезок времени, для которого определяется консолидация в мм;

у^к_р - конечная стабилизированная деформация образца в мм.

Степень консолидации показывает, какая часть конечной де­формации (в долях единицы или процентах) имеет место за оп­ределенное время.

Путем построения, показанного на рис. 10.1, находят по кри­вой консолидации время t_0,5 для степени консолидации U_К = 0,5.

По кривой консолидации определяют отношение

где t_ф - время, соответствующее концу участка первичной консолидации, в мин;

t_1,0 - время, соответствующее полной консолидации, в мин.

По мере приближения величины этого отношения к 1,0 доля вторичной консолидации в общем процессе консолидации умень­шается.

Коэффициент консолидации определяют по формуле

где h - высота образца в см;

t_0,5 - время, соответствующее U_к = 0,5 в сек;

0,197 - коэффициент, представляющий собой фактор времени Т_в для U_K = 0,5.

Коэффициент фильтрации вычисляют по формуле

где С_к - коэффициент консолидации в см²/сек;

_в - объемный вес воды, равный 0,001 кг/см³;

а - коэффициент сжимаемости в интервале давлений данного испытания в см²/кг;

_ср - среднее значение коэффициента пористости в рассматриваемом интервале.

Результаты испытаний записывают в таблицу 10.1.

Значения коэффициента консолидации С_к и коэффициента филь­трации К_ф, приведенные в табл.10.1, получают так: по кривой консолидации (см. рис. 10.1) для степени консолидации U_К = 0,5 определяем время t_0,5 = 510 сек.

Коэффициент консолидации

Таблица 10.1

Форма записи данных испытаний грунтов на консолидацию

Давление Р,	Время снятия отсчетов по индикатору	Показания индикаторов	Суммарная деформация yc, мм	Деформация прибора yП, мм	Деформация грунта yР, мм	Время действия дав-ления t, мин	Степень консолидации Uк, %	Коэффициент консолидации Ск, см^2/cек	Коэффициент фи-льтрации Кф, см/cек
0,3	8 ч 00 м	2,00	-	0,126	-	0	0	3,8610 ^- 4	1,5410^- 8
2	8 ч 00 м 06 с	2,405	0,405		0,279	0,1	17
	8 ч 00 м 15 с	2,453	0,453		0,327	0,25	20
	8 ч 00 м 30 с	2,479	0,479		0,353	0,5	22
	8 ч 01 м	2,544	0,544		0,418	1	26
	8 ч 02 м	2,639	0,639		0,513	2	32
	8 ч 04 м	2,750	0,750		0,624	4	39
	8 ч 08 м	2,963	0,963		0,837	8	52
	8 ч 15 м	3,165	1,165		1,039	15	65
	8 ч 30 м	3,503	1,503		1,377	30	86
	9 ч 00 м	3,651	1,651		1,525	60	95
	10 ч 00 м	3,703	1,703		1,577	120	98
	11ч 00 м	3,707	1,707		1,581	180	98
	14 ч 00 м	3,718	1,718		1,592	360	99
	20 ч 00 м	3,733	1,733		1,607	720	100

Примечание: 1. Физические характеристики грунта: W_T =34%; Wo = 20%; W_П =14; _у =2,7 г/см³; ₀= 1,98 г/см³; W = 24,2%; ₀ = 0,69; G = 0,95.

2. Начальный отсчет по индикатору 2,0; h₀ =20 мм; h_отб = 1,5 м.

По кривой консолидации определяем также величину деформа­ций, соответствующих началу и концу первичной консолидации:

y₁ = 0,15 мм, у₂ =1,57 мм.

Коэффициенты пористости для этих значений деформаций равны:

Cреднее значение коэффициента пористости

Определяем коэффициент сжимаемости в интервале давле­ний 0,3 - 2 кг/см²;

тогда коэффициент фильтрации будет равен

или К_ф = 1,5410 ^-8 86400 = 1,3310 ^–3 см/сут.