8. Компрессионные испытания грунтов

Компрессионные испытания проводятся для изучения сжи­маемости главным образом глинистых грунтов ненарушенной структуры при естественной влажности или предварительно увлажненных до полного насыщения.

Испытания глинистых грунтов нарушенной структуры, а также песков проводятся только при специальных исследова­ниях.

Сжимаемость грунтов характеризуется изменением коэффи­циента пористости при изменении давления в условиях трехос­ного сжатия без возможности бокового расширения. Испытание грунта завершается построением компрессионной кривой и определением таких важнейших характеристик деформативных свойств грунтов, как коэффициент сжимаемости а, модуль об­щей деформации E₀, a также модуль осадки е_р.

Указанные характеристики широко используются для расчета дефор­маций оснований и для общей качественной оценки свойств грунтов.

Для испытаний применяют компрес­сионные приборы (одометры) типа КП, К-1 и др., а также прибор системы И. М. Литвинова. Испытания проводятся по нормальным и ускоренным методикам.

Рассмотрим испытания по ускоренной методике на приборе КП_Р1, который выпускается Угличским экспериментальным ремонтно-механическим заводом объединения «Гидропроект».

Необходимые приборы:

• компрессионный прибор типа КП_р1 (рис. 8.1);

• индикатор ИЧ-10;

• тарировочная металлическая болванка;

• нож с прямым лезвием; технические весы с разновесом;

• сушильный шкаф;

• бюксы алюминиевые;

• эксикатор;

• фильтровальная бумага;

• часы.

Рис. 8.1. Прибор компрессионный настольный КП_р1

I – стол; II – одометр; III – секторы в сборе;

1 – винт опорный; 2 – подвеска; 3 – траверса подвески; 4 – трос грузовой; 5 – сектор;

6 – палец; 7 –трос тяговый; 8 – винт натяжной; 9 – нижнее коромысло; 10 – маховичек; 11 – стяжка; 12 – шарик; 13 – верхнее коромысло; 14 – упор; 15 – рычаг; 17 – противовес.

Устройство и принцип работы компрессионного прибора. Прибор состоит их следующих основных узлов: стола I, одометра II, секторов в сборе III.

Корпус одометра разъёмный (рис. 8.2), он состоит из днища 1, верхней части 4 перфорированного диска – дна 2. Днище и верхняя часть корпуса одометра свинчиваются между собой.

Зажимное кольцо 3 помещается на перфорированный диск и прижимается стяжным кольцом 4.

Перфорированное дно имеет кольцевые и радиальные канавки для подвода воды к основанию пробы грунта при его замачивании. Замачивание грунта производится через стеклянные трубки длиной около 150 мм, соединенные с отводами жёсткими резиновыми трубками. Отводы ввернуты в днище корпуса.

Рис. 8.2.Одометр

1 – днище корпуса; дно перфорированное; 3 – кольцо зажимное; 4 – кольцо стяжное; 5 – верхняя часть корпуса; 6 – штамп; 7 – арретир; 8 – стойка под индикатор; 9 – консоль индикатора; 10 – индикатор часового типа; 11 – стопорный винт.

На образец грунта накладывается штамп 6 и сверху прижимается арретиром 7.

Нагрузка, сжимающая образец, производится грузами, укладываемыми на подвеску 2 (рис. 8.1), через сектор 5 и раму, состоящую из натяжного винта3, нижнего коромысла 9, стяжек 11, верхнего коромысла 13 и упора 14.

Минимально возможное давление на образец грунта от массы штампа и индикаторов с учётом силы от пружин ножек индикаторов составляет 0,0018 МПа. Давление от массы рамки равно 0,0036 МПа.

Для создания давления на образец грунта 0,025 МПа необходимо на подвеску поместить груз массой 1,26 кг, а для получения давления 0,05 МПА следует еще добавить груз массой 1,5 кг.

Далее нагрузка повышается ступенчато из расчёта массы груза 6 кг на каждые 0,1 МПа давления на образец.

Проведение опыта. Образец грунта высотой 20 мм и пло­щадью 40 см² ненарушенной структуры и естественной влажно­сти отбирают грунтоотборочным компрессионным кольцом, вес которого известен, из крупного монолита. Грунтоотборочное кольцо режущей кромкой ставят на поверхность монолита и по­гружают его в грунт, одновременно подрезая грунт вокруг коль­ца. После погружения кольцо с грунтом извлекают, а избыток грунта срезают ножом так, чтобы объем грунта точно соот­ветствовал объему полости кольца. Кольцо с грунтом взвеши­вают.

Определяют объемный вес ₀ , влажность W и вычисляют начальный коэффициент пористости ₀.

На перфорированный металлический диск 2 (рис. 8.2) кладут смоченный водой кружок фильтровальной бумаги, устанавли­вают на него кольцо 3 с грунтом и закрепляют его обоймой 4. Поверх грунта также кладут влажный кружок фильтровальной бумаги, а на него - перфорированный поршень 6. Всю эту систе­му помещают на днище корпуса одометра 1, которую устанавливают на стол компрессионного прибора.

Для сохранения влажности грунта в процессе испытания на поршень, а также между стенками ванны и обоймы укладывают вату, смоченную в воде. В держателе для замера деформаций образца грунта устанавливают индикатор 10 с некоторым отсчетом, например 2,0, по красной шкале, которой рекомендуется пользоваться при испытании.

Испытания проводят путем сжатия образца нагрузкой, пере­дающейся с подвески рычага на поршень прибора. Давление на грунт увеличивают ступенями. Принимают такие ступени дав­ления: 0,05; 0,1; 0,2 и 0,3 МПа. При необходимости давление мо­жет быть доведено до 0,5 МПа и более. В компрессионном приборе 4 кг груза на подвеске (включая и вес подвески, равный 1 кг) сооб­щают образцу давление 0,1 МПа. Время, необходимое для сжатия грунта при каждой ступени давления, колеблется от 20 до 60 мин в зависимости от вида грунта. За это время деформация образца достигнет 85- 95% своей конечной вели­чины.

Поэтому такое время испытания вполне допустимо. Показания индикатора записывают в начале опыта, а также после стабили­зации деформации в каждой ступени. Давление, при котором индикатор фиксирует первые деформации грунта, называется эффективным. Оно равно бытовому давлению на глубине, рав­ной глубине отбора образца.

Эффективное давление определяют путем увеличения давле­ния ступенями по 0,1 кг/см² до величины 0,5 кг/см².

Так как деформация, зафиксированная индикатором, вклю­чает в себя деформацию грунта и деформацию прибора, то для определения действительной деформации грунта нужно знать деформацию прибора. Деформация прибора (в том числе и де­формация листков фильтровальной бумаги) определяется при тарировке прибора. Тарировка проводится так же, как и ком­прессионные испытания, описанные выше, 'но в этом случае вместо грунта в прибор закладывают металлическую болванку с влажными листками фильтровальной бумаги. Время, необхо­димое для стабилизации деформации, составляет 2 - 3 мин. По данным тарировки (таблица 8.1) составляют тарировочную кривую прибора (рис. 8.3). Тарировка проводится 1 - 2 раза в год.

Таблица 8.1

Деформация прибора yП, мм	Давление Р, МПа
0	0
0,051	0,05
0,093	0,1
0,133	0,2
0,159	0,3
0,182	0,4
0,197	0,6

Проведем обработку результатов испытания.

Вычитая из показаний индикатора, полученных в процессе испытания, начальный отсчет, определяют суммарную деформа­цию образца грунта и прибора для каждой ступени давления.

Деформацию образца грунта у_Р определяют для каждой сту­пени давления путем вычитания деформации прибора из сум­марной деформации.

Коэффициент пористости _р , соответствующий деформации образца грунта для каждой ступени давления, вычисляют по формуле

где: ₀ - начальный коэффициент пористости грунта;

h₀ - начальная высота образца грунта в мм.

Рис. 8.3. Тарировочная кривая прибора

Затем строят компрессионную кривую (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Компрессионная кривая _Р = f(P)

Коэффициент сжимаемости а вычисляют по формуле

где: _n-1 - _n изменение коэффициента пористости в рассматриваемом интервале давлений;

Р_п – P_n-1 - изменение давления в МПа.

Таким образом, коэффициент сжимаемости грунта равен отношению измене­ния коэффициента пористости к сжимающему давлению.

Модуль общей деформации Е₀ в тех же интервалах вычис­ляют по формуле

где: _о - начальный коэффициент пористости грунта;

а - коэффициент сжимаемости в МПа^-1;

 - коэффициент, зависящий от коэффициента бокового давления .

Коэффициент  в среднем принимается равным для пес­ков - 0,8; для супесей - 0,7; для суглинков - 0,5; для глин - 0,4.

Модуль общей деформации грунта выражает отношение сжи­мающего давления к относительной деформации сжатия (упру­гой и остаточной). Величины модуля общей деформации и коэффициента сжимаемости меняются для одного и того же об­разца в зависимости от его плотности.

Модуль осадки е_р определяют по формуле

Модуль осадки показывает величину деформации в мм слоя грунта толщиной в 1,0 м под давлением Р МПа.

Результаты компрессионных испытаний помещают в табли­цу (табл. 8.2).

Величина коэффициента сжимаемости позволяет давать об­щую качественную оценку грунтов основания: при а = = 0,0001 МПа^-1 - грунт малосжимаемый; при а = 0,001 МПа - средней сжимаемости; при а = 0,01 МПа - чрезмерно сжимае­мый. В последнем случае грунт, как правило, непригоден для использования в качестве естественного основания.

Давление Р, МПа	Показание индикатора	Суммарная деформация yc, мм	Деформация прибора yП, мм	Деформация образца yР, мм	Коэффициент пористости Р	Коэффициент сжимаемости а, МПа^-1	Модуль общей деформации Е0, МПа	Модуль осадки eP, мм/м
0	2,00	-	-	-	0,750	-	-	-
0,03	2,00	-	-	-	0,750	-	-
0,05	2,147	0,147	0,051	0,096	0,742	0,048	18,3	4,8
0,1	2,459	0,459	0,093	0,366	0,718	0,030	29,2	18,3
0,2	2,845	0,845	0,133	0,712	0,688	0,025	35,0	35,6
0,3	3,149	1,149	0,159	0,990	0,663			49,5

Примечание: 1. Физические характеристики грунта следующие: W_T = = 36%; W_Р = 24%; W_П =12; _у =2,7 г/см³; ₀ =1,81 г/см³ ; W = 17,2%; _о = 0,75; G = 0,62.

2. Начальный отсчет по индикатору 2,0; h₀ =20 мм.