РАБОТА 10. Определение деформационных характеристик глинистого грунта в компрессионном приборе (ГОСТ 12248-96)

Определение деформационных характеристик глинистого грунта в компрессионном приборе (ГОСТ 12248-96)

Характеристики деформируемости (сжимаемости) грунтов необходимы для расчетов осадок оснований сооружений и деформаций земляных сооружений, т.е. для расчетов их по второй (II) группе предельных состояний. Деформационные характеристики (параметры) входят в зависимости между напряжениями и деформациями и зависят от принятой деформационной модели грунта. В настоящее время в расчетах чаще всего применяются классические линейные модели грунта [1,2,3]. Одна из них называется моделью местных линейных деформаций (автор – швейцарец Николай Фусс) и характеризуется коэффициентом сжимаемости m₀. Другая называется моделью общих линейных деформаций (автор – британец Роберт Гук) и характеризуется модулем Юнга E (в механике грунтов эта величина называется модулем деформации) и коэффициентом поперечного расширения (коэффициент Пуассона) υ. Определению двух параметров сжимаемости m₀ и E в лабораторном приборе и посвящена данная работа. В последние годы все чаще используются и другие зависимости (законы) между деформациями и напряжениями[4]. Большинство этих теорий (моделей) рассматриваются в лекционном курсе.

Методика выполнения данной работы и, соответственно, используемые в ней формулы основаны на принятии к грунтам одного из наиболее простого, но и очень неточного для грунта предположения, а именно, гипотезы линейно-деформируемой среды. В таком качестве грунт обычно можно рассматривать только при однократном нагружении, в условиях, когда обеспечивается полное уплотнение его нагрузкой. В лабораторных условиях испытания грунтов на сжимаемость проводят, как правило, при сжатии без возможности бокового расширения грунта в компрессионных приборах (одометрах) или в приборах трехосного сжатия (стабилометрах). Такие испытания называются компрессионными., В виду высокой трудоемкости испытаний грунтов (причем значительно более высокой, чем испытание других более твердых материалов) в последние годы все большее применение находят автоматические приборы. По возможности и по указанию преподавателя работа может быть выполнена с помощью автоматического прибора.

Напряженное состояние образца в условиях компрессионного сжатия показано на рис. 9.

E AAQA8wAAAOsFAAAAAA== " stroked="f">

Рис. 9. Напряженное состояние образца грунта

в условиях компрессионного сжатия

В результате действия вертикального давления р в условиях невозможности бокового расширения (сжатие происходит только в вертикальном направлении) возникает боковое давление ξ· р, где ξ – коэффициент бокового давления. Математическое решение задачи механики грунтов для указанных на рис. 9 условий на границах образца (краевая задача) в предположении линейной связи между относительными деформациями и напряжениями в грунте (закон Гука) дает формулу для модуля деформации грунта:

(28)

где – коэффициент, зависящий от бокового расширения образца.

Коэффициент Пуассона ν определяется по формуле:

(29)

Коэффициент бокового давления ξ может быть определен при испытаниях в стабилометре.

Компрессионный прибор (одометр) состоит из пресса для создания вертикального давления и нагрузочного устройства.

На рис. 10 изображена схема нагрузочного устройства компрессионного прибора.

Рис. 10. Нагрузочное устройство компрессионного прибора.

Испытания проводятся путем сжатия образца грунта нагрузкой, передающейся с подвески рычага пресса на поршень прибора.

Нагрузка на рычаг рассчитывается по формуле:

кН (1,0 кгс=0,01 кН), (30)

где р – требуемое давление на образец, кПа(1,0кгс/см²= 100 кПа);

А – площадь горизонтального сечения образца, м²;

k – передаточное число рычагов пресса.

Вначале образец нагружается давление, под которым грунт находился в природных условиях.

Природное давление рассчитывается по формуле:

(кПа), (31)

где – удельный вес грунта, кН/м³ (работа 1);

Z – глубина отбора пробы, м.

Это давление округляется до 10 кПа (0,1 кгс/см²) и прикладывается к образцу.

Дальнейшее нагружение производится ступенями, равными 12,5; 25,0; 50,0; 100,0 кПа, зависящими от вида грунта до необходимых по программе испытаний пределов.

Вертикальные деформации образца измеряются с помощью двух индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм. После приложения каждой ступени давления показания индикаторов регистрируются через 1 час в течение рабочего дня, а затем в начале и конце рабочего дня до достижения условной стабилизации деформаций.

За критерий условной стабилизации деформации грунта на данной ступени давления принято приращение деформации на величину более 0,01 мм:

– для пылевато-глинистых грунтов за 16 часов между смежными замерами;

– для пылеватых и мелких песков за 4 часа между смежными замерами.

По результатам испытаний грунта в компрессионном приборе определяется величина абсолютной деформации грунта (мм), как среднее арифметическое значение из показаний по двум индикаторам, а затем величина относительной деформации грунта с точностью 0,001 при соответствующих значениях давления р_i по формуле:

, (32)

где – абсолютная деформация грунта на i-ой ступени давления, мм;

h – высота образца грунта до испытания, мм.

По величинам относительной деформации строится график зависимости , изображенный на рисунке 11.

>

Рис. 11. График испытания грунта при сжатии

в компрессионном приборе

По значениям относительной деформации , взятым с графика, вычисляются значения коэффициента пористости , при любом давлении р _i по формуле:

, (33)

где e ₀ – начальный коэффициент пористости грунта.

В конечном итоге по результатам компрессионных испытаний для заранее назначенного интервала давления р _i-1, р _i определяются деформационные характеристики грунта – коэффициент сжимаемости m₀ (модуль местных упругих деформаций) и модуль деформации Е^| по формулам:

, МПа^-1 (34)

, МПа (35)

или

, МПа (35а)

где е _i-1 и е _i – коэффициенты пористости, соответствующие давлениям

р _i-1 и р _i;

ε _i-1 и ε _i – величины относительного сжатия, соответствующие давлениям р _i-1 и р _i;

β – см. формулу (28), принимаемый для пылеватых и мелких песков – 0,8; супесей – 0,7; суглинков – 0,5; глин – 0,4.

В расчетах естественных оснований по СНиП 2.02.01-83 используется модуль деформации Е, физический смысл которого отличается от полученного по формулам (35) или (35а). Отличие объясняется не только погрешностями компрессионных испытаний, но и условностью применения к описанию деформации грунтов модели Гука (модели линейной деформации). Поэтому за стандартное значение модуля деформации Е принимается величина, откорректированная с использованием эмпирической формулы:

, (36)

где ^| – значение модуля деформации по формулам (35) или 35а)

m _k – коэффициент, определяемый на основе сопоставления значений модуля

деформаций, получаемых по данным по данным полевых и лабораторных испытаний.

Как показал статистический анализ этой проблемы, приближенное значение m _k может быть вычислено по формуле:

, (37)

где е ₀ – начальный коэффициент пористости грунта.

Для зданий и сооружений 3-его уровня ответственности(т.е. небольшой этажности и при малых нагрузках) при определении стандартных значений модуля деформации пылевато – глинистых грунтов с показателем текучести 0.5< I_L <1 допускается использовать коэффициенты m _k, приведенные в табл. 22 «Пособия по проектированию оснований зданий и сооружений»[5]. В данном руководстве эти коэффициенты приведены в табл. 14.

Таблица 14

Вид грунта	Значение коэффициентов m k при коэффициенте пористости е, равном
0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,00
Супеси Суглинки Глины	4,0 5,0 -	4,0 5,0 -	3,5 4,5 6,0	3,0 4,0 6,0	2,0 3,0 5,5	- 2,5 5,0	- 2,0 4,5

Примечания:

1) Для промежуточных значений е значение коэффициента m _k определяется интерполяцией.

2) При разгрузке коэффициент m _k принимается равным 1,0, т.к. при разгрузке грунт работает в упругой стадии.

Иногда расчеты осадки сооружений производятся с использованием не модели линейно – деформируемого тела (модели Гука), а модели местных линейных деформаций (именуемой у нас моделью Фусса, а за рубежом – моделью Винклера). В этом случае в расчетах вместо модуля деформации Е и коэффициента поперечного расширения ν используется коэффициент сжимаемости m ₀ (34). Расчеты в этом случае проще, но могут в некоторых случаях приводить к существенным погрешностям в сложных случаях.

Содержание работы

(упрощенная методика)

1. Предварительно подготовленное грунтоотборочное кольцо с грунтом (нижняя и верхняя плоскости образца грунта должны быть ровными и покрыты увлажненными кружками фильтровальной бумаги) поместить в обойму.

2. Снизу на обойму навинтить дно с перфорированным диском.

3. Сверху на грунт установить перфорированный поршень с шариком.

4. Собранный прибор установить в ванну компрессионного прибора, которую, в свою очередь, установить на рычажный пресс.

5. На поршень установить коромысло рычажного устройства и прикрепить его к рычагу пресса.

6. С помощью противовеса уравновесить рычаг пресса (с подвеской) в горизонтальном положении. Закрепить его стопором.

7. Закрепить индикаторы перемещений на поршне с помощью держателей. Ножки индикаторов в максимально выдвинутом состоянии упереть в выступы ванны и установить стрелки в нулевое положение.

8. Записать в журнал испытаний (форма 17) данные по грунту и параметры компрессионного прибора:

– наименование грунта (из работы 3.3);

– удельный вес грунта γ (из работы 1);

– начальный коэффициент пористости грунта е ₀ (из работы 4.1);

– глубину отбора грунта Z=2.5м;

– природное давление грунта р _γ (формула 31);

– площадь поперечного сечения образца А=60см²;

– первоначальную высоту образца h=25мм;

– передаточное число рычагов пресса k=10.

9. Поместить на подвеску плоскую гирю массой 3кг, создавая тем самым (с учетом соотношения плеч рычага 1:10 и площади образца А=60см²) давление на образец кПа (кгс/см²), соответствующее природному давлению для принятой глубины отбора пробы грунта 2.5м. Освободить рычажное устройство от стопора.

Наблюдать по индикаторам за деформациями (осадки) образца в течение минут. (Внимание! Отступление от требований ГОСТ 23908-79 и выдержка первой и всех последующих ступеней давления не до условной стабилизации деформаций в учебном испытании вызвана только ограничением времени проведения лабораторных занятий со студентами). Показания индикаторов в мм непосредственно после приложения нагрузки и затем через 1 мин. в течение 5 мин. записывать в журнал испытаний (форма 17).

10. Помещая последовательно на подвеску рычажного пресса плоские гири общей массой 6, 12 и 18кг (прорези гирь ориентировать в разные стороны!), создавать таким образом ступени давления на грунт 100, 200, 300кПа (1.0; 2.0; 3.0 кгс/см²). Аналогично п.9 выдержать каждую ступень в течение 5мин., показания индикаторов деформаций в мм записывать в журнал испытаний (форма 17) непосредственно после приложения нагрузки и затем через 1 мин.

11. Произвести последовательную разгрузку образца ступенями, оставляя на подвеске рычажного пресса гири общей массой 12, 6 и 0кг. Выдержку каждой ступени давления на грунт 200, 100, 0кПа. Выдержку каждой ступени и запись показаний индикаторов произвести согласно п.10.

12. Заполнить ведомость испытаний (форма 18) или соответствующую таблицу “Паспорта грунта” (выдается преподавателем). В графу “Деформация грунта” внести конечные для каждой супеси давления осредненные значения абсолютной деформации (осадки) образца грунта из журнала испытаний (форма 17). Остальные графы заполнить согласно указанным формулам.

13. По величинам относительной деформации построить график зависимости относительных деформаций от вертикального давления (форма 19 или “Паспорта грунта”). Точка графика, соответствующие степеням давления нагружения, а также разгрузки соединить лекальной кривой (см. рис. 11).

14. Вычислить по формуле (36) стандартное значение модуля деформации Е в диапазоне давлений 100-200 кПа (при нагрузке и разгрузке). Результат записать в форму 20.