2018-01-08
1154
Сжимаемость грунтов
Для изучения сжимаемости грунтов под нагрузкой обычно применяют приборы, имеющие вид стакана, в дне и поршне которого помещены пористые диски, легко пропускающие наружу воду, вытесняемую из образца при его сжатии (рис. 2.3а). Такие приборы, называемые одометрами, просты и получили широкое распространение. Кроме одометров, в практике лабораторного исследования грунтов применяют и более совершенные приборы – стабилометры (рис. 2.3б). В них образец грунта, защищенный непроницаемой эластичной оболочкой, окружен сбоку жидкостью, которая препятствует его расширению в стороны при сжатии. Вода, вытесняемая из пор образца грунта, здесь также отводится через пористые диск, который устроен в дне прибора.
В одометре во время сжатия образца сказывается влияние сил трения грунта о стенки прибора. Чтобы это влияние было как можно меньшим, образец берут небольшой высоты по сравнению с его поперечными размерами. В стабилометрах влияние трения о стенки прибора устранено, и образцы грунта применяют значительно большей высоты.
Под влиянием давления 
, передающегося образцу от поршня прибора, грунт уплотняется. Течение этой деформации длится некоторое время, в конце которого в грунте, имевшем ранее пористость e 
, устанавливается ее значение e, соответствующее приложенной нагрузке р. В результате сжатия высота образца h уменьшится на некоторую величину S и станет равной h – S.
Эта деформация может произойти лишь за счет уменьшения объема пор, а объем частиц грунта в течение всего процесса сжатия остается неизменным.
Учитывая, что коэффициент пористости равен:
или
 ,
откуда имеем
 .
| (2.17) (2.17а) |
Рис. 2.3.
| а. Одометр: 1 – индикатор; 2 – верхний штамп; 3 – фильтровальная бумага; 4 – режущее кольцо; 5 – дно; 6 – образец грунта. | б. Стабилометр: 1 – база прибора; 2 – верхняя дренажная трубка; 3 – резиновые манжеты; 4 – прозрачная камера; 5 – индикатор; 6 – загрузочный шток; 7 – диск штока; 8 – стопорный винт; 9 – крышка прибора; 10 – тяги грузовой рамы; 11 – подвижный поршень; 12 – образец грунта; 13 – резиновая оболочка; 14 – неподвижный поршень; 15 – трубопровод давления; 16 – нижняя дренажная трубка; 17 – манометр; 18 – кран. |
Тогда, пользуясь формулой (2.17а), можно написать следующие два уравнения, определяющие объем частиц в образце грунта до и после сжатия:
 .
|
Здесь А – площадь образца.
Приравнивая правые части этих выражений, и решая полученное уравнение относительно e, найдем следующую зависимость между e и S для условий сжатия грунта без возможности его расширения в стороны:
 .
| (2.18) |
Для изучения зависимости пористости грунта от давления его образец подвергают сжатию различными нагрузками р 
, начиная с некоторой небольшой величины и постепенно повышая ступенями по ходу испытания. Соответственно каждому значению нагрузки р , и зависящей от нее величины S 
, входящей в формулу (2.18), определяют установившееся значение коэффициента пористости грунта.
Результаты испытаний представляют в виде кривой сжатия, называемой также компрессионной кривой (рис. 2.4), поскольку компрессия – это сжатие без возможности бокового расширения.
Рис. 2.4. Компрессионная кривая сжатия грунта.
Кривую сжатия представленного здесь вида обычно получают при сравнительно большом изменении нагрузки на образец, достигающем иногда 1.5 – 2.0 МПа.
При строительстве различного вида сооружений нагрузка на основание по сравнению с первоначальным природным давлением от собственного веса грунта увеличивается сравнительно немного, на 0,2 … 0,4 МПа.
Поэтому участок кривой сжатия между точками 1 и 2, отвечающими изменению коэффициента пористости от е 
до е 
, которое происходит при увеличении нагрузки от р (первоначальное природное или бытовое давление) до р (нагрузка от фундамента сооружения), принято заменять прямой линией. Уравнение этой прямой будет иметь вид:
| е = A - ар, | (2.19) |
где А – отрезок, отсекаемый прямой NN на оси Оe;
а – угловой коэффициент этой прямой, определяемый по формуле:
 .
| (2.20) |
Так как е и е являются величинами безразмерными (относительными), а нагрузки р и р выражают в МПа, то угловой коэффициент а получает измерение, обратное нагрузке, выражаемое в МПа 
. Чем плотнее исследуемый грунт, тем меньше угол наклона прямой NN к оси О р при одном и том же диапазоне изменения нагрузки р, и, наоборот.
Таким образом, по величине а косвенным образом можно судить о степени сжимаемости грунта, а потому а принято называть коэффициентом сжимаемости ( либо коэффициентом уплотнения ). Например, если a выражается величиной порядка 0,01 МПа , грунт будет сильно сжимаемым, а если а имеет значение порядка 0,0005 МПа , то грунт значительно уплотнен.
При сжатии вертикальной нагрузкой образец грунта, находящийся в одометре, стремится расшириться в стороны и оказывает давление на боковые стенки прибора, со стороны которых возникает равная и противоположно направленная реакция. В случае сжатия образца в стабилометре такая реакция возникает со стороны окружающей его жидкости. Если взять какую-либо точку, расположенную в центральной части нагруженного образца, то вертикальное и горизонтальное напряжения в ней будут главными, имея значения σ и σ .
При некотором небольшом увеличении внешней вертикальной нагрузки на образец главные напряжения получат приращения δσ и δσ . Отношение меньшего из них к большему называют коэффициентом бокового давления грунта и определяют по формуле:
 .
| (2.21) |
Значения коэффициента бокового давления ξ находятся в следующих пределах: для песчаных грунтов ξ =0,25÷0,37; для глинистых (в зависимости от консистенции) ξ =0,11÷0,82.
