Закон сжимаемость грунтов

Отличительной особенностью (свойством) грунтов как дисперсных тел является их значительная сжимаемость при уплотняющей нагрузке, коагуляции (от лат. свертывание, сгущение) коллоидов (от греч. клей + вид) и др. Таким образом, сжимаемостью грунта называется его способность уменьшаться в объеме (деформироваться) от внешней нагрузки.

Грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой. Поскольку напряжения сжатия, возникающие обычно в основаниях зданий и сооружений, сравнительно небольшие, так как объемные деформации твердых частиц (кварца, полевого шпата и др.) ничтожно малы и их не учитывают, то можно считать, что изменение объема грунта при сжатии происходит только из-за изменения объема его пор.

Сжимаемость грунта зависит от его пористости, гранулометрического и минералогического составов, природы внутренних структурных связей и характера нагрузки.

Сжимаемость грунтов обусловливается следующими причинами:

· уменьшением пористости грунтов под воздействием внешних нагрузок вследствие переупаковки твердых частиц;

· уменьшением толщины водно-коллоидных оболочек минеральных частиц под влиянием увеличивающегося внешнего давления;

· изменением физического состояния.

Сжатие грунтов под нагрузкой называется осадкой, или деформацией, грунтов.

Деформации грунтов имеют упругий и пластический характер. Упругие деформации возникают под действием нагрузок, не превышающих структурной прочности грунта. При снятии таких нагрузок происходит восстановление деформаций.

Если нагрузки превышают структурную прочность грунта, то связи между частицами (скелет грунта) разрушаются. Возникают так называемые пластические деформации, которые вызваны относительным перемещением частиц. Скорость развития пластических деформаций зависит от вида грунта, например, в песках крупных и средней крупности, крупнообломочных и трещиноватых скальных грунтах она на несколько порядков выше, чем в глинистых.

В свою очередь пластические деформации в грунтах можно разделить на объемные и сдвиговые. Объемные деформации приводят к изменению объема пор в грунте, т.е. его уплотнению, а сдвиговые — к изменению его первоначальной формы и могут вызывать разрушение грунта.

Основными характеристиками сжимаемости грунтов являются модуль общей деформации Е или коэффициент относительной сжимаемости m_v, коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона) v и коэффициент бокового давления ξ грунта.

Испытание грунтов на сжатие производится следующими видами:

· одноосное сжатие образцов;

· двухосное (компрессионное);

· трехосное.

и формулируется так: отношение приращений коэффициента пористости и давления есть величина постоянная, равная коэффициенту сжимаемости с обратным знаком.

Коэффициент сжимаемости — расчетная характеристика деформируемости фунтов, которая используется при определении осадок сооружений. С помощью этого коэффициента можно производить качественную оценку грунта как основания зданий и сооружений:

при m₀≤0,1 Мпа^-1 – грунт мало сжимаемый,

0,1≤m₀≤1,0 Мпа^-1 – средней сжимаемости,

m₀>1,0 Мпа^-1 – сильно сжимаемый.

Для установления основных показателей сжимаемости грунтов производятся их испытания на уплотнение под нагрузкой, когда деформации грунта могут развиваться только в одном направлении и никакие другие силы, кроме внешней нагрузки, не действуют.

Испытания образцов на одноосное сжатие являются простейшими и применяются для прочных скальных, полускальных, мерзлых и плотных глинистых грунтов, из которых можно вырезать образец цилиндрической и призматической формы с диаметром или стороной поперечного сечения 40-45 мм (рис.). Особенностью такого испытания является отсутствие боковых напряжений (σ_х=σ_у=0), т.е. возможность свободных боковых деформаций грунта (ε_х=ε_у-∞).

Согласно рис. относительная деформация образца грунта

Рис. Испытание грунта на одноосное сжатие: а — схема испытания; б — диаграмма деформаций

Связь между напряжением и деформацией устанавливается согласно известному из сопротивления материалов закону Гука σ = εЕ, где Е – модуль упругости грунта.

Таким образом, испытание грунта на одноосное сжатие в наименьшей степени соответствует действительным условиям деформирования грунта в массиве, так как не учитывает реакции окружающего его грунта, который ограничивает боковые перемещения.

Компрессионные испытания – наиболее распространенный вид лабораторных исследований для определения деформационных характеристик (свойств) грунтов. Компрессия – это процесс сжатия фунта без возможности бокового расширения (εх = εy = 0), т.е. уплотнение образца без его разрушения.

Компрессионные испытания грунтов в лабораторных условиях проводятся в компрессионных приборах (одометрах).

Одометр − прибор, служащий для определения сжимаемости грунта. Деформации в одометре возможны только в вертикальном направлении, горизонтальные деформации отсутствуют. Вертикальное напряжение изменяется ступенями и является известным, боковые напряжения реактивные и остаются неизвестными.

Конструкции их бывают различные, в зависимости от способа приложения нагрузки и целей исследования.

На компрессионное сжатие образец грунта испытывается в металлическом кольце, и на него через жесткий штамп передается сила F, вызывающая в образце сжимающее напряжение σ = F/A, где А – площадь поперечного сечения образца. Таким образом, под действием вертикальной нагрузки происходит вертикальное перемещение штампа, вызывающее осадку образца.

Нагрузку на поверхность грунта прикладывают отдельными возрастающими ступенями. Каждому приращению внешнего давления соответствует определенное изменение влажности w. Зависимость между влажностью и давлением можно изобразить в виде графика: график носит название компрессионной кривой (илл.).

Исследования показали, что компрессионные кривые применимы для оценки сжимаемости любых связных материалов, но для материалов водопроницаемых (например, песков) не могут быть построены по изменению влажности, так как при прекращении нагрузки первоначальная влажность восстанавливается почти мгновенно.

Более общий метод построения компрессионных кривых – метод определения коэффициента пористости по осадкам образцов грунта при уплотнении их в компрессионном приборе.

Сложное напряженное состояние грунта с помощью компрессионных испытаний оценить невозможно. В этом случае для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) образца в массиве используют трехосное сжатие в стабилометре.

Испытание грунта в стабилометре (рис.) производится следующим образом: на поверхность грунтового образца 7, боковая поверхность которого закрыта тонкой резиновой оболочкой 2, могут действовать нормальные напряжения. Напряжения по боковой поверхности цилиндра создаются за счет давления в рабочей камере 3 прибора, заполненной жидкостью (вода, глицерин) или газом. Напряжения по торцам цилиндра создаются либо давлением жидкости, либо передачей усилия F через шток 4 на штамп 5.

Рис. Схема рабочей камеры стабилометра (а) и цилиндрический образец грунта в трехосном приборе (б)

Процесс испытания в трехосном приборе обычно состоит в изменении по заданной программе напряжений σ₁ и σ₂ = σ₃ посредством увеличения или уменьшения давления в рабочей камере и усилия в штоке. При этом измеряются вертикальное сжатие и увеличение диаметра (рис.б).

В стабилометрах можно создавать широкий диапазон видов НДС грунта, например, при постоянном боковом сжатии, т.е. σ₂ = σ₃и возрастании σ₁ наблюдается, как и в случае одноосного сжатия развитие продольных деформаций; при всестороннем сжатии σ₁ = σ₂ = σ₃ как и в случае компрессионного испытания, наблюдается затухание деформации.

Оценка сжимаемости грунтов в стабилометрах производится по объемной деформации грунта

где?V – изменение объема образца,

V – его начальный объем.