Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

201

сжимаемости газонасыщенной поровой воды. При действии же внешней

нагрузки грунт сжимается за счет ее отжатия.

(а) (б)

Рис. 5.12. Зависимость относительной деформации от гидростатического давления для

глины с различными значениями степени водонасыщения

(Далматов и др., 1972):

1,2,3 – S

= 0,90; 0,95 и 0,99, соответственно

Из всех предложенных в Росси конструкций одометров, с нашей точки

зрения, наиболее удачной является конструкция, предложенная С.Р Мес

чяном (1985). Основным достоинством данного одометра является центри

рованность штока, через который прикладывается внешняя нагрузка, что

позволяет использовать только один индикатор для измерения осевой

деформации. Вовторых, одометр герметичен, и поэтому его можно

использовать как компрессионнофильтрационный прибор с односторонней

или двухсторонней фильтрацией. Герметичность одометра позволяет также

применять метод обратного давления при водонасыщении образца грунта.

На рис. 5.13 приведена конструкция малого (М2) компрессионнофильтра

ционного одометра конструкции С.Р.Месчяна (1985), который предназначен

для определения компрессионных и фильтрационных свойств образцов грунта

диаметром 7 см (А = 38,48 см

) и высотой 1 и 2 см. ГОСТ 1224896 рекомендует

проводить компрессионные испытания с образцами грунта диаметром не менее

71 мм и отношением высоты к диаметру 1:3,5. Большой компрессионно

фильтрационный прибор М3 предназначен для испытания гравелистых и

крупнообломочных образцов грунта диаметром 21 см с высотой 6 см.

Глава 5

202

Рис. 5.13. Одометр конструкции С.Р.Месчяна (1985):

1 – основание; 2 – штуцер дренирования; 3 – зажимное кольцо; 4 – штуцер уровня воды;

5 – цилиндр с направляющей головкой; 6 – шток; 7 – держатель индикатора; 8 – винт; 9 –

индикатор часового типа; 10 – стальной шарик; 11 – стальная подушка; 12 – винт

аррертира; 13 – канал для заливки воды; 14 – поршеньфильтр; 15 – кольцо; 16 – уплот

нительное кольцо; 17 – дискфильтр

В 1988 году НПО «Стройизыскания» провело конкурс на лучшую

разработку компрессионных и сдвиговых приборов. Победителем стал

Красноярский трест инженерностроительных изысканий, представивший на

конкурс компрессионный прибор «ПитонК» (рис. 5.14). Нагружение образца

грунта в этом приборе выполняется с использованием шагового двигателя, а

управление осуществляется микроконтроллером. Это был один из первых

автоматизированных компрессион

ных приборов в СССР.

Позднее, в 1991 году, в ООО

«Геотек» были разработаны ком

прессионные приборы, показан

ные на рис. 4.2. В настоящее время

ООО «НПП Геотек» выпускает

другие компрессионные приборы,

которые показаны на рис. 5.15.

Они входят в состав автоматизиро

ванной системы для инженерных

изысканий (ИВК «АСИС») и

управляются компьютером. На

Рис. 5.14. Автоматический компрессионный

прибор «ПитонК» конструкции

КрасноярскТИСИЗ (1988)

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

203

грузка на образец грунта создается или ступенями или непрерывно с заданной

скоростью деформации, которая изменяется в диапазоне от 0,1 мм/мин до

5 мм/мин. Прибор (рис. 5.15, в) используется для проведения испытаний с

постоянной скоростью деформации (CRSиспытания), в течение которых

измеряется и регулируется избыточное поровое давление. В компрессионных

приборах применен одометр конструкции С.Р.Месчяна с кольцом площадью

60 см

и высотой 25 мм.

(а)

(б)

(в)

Рис. 5.15. Компрессионные приборы

конструкции ООО «Геотек»

(www.geoteck.ru):

а – одометр с измерением порового

давления; б – компрессионный прибор со

статическим нагружением; в – компрес

сионный прибор с непрерывным нагру

жением

Одометр конструкции Aversa and Nicotera (2002) отличается от известных

устройством осевого нагружения, в качестве которого применяется плунжер

Бишопа, и вторая особенность – использование двух фильтров с различной

проницаемостью, что позволяет проводить испытания на консолидацию не

полностью водонасыщенных грунтов. Образец имеет диаметр 56 мм и высоту

20 мм. Уплотнительное кольцо в нижней части введено с целью исключения

Глава 5

204

утечек поровой воды из одометра. Одометр находится внутри камеры

давления, что позволяет создавать необходимое давление в поровой среде

образца грунта, включающей в себя воздух и жидкость.

Для разделения давления на давление воздуха и давление жидкости в

порах используются керамические фильтры с различной проницаемостью.

Поровое давление в объеме пор, заполненных воздухом, создается через

фильтр с низкой проницаемостью и равно давлению воздуха в камере дав

ления прибора.

Рис. 5.16. Одометр конструкции Aversa and Nicotera (2002):

1 – датчик перемещения LVDT; 2 – датчик силы; 3  штамп; 4 – образец; 5 – верхняя

чулочная манжета; 6 – одометр; 7 – нижняя чулочная манжета; 8 – поршень; 9 – шток;

10 – пористый фильтр с низкой проницаемостью воздуха; 12 – пористый фильтр с

высокой проницаемостью воздуха; 13 – уплотнительное кольцо

Максимальное осевое напряжение, которое может быть приложено к

образцу грунта, является функцией давления воздуха (давление в камере) и

определяется с использованием следующего уравнения равновесия:

()

,σ− = − −

aa rl cu

upApAW

(5.3)

где

W – вес плунжера;

– площадь поперечного сечения образца;

–

площадь нижней и верхней манжет, соответственно;

– давление в камере;

– давление в камере плунжера;

– давление воздуха в порах.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

205

5.3. Процедура испытаний грунтов

5.3.1. Испытания грунтов с целью определения параметров

первичной консолидации

Выбор последовательности нагружения в компрессионном приборе

зависит не только от вида испытываемого грунта, но и от типа проектируемых

надземных зданий или сооружений, которые вызывают тот или иной вид

напряженного состояния в массиве грунта основания. Например, насыпи,

дамбы или фундаменты мелкого заложения.

Количество ступеней нагружения и их значения должны быть больше

эффективных напряжений, которые используются при расчете осадки

фундаментов, т.е. максимальное значение нормального давления на образец

грунта должно быть выше давления под подошвой проектируемого фун

дамента. При испытании сильно переуплотненных глинистых грунтов

максимальное значение ступени нормального давления должно быть не менее

чем в четыре раза больше значения давления предварительного уплотнения,

′

. Если принятое в программе испытаний максимальное значение нормаль

ного давления будет незначительно превышать давление предварительного

уплотнения, то коэффициент сжимаемости будет недооценен изза эффектов,

проявляющихся при отборе монолитов (упругая деформация при разгрузке и

деформация структуры).

При испытании образцов грунта с разгрузкой необходимо иметь в виду,

что если принятая ступень разгрузки будет выше давления предварительного

уплотнения, то результирующая осадка фундамента окажется больше изза

меньшего значения упругого модуля деформации. Поэтому, при испытании

переуплотненных грунтов рекомендуется проводить разгрузку при давлении,

которое чуть меньше давления предварительного уплотнения,

′

Длительность каждой ступени нагружения определяется условием

завершения фильтрационной консолидации перед следующим приращением

нагрузки; в зависимости от вида глинистого грунта она может изменяться от 3

до 24 часов. В песчаных грунтах первичная консолидация может быть

завершена в течение 15 минут. При нагрузках, меньших

′

, консолидация

может быть завершена менее чем за 3 часа. При применении автоматизи

рованных измерительных систем длительность нагружения можно контроли

ровать по величине рассеивания избыточного порового давления, если

одометр оснащен датчиком порового давления, или из условия затухания

процесса консолидации, используя кривую зависимости «нормальное дав

ление – корень квадратный из времени». При выполнении этого условия

следующая ступень нагружения прикладывается автоматически. В США

используются компрессионные приборы как со статическим, так и кине

матическим нагружением (ASTM D 2435, ASTM D 4186). В последнем

Глава 5

206

стандарте максимальное нормальное давление принято равным 2700 кПа. В

Евростандарте ISO/TS 17892, часть 5, максимальное нормальное давление

принято равным 3200 кПа, причем для определения

′

рекомендуются сле

дующие ступени нормального давления: 6, 12, 25, 50, 100, 200, 400, 800, 1600,

3200 кПа.

Ограничения

компрессионных испытаний

1. Трение между образцом грунта и стальным кольцом одометра снижает

нагрузку на грунт до 6 %.

2. В общем случае действительная скорость осадки сооружений больше,

чем в испытаниях. Это может быть объяснено структурой грунта, влияющей

на условия дренирования.

3. В стандартных одометрах невозможно дренирование в горизонтальном

направлении. В полевых условиях в отличие от лабораторных испытаний

дренирование в горизонтальном направлении более вероятно изза

особенностей структуры грунта и условий нагружения.

4. Размер образца весьма мал и не может отражать условия в массиве

грунта. В особенности это касается крупнообломочных грунтов.

5. Процедура определения параметров может быть улучшена путем

сочетания полевых и лабораторных испытаний. Например, определив коэф

фициент фильтрации

k из полевых опытов, а коэффициент сжимаемости m

из лабораторных опытов, то ошибка в определении параметра консолидации

будет снижена.

6. Конструкцию одометра можно изменить, выполнив дренирование в

горизонтальном направлении.

7. Большая продолжительность испытаний – от нескольких часов (пески,

супеси) до нескольких суток (суглинки, глины).

8. Необходимость использования корректировочных коэффициентов

(штамповые испытания) при определении модуля деформации.

Достоинства

компрессионных испытаний

1. Простота и дешевизна испытаний.

Испытания грунтов методом компрессионного сжатия по ГОСТ 1224896

проводят для определения следующих характеристик деформируемости: коэф

фициента сжимаемости

; модуля деформации E; структурной прочности на

сжатие

str

; коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации c

и c

для песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов с показателем текучести

>0,25, органоминеральных и органических грунтов; относительного суф

фозионного сжатия

и начального давления суффозионного сжатия p

для

засоленных (содержащих легко и среднерастворимые соли) песков (кроме

гравелистых), супесей и суглинков.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

207

Таблица 5.3

Параметры, определяемые из компрессионных испытаний

и используемые при расчете оснований зданий и сооружений

Наименование параметров Обозначение и размерность

Параметры сжимаемости

Модуль общей деформации E, МПа

Упругий модуль деформации E

, МПа

Давление предварительного уплотнения

, МПа

Коэффициент компрессии при нагружении C

, 1/МПа

Коэффициент компрессии при разгрузке C

, 1/МПа

Коэффициент бокового давления

Коэффициент Пуассона

Параметры консолидации

Коэффициент первичной консолидации при одно

сторонней и двухсторонней фильтрации

, см

/с

Коэффициент вторичной консолидации

, см

/с

Коэффициент фильтрации k, см/с

Просадочные грунты

Относительная просадочность

пр

Начальное просадочное давление р

пр

Набухающие грунты

Давление набухания р

Относительное набухание

Все перечисленные параметры являются обязательными при проек

тировании оснований сооружений с использованием решений, которые

приведены в СНиП 2.02.0183 и СП 501002004. В случае расчета дефор

мации оснований с использованием численных методов (программ Plaxis,

Crisp и т.п.) необходимо определить коэффициенты компрессии

при

нагрузке и разгрузке, давление предварительного уплотнения

и коэф

фициент переуплотнения OCR.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов

грунта в компрессионных приборах или компрессионнофильтрационных

приборах (для определения характеристик суффозионного сжатия), исклю

Глава 5

208

чающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагру

жении вертикальной нагрузкой.

Результаты испытаний на сжатие в компрессионном приборе можно

представить графически в виде нескольких зависимостей, которые приведены

в табл. 5.4. По результатам непосредственных измерений деформации сжатия

при различных ступенях нормального давления можно построить зависи

мость

)(σ=ε f , где

hh /Δ=ε

, а

hΔ

– изменение высоты образца при началь

ной высоте образца грунта

(табл. 5.4, п.1). Используя данную зависимость,

можно определить модуль компрессии

D в выбранном интервале давления

σ−σ

Δσ

Δε =

. (5.4)

Этот модуль можно использовать для приближенной оценки осадки слоя

грунта мощностью

при действии на его поверхности сплошной равно

мерно распределенной нагрузки интенсивностью

sH H

=ε = . (5.5)

Более удобно представить зависимость

)(σ=ε f в полулогарифмическом

масштабе

)(lgσ=ε f , так как в этом случае она является линейной (табл. 5.4,

п.2) и угол наклона или модуль компрессии определяются однозначно в

любом интервале давления из выражения

ioc

ε=ε+

, (5.6)

где

– коэффициент компрессии по ветви нагружения.

В компрессионном приборе, где не происходит бокового расширения,

деформация образца грунта в боковом направлении невозможна, и поэтому

0ε=ε=

. С использованием решений теории упругости получено выражение

для условий компрессионного сжатия, связывающее вертикальную дефор

мацию с вертикальным напряжением или давлением на поверхности образца

грунта вида

ε=

, (5.7)

где

– коэффициент стеснения поперечной деформации, зависящий от коэф

фициента Пуассона,

β= −

−ν

. (5.8)

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

209

Таблица 5.4

Виды компрессионных зависимостей

1. Компрессионная кривая в координатах σ−ε

σΔ

=εΔ

2. Компрессионная зависимость в координатах σ−ε lg

+ε=ε

сi

3. Компрессионная зависимость в полулогарифмическом масштабе

−=

сi

Cee

4. Компрессионная зависимость в координатах σ−e

ioi

ee ασ−= tg

Глава 5

210

В выражении (5.7)

E называется модулем деформации, а в теории упругос

ти – модулем

Юнга. Модуль Юнга определяется из испытаний образцов

различных материалов при одноосном сжатии с возможностью бокового

расширения, а модуль деформации – из испытаний образцов грунта без

возможности бокового расширения. Так как при выводе выражения (5.7)

используются решения теории упругости, то предполагается, что модуль

Юнга не зависит от уровня напряжений, а модуль деформации является

величиной переменной, зависящей от значения нормального давления на

поверхности образца грунта в компрессионном приборе.

Из выражений (5.5) и (5.7) можно получить зависимость между модулем

компрессии

D и модулем деформации E:

. (5.9)

Следует иметь в виду, что модуль компрессии

D определяется

непосредственно из испытаний путем прямых измерений деформации от

приложенного давления, а модуль деформации

E получен из аналитического

решения для условий сжатия грунта при невозможности его бокового

расширения.

Сжатие грунта в компрессионном приборе обусловлено уменьшением

объема грунта, что связано с изменением или коэффициента пористости

или коэффициента объемной деформации

. Оба этих параметра связаны с

начальным объемом грунта и поэтому они более адекватно характеризуют

процесс сжатия грунта, по мере возрастания внешней нагрузки. В связи с

этим компрессионную зависимость представляют как в виде

)(σ= fe ,

(lg )ef=σ (табл. 5.4, п.3,4) или

)(σ=ε f

)(lg σ=ε f

. Если использовать

компрессионную кривую

)(lnσ= fe , то ее уравнение имеет вид

eeC

=−

, (5.10)

где

– коэффициент компрессии (есть тангенс угла наклона полу

логарифмической кривой к оси давлений), численно равен разности

значений коэффициента пористости при

=σ

272 кПа и

=σ

100 кПа.

Этот коэффициент характеризует сжимаемость грунтов в большом

диапазоне давлений. Если ограничиться небольшим изменением давлений,

как правило 100–300 кПа, то с достаточной точностью можно принять

отрезок компрессионной кривой (табл. 5.4, п.4) в виде прямой линии,

уравнение которой имеет вид

io i

ee=−ασ

, (5.11)