Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

261

наибольшей скоростью деформации )c101(

15 −−

⋅=ε



. Значения коэффициента

сжимаемости С

вычисленные из CG испытаний практически совпадают со

значениями для CRSиспытаний, показаны на рис. 5.53, б для всех скоростей

деформации. Скорость деформации не оказывает существенного влияния на

коэффициент сжимаемости для данной глины.

(а) (б)

Рис. 5.53. Скорости деформации, измеренные в испытаниях с контролируемым

градиентом (Trausch et al., 2003):

а – при разности порового давления

=Δ

кПа и

=Δ

кПа; б – зависимость

коэффициента сжимаемости от числа пластичности для CRS и CGопытов

5.6. Компрессионные испытания сильно сжимаемых грунтов

Поведение сильно сжимаемых грунтов, подобных торфу, илу и др., более

сложное, чем природных грунтов, полностью уплотненных под действием

собственного веса. Деформационное поведение сильно сжимаемых грунтов

отлично от поведения грунтов с завершенной консолидацией. Сильно

сжимаемые грунты показывают большие деформации с небольшим рассе

иванием порового давления в начале нагружения. В течение этой стадии теория

малых упругих деформаций Терцаги не может быть использована для оценки

конечной величины и изменения осадки во времени. Имеется переходная

точка, когда сильно сжимаемые грунты переходят в состояние обычных, и

применение теории Терцаги становится уместным. Несколько методов

определения среднего коэффициента пористости на точке перехода,

основанных на изменении осадки, коэффициента пористости, коэффициента

фильтрации и порового давления, рассмотрено в работе Bo et al. (2002).

Компрессионные испытания при различной влажности с образцами

высотой 40 мм были выполнены в компрессионном приборе конструкции

Rowe,

разработанной ранее в Manchester University. Детали конструкции

можно найти в работах Rowe (1996) и Head (1975). Внутренний диаметр

Глава 5

262

прибора 150,5 мм, начальная высота образца 40 мм. Отношение диаметра к

начальной высоте около 3,8. Это же отношение рекомендуется в работах

Mesri et al. (1995)

и Yoshikuni et al. (1995). При испытании сильно сжимаемых

грунтов, вследствие существенного уменьшения высоты образца при сжатии,

отношение диаметра к высоте становится намного больше начального.

Испытания сильно сжимаемых грунтов были выполнены с исполь

зованием устройств, которые схематично показаны на рис. 5.54. Точность

измерения осевого перемещения датчиками LSCT (Linear Strain Conversion

Transducer,

тип HS25B, Model No. WF17015) – в диапазоне 25 мм составляет

0,001

мм. Поровое давление измерялось с использованием датчиков давления

(Model No. WF 17021)

с точностью 1 кПа. Измерение изменения объема

выполнялось устройством «Model No. WF 17044» с точностью измерения

объема 0,001 см

. Производителем отмеченного устройства является

компания Wykeham Farrance, UK. Нормальное давление создается GDS

гидравлическим контроллером с точность 1 кПа. Поровое давление в

одометре измеряется в центре основания образца, за исключением опытов с

центральной дреной, где поровое давление измеряется на расстоянии 41,4 мм

от центра.

Рис. 5.54. Схема измерительной системы для компрессионных испытаний

с применением одометра Rowe (Bo et al., 2003):

1 – устройство сбора данных; 2 – контроллер давления; 3,4 – датчики порового давления;

5 – резиновая диафрагма; 6 – вода; 7 – устройство измерения изменения объема

Сильно сжимаемые грунты имеют большую влажность, которая

значительно превышает влажность на границе текучести (выше 100 %).

Показатель текучести у подобных грунтов – более единицы. Водонасыщение

образцов перед опытами, которые отбираются ниже поверхности воды

(

например, со дна моря) не выполняется, так как полагается, что в природном

состоянии они полностью водонасыщены. В обсуждаемых опытах число

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

263

пластичности изменялось в пределах: 49–60 % – для одношагового нагру

жения и 79 % – для ступенчатого нагружения. Влажность образцов изме

нялась от 130 до 190 %.

Во всех опытах при одношаговом нагружении (рис. 5.55, а, б) после

создания внешней нагрузки поровое давление было сразу же равно

нормальному давлению. Однако поровое давление не рассеивается в течение

200–400

мин, пока образец подвергается большим деформациям. Период

задержки диссипации порового давления обратно пропорционален прило

женному нормальному давлению. После завершения процесса рассеивания

порового давления высота образца уменьшается до 19–29 мм. Величина

осадки является функцией начальной влажности и приложенной нагрузки.

(а)

(б)

Рис. 5.55. Результаты испытаний при одношаговом нагружении (Bo et al., 2003):

а – изменение порового давления во времени; б – рост осадки во времени

Глава 5

264

Рис. 5.56. Зависимость коэффициента пористости от нормального давления

(Bo et al., 2003)

Для описания процесса осадки сильно сжимаемых грунтов необходимо

определить коэффициент сжимаемости и точку перехода к состоянию

нормально уплотненных грунтов, когда осадку можно рассчитать, используя

теорию Терцаги. Точка перехода определяется с использованием зависимости

e σ

′

− lg

из пересечения двух прямых линий, касательных к двум различным

сегментам кривой. Коэффициент пористости, соответствующий точке

перехода, уменьшается с ростом приложенной нагрузки и увеличивается с

ростом влажности.

Из рис. 5.56 видно, что большие изменения коэффициента пористости

наблюдаются при малых изменениях эффективных напряжений. Для одного

уровня эффективных напряжений окончательное значение коэффициента

пористости одно и то же и не зависит от влажности.

На рис. 5.57 точка перехода соответствует коэффициенту пористости при

давлении, равном 10 кПа. Коэффициент сжимаемости возрастает с ростом

начального коэффициента пористости. Значение коэффициента пористости

на точке перехода связано с коэффициентом пористости на пределе текучести

следующим образом:

ee=α

, (5.45)

где

– коэффициент пористости на пределе текучести, а α – постоянная,

которая изменяется между 0,90 и 1,32 в зависимости от минералогического

состава грунта. Эта корреляция может быть найдена из нескольких

компрессионных испытаний глин с различным пределом текучести.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

265

Рис. 5.57. Зависимость начального коэффициента пористости, коэффициента точки

перехода (

) и индекса сжимаемости (

1с

) от эффективного напряжения

(Bo et al., 2003)

В опытах с нагружением ступенями были использованы три различных

условия дренирования (рис. 5.58). Предполагалось, что подобные условия

имеют место при уплотнении сильно сжимаемых грунтов с устройством

вертикальных дрен в массиве грунта. В опытах дрены были выполнены из

пористого пластика с проницаемостью 4⋅10

4

м/с. Нагрузка создавалась

ступенями, начиная с 6 кПа до 640 кПа, с коэффициентом приращения,

равным единице. Как видно из рис. 5.59, сжимаемость грунта зависит от

условий дренирования. При радиальном и осевом направлении дренирования

результаты практически совпадают, что свидетельствует об изотропном

состоянии исследуемого грунта.

Рис. 5.58. Расположение дрен в образце глины (Bo et al., 2003)

Глава 5

266

Рис. 5.59. Зависимость осадки от времени при различных условиях дренирования

(Bo et al., 2003)

5.7. Определение параметров сжимаемости

с использованием физических характеристик грунтов

Воздействие внешней нагрузки от веса сооружения на грунты вызывает их

осадку. Величина осадки связана с коэффицентом сжимаемости

или

коэффициентом изменения объема (коэффициентом сжимаемости

по

ГОСТ 1224896). Значения этих коэффициентов зависят от скорости сжатия

слоев грунта в основании сооружений. Этот параметр особенно важен при

выборе метода предварительного уплотнения искусственно улучшаемых

грунтов и может быть определен, если известно значение коэффициента кон

солидации в вертикальном направлении

. Определение

обычно произ

водится в одометрах, в условиях одномерной деформации. Используя зави

симость сжатия грунта от времени и одну из нескольких известных процедур,

например метод подгонки кривых, можно найти значение

. Из литературы

известно, что принятие при обработке данных того или иного метода

подгонки зависит от типа грунта (Olson, 1986; Sridharan and Prakash, 1995).

Сложность определения

из результатов компрессионных испытаний

подвигла исследователей связать это значение с физическими характерис

тиками грунтов.

Многочисленные исследования указывают на то, что многие механические

свойства грунтов коррелируются с индексными показателями глинистых

грунтов. Одной из первых попыток определить подобным образом коэффици

ент консолидации

(м

/с) является выражение, предложенное Carrier (1985):

716,9934,29

1 7,993

9,09 10 (1,192 ) (4,135 1)

(2,03 1,192 )

ACT I

II ACT

−−

−

⋅+ +

, (5.46)

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

267

где АСТ – активность;

– показатель текучести;

– число пластичности.

Здесь АСТ является отношением числа пластичности грунта к содержанию

глинистой фракции. На рис. 5.60 приведены диаграммы пластичности

Казагранде (рис. 5.60, а) и диаграмма активности Скемптона (рис. 5.60, б).

(а) (б)

Рис. 5.60. Диаграммы активности Казагранде (а) и Скемптона (б)

Средние значения активности для различных глинистых минералов

составляют: каолинит – 0,23; иллит – 0,90; Самонтмориллонит – 1,5;

Na

монтмориллонит – 6,0.

Из выражения (5.46) видно, что значение

обратно пропорционально

числу пластичности.

Raju et al. (1995)

предложили другое выражение для определения

(см

/с)

нормально уплотненных глин в зависимости от коэффициента пористости на

пределе текучести

)(

и эффективного бытового давления

′

(кПа):

(0,353)

1(1,230,276lg

−

′

+− σ

′

. (5.47)

Уравнение (5.47) было получено из ограниченного ряда испытаний, для

грунтов с пределом текучести 50–106 % и пределом пластичности 27–47 %.

Однако грунты могут иметь при одном и том же значении предела текучести

разные пределы пластичности. При этом их поведение совершенно различно.

Terzaghi et al. (1996)

показали, что с уменьшением коэффициента

пористости (т.е. с возрастанием вертикального эффективного давления

уплотения) как k, так и

уменьшаются резко, так что отношение

)/(

и,

следовательно,

становятся практически постоянными в широком

диапазоне вертикально эффективного давления уплотнения. Несмотря на это

Глава 5

268

общее понимание, Robinson and Allam (1998) показали, что на зависимость

)(

с σ

′

−

оказывает влияние минералогический состав глинистых грунтов.

На рис. 5.61 приведены компрессионные кривые, полученные Sridharan еt

al. (2004),

а на рис. 5.62 – значения параметра консолидации, вычисленные с

использованием метода регрессии. Обсуждаемые ниже опыты были

проведены для глин в перемятом состоянии. Поэтому полученные результаты

применимы, например, при проектировании насыпей или дамб с послойным

уплотнением.

Рис. 5.61. Компрессионные кривые для глины нарушенной структуры

(Sridharan еt al., 2004)

Рис. 5.62. Определение коэффициента консолидации (Sridharan еt al., 2004)

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

269

Из рис. 5.61 видно, что принятая аппроксимация имеет большую

погрешность при определении зависимости

от предела текучести. Лучшая

корреляция получена для зависимости

от числа пластичности. Еще мень

ший разброс имеет место между

и показателем набухания I

(рис. 5.62). То

же самое наблюдается и при изменении

с ростом вертикального

эффективного давления уплотнения от числа пластичности.

Из рис. 5.63 видно, что использование индекса набухания I

по сравнению

с использованием показателя пластичности I

дает более точные результаты

при определении коэффициента консолидации. Однако в лаборатории

достаточно сложно определить влажность на границе усадки, по сравнению с

числом пластичности. Поэтому, несмотря на больший разброс в данных,

авторы (Sridharan еt al., 2004), рекомендуют использовать на практике

зависимость коэффициента консолидации от числа пластичности.

Рис. 5.63. Зависимость коэффициента консолидации от индекса набухания

(Sridharan еt al., 2004):

а – предела текучести; б – числа пластичности; в – индекса набухания в интервале 50100

кПа; г – индекса набухания в интервале 100200 кПа

(а)

(б)

(в) (г)

Глава 5

270

Рис. 5.64. Зависимость коэффициента консолидации от числа пластичности (а)

и индекса набухания (б) (Sabatini et al., 2002)

Коэффициенты компрессии

определяются прямым методом при

испытании образцов грунта в компрессионном приборе. Эти значения находятся

путем аппроксимации зависимости σ= lge двумя прямыми линиями к

начальному участку и участку, на котором имеет место интенсивное сжатие

грунта. Эти две прямые пересекаются в точке (рис. 5.65), которая соответствует

эффективному давлению предварительного уплотнения (

′

). Результаты

подобных испытаний при

ведены на рис. 5.65. Эти коэф

фициенты компрессии ис

пользуются в зарубежной

практике при определении

осадки при упругом по

ведении грунта

)(

и в про

цессе их консолидации

)(

В некоторых программах рас

чета напряженнодеформиро

ванного состояния оснований

эти коэффициенты являются

вводимыми данными.

Рис. 5.65. Определение коэффициентов

компрессии (Sabatini et al., 2002)