Определение коэффициента сжимаемости грунта: Коэффициент сжимаемости грунта (таблица)

Коэффициент сжимаемости грунта (таблица)

Вторсырье → Почва → Определение коэффициента сжимаемости грунта

Содержание:

• 1 Определение
• 2 Влияние породы и другие факторы
• 3 Приборы для измерения

Коэффициентом сжимаемости грунта называют отношение изменения коэффициента пористости к разности сжиманий.

Определяется по формуле:

е1- е2

m0 = tg a = ————-

p2 – p1

е1 – величина коэффициента пористости при сжимании p1;

е2 – величина коэффициента пористости при сжимании p2.

Коэффициентом относительной сжимаемости грунта называют относительную деформацию, приходящуюся на единицу давления.

Значение определяется по формуле:

∆hi         m0

MV =———- = ———-

h pi          1+ е0

где ∆ hi ­­– осадка (деформация) образца при изменении величины давления от 0 до p1 по компрессионной кривой, мм;

h – начальная высота образца, мм;

е0 – первоначальное значение коэффициента пористости.

Определение

Одним из важнейших деформационных свойств почв является сжатие. Сжимаемостью (уплотнением) грунтов называют их способность уменьшаться в объеме в результате воздействия внешнего давления.

Характер уплотнения напрямую зависит от структуры почв, минералогического и гранулометрического состава, рыхлости, структуризации внутренних связей и вида нагрузки.

Влияние породы и другие факторы

• Песчаные породы  отличаются малой сжимаемостью в связи с составом и плотностью сложения. Во время сдавливания отдельные крупицы  перемещаются, с увеличением мощности они дробятся.
• Глинистые породы отличаются уплотнением в зависимости от минерального состава, состояния породы и множества других показателей. Например, глина насыщенная элементами натрия более сжимаема, чем глина богатая кальцием. Чем большая пористость грунта, тем выше абсолютная величина уплотнения.

Большое влияние на показатель сжатия оказывает поступательная скорость нагрузки. Согласно опытам, при увеличении скорости и ступеней нагрузки, сжимаемость пород увеличивается.

При опытах, проведенных в лаборатории, нарастание сдавливания проходит гораздо быстрее, чем в естественных условиях при строительстве, поэтому результаты могут быть несколько завышенными. В действительности осадки сооружений зачастую оказываются меньшими, чем в расчетах по данным испытаниям.

Приборы для измерения

Для определения сжимаемости используют различные приборы, которые можно разделить на два типа:

• одометры – приборы,  с жесткими, плотными металлическими стенками, которые препятствуют  расширению образца сбоку при его сжатии под вертикальной нагрузкой;
• стабилометры – приборы, с аэростатическим или гидростатическим боковым обжатием, заменяющие  жесткие стенки  приборов первого типа;

Компрессия грунта отличается от уплотнения. Понятие «компрессия» исключает возможность расширения образца сбоку.

В отличие от этого, в ходе лабораторных испытаний на уплотнение (сжатие), поперечное сечение образца свободно от нагрузки при одноосном сжатии, или подвергается трехосному сдавливанию.

Посмотрите видео: Испытания грунтов методом контролируемых перемещений Геотек

Сжимаемость грунтов — коэффициент, характеристики и формула

Сжимаемость грунтов – это компрессионное механическое свойство грунта. Оно подразумевает уменьшение материала в объеме под воздействием внешнего давления. Процесс сопровождается уменьшением пористости, вытеснением воды и воздуха, разрушением и смещением твердых частиц. Сжимаемость характерна только для дисперсных грунтов – состоящих из отдельных зерен разного размера – и зависит от ряда факторов. Об этом мы подробно поговорим в нашей статье.

• Сжимаемость грунтов
• Механизм возникновения сжимаемости
• Сжимаемость несвязных грунтов
• Сжимаемость связных грунтов
• Чем обусловлена сжимаемость грунтов
• Исходная пористость и плотность
• Фазовый состав
• Влажность
• Гранулометрический состав
• Структурная прочность
• Химический состав
• Температура
• Давление
• Оценка сжимаемости грунта
• Коэффициент сжимаемости
• Коэффициент относительной сжимаемости
• Модуль общей деформации
• Структурная прочность
• Практическое значение показателя

Механизм возникновения сжимаемости

Сжимаемость – это явление, связанное с деформациями в грунте. Они возникают под воздействием внешнего давления.

Деформации бывают:

• Обратимыми, или упругими
  Они частично устраняются после снятия нагрузки. Обратимые деформации обусловлены изменением формы и объема самих твердых частиц, пленочной влаги, вытеснением растворенного в капиллярной воде воздуха.
• Необратимыми, или остаточными
  Эти деформации остаются и после прекращения давления. Они характеризуются смещением твердых частиц относительно друг друга, вытеснением воды и воздуха из пор.

Для грунтов более характерны необратимые деформации. Даже после снятия нагрузки материалы остаются сжатыми или уплотненными, их объем не возвращается к исходному и почти не увеличивается.

Как мы уже сказали, сжиматься под внешним давлением способны дисперсные грунты, состоящие из отдельных частиц.

Они бывают:

• Связными
• Несвязными

Механизм сжимаемости в этих двух группах разный. При этом у связных грунтов свойство более выражено. Подробно о них мы расскажем ниже.

Сжимаемость несвязных грунтов

К несвязным материалам относятся крупнообломочные грунты и пески. Они состоят из отдельных частиц, которые скрепляются между собой только за счет силы трения. Такие грунты имеют сыпучую консистенцию, хорошо пропускают воду и не впитывают ее. Пористость у них зависит от формы и размера твердых частиц.

Под давлением частицы несвязных грунтов могут разрушаться. В первую очередь это относится к крупнообломочным грунтам, гравию и гальке, состоящим из слабых пород. В результате окатанные частицы обретают новую форму, их грани становятся острыми и шероховатыми. Изменяется укладка зерен, грунт становится более плотным, уменьшается его пористость.

Под давлением почти не разрушаются прочные и мелкие песчаные частицы. Но их ориентация в пространстве и сложение меняются. Зерна уплотняются, объем грунта уменьшается, и он сжимается.

После устранения давления происходит частичная декомпрессия и разрыхление материала. В несвязных грунтах она слабо выражена, их объем практически не изменяется.

Сжимаемость связных грунтов

К связным материалам относятся глинистые и пылеватые грунты. Они состоят из мелких частиц, между которыми возникают дополнительные химические связи. В основном их обеспечивает тонкая прослойка воды вокруг глинистых частиц и коллоиды. В результате образуются крупные конгломераты и мелкие агрегаты. В некоторых грунтах (например, литифицированных глинах) возникают прочные цементационные связи.

Механизм сжимаемости у связных грунтов более сложный. Под воздействием внешнего давления частицы не разрушаются. Но сжимаемость приводит к ослаблению структурных связей в материале. В результате конгломераты и агрегаты распадаются, повышается дисперсность грунта.

При сжатии уменьшается пористость. Это ведет к вытеснению свободной воды и воздуха. Пустующее пространство занимают твердые частицы. Таким образом объем грунта уменьшается.

В глинистых и пылеватых грунтах большое количество воды находится в связанном состоянии или в мелких капиллярах. Часть влаги тонким слоем обволакивает мелкие частицы. При сжатии и разрушении связей внутри агрегатов лишь часть этой воды переходит в свободное состояние и вытесняется.

Остаточная влага способствует взаимному перемещению частиц грунта относительно друг друга и лучшему уплотнению. Но при снятии давления зерна также легко возвращаются в начальное положение – происходит декомпрессия и разрыхление. Как мы и говорили, в связных грунтах это явление более выражено, чем в несвязных.

Чем обусловлена сжимаемость грунтов

Сжимаемость грунтов и ее выраженность зависит от ряда факторов:

• Исходной пористости и плотности
• Фазового состава
• Влажности
• Гранулометрического состава
• Структурной прочности
• Химического состава
• Температуры
• Давления

Детальнее об этих факторах вы можете прочитать дальше.

Исходная пористость и плотность

Сжатие грунта происходит за счет уменьшения пористости и увеличения плотности. Это связано с тем, что под давлением частицы укладываются максимально плотно, заполняя собой пустые пространства.

Чем больше в грунте пор, тем сильнее он будет уплотняться при нагрузке. При этом сжимаемость у грунта с естественным сложением будет всегда ниже, чем с нарушенным. В массиве под давлением собственного веса грунт уплотняется, а при извлечении всегда разрыхляется. Частицы становятся более подвижными и лучше прессуются.

Фазовый состав

Любой грунт состоит из трех фаз – твердой, жидкой и газообразной. Твердая фаза – это минеральные либо органические частицы грунта. Их объем при сжатии не изменяется. Они могут поддаваться лишь незначительной упругой деформации. После снятия нагрузки объем восстанавливается.

Жидкость и газ заполняют поры. При сжатии из пустого пространства между твердыми частицами в первую очередь выходит газ. Поэтому сухой пористый грунт уплотняется сильнее, чем влажный.

Самой высокой сжимаемостью обладает грунт, в котором преобладает газообразная фаза. Она немного снижается при увеличении жидкой фазы. Грунты, в которых большую часть занимают твердые частицы, плохо поддаются сжатию.

Влажность

На сжимаемость несвязных грунтов влажность влияет мало. В них много крупных открытых пор, через которые свободно проходит вода. Она не связывается с частицами и не заполняет капилляры. При малейшем давлении жидкость легко удаляется.

Несвязные грунты состоят из мелких зерен, вокруг которых образуется водная пленка. Она играет роль связующего звена между частицами. Сначала при повышении влажности они сближаются друг с другом, но в определенный момент это сближение прекращается. Грунт достигает точки самого большого уплотнения, после чего переходит в текучее состояние. Пленочная вода не дает глинистым частицам вступить в более близкий контакт между собой.

Вода также находится в мелких порах – капиллярах. Часть из них закрыта, и жидкость не может из них выйти. Под давлением такие закрытые поры могут становиться открытыми, и тогда сжимаемость грунта резко увеличивается.

Показатель сжимаемости глинистых и пылеватых грунтов зависит и от химического состава воды. В ней всегда присутствуют растворенные соли. Чем выше концентрация раствора, тем лучше сжимается грунт под нагрузками. Показатель ниже у грунтов с одновалентными катионами (натрием, калием). Растворы таких солей лучше удерживают воду.

Влажность влияет на разуплотнение грунта при снятии компрессии. Тонкие пленки воды с растворенными газами имеют упругие свойства. При уменьшении давления они увеличиваются в объеме, способствуют отдалению частиц друг от друга.

Гранулометрический состав

Сжимаемость зависит от размеров и формы твердых компонентов. В крупнообломочных грунтах она увеличивается за счет разрушения крупных частиц. Показатель ниже, когда в материале есть круглые окатанные зерна. Сжимаемость повышается при наличии частиц неправильной формы с шероховатыми гранями. Например, свойство будет выше у гравия и карьерного песка, чем у гальки и речного песка.

Показатель также зависит от фракций, присутствующих в грунте. Он снижается при наличии мелкого заполнителя. Но это больше проявляется, если заполнителем выступает песок. Глинистые и пылеватые частицы, наоборот, повышают сжимаемость крупнообломочного грунта.

Структурная прочность

Твердая фаза дисперсного грунта состоит из разрушенных горных пород. В процессе выветривания они теряют свою прочность, поэтому легче разрушаются под давлением. Хотя грунты из магматических или метаморфических пород (гранитные, базальтовые, серпентинитовые) будут более прочными, чем осадочные (сланцевые, известняковые).

Если частицы не разрушаются, они хуже уплотняются. Это значит, что в прочных грунтах сжимаемость будет ниже, чем в более слабых.

Зерна крупнообломочных грунтов могут связываться между собой цементирующими связями, образуя прочные конгломераты и брекчии. В глинистых грунтах более распространены коагуляционные (слипающиеся) и коллоидные (дисперсные) связи.

Структурная прочность глинистых грунтов зависит от возраста и степени литификации – процесса превращения рыхлых осадков в твердые горные породы. В молодых глинах преобладают слабые коллоидные связи, которые легко разрушаются под внешним воздействием. В старых массивах наблюдается высокая степень литификации. Между глинистыми частицами возникают цементирующие связи, поэтому их структурная прочность очень высокая.

Под давлением конгломераты и агрегаты грунта сохраняют целостность до определенного момента. Когда единство разрушается, грунт переходит предел структурной прочности. В этот момент сжимаемость его резко возрастает.

Химический состав

Химический состав больше всего влияет на сжимаемость глинистых и органических грунтов. Частицы с высокой смачиваемостью водой – гидрофильностью – способствуют повышению показателя (характерно для смектитов, монтмориллонитов). Каолинит, наоборот, снижает характеристику.

Падает сжимаемость и в грунтах, богатых одновалентными катионами. Они лучше связывают и задерживают воду, которая впоследствии препятствует сближению частиц. В материалах, насыщенных двухвалентными кальцием и железом, а также трехвалентным алюминием, показатель значительно выше.

Хорошо сжимаются под давлением плодородные, богатые гумусом почвы и торф. Это связано с тем, что органические соединения имеют низкую прочность и плотность, легко деформируются под нагрузками. Эти деформации упругие, особенно у сухого торфа. При декомпрессии объем почвы частично восстанавливается.

Температура

Влияние температуры наиболее выражено у глинистых грунтов. При ее повышении разрушаются связи между частицами, меняются свойства водной пленки, быстрее разрушается структура. В результате грунт легче и сильнее сжимается.

Но температура неодинаково действует на разные виды грунта. Если коагуляционные связи прочные, а количество пленочной воды вокруг частиц незначительное, то влияние этого фактора снижается. Сжимаемость при нагревании сильнее повышается у грунтов с текучей или пластичной консистенцией и меньше изменяется у твердых и полутвердых.

Имеет значение и химический состав. Сильнее реагируют на изменение температуры грунты с высоким содержанием одновалентных ионов.

При отрицательных температурах сжимаемость падает, так как поры заполняются кристаллами льда. Она выше в грунтах, где ледяные включения небольшого размера, и практически отсутствует, если в грунте есть глыбы льда. При повышении температуры и таянии замерзших частиц сжимаемость резко возрастает.

Давление

Сжимаемость также зависит от силы давления, воздействующего на грунт. Пока материал сохраняет свои пористую структуру, показатель резко возрастает при увеличении нагрузки. После уплотнения эта зависимость снижается и в определенный момент грунт перестает сжиматься даже при сильном давлении.

Значение имеет и способ воздействия на образец. Если давление периодическое, чередуется с периодами декомпрессии, сжимаемость увеличивается. Именно поэтому для трамбовки грунта используются ударные механизмы.

Далее мы поговорим о том, при помощи каких приборов и методов происходит определение и оценка сжимаемости материала.

Оценка сжимаемости грунта

Для определения и оценки сжимаемости грунта используются два разных прибора:

• Одометр
  Это металлический цилиндр с жесткими стенками. В нем проводятся испытания на одноосное сжатие без возможности бокового расширения.
• Стабилометр
  Это двухкамерный цилиндр. Внешняя камера в нем заполнена водой или воздухом. У грунта при сжатии есть возможность бокового расширения.

Испытания в стабилометре больше приближены к естественным природным условиям, так как в них грунт всегда может расширяться в стороны.

Сжимаемость оценивают по изменению пористости под определенным давлением. Данные отмечают на графике: на оси ординат – пористость, на оси абсцисс – давление.

Исходная пористость обозначается е0, последующие – е1, е2, е3 и т.д. Давление обозначают Р1, Р2, Р3. Пористость е1 должна соответствовать давлению Р1.

После получения данных вычисляют ряд показателей, которые характеризуют сжимаемость.

Среди них:

• Коэффициент сжимаемости
• Коэффициент относительной сжимаемости
• Модуль общей деформации
• Структурная прочность

О том, как высчитываются эти показатели, читайте далее.

Коэффициент сжимаемости

Коэффициент сжимаемости показывает зависимость конечной деформации грунта от давления.

Его высчитывают по формуле:

В зависимости от коэффициента сжимаемости, выделяют три категории грунтов. Данные о них приведены в таблице ниже.

Категория грунтов	Коэффициент сжимаемости грунтов, МПа¯¹
Сильносжимаемые	> 0,05
Среднесжимаемые	0,0005-0,005
Малосжимаемые	< 0,005

Коэффициент относительной сжимаемости

На практике чаще всего используют этот показатель – коэффициент относительной сжимаемости. Он показывает изменение объема грунта относительной единицы давления.

Определяется коэффициент по формуле:

Коэффициент сжимаемости тесно связан с модулем поперечной деформации, или упругости, которая обозначается E0. Говорить об этом показателе в рамках данной статьи мы не будем.

Модуль общей деформации

Модуль общей деформации характеризует упругие и остаточные деформации грунта в процессе компрессионных испытаний.

Он определяется по следующей формуле:

Коэффициент β определяют по формуле:

Значение коэффициента Пуассона для разных грунтов мы разместили в таблице.

Тип грунта		Коэффициент Пуассона
Крупнообломочный		0,27
Песок и супесь		0,3-0,35
Суглинок		0,35-0,37
Глина с показателями текучести	IL < 0	0,2-0,3
	0 < IL <= 0,25	0,3-0,38
	0,25 < IL <= 1	0,38-0,45

Структурная прочность

Показатель структурной прочности определяют испытательными методами. Для этого на грунт с ненарушенной структурой оказывают очень слабое давление. При каждом следующем подходе давление незначительно увеличивают. Затем необходимо зафиксировать момент, когда структурные элементы начнут разрушаться. На графике это будет заметно по резкому увеличению сжимаемости (уменьшению объема образца).

В заключении статьи мы скажем, какое практическое значение имеет сжимаемость грунта.

Практическое значение показателя

Определение сжимаемости грунта – это один из этапов геодезических работ. Показатель влияет на характеристики оснований фундаментов, насыпей, дорожного полотна.

От него зависят следующие характеристики:

• Усадка
  Чем больше сжимаемость, тем легче грунт дает усадку.
• Деформация
  Сжатие обычно происходит неравномерно, поэтому в грунте могут возникать деформации. Это ведет к перекосу фундаментов, появлению трещин на дорожном полотне.
• Уплотнение
  Показатель помогает определить, насколько грунт поддается трамбовке. Благодаря этому можно правильно рассчитать объем работ.
• Несущая способность
  При повышении сжимаемости несущая способность падает.

Грунты с высокой сжимаемостью под фундаментами могут стать серьезной проблемой во время строительных работ. Чтобы избежать неприятностей, основания дополнительно укрепляют другими материалами, трамбуют их в несколько заходов. Иногда грунт приходится полностью заменять. Но если на материале с высокой сжимаемостью все-таки возводят здание и сооружения, фундаментам дают больше времени для усадки.

Самостоятельно определить и рассчитать показатель сжимаемости очень трудно. А в полевых условиях получить достоверные данные невозможно. Поэтому, для надежности, лучше воспользоваться услугами специалистов.

Как измерить сжимаемость грунтов?

РЕКЛАМА:

В теории сжатия предполагается, что сжатие грунта происходит за счет уменьшения объема пустот, при этом объем твердых частиц остается постоянным на протяжении всего процесса. Кроме того, чем выше эффективное напряжение в грунтах, тем выше результирующее сжатие. Следовательно, сжимаемость грунтов выражается в виде графика между коэффициентом пустотности по оси у и эффективным напряжением по оси абсцисс. Коэффициент пустот используется для представления сжатия, потому что это отношение объема пустот к объему твердых тел, причем первое отражает сжатие, а второе является постоянным при сжатии грунта.

Строительство любого сооружения происходит поэтапно, вызывая напряжения в грунтах также постепенно. Чтобы представить эти полевые условия, проводится лабораторное испытание на консолидацию путем постепенного приложения нагрузки к ненарушенному образцу грунта, что дает достаточно времени для полного уплотнения при каждом увеличении нагрузки.

Типичное лабораторное испытание на консолидацию состоит из нагружения образца ненарушенного грунта заданным приращением напряжения и регистрации вертикального сжатия образца с помощью циферблатного индикатора через регулярные промежутки времени в течение достаточного времени. Следующее приращение напряжения применяется только после завершения сжатия грунта под действием предыдущего приращения напряжения, и процесс повторяется.

РЕКЛАМА:

Существуют в основном следующие два типа результатов, которые получаются в ходе лабораторных испытаний на консолидацию:

я. Сжатие грунта как функция приращения эффективного напряжения, выраженная как отношение между конечным коэффициентом пустотности (также известным как равновесный коэффициент пустотности) по оси y и эффективным напряжением по оси x, как показано на рис. 11.3, что больше обычно представляют в виде кривой e-logσ ‘, как показано на рис. 11.5.

ii. Сжатие грунта как функция времени при заданном приращении напряжения, выраженное как сжатие (ΔH) или показания циферблатного индикатора (R) по оси y в зависимости от времени по оси x.

1. Соотношение давления в пустоте :

РЕКЛАМА:

На рис. 11.3 показано типичное соотношение пористости и давления, полученное в результате лабораторных испытаний на консолидацию, когда и коэффициент пустотности, и давление нанесены на арифметическую шкалу. Из этой кривой получаются следующие два важных члена.

я. Коэффициент сжимаемости :

Коэффициент сжимаемости, a _v , представляет собой наклон кривой соотношения паров и давлений, когда обе они нанесены на арифметическую шкалу –

РЕКЛАМА:

a _v = – Δe/Δσ’ …(11.7)

Таким образом, коэффициент сжимаемости определяется как отношение изменения коэффициента пустотности к изменению эффективного напряжения. Отрицательный знак используется для обозначения того, что коэффициент пустот уменьшается с увеличением эффективного напряжения.

ii. Коэффициент объемной сжимаемости :

Коэффициент объемной сжимаемости, м _v , определяется как отношение изменения объема грунта к изменению действующего напряжения на единицу первоначального объема –

РЕКЛАМА:

м _v = ΔV/V ₁ × 1/Δσ’ …(11,8)

На рис. 11.4 показана трехфазная диаграмма почвы. Здесь V _s – объем твердого вещества почвы, а V _v объем пустот. Объем воздуха V _a = 0, так как теория уплотнения применима только для полностью водонасыщенных грунтов.

Коэффициент пустоты –

РЕКЛАМА:

e = V _v /V _с

Учитывая единицу объема твердого вещества грунта, то есть V _s = 1, пористость e = V _v , начальный объем грунта равен –

V ₁ = V _a + V _v = 1 + e ₁

Сейчас –

ΔV/V ₁ = Δe/(1 + e ₁ )

При постоянной нагрузке площади А имеем –

ΔV/V ₁ = (V ₁ /V ₂ )/V ₁

где V _f — конечный объем грунта после заданного приращения напряжения Δσ ’:

Объединив два приведенных выше уравнения, мы получим –

2. Индекс сжатия :

На рис. 11.5 показано более часто используемое соотношение пористости и давления, где эффективное напряжение представлено в логарифмическом масштабе, поскольку наблюдается линейная зависимость e-logσ’ для типичных нормально консолидированных глин.

Индекс сжатия представляет собой наклон графика e-logσ’ и определяется как отношение изменения коэффициента пустот к соответствующему изменению эффективного напряжения. Задается математическим соотношением –

, где e ₁ — доля пустот при эффективном напряжении σ ₁ ‘и e ₂ — доля пустот при эффективном напряжении σ ₂ ’. Отрицательный знак используется, чтобы указать, что коэффициент пустотности уменьшается с увеличением эффективного напряжения, и чтобы сделать индекс сжатия положительным –

, где Δe — уменьшение доли пустот при увеличении эффективного напряжения от σ ₁ ‘до σ ₂ ‘.

Индекс сжатия обычно определяется по кривой e-logσ’, полученной в результате лабораторного испытания на консолидацию. При отсутствии данных консолидационных испытаний индекс сжатия можно рассчитать по уравнению Скемптона следующим образом:

Для ненарушенной глины –

С _с = 0,009(а) (w _L 10) …(11,12)

Для переформованной глины –

С _с = 0,007(w _L – 10) …(11,13)

, где ω _L — предел текучести образца грунта. Свойства a _v , m _v и C _c полезны для определения предельной осадки консолидации грунта при любом заданном приращении эффективного напряжения.

Главная ›› Исследование грунтов ›› Сжатие грунтов ›› Измерение ›› Как проводить ›› Измерение сжимаемости грунтов

Проверка уплотнения почвы и одометра

Что такое уплотнение почвы?

Уплотнение грунта относится к процессу, при котором объем насыщенного (частично или полностью) грунта уменьшается из-за приложенного напряжения. Термин был введен Карлом фон Терцаги, также известным как «отец механики грунтов и геотехнической инженерии». Терцаги создал теорию одномерной консолидации и изменил определение термина, поскольку ранее он ассоциировался (и до сих пор в науках о Земле) с уплотнением глинистых отложений, образующих сланцы.

Когда нагрузка прикладывается к грунту с низкой проницаемостью, она сначала переносится водой, которая существует в порах насыщенного грунта, что приводит к быстрому увеличению порового давления воды. Это избыточное поровое давление воды рассеивается по мере того, как вода стекает из пустот в почве, и давление передается скелету почвы, который постепенно сжимается, что приводит к осадкам. Процедура консолидации продолжается до тех пор, пока не будет сброшено избыточное поровое давление воды.

Увеличение приложенного напряжения, которое вызывает консолидацию, может быть связано либо с естественными нагрузками (например, процессы осадконакопления), либо с антропогенными нагрузками (например, строительство здания или насыпи над грунтовым массивом), либо даже с понижением грунта уровень грунтовых вод.

Продолжительность консолидации

Продолжительность процесса консолидации является критическим вопросом и сильно зависит от проницаемости грунта, подверженного нагрузке, и от путей дренажа. В целом консолидация в песчаных грунтах представляет собой быстрый процесс (происходящий, возможно, непосредственно во время строительства), тогда как в глинистых грунтах этот процесс может длиться многие годы или даже десятилетия.

Процедура консолидации обычно делится на 3 этапа:

1. Первичная консолидация: быстрая потеря объема грунтовой массы, связанная с приложением внешнего напряжения, сжимающего воздух внутри пустот грунта.
2. Первичная консолидация: осадка грунта, во время которой избыточное поровое давление воды передается скелету грунта
3. Вторичная консолидация: последующая процедура осадки, происходящая после первичной консолидации и связанная с внутренними изменениями в структуре грунта при почти постоянной нагрузке . Этот процесс обычно называют ползучести.

Тест одометра

Простейший рассмотренный случай консолидации — это одномерная консолидация. При этом боковой деформацией грунтового массива пренебрегают. Процедура тестирования для количественной оценки критических свойств почвы, связанных с уплотнением почвы, называется одометрическим тестом. Термин «одометр» происходит от древнегреческого языка и означает «набухать». Это испытание является одним из наиболее часто проводимых и важных лабораторных испытаний в геотехнической инженерии. Тест одометра направлен на измерение вертикального смещения цилиндрического насыщенного образца грунта, подвергнутого вертикальной нагрузке, в то время как он ограничен в радиальном направлении. В последующем тесте описывается тест консолидации с инкрементной нагрузкой. Обратите внимание, что существует также тест с постоянной скоростью деформации (CRS), который в настоящее время становится все более популярным

Компоненты испытательной установки

Типичная испытательная установка одометра, показанная на рис. измерительный механизм .

Ячейка консолидации состоит из следующих компонентов:

• Удерживающее кольцо, расположенное по окружности вокруг образца для ограничения бокового смещения
• Нагрузочный колпачок для передачи нагрузки на образец грунта
• Резервуар, наполненный водой для того, чтобы почва оставалась существенно насыщенной
• Пористые камни, которые на несколько порядков более проницаемы, чем типичные образцы мелкозернистого грунта. Эти камни обеспечивают отвод воды сверху и снизу образца
• Фильтровальная бумага, помещаемая между камнем и образцом почвы для предотвращения закупоривания почвой пор камня

Типовой диаметр ( D ) до высоты ( H ) отношения образцов почвы составляют D/H = 3 — 4 . Площадь поперечного сечения образца грунта может составлять 20, 35 или 50 см ² ( D = 5-8 см ), а высота H = 2-2,5 см .

Нагрузочная рама конфигурации состоит из нагрузочной балки и собственных грузов. Конфигурация позволяет поддерживать постоянную нагрузку в течение неопределенного времени. Приложение нагрузки вызывает деформацию нагружающей рамы, пористых камней и образца грунта. Поскольку испытание предназначено для измерения только деформации грунта, другие движения (прогибы машины) должны быть измерены, а затем вычтены из общей деформации. Это достигается путем измерения отклонения установки с использованием алюминиевого образца, который характеризуется линейной упругой и, следовательно, известной реакцией.

Измерение вертикальной деформации образца грунта выполняется с помощью индикатора часового типа (чаще всего) или электронного прибора.

Рис. 1: Типовая установка одометра (фото из Афинского национального технического университета) (или электронный прибор)

• Измерение веса, высоты и диаметра ограничивающего кольца
• Измерение высоты (H) и диаметра (D) алюминиевого образца
• Обрезка образца в ограничивающее кольцо
• Измерение содержания воды в обрезках
• Взвешивание образца почвы и локализации кольцо
• Замочите пористые камни и фильтровальную бумагу
• Поместите ячейку консолидации в загрузочную раму и отрегулируйте высоту. Погрузочная балка должна быть почти горизонтальной.
• Снять начальное показание ( R _i – показания будут вычтены из всех измерений)
• Нагрузка на место
• Добавление воды в резервуар

Нагрузка выдерживается в течение 24 часов (в некоторых глинах 48 часов), в течение которых почва уплотняется дренажом из пористых камней. После этого приложенная нагрузка постепенно увеличивается за счет удвоения приложенного напряжения на каждом этапе. Количество ступеней нагрузки и максимальное прилагаемое напряжение зависят от интересующего диапазона напряжений. В процессе загрузки в ячейку подается вода, так что образец остается полностью насыщенным. На каждом этапе нагружения систематически снимают показания деформации для построения кривой осадки во времени. То есть после приложения каждой нагрузки деформацию измеряют через 6, 15, 30 секунд, затем через 1, 2, 4, 8, 16, 30 мин и через 1, 2, 4, 8 и 24 часа соответственно. . Когда достигается максимальная нагрузка и, возможно, при увеличении нагрузки между ними, вводится этап разгрузки, который может выполняться в один или несколько этапов; обычно нагрузка уменьшается в 4 раза на каждом шаге. Когда испытание завершено, измеряют конечную высоту образца и содержание воды в нем.

Результаты и параметры, полученные в результате испытания на одометре

Следующие свойства грунта получены в результате испытания на одометре:

• Давление предварительного уплотнения : Максимальное эффективное напряжение, которое образец грунта выдержал за свою геологическую историю.
• Индекс сжатия C _C : C _C – это индекс, связанный со сжимаемостью грунта. В частности, он измеряется как наклон кривой между коэффициентом пустотности и эффективным напряжением. Коэффициент пустот представлен в нормальном масштабе, тогда как эффективное напряжение в логарифмическом масштабе. Типичная кривая сжатия с точки зрения коэффициента пустотности — эффективного напряжения представлена ​​на рис. 9.0013 Рисунок 2 . Наклон «девственной» части кривой обозначает индекс сжатия, C _C .

  Рис. 2: Типичная диаграмма отношения пустот – корреляция эффективного напряжения, полученная с помощью одометрического теста. Также представлены индексы Compression C _C и Recompression C _r .

  Следовательно, C _C равен:

  C _C  = Δe / Δlog (σ’)

  C _C обычно находится в диапазоне от 0,1 до 10 и не имеет единиц измерения. Для нормально сцементированных глин индекс обычно колеблется от 0,20 до 0,50, а для илов — от 0,16 до 0,24. Для песков индекс колеблется от 0,01 до 0,06, хотя для песка это не особо значимый параметр.

  Некоторые эмпирические выражения, которые связывают индекс сжатия, C _C , с пределом текучести (LL) и индексом пластичности (PI) почвы, следующие: ), (Skempton, 1944)

• C _c = 0,009(LL-10), (Terzaghi and Peck, 1967)
• C _c = 0,50×PI×G _s , (197 and Wood )
• Индекс рекомпрессии C _r : C _r используется для определения сжимаемости переконсолидированного грунта и рассчитывается с использованием наклона кривой отскока-повторного сжатия (рис. 2). Для неорганических грунтов С _р составляет 0,1-0,2 значения С _С .
• Коэффициент консолидации C _V : C _V — это параметр, который описывает скорость, с которой развивается процесс консолидации во время теста. Типовые значения коэффициента консолидации приведены в Таблица 1 .

  Таблица 1: Типичные значения коэффициента C _V

  9

  СВОВА	C V	C V	C V	C .
  Мягкая голубая глина (CL-CH) (Wallace & Otto, 1964)	1,6-26
  Чикагская «Илти-глина» (CL) (Terzaghi & Peck, 1967)	8-11
  Mexico Clay (MH) (LEONARDS 1. 5
  Органические илы и глины (ОН) (Сивакуган, 1990)	1-10

  8

Определение коэффициента консолидации, C

_V

Коэффициент консолидации, C _V , можно легко оценить по графику расчетной зависимости с использованием графических методов. Существует две наиболее часто используемые методологии:

1. Метод подбора логарифма времени Касагранде (Casagrande and Fadum, 1940):

   % консолидации ( t ₅₀ ), как показано на короткой анимации/презентации ниже. Затем, C _V можно оценить как:

   C _V = 0,917 * (H ² _DR / T ₅₀ )

   9002, где _41444427. . путь. Учитывая начальную высоту образца ( Н _и ) и сжатие образца грунта при 50% консолидации ( ΔН ), путь дренажа (для двойного дренажа), H _dr , is computed as:

   H _dr  = ( H _i  —  ΔΗ ) / 2

2. Taylor Square Root of Time Метод подгонки (Taylor, 1948):

   В этом методе показания циферблата строятся в зависимости от квадратного корня из времени. Коэффициент консолидации C _V определяется путем оценки времени в 90% консолидация ( t ₉₀ ), как показано на короткой анимации/презентации ниже. Затем, C _V можно оценить как:

   C = 0,848 * (H ² _DR /T ₉₀ )

   , где H _DRA

   ( H _DRA 42424242424242424242 4242

   . обычно половина высоты образца).

Ссылки

Леонардс Г.А. и Жиро П. (1961). Исследование одномерного теста консолидации, Proc. Пятый междунар. конф. по механике грунтов и фунд. Eng., Париж, Vol. 1, 116-130.

Сивакуган, Н., (1990). Развитие болотистых районов в Коломбо, Шри-Ланка, Proc. Десятый геот Юго-Восточной Азии. конф., Тайбэй, Vol. 1, 469-472.

Скемптон, А. В. (1944). Заметки о сжимаемости глин. QJ Геол. соц. Лондон, 100 (1-4), 119-135.

Терзаги, К. и Пек, Р.Б., (1967). Механика грунтов в инженерной практике, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 729 стр.