I группа – для оценки деформативных свойств грунта.

(m_о) – коэффициент сжимаемости основания , , МПа^–1;

(m_v) – коэффициент относительной сжимаемости или приведенный коэффициент сжимаемости основания;

Е_о  – модуль общей деформации , МПа.

II группа – для оценки фильтрационных свойств грунта.

К_ф – коэффициент фильтрации , ;

i – гидравлический градиент.

 

III группа – для оценки прочностных свойств грунтов.

 – угол внутреннего трения (град);

С – коэффициент сцепления , КПа.

Закон уплотнения, сжимаемость грунта. Компрессионная

Зависимость, компрессионные испытания. Коэффициент

Сжимаемости, модуль деформации грунта

Физические представления

Так как грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, теоретически при его сжатии должны уменьшаться объемы всех трех компонентов – твердых частиц, воздуха (газа) и воды. Поскольку напряжения сжатия, возникающие обычно в основаниях сооружений, сравнительно небольшие, объемные деформации твердых частиц, состоящих из таких материалов, как кварц и полевой шпат и др., ничтожно малы и не учитываются. Следовательно, можно считать, что изменение объема грунта при сжатии происходит только из-за изменения объема пор.

Вследствие упругих деформаций скелета, (частиц) грунта, тонких пленок воды, расположенных между частицами, упругого сжатия пузырьков воздуха, а также сжатия поровой воды, содержащей растворенный воздух, могут происходить упругие изменения объема грунта. Такие деформации грунта, как правило, во много раз меньше остаточных. Последние развиваются, когда возникающие в грунте
напряжения превышают его структурную прочность. В конечном счете остаточные деформации приводят к уплотнению (уменьшению пористости) грунта.

Деформации уплотнения развиваются в результате сдвигов или смещений отдельных частиц грунта относительно друг друга, а также при разрушении частиц, особенно в точках их контактов. Деформации уплотнения пылевато-глинистых грунтов чаще всего протекают медленно во времени. Это объясняется прежде всего тем, что при уплотнении из пор водонасыщенного грунта должна быть выдавлена вода, без этого грунт уплотняться не может, так как вода практически не сжимается. Процесс же выдавливания воды из водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов вследствие их малой водопроницаемости продолжается длительное время. Медленное развитие деформаций как уплотнения, так и сдвигов обусловливается, кроме того, ползучестью связанной воды, окружающей твердые частицы, и ползучестью самого скелета грунта.

Все механические свойства грунтов обычно определяются опытным путем (исследования в полевых и лабораторных условиях).

Сжимаемость грунтов обусловливается изменением их пористости вследствие переупаковки частиц, ползучестью водных оболочек, вытеснением воды из пор грунта. Сжатие полностью водонасыщенных грунтов возможно только при условии вытеснения воды из пор грунта.

Исследуем грунт ненарушенной структуры, помещая его в одометр (рис. 3.1).

Прикладываем нагрузку Р ₁ – произойдетуплотнение грунта, и коэффициент пористости станет е ₁. Нагрузка Р ₂  – е ₂ и т. д. (4 – 5 ступеней).

Затем будем снимать нагрузку и наблюдать за результатами. По результатам испытаний строим график компрессионной кривой (к. к.) (рис. 3.2).

 

е 1 е 2

Р 1 Р 2

Рис. 3.1. Схема одометра (компрессионного прибора)

Р

е

прямая ветвь к.к. (уплотнение)

обратная ветвь к.к. (разуплотнение)

Рис. 3.2. Компрессионная кривая

 

Из графика видно, что происходит необратимое уплотнение грунта. Нас интересует в основном только прямая ветвь к. к., так как обратная ветвь к. к. –возможность поднятия дна, имеет значение при глубоких котлованах и рассматривается в основном в гидротехническом строительстве.

Компрессионная кривая позволяет судить о сжимаемости грунта.

Изобразим снова компрессионную кривую (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Определение коэффициента сжимаемости

Р

е

е

На небольшом участке рассмотрим приращение нагрузки Р и получим соответствующее е. Заменим дугу прямой и рассмотрим угол .

Тангенс угла наклона касательной компрессионной кривой называется коэффициентом сжимаемости(m_o), tg = m_о.

 

 

Если

m_o < 0,005 – грунт малосжимаемый,

m_o = 0,005 ÷ 0,05 – грунт среднесжимаемый,

m_o > 0,05  – грунт сильносжимаемый.

 

Кроме этого используется коэффициент относительной сжимаемости

 

                                                (3.1)

 

где e_o – начальный коэффициент пористости [МПа^–1].

 

е = –tg Р

 

(–) показывает, что с увеличением нагрузки  уменьшается.  также может характеризовать сжимаемость.

Для фундаментов большинства зданий и сооружений характерно небольшое изменение давлений. Поэтому для них применяют законуплотнения грунта – изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления.

de = – m_odP _,(дифференциальная форма)

 

(разностная форма).             (3.2)

 

Существенной особенностью природных грунтов ненарушенной (естественной) структуры является наличие так называемой структурной прочности, которая проявляется при их компрессионных испытаниях (рис. 3.4). Благодаря наличию структурных и, в частности, цементационных (кристаллизационных) связей между частицами при относительно малых нагрузках на основной ветви компрессионной кривой до напряжений σ_стр наблюдается практически горизонтальный участок, т. е. отсутствие уплотнения. При напряжениях, несколько больших структурной прочности σ_стр, в результате разрушения хрупких связей между частицами, происходит резкое нарастание деформаций (уменьшение е). Величина σ_стр в некоторых грунтах может быть весьма малой (0,01...0,05 МПа), и поэтому для того, чтобы ее обнаружить, нужно тщательно сохранять структуру образца грунта и прикладывать нагрузку малыми ступенями очень плавно.

Наиболее ярко влияние структурной прочности проявляется в илистых грунтах и некоторых очень влажных глинах, например, иольдиевых глинах и др. Имея очень рыхлое сложение и, как следствие, в водонасыщенном состоянии значительную влажность, эти грунты обладают структурной прочностью, после малейшего преодоления которой начинается «лавинное» разрушение связей между частицами и значительное, обычно катастрофическое для возведенных на них сооружений, стремление к значительному уплотнению водонасыщенного грунта (рис. 3.4, кривая 3).

В результате этого ранее относительно прочный грунт переходит практически в состояние жидкости, поэтому такие грунты иногда относят к категории «структурно неустойчивых». Одним из возможных путей строительства на таких грунтах является максимальное сохранение в них структурных связей.

Во всех случаях, благодаря наличию структурных связей, сжимаемость любого грунта ненарушенной структуры меньше сжимаемости такого же грунта нарушенной структуры (имеющих одинаковые начальные коэффициенты пористости) (рис. 3.4, кривые 1 и 2).

Сопоставляя сжимаемость грунтов различных видов, следует сделать общее практически важное заключение об относительно малой сжимаемости несвязных грунтов и большой сжимаемости связных – глинистых грунтов при действии статических нагрузок. Рыхлый песок в результате действия возможных в строительной практике статических сжимающих напряжений невозможно существенно уплотнить и тем более добиться плотного сложения. Еще меньше уплотняются при статических нагрузках окатанные крупнообломочные грунты. Это объясняется «жесткостью» структуры таких грунтов, наличием непосредственных контактов между частицами и их формой. Ряд частиц крупнообломочных грунтов при нагрузке перемещается только после их разрушения или скола углов. В глинистых грунтах, содержащих пластинчатые частицы, окруженные пленками связанной воды, свойства сжимаемости при статических воздействиях проявляются весьма ярко.

Этими же особенностями структуры объясняется существенная разница в процессах «разбухания» несвязных и связных грунтов при их разгрузке. В несвязных грунтах «разбухание» мало и объясняется в основном упругой деформацией частиц. В глинистых грунтах, наоборот, явления разбухания ярко проявляются в основном за счет увеличения пленок связанной воды (расклинивающий эффект).

Также одной из величин, характеризующих сжимаемость грунта, является модуль деформации грунта Е [МПа], который учитывает как упругие, так и остаточные деформации грунта. 

Е_о = =

(Аналогичен закону Гука, но там используется модуль упругой деформации)

Модуль деформации грунта может определяться тремя способами:

1. В лабораторных условиях по компрессионной кривой.

Модуль деформации грунта обратно пропорционален коэффициенту относительной сжимаемости грунта и прямо пропорционален некоторой функции коэффициента поперечной деформации, учитывающей вид напряженного состояния при компрессионном сжатии.

Е_о = ,                                                           (3.3)

 

где ;  – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона), учитывающий боковое расширение грунта, принимаемый по таблице 3.1.

Коэффициент Пуассона – одна из физических характеристик материала упругого тела, равная отношению абсолютных значений относительной поперечной деформации элемента тела e _x к его относительной продольной деформации e _z , взятое с обратным знаком, вслучае, если действуют только вертикальные напряженияs _z (напряженияs _x иs _y в этом случае отсутствуют).

Коэффициент Пуассона изменяетсятеоретически от 1 до +0,5, а практически от 0 до +0,5. Коэффициент Пуассона не может быть более 0,5, так как в этом случае при всестороннем сжатии должен был бы увеличиваться объем грунта, что физически невозможно.

Таблица 3.1

Значение коэффициента поперечной деформации

для различных грунтов

 

Грунты	Коэффициент поперечной деформации v
Крупнообломочные грунты	0,27
Пески и супеси	0,30 – 0,35
Суглинки	0,35 – 0,37
Глины при показателе текучести IL:
IL ≤ 0	0,20 – 0,30
0 < IL ≤ 0,25	0,30 – 0,38
0,25 < IL ≤ 1	0,38 – 0,45
Примечание. Меньшие значения v применяют при большей плотности грунта.

2. В полевых условиях с помощью штампов.

Выполняя отбор проб для испытания грунтов, мы нарушаем его структуру и, следовательно, нарушаем его свойства. Поэтому производят полевые испытание грунта штампами: большого и малого диаметра.

Штамповые испытания (рис. 3.5) заключаются в том, что штамп (круглая плита) устанавливается на дно котлована на предварительно зачищенную и разровненную поверхность грунта, после чего загружается ступенями нагрузки. Последующая ступень нагрузки прикладывается после затухания осадки от предыдущей ступени. По линейному участку зависимости осадки s, см, от нагрузки p, МПа, устанавливается модуль деформации E ₀. Основным достоинством этого вида испытаний является то, что они ведутся непосредственно в грунтовом массиве. При испытаниях жесткими штампами требуется тщательная их установка на грунт с прилеганием по всей поверхности.

Штамповые испытания производятся также в скважинах. В этом случае штамп устанавливается в забое скважины. Применяются также винтовые штампы. Стандартная площадь штампа F = 5000 см². Нагрузка увеличивается ступенями = 0,05 МПа.

 

S

Отметка подошвы фундамента

Нагрузка

V»1 м3 – объем деформирован-ного грунта

Р

S

S = kP

Шурф

 

Рис. 3.5. Штамповые испытания грунта в котловане в полевых условиях

Измеряем осадку нашего штампа. Так как нагрузку задаем сами, то в любой момент времени знаем Р.

 

 – формула Шлейхера-Буссинеска,    (3.4)

 

 – коэффициент, зависящий от жесткости штампа;

b – ширина штампа;

v – коэффициент поперечной деформации(коэффициент Пуассона);

Е₀ – модуль общей деформации.

 

.                                             (3.5)

Достоинства:

· испытание грунта ненарушенной структуры.

Недостатки:

· трудоемкость;

· продолжительность испытаний.

 

Также для песчаных и пылевато-глинистых грунтов допускается определять модуль деформаций на основе результатов статического и динамического зондирования грунтов. В качестве показателей зондирования принимают: при статическом зондировании – сопротивление грунта погружению конуса зонда, а при динамическом зондировании – условное динамическое сопротивление грунта погружению конуса.

3. По таблицам СП 22.13330.2011  «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*» и региональным нормативным документам, исходя из простейших физических характеристик грунта.

Для предварительных расчетов оснований сооружений I и II уровней ответственности, а также для окончательных расчетов оснований сооружений III уровня ответственности и опор воздушных линий электропередачи независимо от их уровня ответственности допускается определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по таблицам в зависимости от их физических характеристик.

При соответствующем обосновании допускается использовать таблицы для окончательных расчетов сооружений II уровня ответственности (технически несложные сооружения, сооружения, малочувствительные к деформациям основания, и др.).

В качестве примера можно привести нормативные значения модуля деформации E, МПа, песков четвертичных отложений в зависимости от вида и коэффициента пористости е, таблица 3.2.

Таблица 3.2

Нормативные значения модуля деформации E, МПа,

песков четвертичных отложений

 

Пески	Обозначения характеристик грунтов	Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е, равном
	(Модуль деформации)	0,45	0,55	0,65	0,75
Гравелистые и крупные	Е	50	40	30	–
Средней крупности	Е	50	40	30	–
Мелкие	Е	48	38	28	18
Пылеватые	Е	39	28	18	11