Компрессионное испытание грунта

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

Компрессионные испытания грунтов в лабораторных условиях проводятся в компрессионных приборах (одометрах). Конструкции их бывают различные, в зависимости от способа приложения нафузки и целей исследования. В качестве примера на рис. 5.2 показан общий вид прибора для компрессионного испытания фунта.

На компрессионное сжатие (рис. 5.3) 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.

Рис. 5.2 Общий вид прибора для испытания грунта на компрессию

Рис. 5.3 Схема компрессионного испытания образца грунта

График зависимости относительных деформаций (ε_z) от сжимающих напряжений при компрессионном испытании показан на рис. 5.4:
(см. рис. 5.3).

Рис. 5.4. График зависимости ε_z=ƒ(σ)

При испытании грунта на компрессию предварительно определяют плотность грунта р, плотность частиц грунта ps и природную влажность со грунта, по которым вычисляют начальный (до сжатия) коэффициент пористости грунта:

(5.2)

Поскольку уплотнение и разрушение грунта происходит из-за изменения пористости, результаты компрессионных испытаний представляют в виде зависимости коэффициента пористости грунта от сжимающего напряжения (компрессионная кривая), т.е. зависимость ε_z= 1, E_z=ƒ(σ)(рис. 5.4) представляется в виде е=ƒ(σ) (рис. 5.5). Имея начальный коэффициент пористости e₀, любой последующий e_tопределяется по формуле

(5.3)

где ∆e_i— изменение коэффициента пористости;
ΔV_n— изменение объема пор образца грунта;
V_s — объем твердых частиц грунта.

По значениям е, для различных напряжений строим кривую e=ƒ(P), которую назьгвают компрессионной кривой. На рис. 5.5 показаны компрессионные кривые для грунтов, не обладающих структурной прочностью.

Рис. 5.5. Компрессионные кривые (а) и зависимости изменения относительных деформаций от напряжений (б): 1 — кривая компрессии (уплотнения); 2 — кривая декомпрессии (набухания); ε₀— относительная пластическая деформация; ε_y — то же, упругая

Для оценки сжимаемости грунтов в диапазоне реальных (строительных) нагрузок компрессионную кривую можно заменить прямой линией ММ1 (рис. 5.6). Уравнение этой приямой

Рис. 5.6. Расчетная схема для определения коэффициента уплотнения (сжимаемости)

Величина tgα характеризует сжимаемость грунта в пределах изменения напряжения от σ₁ до σ₂, поэтому ее называют коэффициентом уплотнения (сжимаемости) и обозначают буквой т₀. Тогда tgα=m₀.

(5.5.)

где е₁ и е₂ — коэффициенты пористости, соответствующие напряжениям σ₂ и σ₁.

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,
m > 1,0 Мпа ^-1 — сильно сжимаемый.

Заменив в выражении (5.4) tgα на m₀, получим

(5.6)

Продифференцировав это выражение, получим

(5.7)

и тогда можно сформулировать закон уплотнения (компрессии): изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления.