Компрессионная зависимость

Для оценки сжимаемости грунтов и определения показателей деформационных свойств в лабораторных условиях проводят испытания образцов грунта в компрессионных приборах (рис. 2.1).

Для этого кольцо (высотой h) с образцом грунта 6 (рис. 2.2), полностью насы­щенного водой, помещают в одометр. Через фильтрующие днище 5 и поршень 2 может происходить выдавливание воды из пор грунта. В одометре созданы условия, исключающие капиллярное давление и предотвращающие высыхание образца грунта.

Рис. 2.1. Компрессионные приборы фирмы «ГЕОТЕК»

Рис. 2.2. Схема испытания образца грунта на сжатие в одометре:

1 – образец грунта; 2 – металлическое кольцо; 3 – днище;

4– пластины с отверстиями для отвода воды; 5 – штамп;

6 – индикаторы часового типа

При передаче нагрузки поршнем одометра давления высота образца уменьшится вследствие уплотнения грунта (уменьше­ния его пористости). При увеличении давления образец полу­чит дополнительное уплотнение из-за изменения объема пор.

В условиях отсутствия возможности боково­го расширения образца грунта в кольце, изменение его пористости под давлением , распределенным по площади , найдем из выражения

, (2.1)

где – осадка от давления .

Объем твердых частиц в образце грунта до и после дефор­мации остается практически неизменным. Объем твердых частиц в единице объема образца грунта составляет:

, (2.2)

где — начальный коэффициент пористости грунта.

С учетом (2.1) и (2.2) получим из­менение коэффициента пористости образца грунта под дей­ствием давления

. (2.3)

Исключив значение из начального коэффициента пори­стости , получим зависимость коэффициента пористости грунта от дав­ления

. (2.4)

По значениям для различных давлений можно построить график зависимости – (ветвь сжатия) (рис. 2.3, а).

При уменьшении давления ступенями и разгрузке образца грунта наблюдается обратный процесс – увеличе­ние объема (набухание). Зная величину перемещения по формуле (2.4), можно построить ветвь набухания 2. График зависимости коэффициента пористости от давления называют компрессионной кривой, так как она ха­рактеризует сжимаемость грунта.

а) б) в)

Рис. 2.3. Компрессионные кривые:

а – компрессионная кривая с ветвью разгрузки для грунта, не обладающего структурной прочностью; б – расчетная схема для определения коэффициента относительной

сжимаемости; в – компрессионные кривые для грунта, имеющего структурную прочность

При разгрузке образца проявляются упругие деформации грунта и деформации упругого последействия. После снятия всей нагрузки образец грунта не может занять первоначального объема вследствие происшедших при уплотнении грунта взаимных сме­щений частиц, их разрушения и установления новых связей между частицами при более плот­ном состоянии грунта.

В пределах сравнительно небольших изменений сжимающих напряжений от до , возникающих в грунте после возведения сооружения, компрес­сионную кривую грунта ненарушенной структуры приближенно можно аппроксимировать линейной зависимостью вида:

, (2.5)

где характеризует сжимаемость грунта в интервале сжимающих напряжений от до . Эта величина называется коэффициентом сжимаемости и обозначается (1/МПа):

= . (2.6)

В соответствии с рис. 2.2 коэффициент сжи­маемости будет равен

. (2.7)

Заменяя в выражении (2.5) на , получим уравнение секущей прямой, близкой к компрессионной кривой на участке АВ:

, (2.8)

или в приращениях

. (2.9)

Поэтому закон компрессии грунта формулируется так: при небольшом изменении сжимающих напряжений уменьшение коэффициента пористости грунта пропорционально увеличению сжимающего напряжения.

Для оценки сжимаемости грунта используется также величина относительной объ­емной деформации грунта, отнесенная к единице давления и называемая коэффициентом относительной сжи­маемости (1/МПа):

. (2.10)

Вследствие криволинейного характера графика компрессионных испытаний грунта коэффициент сжимаемости и коэффициент относительной сжимаемости будут зависеть от интервала рассматриваемых напряжений.

На рис. 2.3, а приведены компрессионные кривые, характерные для грунта, не обла­дающего структурной прочностью, то есть уплотняющегося под действием небольшого давления. Такое явление обычно свой­ственно очень слабым грунтам.

При напряжении, меньшем структурной прочности , когда оно воспринимается водно-коллоидными и кристалли­зационными связями, процесс уплотнения практически не раз­вивается. Лишь после разрушения этих связей при происходит уплотнение грунта. Компрессионная кривая для та­кого грунта приведена на рис. 2.3, б.