5Основные закономерности механики грунтов

5.3Сжимаемость грунтов

В отличие от твердых конструкционных материалов, деформирующихся почти без изменения объема, грунт под действием нагрузок существенно сжимается, т.е. уменьшает свою пористость и, соответственно, объем. В 30-е годы Н.М. Герсеванов доказал, что для грунта, уплотняемого статической нагрузкой, каждому давлению соответствует (после затухания деформаций) определенный коэффициент пористости. Для водонасыщенных грунтов, поры которых полностью заполнены водой (S_r ≈1), вместо коэффициента е пористости можно рассматривать влажность w, ибо в этих случаях объем пор равен объему воды (влажность становится пропорциональной коэффициенту пористости).

Сжимаемость грунта обычно изучается в лабораторных условиях на упомянутом в разделе 4.2 компрессионном приборе (иначе одометре), схема которого приведена на рис. 13а.

Так как твердые частицы грунта практически несжимаемы, уменьшение объема образца грунта происходит только за счет уменьшения объема его пор. При этом объем образца грунта уменьшается за счет оседания грунта под «штампиком», т.е. только за счет вертикальных деформаций. Это позволяет выражать изменения коэффициента пористости через осадки «штампика». Опуская промежуточные выкладки, приведем окончательную формулу:

, (6)

где e_i – коэффициент пористости грунта, уплотненного давлением р_i;

e_о – начальный коэффициент пористости (до начала испытания);

s – осадка штампика (уменьшение высоты образца грунта);

h – высота образца грунта.

З ависимость коэффициента пористости е от давления р отражает сжимаемость изучаемого грунта и изображается «компрессионной кривой» е~ р, (рис. 14).

Н а практике чаще всего приходится иметь дело с небольшими интервалами нагрузок, в пределах которых кривизна зависимости е~ р проявляется очень слабо, на что обратил особое внимание Н.М. Герсеванов. Им был сформулирован следующий закон уплотнения: при небольших изменениях уплотняющих давлений изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления (рис. 15).

е₁ – е₂ = – m( p₁ – p₂) = m( p₂ –p₁) → . (7)

Величина m называется коэффициентом сжимаемости. Между коэффициентом сжимаемости m и модулем деформации Е существует зависимость:

, (8)

где е_о – начальный коэффициент пористости;

β – величина, являющаяся функцией коэффициента поперечной деформации ν :

(9)

Так как точность определения ν обычно невысока, величина β часто принимается без расчета равной:

• для песков β = 0,7…0,8;

• для суглинков и супесей β = 0,5…0,6;

• для глин β = 0,4.

Модуль деформации, определенный по данным компрессионных испытаний, более или менее достоверно характеризует деформативность песков. Применительно же к глинистым грунтам он требует дополнительной корректировки. Получаемый «компрессионный» модуль деформации для глин и суглинков корректируется путем умножения его на специальный коэффициент («коэффициент Агишева»), принимаемый согласно СП 50-101-2004 (п. 5.3.6) равным от 2 до 6 (в зависимости от коэффициента пористости). Для объектов I и II уровней ответственности корректирующие коэффициенты следует устанавливать на основе сопоставления компрессионных испытаний с испытаниями того же грунта штампом.