2.6. Сжимаемость грунтов и их сопротивление сдвигу

2.6.1. Сжимаемость грунтов

Для изучения сжимаемости грунтов под нагрузкой обычно применяют приборы, имеющие вид стакана, в дне и поршне которого помещены пористые диски, легко пропускающие наружу воду, вытесняемую из образца при его сжатии (рис. 2.3а). Такие приборы, называемые одометрами, просты и получили широкое распространение. Кроме одометров, в практике лабораторного исследования грунтов применяют и более совершенные приборы – стабилометры (рис. 2.3б). В них образец грунта, защищенный непроницаемой эластичной оболочкой, окружен сбоку жидкостью, которая препятствует его расширению в стороны при сжатии. Вода, вытесняемая из пор образца грунта, здесь также отводится через пористые диск, который устроен в дне прибора.

В одометре во время сжатия образца сказывается влияние сил трения грунта о стенки прибора. Чтобы это влияние было как можно меньшим, образец берут небольшой высоты по сравнению с его поперечными размерами. В стабилометрах влияние трения о стенки прибора устранено, и образцы грунта применяют значительно большей высоты.

Под влиянием давления , передающегося образцу от поршня прибора, грунт уплотняется. Течение этой деформации длится некоторое время, в конце которого в грунте, имевшем ранее пористость e , устанавливается ее значение e, соответствующее приложенной нагрузке р. В результате сжатия высота образца h уменьшится на некоторую величину S и станет равной h – S.

Эта деформация может произойти лишь за счет уменьшения объема пор, а объем частиц грунта в течение всего процесса сжатия остается неизменным.

Учитывая, что коэффициент пористости равен:

или , откуда имеем .

(2.17) (2.17а)

Рис. 2.3.

а. Одометр: 1 – индикатор; 2 – верхний штамп; 3 – фильтровальная бумага; 4 – режущее кольцо; 5 – дно; 6 – образец грунта.

б. Стабилометр: 1 – база прибора; 2 – верхняя дренажная трубка; 3 – резиновые манжеты; 4 – прозрачная камера; 5 – индикатор; 6 – загрузочный шток; 7 – диск штока; 8 – стопорный винт; 9 – крышка прибора; 10 – тяги грузовой рамы; 11 – подвижный поршень; 12 – образец грунта; 13 – резиновая оболочка; 14 – неподвижный поршень; 15 – трубопровод давления; 16 – нижняя дренажная трубка; 17 – манометр; 18 – кран.

Тогда, пользуясь формулой (2.17а), можно написать следующие два уравнения, определяющие объем частиц в образце грунта до и после сжатия:

.

Здесь А – площадь образца.

Приравнивая правые части этих выражений, и решая полученное уравнение относительно e, найдем следующую зависимость между e и S для условий сжатия грунта без возможности его расширения в стороны:

.

(2.18)

Для изучения зависимости пористости грунта от давления его образец подвергают сжатию различными нагрузками р , начиная с некоторой небольшой величины и постепенно повышая ступенями по ходу испытания. Соответственно каждому значению нагрузки р , и зависящей от нее величины S , входящей в формулу (2.18), определяют установившееся значение коэффициента пористости грунта.

Результаты испытаний представляют в виде кривой сжатия, называемой также компрессионной кривой (рис. 2.4), поскольку компрессия – это сжатие без возможности бокового расширения.

Рис. 2.4. Компрессионная кривая сжатия грунта.

Кривую сжатия представленного здесь вида обычно получают при сравнительно большом изменении нагрузки на образец, достигающем иногда 1.5 – 2.0 МПа.

При строительстве различного вида сооружений нагрузка на основание по сравнению с первоначальным природным давлением от собственного веса грунта увеличивается сравнительно немного, на 0,2 … 0,4 МПа.

Поэтому участок кривой сжатия между точками 1 и 2, отвечающими изменению коэффициента пористости от е до е , которое происходит при увеличении нагрузки от р (первоначальное природное или бытовое давление) до р (нагрузка от фундамента сооружения), принято заменять прямой линией. Уравнение этой прямой будет иметь вид:

е = A - ар,

(2.19)

где А – отрезок, отсекаемый прямой NN на оси Оe;

а – угловой коэффициент этой прямой, определяемый по формуле:

.

(2.20)

Так как е и е являются величинами безразмерными (относительными), а нагрузки р и р выражают в МПа, то угловой коэффициент а получает измерение, обратное нагрузке, выражаемое в МПа . Чем плотнее исследуемый грунт, тем меньше угол наклона прямой NN к оси Ор при одном и том же диапазоне изменения нагрузки р, и, наоборот.

Таким образом, по величине а косвенным образом можно судить о степени сжимаемости грунта, а потому а принято называть коэффициентом сжимаемости (либо коэффициентом уплотнения). Например, если a выражается величиной порядка 0,01 МПа , грунт будет сильно сжимаемым, а если а имеет значение порядка 0,0005 МПа , то грунт значительно уплотнен.

При сжатии вертикальной нагрузкой образец грунта, находящийся в одометре, стремится расшириться в стороны и оказывает давление на боковые стенки прибора, со стороны которых возникает равная и противоположно направленная реакция. В случае сжатия образца в стабилометре такая реакция возникает со стороны окружающей его жидкости. Если взять какую-либо точку, расположенную в центральной части нагруженного образца, то вертикальное и горизонтальное напряжения в ней будут главными, имея значения σ и σ .

При некотором небольшом увеличении внешней вертикальной нагрузки на образец главные напряжения получат приращения δσ и δσ . Отношение меньшего из них к большему называют коэффициентом бокового давления грунта и определяют по формуле:

.

(2.21)

Значения коэффициента бокового давления ξ находятся в следующих пределах: для песчаных грунтов ξ =0,25÷0,37; для глинистых (в зависимости от консистенции) ξ =0,11÷0,82.