2. Механические свойства грунтов, основные характеристики свойств и способы их определения

Под механическими свойствами понимается способность грунтов реагировать («откликаться») на внешние воздействия различной природы (нагрузки статического и динамического характера, фильтрационные потоки, изменение температуры и т.п.). Характеристики этих свойств называются механическими. В отличие от физических их применение определяется принятой расчетной моделью грунта.

Основой расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтовых массивов, наиболее широко востребованных практикой строительного проектирования, являются характеристики деформируемости, прочности и водопроницаемости грунтов, получаемые в лабораторных и полевых испытаниях.

В лаборатории испытанию подвергаются малые объемы грунта, для чего используются образцы, отобранные из котлованов, шурфов или скважин с возможным сохранением структуры грунта, – так называемые образцы ненарушенной структуры (обеспечить абсолютное отсутствие изменения структуры невозможно – см. раздел 1.1). В других случаях, например, для испытания грунтов проектируемых плотин, насыпей и т.п. образцы формируются непосредственно в лаборатории из грунтов нарушенной структуры, добываемых в карьерах. В зависимости от условия нагружения грунтов в натуре испытания проводят при действии только статических или при сочетании статических и динамических нагрузок.

Учитывая, что в основаниях, насыпях, плотинах и др. грунты обычно подвергаются воздействию нормальных сжимающих напряжений σ (по этой причине в механике грунтов сжимающие напряжения считаются положительными), то и в опытах образцы испытывают при сжимающих σ. Растягивающие (отрицательные) σ применяют при испытании дисперсных связных, а также скальных, мерзлых грунтов лишь в тех, достаточно редких случаях грунтовых массивов, в отдельных зонах которых могут появляться растягивающие σ (высокие плотины, подрабатываемые основания, подземные выработки и др.).

При действии нормальных сжимающих напряжений дисперсные грунты получают деформацию уплотнения, которая характеризует одно из основных свойств грунта – его сжимаемость.

1. Деформируемость нескальных грунтов при статических воздействиях

В лабораторных условиях деформируемость (сжимаемость) дисперсных грунтов обычно исследуют в условиях невозможности бокового расширения грунта (ε_х=ε_у=0), проводя испытания в приборах, называемых компрессионными (рис.2.1,а). Образец грунта 1 помещают в жесткое кольцо (обойму) 2 и к нему через жесткий штамп 3 прикладывают вертикальное сжимающее напряжение σ = Р/А (А – площадь горизонтального сечения образца, обычно А = 40 см² при d = 7,07 см). Для уменьшения сил трения грунта о стенки кольца диаметр образца d в 3…4 раза больше его высоты (h ≈ 2,0 см). В процессе сжатия водонасыщенного грунта из его пор выдавливается вода, поэтому в основании прибора и в штампе устраивают фильтры 4 в виде перфорированных пластинок для отвода воды. Через отверстия в штампе может осуществляться, при необходимости, транзитная нисходящая или восходящая фильтрация воды через образец грунта.

Рис. 2.1. Схема компрессионного прибора (а) и зависимость относительного сжатия грунта от вертикального напряжения (б): 1- грунт, 2 - кольцо, 3 - поршень-штамп,

4 - фильтр, 5,6 - опытные зависимости при нагружении и разгрузке.

Методика компрессионного испытания регламентируется ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.

В опытах напряжения σ увеличивают ступенями ∆σ, выжидая на каждой ступени условного затухания деформаций. За критерий условного затухания (условной стабилизации) принимается определенное значение скорости деформации, зависящее от вида грунта: например, для песчаного грунта принимается скорость, не превышающая 0,01 мм за 4 часа, т.е. 0,0025 мм/час. Фиксируя для σ вертикальное смещение штампа (сжатие образца) s_z, находят экспериментальную связь (рис.2.1,б) между σ и относительным сжатием ε_z = s_z/h₀ (h₀ – начальная высота образца) при нагружении образца (кривая 5) и разгрузке (кривая 6). Получение зависимости ε_z = f (σ) является традиционным для конструкционных материалов (металл, бетон и др.). В механике грунтов результаты компрессионных испытаний дисперсных (нескальных) грунтов принято представлять зависимостью коэффициента пористости e от σ, принимая допущение о том, что сжатие образца происходит только за счет изменения объема пор, а объем твердых частиц остается неизменным. В этом случае V_тв,0 = V_тв,σ и, учитывая зависимости (1.8) и (1.11), последовательно получаем

m₀·A·h₀ = m_σ·A·(h₀ - s_z)

и ,

откуда следует

e_{σ =} e_о - ( 1+ e_о ) = e_о - ε_z ( 1 + e_о ) (2.1)

Построенный с использованием зависимости (2.1) график е = е(σ) для случая нагружения грунта, т.е. при увеличении σ, называют компрессионной кривой (рис.2.2, кривые 1). При значительной кривизне компрессионный график 1 аппроксимируется по предложению К. Терцаги логарифмической зависимостью

e = - Аln(σ₀ + σ) + С, (2.2)

в которой параметры А, σ₀, С определяют путем решения трех уравнений (2.2) при подстановке в них трех пар опытных значений σ, е.

Для оценки сжимаемости грунтов обычно применяют замену отдельных криволинейных участков графика 1 прямыми, что не приводит к большой погрешности, если диапазон σ^// – σ^/ не велик (рис.2.2,а). Уравнение спрямленного участка ветви компрессии имеет вид

е = - аσ + b, (2.3)

где а и b - параметры прямой (2.3). Как следует из рис.2.2,а параметр b - отрезок, отсекаемый прямой на оси е, а величина параметра а, называемого коэффициентом уплотнения (сжимаемости), определяется как

а = (2.4)

и имеет размерность, обратную напряжению , . Не трудно видеть, что чем более сжимаемым является грунт, тем больше величина а. При а > 1 грунты обычно считают сильносжимаемыми, а при а < 0,01 - малосжимаемыми. В ГОСТ 12248-96 для коэффициента сжимаемости принято обозначение m₀, в данном пособии оставлено обозначение а, применявшееся многие годы, в частности, в учебниках [9, 12].

Наряду с коэффициентом сжимаемости результаты компрессионных испытаний используются (ГОСТ 12248-96) для определения модуля деформации Е, являющегося основной характеристикой деформируемости грунта в рамках представления его расчетной моделью линейно-деформируемой среды. Подробно эти вопросы изложены в главе 3.

При уменьшении сжимающих напряжений σ, т.е. разгрузке грунта, наблюдается увеличение коэффициента пористости и объема грунта, т.е. имеет место разбухание (разуплотнение) грунта; получаемый при этом график 2 (рис.2.2,б) называют кривой декомпрессии (кривой или ветвью разуплотнения). Кривая 2 проходит значительно ниже кривой уплотнения 1. В этом проявляется одна из особенностей деформирования грунтов – наличие значительных необратимых (остаточных или пластических) деформаций (см.рис.2.1,б), т.е. в случае нагружения (особенно первичного) грунт обычно деформируется как тело неупругое. Спрямляя кривую разбухания, получим уравнение, аналогичное (2.3), в котором «а» заменяется на коэффициент разбухания «а_р», определяемый как

а (2.4^/)

Рис. 2.2. Зависимости коэффициента пористости от напряжения в компрессионном испытании при нагружении, разгрузке, повторном нагружении (кривые 1, 2,3) и при циклической нагрузке и разгрузке

При увеличении напряжений от σ^// (рис.2.2,б) получаем ветвь вторичного нагружения – кривую рекомпрессии 3, которая с кривой разбухания 2 образует петлю гистерезиса, при этом при восстановлении напряжения σ^/ коэффициент пористости е₂ ^/ получается меньше е₂. Характерно, что при дальнейшем увеличении напряжений (σ > σ^/) кривая нагружения грунта получает больший уклон и выходит на ветвь первичного уплотнения, иногда называемую главной или основной ветвью уплотнения (компрессии). При циклической нагрузке и разгрузке грунта до одних и тех же напряжений σ^/, σ^// (рис.2.2,в) наблюдается затухающее накопление остаточных деформаций, но постепенно ветви нагрузки и разгрузки сливаются (иногда через 20…30 циклов), т.е. грунт становится практически идеально упругим материалом.

Приведенные на рис.2.2 результаты компрессионных испытаний характерны для грунтов нарушенной структуры. Как показывают опыты, кривые уплотнения образцов грунта ненарушенной структуры могут иметь характерные особенности, отличающие их от кривых рис.2.2. Если нагружать образец грунта, ранее получившего уплотнение от веса вышележащей толщи, создававшей давление (называемое бытовым) σ_б, то при напряжении σ ≈ σ_б компрессионная кривая будет иметь характерный перелом (рис.2.3,а). Наличие перелома позволяет ориентировочно определить σ_б от веса грунта или, например, от веса ранее прошедшего ледника. Если перегиб компрессионной кривой происходит при напряжении σ_б, превышающем напряжение от веса существующей (на момент отбора образца) толщи грунта, то такой грунт называют переуплотненным.

Рис. 2.3. Компрессионные кривые для грунтов ненарушенной структуры:

а – уплотненного бытовой нагрузкой (1) и «переуплотненного» (2) в природных условиях; б – при наличии структурной прочности (1), того же, но нарушенной структуры (2), структурно-неустойчивого грунта (3); пунктир – уплотнение грунта в период его образования.

Существенной особенностью многих природных грунтов ненарушенной структуры является наличие структурной прочности (см. раздел 1.1). Благодаря наличию структурных, в частности, цементационных связей, на основной ветви компрессионной кривой при σ ≤ σ_str наблюдается слабонаклонный (или почти горизонтальный) участок (рис. 2.3,б), т.е. практически отсутствует уплотнение. В случае же действия σ > σ_str в результате разрушения хрупких связей между частицами грунта происходит резкое нарастание деформаций и уменьшение е. Величина σ_stz у ряда грунтов весьма мала (0,01…0,05 МПа) и чтобы ее обнаружить, необходимо тщательно сохранять природную структуру при отборе и хранении образцов грунта, а в опытах нагрузку σ до достижении величины σ_stz следует прикладывать плавно малыми ступенями (по ГОСТ 12248-96 для глинистых грунтов ∆σ = 0,0025 МПа).

Наиболее ярко наличие структурной прочности обнаруживается у илистых грунтов и некоторых очень влажных глин, например, иольдиевых и др. Имея очень рыхлое сложение и значительную влажность (до 1…2), эти грунты обладают структурной прочностью, после малейшего превышения которой начинается «лавинное» разрушение связей между частицами и значительное, обычно катастрофическое для возведенных на них сооружений, стремление к уплотнению водонасыщенного грунта (рис.2.3,б 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 под нагрузкой структурных связей.

Во всех случаях благодаря наличию структурных связей сжимаемость любого грунта ненарушенной структуры меньше сжимаемости такого же грунта нарушенной структуры (рис.2.3,б, кривые 1 и 2).

Из сравнения результатов компрессионных испытаний различных грунтов был получен практически важный вывод об относительно малой сжимаемости несвязных и большой сжимаемости связных (глинистых) грунтов. В частности, рыхлый песок невозможно существенно уплотнить статическими нагрузками и добиться, например, его степени плотности J_D = 0,8…0,9. Еще меньше уплотняются окатанные крупнообломочные грунты. Это объясняется «жесткостью» структуры таких грунтов, наличием непосредственных контактов между частицами, их формой и отсутствием связанной воды. Глинистые грунты, содержащие пластинчатые частицы, окруженные пленками связанной воды, характеризуются значительной сжимаемостью при статических воздействиях. Столь же существенная разница наблюдается при разуплотнении (разбухании) несвязных и связных грунтов при их разгрузке. В глинистых грунтах явление разбухания ярко проявляется в основном за счет увеличения пленок связанной воды.

Особенности деформируемости просадочных, мерзлых, набухающих и засоленных грунтов хорошо иллюстрируют компрессионные испытания, рекомендуемые действующими нормами при проектировании оснований и грунтовых сооружений.

Просадочность – это способность некоторых грунтов уплотняться при их увлажнении. В природе встречаются просадочные суглинки, супеси и даже пески, но в наибольшей степени свойство просадочности проявляют лессовые грунты. Лессовые грунты занимают значительные площади на Украине, в России – на юге, на Алтае, в Приморье.

Лессы образуют очень однородные (неслоистые) толщи мощностью иногда в несколько десятков метров. По грансоставу это обычно супеси, суглинки с высоким содержанием пылеватой фракции (> 50%) и большой пористостью (n ≥ 0,5). Характерным является наличие макропор – крупных пор, видимых невооруженным глазом. По этому признаку грунты называют макропористыми. Макропоры образуют сквозные вертикальные каналы и по этой причине для лессов характерна анизотропия водопроницаемости – она в вертикальном направлении много больше, чем в горизонтальном. Другая особенность лессов – их засоленность с образованием цементационных связей. Лессовые грунты в естественном залегании имеют, как правило, малую влажность (часто w ≤ 0,05).

Рис. 2.4. Компрессионные кривые:

а – просадочный (мерзлый) грунт при различных нагрузках (σ^/ ,σ^// ,σ^/// ) перед и после его замачивания (оттаивания); б – набухающий грунт.

В лаборатории просадочность устанавливается в компрессионных испытаниях образцов ненарушенной структуры. К образцу прикладывается напряжение σ (σ^/, σ^//, σ^/// и т.д.), равное либо бытовому (σ = γh), либо превышающее бытовое на величину, создаваемую весом сооружения. При естественной влажности грунт имеет малую сжимаемость. При подаче в образец воды (замачивание грунта) без изменения σ происходит большая осадка (просадка) штампа, структура грунта полностью разрушается и грунт значительно уплотняется (рис. 2.4,а). На компрессионной кривой четко фиксируется вертикальный «просадочный» скачок Δe_пр вниз.

Для характеристики просадочности (ГОСТ 23161-78) определяется относительная вертикальная деформация сжатия ε_sl при замачивании, обычно называемая относительной просадочностью, т.е. = (h_n,p-h_sat,p)/h_n,g, (2.5)

где h_n,p – высота образца природной влажности при давлении р, ожидаемом в данной точке грунтового основания после возведения сооружения; h_sat,p – высота того же образца после просадки от замачивания; h_{n, g} – высота образца при давлении, равном природному. При ε_sl > 0,01 грунт считается просадочным.

Разрушение структуры лессовых грунтов при их замачивании объясняют в основном двумя причинами: растворением солей, образующих цементационные связи, и расклинивающим эффектом Дерягина (см. раздел 1.1). В условиях начальной малой влажности пленки связанной воды тонкие, при увлажнении их толщина увеличивается, частицы раздвигаются, жесткие цементационные связи разрушаются и частично растворяются водой.

При замачивании мощных толщ лессовых грунтов наблюдаются значительные просадки, достигающие, например, в случае каналов до 1…2 м. Вследствие локального увлажнения просадочных грунтов, например, за счет протечек из водопроводных труб, возникают неравномерные осадки зданий и сооружений. Все эти явления определяют необходимость применять при строительстве на просадочных грунтах специальные мероприятия по предотвращению просадок или уменьшению их вредных последствий. Подробно эти вопросы рассматриваются в курсе оснований и фундаментов.

Грунты, находящиеся в мерзлом, особенно в вечномерзлом состоянии, являются, как правило, малосжимаемыми. Однако при оттаивании таких грунтов возникают значительные деформации – просадки. При проведении испытаний в компрессионных приборах, снабженных системой принудительного оттаивания грунта, получают зависимости е = е(σ), аналогичные приведенным для просадочного грунта, но только при замене на рис.2.4, а надписи «вода» на «тепло-оттаивание». По результатам испытания определяется относительная деформация сжатия ε_th при оттаивании по зависимости

ε _th= (h_ƒ – h_th)/h_ƒ ,

где h_ƒ и h_th – соответственно высота образца грунта в мерзлом состоянии и после оттаивания при неизменном давлении р.

Строительство на мерзлых (вечномерзлых) грунтах ведется с учетом возможного оттаивания этих грунтов. Разработаны способы как сохранения мерзлого состояния грунтов, так и предотвращения вредных последствий их оттаивания для зданий и сооружений, подробно излагаемые в курсе оснований и фундаментов.

При замачивании ряда глинистых, в основном маловлажных грунтов, происходит, в отличие от просадочных, существенное увеличение их объема – набухание. Набухание обусловлено в основном увеличением пленок связанной воды и их расклинивающим действием, а также за счет проникновения воды в глинистые минералы (особенно в монтмориллонит) частиц.

Способность грунтов к набуханию оценивается (ГОСТ 24143-80) в результате доувлажнения грунта в компрессионных приборах (рис.2.4,б) по величине относительного набухания, определяемого как

ε_sw = (h_sat - h_n)/ h_n,

где h_n, h_sat – высота образца до и после замачивания при действующей на него нагрузке.

К набухающим обычно относят глинистые грунты, которые в условиях свободного набухания (без нагрузки) имеют ε_sw ≥ 0,04. Относительное набухание возрастает с увеличением плотности скелета грунта и уменьшением влажности грунта до замачивания. С повышением сжимающей нагрузки деформации набухания уменьшаются, и минимальное напряжение, при котором отсутствует набухание, называют давлением набухания. Давление набухания у некоторых глин может составлять 0,5…1,0 МПа.

Чтобы сооружение, построенное на набухающих грунтах, при их увлажнении не деформировалось при неравномерном набухании грунта, его вес должен быть больше суммы сил набухания. Кроме того, одним из путей борьбы с набуханием является недопущение увлажнения грунтов или, наоборот, предварительное замачивание основания. В ряде случаев особую опасность для ограждающих сооружений представляет развитие бокового давления набухающих при увлажнении грунтов.

Противоположным набуханию процессом является усадка грунта. Усадка развивается при обезвоживании глинистого грунта вследствие испарения воды с его поверхности. Усадка глинистых грунтов возникает, в частности, под помещениями (сооружениями), выделяющими большое количество тепла, в том числе и в грунт (ТЭС, АЭС, доменные печи, котельные, дымовые трубы и т.п.).

Способность грунтов к усадке оценивается (ГОСТ 24143-80) в компрессионных испытаниях по величине относительной линейной усадки, определяемой по зависимости

ε_sh = (h_n - h_d)/h_n,

где h_n, h_d – соответственно высота образца после его максимального набухания и после уменьшения влажности в результате высыхания при действующей на него нагрузке.

Для засоленных грунтов компрессионные испытания используются для определения характеристик суффозионной сжимаемости за счет выщелачивания солей. Испытания проводятся в компрессионном приборе (см. рис. 2.1,а), в котором помимо нагружения образца напряжениями σ создается через образец нисходящий или восходящий поток фильтрующей жидкости (в этом случае прибор называют компрессионно-фильтрационным). Непрерывная фильтрация воды осуществляется при неизменном заданном давлении σ до условной стабилизации суффозионного сжатия (ГОСТ 12248-96). Периодически отбирается фильтрат для определения в нем количества соли.

Относительное суффозионное сжатие ε_sf определяется как

ε_{sf =} ∆ h_sf / h_ng ,

где ∆ h_sf - абсолютное суффозионное сжатие при непрерывной фильтрации и заданном давлении σ; h_ng – высота образца (до фильтрации) при давлении, равном напряжению от веса грунта на глубине отбора. По графику ε_sf = f (σ) определяется начальное давление суффозионного сжатия p_sf , при котором ε_sf = 0,01.

Уплотнение водонасыщенных грунтов и понятие о нестабилизированном их состоянии.

При приложении или снятии нагрузок уплотнение или разбухание (разрыхление) водонасыщенного грунта всегда происходит во времени, что обусловлено необходимостью оттока (отжатия) или притока (всасывания) воды, т.е. фильтрацией воды по порам грунта.

Уплотнение, сопровождающееся отжатием воды из грунта, называется консолидацией, а разрыхление с притоком воды в поры грунта – деконсолидацией, уплотнение при повторном после разгрузки нагружении – реконсолидацией.

Процесс консолидации наглядно иллюстрируется уплотнением водонасыщенного грунта в компрессионном приборе с замером осадки штампа s_z во времени и давления в поровой (заполняющей поры) воде (рис. 2.5,а).

Рис. 2.5. Схема (б) компрессионного прибора с датчиком для замера

избыточных давлений в поровой воде р и график (а) изменения р

и осадки штампа s_z во времени t

Замер порового давления производят с помощью иглы, имеющей на конце фильтр для пропуска только поровой воды, и датчика (манометра). При быстром, условно «мгновенном», приложении нагрузки q за короткий период времени t ≈ 0 вода из пор не успевает начать отфильтровываться, а сжимаемость воды и тем более твердых частиц мала. Поэтому в полностью водонасыщенном грунте осадка штампа в первый момент приложения нагрузки (t ≈ 0) практически равна нулю и наблюдается быстрое увеличение давления в поровой воде (рис. 2.5,а). В глинистых полностью водонасыщенных грунтах пластичной и тем более текучей консистенции избыточное давление в поровой воде, как показывают опыты, может достигать величины q, т.е. происходит передача внешней нагрузки на воду. Затем происходит отжатие воды из грунта, сопровождаемое развитием осадки штампа, падением давления в поровой воде и ростом напряжений в скелете грунта. К моменту окончания осадки и сжатия грунта вся нагрузка q передается на скелет грунта.

Грунт в процессе консолидации называют находящимся в нестабилизированном состоянии, для которого характерно наличие избыточных (дополнительных) давлений в поровой воде, возникающих в результате приложения уплотняющей нагрузки.

В условиях компрессионного прибора (рис. 2.5,б) на штамп (поршень) сверху приложена нагрузка q, а по подошве штампа действует реакция грунта, включающая напряжения в скелете грунта в нестабилизированном состоянии σ_t и дополнительные (избыточные) давления в воде р_t. Из условия равновесия получаем

q = σ_t + р_t. (2.6)

В состоянии стабилизации р_t = 0 и нагрузка q передается на скелет. Возникающие при этом напряжения в скелете обозначим σ^* и для стабилизированного состояния σ^* = q. В итоге зависимость (2.6) можно представить в виде

σ_t = σ^* - р_t . (2.7)

Зависимость (2.7) позволяет определить действующие в момент времени t напряжения в скелете грунта σ_t в нестабилизированном состоянии при известном стабилизированном напряжении и найденном экспериментально или расчетом поровом избыточном давлении р_t в момент времени t (в данном пособии, как и в [9,12,13 ], для давления в поровой воде оставлено обозначение р вместо применяемого в ГОСТ 12248-96 обозначения u, давно принятого в гидравлике для скорости фильтрации при использовании р для давления в жидкости).

Длительность процесса консолидации зависит от многих факторов. В случае компрессионного прибора на длительность влияет объем отжимаемой воды и водопроницаемость грунта. Образец песчаного грунта (h = 2…3 см), как наиболее проницаемого, уплотняется в течение нескольких минут, суглинка – часами, а глины – сутками.

Показателями, характеризующими процесс деформации водонасыщенного грунта, определяемыми в компрессионных испытаниях, являются (ГОСТ 12248-96) коэффициенты фильтрационной и вторичной консолидации с_V, с_α, характеризующие соответственно скорость деформации при постоянном напряжении σ за счет фильтрации воды и за счет ползучести грунта. Испытания проводят при давлении σ, равном обычно проектному давлению на грунт. Давление σ прикладывают сразу одной ступенью, первый отсчет деформации сжатия s_z образца снимают в момент t ≈ 0, затем через определенные промежутки времени до условной стабилизации деформаций. Принятые в нормах методика представления и обработка результатов испытания для определения с_V, с_α изложены далее в гл.7, там же раскрывается физическое содержание этих коэффициентов и их применение в расчетах.

В натурных условиях при значительных объемах уплотняющихся грунтов осадки сооружений на водонасыщенных песчаных грунтах заканчиваются практически за время строительства, а на глинах могут протекать годами и даже десятками лет, если не принять специальных мер (устройство песчаных дрен, геодрен и т.п.) по дренированию основания. Определение напряженно-деформированного состояния водонасыщенных оснований в настоящее время осуществляют методами теории консолидации (глава 7), являющейся глубоко разработанным направлением механики грунтов.

Коэффициент бокового давления грунта и его экспериментальное определение.

Как уже отмечалось, в условиях компрессионного прибора боковые (поперечные) деформации образца, находящегося в жестком кольце (рис.2.1), невозможны, т.е. ε_x = ε_y = 0. В этом случае отношение сжимающих поперечных напряжений σ_x = σ_y к действующему продольному напряжению σ_z называют коэффициентом бокового давления ξ, т.е. ξ = σ_x /σ_z = σ_y /σ_z .

Долгие годы методы определения коэффициента ξ базировались на использовании компрессионного прибора, позднее стали применять приборы трехосного сжатия – стабилометры (см. раздел 2.4).

Первым «компрессионным» методом был предложен «метод ленты» (К.Терцаги). В этом методе помещенная в компрессионный прибор тонкая стальная лента вытягивается усилием Т, которое замеряется (рис.2.6). Для определения ξ выполняют два опыта: в одном опыте лента размещается в грунте горизонтально и усилие вытягивания составит Т_г = 2σ_z^.А^.f, в другом опыте – вертикально и усилие Т_в = 2σ_z^.ξ^.А^.f, где А, f – соответственно площадь ленты и коэффициент трения грунта по ленте. По результатам замера усилий Т_г , Т_в получаем ξ = Т_в / Т_г .

Рис. 2.6. Схема определения коэффициента бокового давления грунта в компрессионном приборе методом ленты.

Позднее ξ стали определять, замеряя давление (σ_x , σ_y ) на внутреннюю поверхность кольца компрессионного прибора, устанавливая в кольце чувствительный датчик давления. Существенным недостатком этого метода является невозможность выполнения условия ε_x = ε_y = 0 для грунта, контактирующего с мембраной датчика, ибо оценка давления основана на замере прогиба мембраны, который не может быть в этом случае нулевым. Применением «жесткой» мембраны с высокоточным методом измерения ее малых прогибов удается весьма точно определять значение ξ.

Использование коэффициента бокового давления позволяет упростить решение многих инженерных задач. Вместе с тем, экспериментально найденное значение ξ позволяет определить величину коэффициента Пуассона ν, являющегося характеристикой деформируемости грунта в рамках представления его моделью линейно-деформируемой среды (подробно об этом см. гл.3).