Важна експертна бележка: Тази статия е архивен образователен преглед и не е геотехническо изследване, валиден лабораторен стандарт, изчисление на фундамента или ръководство с инструкции. Оригиналните условия, процедури, мерни единици, стойности, класификации и препратки към „нашите разпоредби“ бяха прехвърлени без проверка на съответствието с приложимите стандарти и разпоредби. Изследването на почвата, изборът на метод, интерпретацията на резултатите и проектните решения трябва да се извършват от оторизирани геотехнически експерти и съответната лаборатория за конкретен обект и местоположение.
Темата за свиваемостта на почвата не е част от новата публична оферта на Savo Kusić. Текущият производствен фокус се състои от дървени прозорци, дървено-алуминиеви прозорци и изработени по поръчка врати. За конкретен проект за прозорец или врата можете да изпратите заявка за оферта.
Основа на теста за едометър
Свиваемостта на почвата се определя чрез тест за компресия с предотвратено странично разширение, който също се нарича одометричен тест или тест за консолидация.
Тестът се извършва с ненарушени проби, а в някои случаи и с нарушени. В първия случай пробата за изпитване се взема чрез пресоване на метални пръстени в по-голяма, ненарушена проба, която след това се подава в апарата заедно с пръстена след отрязване на излишната проба и изравняване на повърхностите й с ръбовете на цилиндъра. Във втория случай пръстенът се напълва с проба в състояние на консистенция при границата на провлачване и в това състояние се въвежда в едометъра.
Тестът се извършва с помощта на апарата, конструиран за първи път от Terzaghi и наречен Едометър. Днес има няколко различни конструкции на този апарат, но всички те се основават на един и същ принцип, тествайки компресията на почвена проба под товар с предотвратено странично разширение.
Едометър: описание на устройството
Фиг. 1. Одометър
Едометърът се състои от метален цилиндър, в който пробата е разположена между два филтърни камъка (фиг. 1). Пробата се въвежда в апарата в метален пръстен с диаметър 7-10 cm и височина 1-4 cm. Натоварването P се прехвърля към пробата през горния филтърен камък. Под долния филтърен камък в дъното на цилиндъра има канали за отвеждане на водата от пробата в капилярната тръба, както и за подаване на вода. Тъй като компресията на пробата се извършва за сметка на порите, тъй като твърдите почвени частици и водата в порите са практически несвиваеми, е необходимо по време на изпитването да се осигури изтичане на вода от пробата, което се осъществява с помощта на филтърен камък, канал и капилярна тръба.
От лявата страна на устройството има тръба за подаване на вода с кран пред цилиндъра, докато капилярна тръба е от дясната страна, с кран зад цилиндъра. Капилярната тръба се използва и за определяне на коефициента на пропускливост на почвата k.
Изпит
Когато пробата е поставена в цилиндъра и апаратът е сглобен, затворете левия кран, захранването с вода, и отворете десния кран, за да потече вода в капилярната тръба. След това се приближава натоварването на пробата, което се прилага постепенно. Обикновено се прилагат следните натоварвания: 0,50; 1,00; 2,00; 4,00; 6,00 kp/cm2 и по-нататък до най-високото натоварване на почвата, очаквано под сградата, предимно до 10 kp/cm2, а за язовири може да бъде дори повече до 20 kp/cm2. При всяко ниво на натоварване, в момента на прилагането му, се стартира хронометърът и през определени интервали от време 15“, 30“, 1’, 2’, 5’, 15’, 45’, 2h, 5h, 24h, след това всеки следващ 24h, до консолидирането на пробата при това ниво на натоварване, съответното слягане в хилядни от милиметъра се чете на компаратора и се записва в записа. За консолидацията се приема, че тя е постигната, ако утаяването на пробата Δh ≤ 0,02 mm за време от 24 часа. След постигане на консолидация се прилага следващото ниво на натоварване и цялата процедура се повтаря по същия начин и така до крайното ниво на натоварване.
Тестът за консолидация с предотвратено странично разширение се извършва с натоварване и разтоварване, за да се определят еластичните свойства на почвата. След като натоварихме пробата до определена степен, ние я разтоварваме със същата постепенност, както я заредихме. Облекчението обикновено се извършва след 2,0 kp/cm2, 4,0 kp/cm2 и 6,0 kp/cm2.
По правило тестът се извършва с проба под вода, която се държи върху лявата стъклена тръба на височината на горната повърхност на пробата в апарата. Тестването на свиваемостта на пробата в присъствието на вода се прави поради тази причина, тъй като изпитването отнема много време и през това време пробата изсъхва, в резултат на което свиваемостта на пробата би била по-ниска от действителната свиваемост на почвата в нейното естествено състояние на влага. В допълнение, естествената влажност на почвата може да е по-висока, отколкото е била по време на вземане на проби, особено когато нивото на подпочвените води се повиши, което може да доведе до значително отклонение от действителната свиваемост на почвата по време на периода на високо водно ниво.
Резултатите от теста се прилагат към три вида диаграми, а именно диаграмата на относителното сгъстяване, диаграмата на промяната на коефициента на порьозност и диаграмата за време на установяване.
Диаграма на относителна компресия
Тази диаграма се получава, когато се приложи нормално налягане върху пробата по абсцисната ос σ = P/A, където P е натоварването, действащо върху пробата през горния филтърен камък в kp/cm2, A е площта на напречното сечение на пробата в апарата, а по ординатната ос е относителната компресия Δh/h където Δh е слягането на пробата под товар Δσ по време на консолидация, h височина на пробата преди натоварване (фиг. 2).
Фиг. 2. Диаграма на относителна компресия
По време на зареждане се получава диаграма на първичната компресия a.
По време на разтоварване, ако е разрешено безпрепятственото поемане на вода, така че пробата да остане под вода по време на разтоварването, тя се връща в първоначалното си състояние, т.е. набъбване. Пробата обаче не се връща в първоначалното си състояние, което означава, че е претърпяла освен еластична и пластична (постоянна) деформация. Следователно в този случай се получава диаграмата на набъбване b при разтоварване. Въпреки това, ако тестът е извършен без получаване на вода, вместо диаграма на набъбване, така наречената диаграма на еластичност.
Ако пробата се зареди отново след разтоварване, се получава вторичната диаграма на компресия c. Диаграмата на набъбване и диаграмата на вторичната компресия c образуват хистерезисна верига между тях. В глината хистерезисните бримки са значителни и следователно деформацията в зоната на набъбване и вторичната компресия (диаграми b и c) не се считат за еластични, а обратими, тъй като не са пропорционални на натоварването според закона на Хук. Деформациите в областта на първичната компресия (диаграма а) в частта, където не са се върнали са постоянни (необратими).
Модул за свиваемост на почвата
От диаграмата на относителната компресия получаваме съгласно закона на Хук, аналогично на модула на еластичност на Юнг E за еластичен материал, модула на свиваемост на почвата Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
където Δσ е нарастването на натоварването, Δh/h съответната относителна компресия, която е взета от първичната диаграма на компресия a (фиг. 2).
Модулът на свиваемост на почвата Ms се различава от модула на еластичност E на еластичен материал, тъй като Ms не е константа за един и същи материал, а е променлива и нараства с нормалното натоварване σ. Следователно, една специфична стойност на модула на свиваемост Ms може да бъде дадена само за един тесен интервал на нормално натоварване на почвата Δσ. Ако стойността на модула Ms е по-висока, свиваемостта на почвата е по-ниска и обратно. Съгласно нашите разпоредби за основаване се приема следният критерий за модула на свиваемост на почвата в нейното естествено състояние:
Класификацията по-долу е пренесена от оригиналния текст, включително повтарящия се интервал 100-400 kp/cm2. Не е проверен или хармонизиран с действащите разпоредби.
Ms = 0 - 20 kp/cm2 изключително свиваема почва
Ms = 20 - 50 kp/cm2 много свиваема почва
Ms = 50 - 100 kp/cm2 средно свиваема почва
Ms = 100 - 400 kp/cm2 по-малко свиваема почва
Ms = 100 - 400 kp/cm2 леко свиваема почва
Ms = 400 - 1000 kp/cm2 леко свиваема почва
Ms > 1000 kp/cm2 много слабо свиваема почва.
Модул за еластичност на почвата
По същия начин получаваме модула на еластичност на почвата E:
E = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
, където относителното увеличение на компресията Δh/h се взема от диаграмата на еластичността на почвата за съответното нормално увеличение на налягането Δσ.
Нормална консолидирана и свръхконсолидирана почва
Фиг. 3. Диаграма на промяната в коефициента на порьозност на нарушена почвена проба
Ако извършим одометричен тест с нарушена проба, която сме въвели в апарата при границата на провлачване, и нанесем резултатите от теста върху диаграмата на промяната на коефициента на порьозност e в зависимост от налягането σ (фиг. 3), потокът на консолидация се представя чрез диаграми 1 за първичния товар, 2 за облекчение, 3 за вторичния товар до лимита a на разширението на първичния товар σa и 4 след това ограничение.
Диаграмата на разтоварване 2 и диаграмата на вторичното компресиране 3 образуват хистерезисна верига, зад която диаграмата 4 продължава в продължението на диаграмата 1, без прекъсване, сякаш не е имало разтоварване и презареждане.
Фиг. 4. Диаграма на промяната на коефициента на порьозност на ненарушена почвена проба
Въпреки това, ако проведем теста с одометра по същия начин както преди с ненарушена проба, взета от определена дълбочина на почвата (фиг. 4), диаграмата за вторичното натоварване 3 ще покаже при определено натоварване σb прекъсване в точка b, след което диаграмата 4 ще има по-голям наклон. Това счупване е настъпило, защото почвата, от която е взета пробата, е била под по-голямо натоварване p=γt от натоварването на пробата σ в едометъра. По-високото натоварване p произтича от теглото на съществуващите горни почвени слоеве към повърхността на терена, което наричаме почвен натиск, или от натоварването на по-ранни почвени слоеве, отнесени с времето от ерозия или от морена почва или лед, което наричаме предварително натоварване. Появата на свръхконсолидация е особено характерна за глината, където правим разлика между нормално консолидирана и свръхконсолидирана глина.
Нормално консолидирана глина
Обикновено консолидираната глина е на по-малка дълбочина под земната повърхност, която преди това не е била изложена на предварително натоварване. Проба от тази глина, натоварена в едометъра с натоварвания, по-големи от теглото на горните слоеве “налягане на почвата”, показва непрекъснат поток на консолидация, без прекъсвания в диаграмата на относителната компресия или в диаграмата на промяна на коефициента на порьозност. Слягането на тази глина под натоварването на обекта е нормално, т.е. при определено натоварване слягането намалява с времето.
Свръхконсолидирана глина
Свръхконсолидираната глина е на по-голяма дълбочина или преди това е била изложена на предварително натоварване. Проба от тази глина, натоварена в едометъра с налягане, по-голямо от налягането на почвата или предварителното натоварване, показва счупване на диаграмата на относителната компресия или на диаграмата на изменение на коефициента на порьозност, т.нар. геоложка фрактура g, със силна промяна в посоката (фиг. 5a). Слягането на тази глина под конструкцията е малко за натоварвания под налягането на почвата или предварително натоварване σ1, но става значително по-голямо за натоварвания над σ1.
Ако геоложката фрактура не е ясно дефинирана, тогава тя се определя с помощта на допирателни към диаграмата (фиг. 5b).
Фиг. 5. Диаграма на промените в коефициента на порьозност на свръхконсолидирана глина
Диаграма за уреждане на времето
Тази диаграма, наричана още диаграма на консолидация, се получава, когато за всяка степен на натоварване на пробата в едометъра, времето t в часове се приложи към абсцисната ос, а слягането в mm (фиг. 6a) или в % от общото утаяване (фиг. 6b) се приложи към ординатата ос.
Фиг. 6. Диаграма за уреждане на времето
Несвързаните и свързаните почви се държат различно при натоварване. Рохкавите почви, като пясъка, имат големи пори, от които водата бързо се изцежда при натоварване, така че почвата се сляга бързо, като най-голямото слягане се получава в началото на натоварването и достига окончателното слягане при дадено натоварване за относително кратък интервал от време. Кохезионните почви като глината имат малки пори, от които водата трудно се изстисква при натоварване. Във времевия процес на слягане на уплътнената почва има две фази. В първата фаза, веднага след прилагане на натоварването върху почвата, тъй като водата не може да изтече от порите, тя се натоварва и получава цялото приложено натоварване. Във втория етап напрегнатата порова вода започва да изтласква под собственото си напрежение поради натоварването, което постепенно се прехвърля върху твърдите почвени частици. В тази втора фаза частиците се събират и порите се свиват. Процесът на слягане продължава, докато водата под налягане бъде изтласкана от порите, т.е. докато напрегнатото състояние на водата в порите престане да съществува. Следователно консолидацията на почвата е преди всичко хидродинамичен проблем, който зависи от пропускливостта и порьозността на почвата. При глината, чиято пропускливост е ниска, процесът на консолидация може да отнеме много дълго време, а освен това сляганията могат да бъдат значително по-големи поради по-високата обща порьозност, отколкото при пясъка. На базата на консолидационния тест може да се направи изчисляване на времевия ход на сетълмента за цялото времетраене на консолидацията и в отделни фази.