Ważna uwaga eksperta: Ten artykuł jest archiwalną recenzją edukacyjną i nie jest opracowaniem geotechnicznym, obowiązującą normą laboratoryjną, obliczeniami fundamentów ani instrukcją obsługi. Pierwotne terminy, procedury, jednostki miar, wartości, klasyfikacje i odniesienia do „naszych przepisów” zostały przeniesione bez sprawdzenia zgodności z obowiązującymi normami i przepisami. Badania gruntu, wybór metody, interpretacja wyników i decyzje projektowe muszą być przeprowadzane przez uprawnionych rzeczoznawców geotechnicznych oraz laboratorium właściwe dla konkretnego obiektu i lokalizacji.
Temat ściśliwości gruntu nie jest częścią nowej oferty publicznej Savo Kusić. Obecna produkcja koncentruje się na oknach drewnianych, oknach drewniano-aluminiowych i drzwiach wykonywanych na zamówienie. W przypadku konkretnego projektu okna lub drzwi możesz wysłać zapytanie ofertowe.
Podstawa testu edometru
Ściśliwość gruntu określa się za pomocą próby ściskania z zapobieganiem rozszerzalności bocznej, zwanej także próbą edometryczną lub próbą konsolidacji.
Badanie przeprowadza się na próbkach niezakłóconych, a w niektórych przypadkach na próbkach zaburzonych. W pierwszym przypadku próbkę do badań pobiera się poprzez wciśnięcie metalowych pierścieni w większą, nienaruszoną próbkę, która następnie wraz z pierścieniem podawana jest do aparatury po odcięciu nadmiaru próbki i zrównaniu jej powierzchni z krawędziami cylindra. W drugim przypadku pierścień napełnia się próbką w stanie konsystencji na granicy plastyczności i w tym stanie wprowadza się ją do edometru.
Badanie przeprowadza się przy użyciu aparatu skonstruowanego po raz pierwszy przez Terzaghiego i zwanego edometrem. Obecnie istnieje kilka różnych konstrukcji tego aparatu, ale wszystkie opierają się na tej samej zasadzie, badając ściskanie próbki gleby pod obciążeniem, przy zapobieganiu rozszerzaniu bocznemu.
Edometr: opis urządzenia
Rys. 1. Przebieg
Edometr składa się z metalowego cylindra, w którym próbka znajduje się pomiędzy dwoma kamieniami filtrującymi (rys. 1). Próbkę wprowadza się do aparatu w metalowym pierścieniu o średnicy 7-10 cm i wysokości 1-4 cm. Obciążenie P przekazywane jest na próbkę poprzez górny kamień filtracyjny. Poniżej dolnego kamienia filtracyjnego znajdują się w dnie cylindra kanały odprowadzające wodę z próbki do rurki kapilarnej oraz doprowadzające wodę. Ponieważ zagęszczanie próbki odbywa się kosztem porów, gdyż cząstki stałe gruntu i woda w porach są praktycznie nieściśliwe, należy zadbać o to, aby woda odpłynęła z próbki w trakcie badania, co jest możliwe dzięki zastosowaniu kamienia filtracyjnego, kanału i rurki kapilarnej.
Po lewej stronie urządzenia znajduje się rura doprowadzająca wodę z kranem przed butlą, natomiast kapilara znajduje się po prawej stronie, z kranem za butlą. Kapilara służy także do wyznaczania współczynnika przepuszczalności gruntu k.
Badanie
Po umieszczeniu próbki w cylindrze i złożeniu aparatu, zamknij lewy kran, dopływ wody i otwórz prawy kran, aby woda spłynęła do rurki kapilarnej. Następnie podchodzi się do obciążenia próbki, które przykłada się stopniowo. Zwykle stosowane są następujące obciążenia: 0,50; 1,00; 2,00; 4,00; 6,00 kp/cm2 i dalej aż do największego obciążenia gruntem spodziewanego pod budynkiem, przeważnie do 10 kp/cm2, a w przypadku zapór może to być jeszcze więcej do 20 kp/cm2. Przy każdym poziomie obciążenia, w momencie jego zastosowania, uruchamiany jest stoper oraz w określonych odstępach czasu 15”, 30”, 1’, 2’, 5’, 15’, 45’, 2h, 5h, 24h, następnie co kolejne 24h, aż do ustabilizowania się próbki pod tym stopniem obciążenia, na komparatorze odczytywane jest odpowiednie osiadanie w tysięcznych milimetra i zapisywane w protokole. Do konsolidacji przyjmuje się, że została ona osiągnięta, jeśli osiadanie próbki Δh ≤ 0,02 mm przez czas 24 godziny. Po osiągnięciu konsolidacji przykładany jest kolejny poziom obciążenia i cała procedura jest powtarzana w ten sam sposób i tak dalej, aż do końcowego poziomu obciążenia.
Badanie zagęszczenia z zapobieganiem rozszerzalności bocznej przeprowadza się podczas załadunku i rozładunku, w celu określenia właściwości sprężystych gruntu. Po załadowaniu próbki do pewnego stopnia, rozładowujemy ją z taką samą stopniowością, z jaką ją ładowaliśmy. Odciążenie zwykle wykonuje się po 2,0 kp/cm2, 4,0 kp/cm2 i 6,0 kp/cm2.
Z reguły badanie wykonuje się z próbką pod wodą, którą trzyma się na lewej rurce szklanej na wysokości górnej powierzchni próbki w aparacie. Badanie ściśliwości próbki w obecności wody odbywa się z tego powodu, ponieważ badanie jest długotrwałe i próbka w tym czasie schnie, w wyniku czego ściśliwość próbki będzie niższa niż rzeczywista ściśliwość gruntu w stanie jego naturalnej wilgotności. Ponadto naturalna wilgotność gleby może być wyższa niż w momencie pobierania próbek, zwłaszcza gdy podnosi się poziom wód gruntowych, co może prowadzić do znacznych odchyleń od rzeczywistej ściśliwości gleby w okresie wysokiego poziomu wody.
Wyniki testów odnoszą się do trzech typów wykresów, a mianowicie do wykresu względnego ściskania, wykresu zmiany współczynnika porowatości i wykresu osiadania w czasie.
Wykres względnej kompresji
Wykres ten uzyskuje się po przyłożeniu do próbki normalnego ciśnienia na osi odciętych σ = P/A, gdzie P to obciążenie działające na próbkę przez górny kamień filtracyjny w kp/cm2, A to pole przekroju poprzecznego próbki w aparacie, a na osi rzędnych to względne ściskanie Δh/h gdzie Δh to osiadanie próbki pod obciążeniem Δσ podczas konsolidacji, h wysokość próbki przed obciążeniem (rys. 2).
Rys. 2. Wykres kompresji względnej
Podczas ładowania uzyskuje się schemat sprężania pierwotnego a.
Podczas rozładunku, jeśli umożliwiony zostanie niezakłócony pobór wody, tak że próbka podczas rozładunku pozostawała pod wodą, powraca do stanu pierwotnego, czyli spęcznienia. Próbka nie powraca jednak do stanu początkowego, co oznacza, że oprócz sprężystego uległa odkształceniu plastycznemu (trwałemu). Dlatego w tym przypadku wykres pęcznienia b uzyskuje się podczas rozładunku. Jeżeli jednak badanie przeprowadzono bez otrzymania wody, zamiast wykresu pęcznienia, tzw. wykres sprężystości.
Jeśli próbka zostanie ponownie załadowana po rozładowaniu, uzyskany zostanie wtórny wykres ściskania c. Wykres pęcznienia i wtórny wykres ściskania c tworzą między sobą pętlę histerezy. W glinie pętle histerezy są znaczne i dlatego odkształcenia w obszarze pęcznienia i wtórnego ściskania (wykresy b i c) nie są uważane za sprężyste, ale odwracalne, ponieważ zgodnie z prawem Hooke’a nie są proporcjonalne do obciążenia. Odkształcenia w obszarze pierwotnego ściskania (schemat a) w części, w której nie powróciły, są trwałe (nieodwracalne).
Moduł ściśliwości gruntu
Z wykresu względnego ściskania otrzymujemy zgodnie z prawem Hooke’a analogicznie do modułu sprężystości Junga E dla materiału sprężystego, moduł ściśliwości gruntu Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
gdzie Δσ to przyrost obciążenia, Δh/h to odpowiednie względne ściskanie, które jest pobierane z głównego wykresu ściskania a (rys. 2).
Moduł ściśliwości gruntu Ms różni się od modułu sprężystości E materiału sprężystego, ponieważ Ms nie jest stały dla tego samego materiału, ale jest zmienny i rośnie wraz ze zwykłym obciążeniem σ. Zatem jedną konkretną wartość modułu ściśliwości Ms można podać tylko dla jednego wąskiego przedziału normalnego obciążenia gruntu Δσ. Jeżeli wartość modułu Ms jest większa, ściśliwość gruntu jest mniejsza i odwrotnie. Zgodnie z naszymi przepisami założycielskimi przyjmuje się następujące kryterium modułu ściśliwości gruntu w stanie naturalnym:
Poniższa klasyfikacja została przeniesiona z tekstu oryginalnego, łącznie z powtarzającym się odstępem 100-400 kp/cm2. Nie zostało to sprawdzone i zharmonizowane z obowiązującymi przepisami.
Ms = 0 - 20 kp/cm2 grunt wyjątkowo ściśliwy
Ms = 20 - 50 kp/cm2 grunt bardzo ściśliwy
Ms = 50 - 100 kp/cm2 grunt średnio ściśliwy
Ms = 100 - 400 kp/cm2 grunt mniej ściśliwy
Ms = 100 - 400 kp/cm2 grunt lekko ściśliwy
Ms = 400 - 1000 kp/cm2 grunt lekko ściśliwy
Ms > 1000 kp/cm2 grunt bardzo słabo ściśliwy.
Moduł elastyczności gleby
W ten sam sposób otrzymujemy moduł sprężystości gruntu E:
E = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
gdzie względny przyrost ściskania Δh/h jest pobierany z wykresu sprężystości gruntu dla odpowiedniego przyrostu ciśnienia normalnego Δσ.
Grunt normalnie skonsolidowany i przekonsolidowany
Rys. 3. Wykres zmian współczynnika porowatości próbki gleby naruszonej
Jeśli wykonamy badanie edometrem z zakłóconą próbką, którą wprowadziliśmy do aparatu w punkcie plastyczności i wyniki badania naniesiemy na wykres zmiany współczynnika porowatości e w zależności od ciśnienia σ (rys. 3), przepływ konsolidacji przedstawiają wykresy 1 dla obciążenia pierwotnego, 2 dla rozładunku, 3 dla obciążenia wtórnego do limitu a przedłużenia obciążenia pierwotnego σa i 4 poza ten limit.
Wykres odciążenia 2 i wykres wtórnego sprężania 3 tworzą pętlę histerezy, za którą wykres 4 kontynuuje się w przedłużeniu wykresu 1, bez przerwy, tak jakby nie było rozładunku i ponownego ładowania.
Rys. 4. Wykres zmiany współczynnika porowatości nienaruszonej próbki gleby
Jeśli jednak wykonamy badanie edometrem w taki sam sposób jak poprzednio, z niezakłóconą próbką pobraną z określonej głębokości gruntu (rys. 4), wykres obciążenia wtórnego 3 pokaże przerwę σb w punkcie b przy określonym obciążeniu, po czym wykres 4 będzie miał większe nachylenie. Pęknięcie to nastąpiło, ponieważ gleba, z której pobrano próbkę, znajdowała się pod większym obciążeniem p=γt niż obciążenie próbki σ w edometrze. Większe obciążenie p pochodzi od ciężaru istniejących górnych warstw gleby na powierzchnię terenu, co nazywamy parciem gruntu, lub od obciążenia wcześniejszych warstw gleby przenoszonych w czasie przez erozję lub grunty morenowe lub lód, które nazywamy obciążeniem wstępnym. Pojawienie się przekonsolidowania jest szczególnie charakterystyczne dla gliny, gdzie rozróżnia się glinę normalnie skonsolidowaną i przekonsolidowaną.
Glina normalnie skonsolidowana
Normalnie skonsolidowana glina znajduje się na mniejszych głębokościach pod powierzchnią gruntu, która nie była wcześniej poddawana działaniu napięcia wstępnego. Próbka tej gliny, obciążona w edometrze obciążeniami większymi niż ciężar górnych warstw „ciśnienia gruntu”, wykazuje ciągły przepływ konsolidacji, bez przerw na wykresie względnego ściskania lub na wykresie zmiany współczynnika porowatości. Osiadanie tej gliny pod obciążeniem obiektu jest normalne, tj. pod pewnym obciążeniem osiadanie maleje z czasem.
Przekonsolidowana glina
Nadkonsolidowana glina znajduje się na większych głębokościach lub była wcześniej poddana działaniu napięcia wstępnego. Próbka tej gliny załadowana do edometru ciśnieniem większym niż ciśnienie gruntu lub napięcie wstępne wykazuje pęknięcie na wykresie względnego ściskania lub na wykresie zmiany współczynnika porowatości, tzw. pęknięcie geologiczne g, z silną zmianą kierunku (ryc. 5a). Osiadanie tej gliny pod konstrukcją jest niewielkie dla obciążeń poniżej parcia gruntu lub obciążenia wstępnego σ1, ale staje się znacznie większe dla obciążeń powyżej σ1.
Jeśli przerwa geologiczna nie jest jasno zdefiniowana, określa się ją za pomocą stycznych do diagramu (rys. 5b).
Rys. 5. Wykres zmian współczynnika porowatości gliny przeskonsolidowanej
Diagram rozliczania czasu
Wykres ten, zwany także wykresem konsolidacji, uzyskuje się, gdy dla każdego stopnia obciążenia próbki w edometrze czas t w godzinach odniesie się do osi odciętych, a osiadanie w mm (rys. 6a) lub w % całkowitego osiadania (rys. 6b) zostanie zastosowane do rzędnej oś.
Rys. 6. Schemat rozliczania czasu
Gleby niezwiązane i związane zachowują się inaczej pod obciążeniem. Grunty sypkie, takie jak piasek, posiadają duże pory, z których woda pod obciążeniem jest szybko wyciskana, dzięki czemu grunt szybko się osiada, przy czym największe osiadanie występuje na początku obciążenia i osiąga końcowe osiadanie przy danym obciążeniu w stosunkowo krótkim czasie. Grunty spoiste, takie jak glina, mają małe pory, z których trudno jest wycisnąć wodę pod obciążeniem. W procesie osiadania zagęszczonej gleby można wyróżnić dwie fazy. W pierwszej fazie, bezpośrednio po przyłożeniu obciążenia do gruntu, ponieważ woda nie może wypłynąć z porów, ulega ona naprężeniu i przyjmuje całe przyłożone obciążenie. W drugim etapie naprężona woda porowa zaczyna wypychać się pod wpływem własnego naprężenia pod wpływem obciążenia, które stopniowo przenosi się na stałe cząstki gruntu. W tej drugiej fazie cząsteczki łączą się, a pory kurczą. Proces osiadania trwa do momentu wyparcia wody pod ciśnieniem z porów, czyli do ustania stanu naprężenia wody w porach. Dlatego konsolidacja gleby jest przede wszystkim problemem hydrodynamicznym, który zależy od przepuszczalności i porowatości gleby. W przypadku glin, których przepuszczalność jest niska, proces konsolidacji może trwać bardzo długo, a ponadto osady mogą być znacznie większe ze względu na większą porowatość całkowitą niż w przypadku piasku. Na podstawie testu konsolidacji można obliczyć przebieg czasu rozliczenia dla całego okresu konsolidacji oraz w poszczególnych fazach.