Важное профессиональное примечание: Эта статья представляет собой архивный образовательный обзор и не является геотехническим исследованием, действующим лабораторным стандартом, расчетом фундамента или инструкцией по его выполнению. Исходные условия, процедуры, единицы измерения, значения, классификации и ссылки на «наши регламенты» были перенесены без проверки соответствия действующим стандартам и правилам. Испытания грунта, выбор метода, интерпретация результатов и проектные решения должны проводиться уполномоченными геотехническими экспертами и соответствующей лабораторией для конкретного объекта и места.
Тема сжимаемости грунта не входит в новое публичное предложение Саво Кусича. Текущее производство сосредоточено на деревянных окнах, дерево-алюминиевые окна и нестандартные двери. Для конкретного проекта окна или двери вы можете отправить запрос цен.
Основа одометрического теста
Сжимаемость грунта определяется испытанием на сжатие с предотвращением бокового расширения, которое также называется испытанием на одометре или испытанием на консолидацию.
Испытание проводится на ненарушенных образцах, а в некоторых случаях и на нарушенных. В первом случае образец для испытаний отбирают путем прессования металлических колец в более крупный ненарушенный образец, который затем вместе с кольцом подают в аппарат после срезания лишнего образца и выравнивания его поверхностей с краями цилиндра. Во втором случае кольцо заполняется образцом в состоянии консистенции при пределе текучести и в таком состоянии вводится в одометр.
Тест проводится с использованием аппарата, впервые сконструированного Терзаги и названного одометром. Сегодня существует несколько различных конструкций этого аппарата, но все они основаны на одном и том же принципе: испытание на сжатие образца грунта под нагрузкой с предотвращением бокового расширения.
Одометр: описание устройства
Рис. 1. Одометр
Одометр состоит из металлического цилиндра, в котором образец располагается между двумя фильтрующими камнями (рис. 1). Образец вводится в аппарат в металлическом кольце диаметром 7-10 cm и высотой 1-4 cm. Нагрузка P передается образцу через верхний фильтрующий камень. Под нижним фильтрующим камнем в днище цилиндра имеются каналы для слива воды из пробы в капиллярную трубку, а также для подачи воды. Поскольку сжатие образца осуществляется за счет пор, поскольку твердые частицы почвы и вода в порах практически несжимаемы, необходимо обеспечить сток воды из образца в процессе испытания, что обеспечивается с помощью фильтрующего камня, канала и капиллярной трубки.
С левой стороны устройства расположена труба подачи воды с краном перед цилиндром, а с правой стороны — капиллярная трубка с краном за цилиндром. Капиллярная трубка также используется для определения коэффициента проницаемости почвы k.
Обследование
Когда образец помещен в цилиндр и аппарат собран, закройте левый кран подачи воды и откройте правый кран, чтобы вода стекала в капиллярную трубку. Затем приближается нагрузка образца, которая прикладывается постепенно. Обычно применяются следующие нагрузки: 0,50; 1,00; 2,00; 4,00; 6,00 кп/см2 и далее до максимальной ожидаемой нагрузки на грунт под зданием, чаще всего до 10 кп/см2, а для плотин она может быть и более до 20 кп/см2. На каждом уровне нагрузки, в момент ее приложения запускается секундомер и через определенные промежутки времени 15“, 30“, 1’, 2’, 5’, 15’, 45’, 2h, 5h, 24h, затем через каждые последующие 24h, до закрепления образца под этой степенью нагрузки, на компараторе считывается соответствующий расчет в тысячных долях миллиметра и записывается в протокол. Для консолидации предполагается, что она была достигнута, если расчет выборки Δh ≤ 0,02 mm за время 24 часа. После достижения консолидации применяется следующий уровень нагрузки и вся процедура повторяется таким же образом и так до окончательного уровня нагрузки.
Испытание на консолидацию с предотвращением бокового расширения проводится с нагрузкой и разгрузкой с целью определения упругих свойств грунта. Нагрузив образец до определенной степени, мы выгружаем его с той же постепенностью, с какой мы его загружали. Рельеф обычно делается после 2,0 кп/см2, 4,0 кп/см2 и 6,0 кп/см2.
Как правило, испытание проводится с образцом под водой, который удерживается на левой стеклянной трубке на высоте верхней поверхности образца в аппарате. Проверка сжимаемости образца в присутствии воды проводится по этой причине, так как испытание занимает длительное время и за это время образец высыхает, в результате чего сжимаемость образца будет ниже фактической сжимаемости грунта в естественном влажном состоянии. Кроме того, естественная влажность почвы может быть выше, чем она была на момент отбора проб, особенно при повышении уровня грунтовых вод, что может привести к значительному отклонению от фактической сжимаемости почвы в период высокого уровня воды.
Результаты испытаний применяются к трем типам диаграмм, а именно к диаграмме относительного сжатия, диаграмме изменения коэффициента пористости и диаграмме временного урегулирования.
Диаграмма относительного сжатия
Данная диаграмма получена при приложении к образцу нормального давления по оси абсцисс σ = P/A, где P — нагрузка, действующая на образец через верхний фильтрующий камень, в кп/см2, A — площадь поперечного сечения образца в аппарате, а по оси ординат — относительное сжатие Δh/h, где Δh — осадка образца под нагрузкой, Δσ при уплотнении, h высота образца перед нагрузкой (рис. 2).
Рис. 2. Диаграмма относительного сжатия
Во время загрузки получается диаграмма первичного сжатия a.
Во время выгрузки, если включен беспрепятственный поступление воды, чтобы образец при выгрузке оставался под водой, он возвращается в исходное состояние, т.е. набухает. Однако образец не возвращается в исходное состояние, а значит, помимо упругой, он подвергся пластической (остаточной) деформации. Поэтому в данном случае диаграмма набухания б получается при разгрузке. Однако, если испытание проводилось без приема воды, вместо диаграммы набухания отображается так называемая диаграмма эластичности.
Если после выгрузки образец снова загружается, получается диаграмма вторичного сжатия c. Диаграмма набухания и диаграмма вторичного сжатия c образуют между собой петлю гистерезиса. В глине петли гистерезиса значительны и поэтому деформации в области набухания и вторичного сжатия (схемы б и в) считаются не упругими, а обратимыми, так как они не пропорциональны нагрузке по закону Гука. Деформации в зоне первичного сжатия (схема а) в той части, куда они не вернулись, являются постоянными (необратимыми).
Модуль сжимаемости грунта
Из диаграммы относительного сжатия получаем по закону Гука аналогично модулю упругости Юнга E для упругого материала, модуль сжимаемости грунта Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [кп/см2],
где Δσ — приращение нагрузки, Δh/h — соответствующее относительное сжатие, которое берется из диаграммы первичного сжатия а (рис. 2).
Модуль сжимаемости грунта Ms отличается от модуля упругости E упругого материала, поскольку Ms не является постоянным для одного и того же материала, а является переменным и увеличивается при нормальной нагрузке σ. Поэтому одно конкретное значение модуля сжимаемости Ms можно указать только для одного узкого интервала нормальной нагрузки на грунт Δσ. Чем выше значение модуля Ms, тем ниже сжимаемость грунта и наоборот. Согласно нашим нормам о фундаменте принят следующий критерий модуля сжимаемости грунта в его естественном состоянии:
Приведенная ниже классификация заимствована из исходного текста, включая повторяющийся интервал 100-400 kp/cm2. Он не был проверен и не согласован с действующими правилами.
Ms = 0 - 20 кп/см2 чрезвычайно сжимаемый грунт
Ms = 20 - 50 кп/см2 очень сжимаемый грунт
Ms = 50 - 100 кп/см2 среднесжимаемый грунт
Ms = 100 - 400 кп/см2 менее сжимаемый грунт
Ms = 100 - 400 кп/см2 слабосжимаемый грунт
Ms = 400 - 1000 кп/см2 слабосжимаемый грунт
Ms > 1000 kp/см2 грунт с очень низкой сжимаемостью.
Модуль упругости грунта
Точно так же получаем модуль упругости грунта E:
E = Δσ / (Δh/h) [кп/см2],
где относительный прирост сжатия Δh/h взят из диаграммы упругости грунта для соответствующего нормального приращения давления Δσ.
Нормальный уплотненный и переуплотненный грунт
Рис. 3. Диаграмма изменения коэффициента пористости образца нарушенного грунта
Если провести эдометрическое испытание с нарушенным образцом, который мы ввели в аппарат по пределу текучести, и нанести результаты испытания на график изменения коэффициента пористости e в зависимости от давления σ (рис. 3), то течение консолидации представляется диаграммами 1 для первичной нагрузки, 2 для разгрузки, 3 для вторичной нагрузки до предела a расширения основной нагрузки σa и 4 за пределами этого предела.
Диаграмма разгрузки 2 и диаграмма вторичного сжатия 3 образуют петлю гистерезиса, за которой диаграмма 4 продолжается в продолжении диаграммы 1, без разрыва, как будто разгрузки и перезагрузки не было.
Рис. 4. Диаграмма изменения коэффициента пористости ненарушенного образца грунта
Однако, если провести одометрическое испытание так же, как и раньше, с ненарушенным образцом, взятым с определенной глубины грунта (рис. 4), на диаграмме вторичной нагрузки 3 будет наблюдаться разрыв σb в точке b при определенной нагрузке, после чего диаграмма 4 будет иметь больший наклон. Этот перелом произошел потому, что почва, из которой был взят образец, находилась под большей нагрузкой p=γt, чем нагрузка образца σ в одометре. Более высокая нагрузка р возникает от веса существующих верхних слоев почвы на поверхности местности, который мы называем давлением почвы, или от нагрузки более ранних слоев почвы, уносимых с течением времени эрозионным или моренным грунтом или льдом, которую мы называем преднагрузкой. Появление переуплотнения особенно характерно для глины, где различают нормально уплотненную и сверхуплотненную глину.
Нормально консолидированная глина
Обычно консолидированная глина находится на меньшей глубине под поверхностью земли, которая ранее не подвергалась предварительной нагрузке. Образец этой глины, загруженный в одометр с нагрузками, превышающими вес верхних слоев «давления почвы», демонстрирует непрерывное течение уплотнения, без разрывов на диаграмме относительного сжатия или диаграмме изменения коэффициента пористости. Осадка этой глины под нагрузкой объекта является нормальной, т.е. при определенной нагрузке осадка со временем уменьшается.
Сверхуплотненная глина
Переуплотненная глина находится на большей глубине или ранее подвергалась предварительной нагрузке. Образец этой глины, загруженный в одометр под давлением, превышающим давление или преднагрузку грунта, показывает на диаграмме относительного сжатия или на диаграмме изменения коэффициента пористости излом, т. н. геологическая трещина g, с сильным изменением направления (рис. 5a). Осадка этой глины под конструкцией невелика при нагрузках ниже давления грунта или предварительной нагрузки σ1, но становится значительно больше при нагрузках выше σ1.
Если геологический разлом четко не выражен, то его определяют по касательным к диаграмме (рис. 5b).
Рис. 5. Диаграмма изменения коэффициента пористости переуплотненной глины
Диаграмма расчета времени
Эта диаграмма, также называемая диаграммой консолидации, получается, когда для каждой степени загрузки образца в одометре к оси абсцисс откладывается время t в часах, а к оси ординат наносится осадка в мм (рис. 6a) или в % от общей осадки (рис. 6b).
Рис. 6. Диаграмма расчета времени
Несвязанные и связанные почвы по-разному ведут себя под нагрузкой. Рыхлые грунты, например песок, имеют крупные поры, из которых под нагрузкой быстро выдавливается вода, вследствие чего грунт быстро оседает, причем наибольшая осадка приходится на начало нагрузки и достигает окончательной осадки при данной нагрузке за относительно короткий промежуток времени. Связные грунты, такие как глина, имеют мелкие поры, из которых под нагрузкой трудно выдавить воду. Во временном процессе оседания уплотненного грунта выделяют две фазы. На первом этапе сразу после приложения нагрузки к почве, поскольку вода не может вытекать из пор, она испытывает напряжение и воспринимает всю приложенную нагрузку. На втором этапе напряженная поровая вода начинает выталкиваться под собственным напряжением за счет нагрузки, которая постепенно передается твердым частицам грунта. На втором этапе частицы собираются вместе, а поры сжимаются. Процесс оседания продолжается до тех пор, пока вода под давлением не будет вытеснена из пор, т.е. пока напряженное состояние воды в порах не перестанет существовать. Поэтому уплотнение грунтов – это, прежде всего, гидродинамическая проблема, которая зависит от водопроницаемости и пористости грунта. В случае глины, водопроницаемость которой невысока, процесс консолидации может занять очень длительное время, кроме того, осадки могут быть значительно большими из-за более высокой общей пористости, чем в случае песка. На основе теста консолидации можно рассчитать ход времени расчетов для всего периода консолидации и для отдельных этапов.