Важлива примітка експерта: Ця стаття є архівним освітнім оглядом і не є геотехнічним дослідженням, дійсним лабораторним стандартом, розрахунком фундаменту чи інструкцією з експлуатації. Оригінальні умови, процедури, одиниці вимірювання, значення, класифікації та посилання на «наші правила» були передані без перевірки відповідності застосовним стандартам і правилам. Випробування ґрунту, вибір методу, інтерпретація результатів і проектні рішення повинні проводитися уповноваженими геотехнічними експертами та відповідною лабораторією для конкретного об’єкта та місця.
Тема стисливості ґрунту не є частиною нової публічної пропозиції Savo Kusić. Поточний фокус виробництва складається з дерев’яних вікон, дерево-алюмінієвих вікон та виготовлення дверей на замовлення. Для конкретного проекту вікна чи двері ви можете надіслати запит пропозиції.
Основа тесту одометра
Стисливість ґрунту визначається випробуванням на стиск із запобіганням бічного розширення, яке також називається одометричним випробуванням або випробуванням на консолідацію.
Тест проводиться з непорушеними зразками, а в деяких випадках і з порушеними. У першому випадку досліджуваний зразок відбирають шляхом пресування металевих кілець у більший непорушений зразок, який потім разом з кільцем подають в апарат після відрізання надлишку зразка і зрівнювання його поверхонь з краями циліндра. У другому випадку кільце заповнюється зразком у стані консистенції на межі текучості і в такому стані вводиться в одометр.
Тест виконується за допомогою приладу, який вперше створив Терзагі та називається Одометр. Сьогодні існує кілька різних конструкцій цього пристрою, але всі вони засновані на одному принципі, перевіряючи стиснення зразка ґрунту під навантаженням із запобіганням бічного розширення.
Одометр: опис пристрою
Мал. 1. Одометр
Едометр складається з металевого циліндра, в якому зразок знаходиться між двома фільтруючими каменями (рис. 1). Зразок вводиться в апарат у металевому кільці діаметром 7-10 cm і висотою 1-4 cm. Навантаження P передається на зразок через верхній фільтрувальний камінь. Нижче нижнього фільтрувального каменю в нижній частині циліндра є канали для відведення води з проби в капілярну трубку, а також для подачі води. Оскільки стиснення зразка відбувається за рахунок пор, тому що тверді частинки ґрунту і вода в порах практично не стискаються, необхідно забезпечити відтік води з зразка під час випробування, що стає можливим за допомогою фільтруючого каменю, каналу і капілярної трубки.
З лівого боку пристрою знаходиться труба подачі води з краном перед циліндром, тоді як капілярна трубка знаходиться з правого боку з краном за циліндром. Капілярна трубка також використовується для визначення коефіцієнта водопроникності ґрунту k.
Обстеження
Коли зразок поміщено в циліндр і пристрій зібрано, закрийте лівий кран, подачу води, і відкрийте правий кран, щоб вода стікала в капілярну трубку. Потім наближається до навантаження зразка, яке додається поступово. Зазвичай застосовуються такі навантаження: 0,50; 1,00; 2,00; 4,00; 6,00 кп/см2 і далі до найбільшого очікуваного навантаження на ґрунт під будівлею, здебільшого до 10 кп/см2, а для гребель це може бути навіть більше до 20 кп/см2. На кожному рівні навантаження в момент його застосування запускається секундомір і через певні проміжки часу 15“, 30“, 1’, 2’, 5’, 15’, 45’, 2h, 5h, 24h, потім кожні наступні 24h, до консолідації зразка під таким ступенем навантаження, відповідне осідання в тисячних частках міліметра зчитується на компараторі та записується в запис. Для консолідації передбачається, що вона була досягнута, якщо осідання проби Δh ≤ 0,02 mm протягом часу 24 години. Після досягнення консолідації застосовується наступний рівень навантаження, і вся процедура повторюється таким же чином і так далі до остаточного рівня навантаження.
Випробування на консолідацію із запобіганням поперечного розширення виконується з навантаженням і розвантаженням, щоб визначити пружні властивості ґрунту. Навантаживши зразок до певного ступеня, ми розвантажуємо його з такою ж поступовістю, як і навантажували. Полегшення зазвичай відбувається після 2,0 кп/см2, 4,0 кп/см2 та 6,0 кп/см2.
Як правило, тест проводиться із зразком під водою, яка тримається на лівій скляній трубці на висоті верхньої поверхні зразка в апараті. Перевірка стисливості зразка в присутності води проводиться з цієї причини, тому що тест займає тривалий час, і зразок висихає протягом цього часу, в результаті чого стисливість зразка буде нижчою, ніж фактична стисливість ґрунту в його природному стані вологості. Крім того, природна вологість ґрунту може бути вищою, ніж на момент відбору проб, особливо коли рівень ґрунтових вод підвищується, що може призвести до значного відхилення від фактичної стисливості ґрунту в період високого рівня води.
Результати випробувань застосовуються до трьох типів діаграм, а саме діаграми відносного стиснення, діаграми зміни коефіцієнта пористості та діаграми часу встановлення.
Діаграма відносного стиснення
Цю діаграму отримують, коли на зразок прикладається нормальний тиск по осі абсцис σ = P/A, де P — навантаження, що діє на зразок через верхній фільтрувальний камінь у кп/см 2, A — площа поперечного перерізу зразка в апараті, а по осі ординат — відносне стиснення. Δh/h, де Δh – осідання зразка під навантаженням Δσ під час консолідації, h висота зразка перед навантаженням (рис. 2).
Мал. 2. Діаграма відносного стиснення
Під час завантаження виходить діаграма первинного стиснення a.
Під час вивантаження, якщо включений безперешкодний забір води, так що зразок залишався під водою під час вивантаження, він повертається до свого початкового стану, тобто набухання. Але зразок не повертається до початкового стану, а значить, крім пружної, він зазнав пластичної (постійної) деформації. Тому в цьому випадку при розвантаженні виходить діаграма набухання б. Однак, якщо тест проводився без потрапляння води, замість діаграми набухання, так звана діаграма еластичності.
Якщо зразок завантажується знову після розвантаження, отримується діаграма вторинного стиснення c. Діаграма набухання та діаграма вторинного стиснення c утворюють петлю гістерезису між ними. У глині петлі гістерезису значні і тому деформації в області набухання і вторинного стиснення (діаграми b і c) вважаються не пружними, а оборотними, так як вони не пропорційні навантаженню за законом Гука. Деформації в зоні первинного стиснення (діаграма а) в тій частині, де вони не повернулися, є постійними (незворотними).
Модуль стисливості ґрунту
З діаграми відносного стиснення ми отримуємо відповідно до закону Гука аналогічно модулю пружності Юнга E для еластичного матеріалу модуль стисливості ґрунту Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [кп/см2],
де Δσ приріст навантаження, Δh/h відповідне відносне стиснення, яке взято з первинної діаграми стиснення a (рис. 2).
Модуль стисливості ґрунту Ms відрізняється від модуля пружності E пружного матеріалу, оскільки Ms не є постійним для одного й того самого матеріалу, а є змінним і збільшується з нормальним навантаженням σ. Отже, одне конкретне значення модуля стисливості Ms можна надати лише для одного вузького інтервалу нормального навантаження на ґрунт Δσ. Якщо значення модуля Ms більше, то стисливість ґрунту нижча і навпаки. Згідно з нашими положеннями про заснування прийнято наступний критерій модуля стисливості ґрунту в його природному стані:
Наведена нижче класифікація перенесена з оригінального тексту, включаючи повторюваний інтервал 100-400 кп/см2. Він не перевірявся та не узгоджувався з чинними нормативними документами.
Ms = 0 - 20 кп/см2 надзвичайно стисливий ґрунт
Ms = 20 - 50 кп/см2 дуже стисливий ґрунт
Ms = 50 - 100 кп/см2 середньостисливий ґрунт
Ms = 100 - 400 кп/см2 менш стисливий ґрунт
Ms = 100 - 400 кп/см2 слабостисливий ґрунт
Ms = 400 - 1000 кп/см2 слабостисливий ґрунт
Ms > 1000 kp/cm2 ґрунт з дуже низькою стисливістю.
Модуль пружності ґрунту
Так само отримуємо модуль пружності ґрунту E:
E = Δσ / (Δh/h) [кп/см2],
де відносний приріст стиснення Δh/h взято з діаграми пружності ґрунту для відповідного нормального приросту тиску Δσ.
Нормальний ущільнений та переущільнений ґрунт
Мал. 3. Діаграма зміни коефіцієнта пористості зразка порушеного ґрунту
Якщо ми виконаємо одометричний тест із збуреним зразком, який ми ввели в апарат при межі текучості, і нанесемо результати тесту на діаграму зміни коефіцієнта пористості e залежно від тиску σ (рис. 3), потік консолідації буде представлено діаграмами 1 для основного навантаження, 2 для розвантаження, 3 для вторинного навантаження до межі a основного розширення навантаження σa та 4 за межею цієї межі.
Діаграма розвантаження 2 та діаграма вторинного стиснення 3 утворюють петлю гістерезису, за якою діаграма 4 продовжується в продовженні діаграми 1, без перерви, ніби не було розвантаження та перезавантаження.
Мал. 4. Діаграма зміни коефіцієнта пористості непорушеного зразка ґрунту
Однак, якщо ми виконаємо тест одометра так само, як і раніше, з непорушеним зразком, взятим із певної глибини ґрунту (рис. 4), діаграма вторинного навантаження 3 покаже розрив σb у точці b при певному навантаженні, після чого діаграма 4 матиме більший нахил. Цей розрив стався через те, що ґрунт, з якого було взято зразок, перебував під більшим навантаженням p=γt, ніж навантаження зразка σ в одометрі. Більше навантаження p походить від ваги існуючих верхніх шарів ґрунту до поверхні місцевості, яке ми називаємо тиском ґрунту, або від навантаження попередніх шарів ґрунту, що з часом переносяться ерозією, або від моренного ґрунту чи льоду, що ми називаємо попереднім навантаженням. Поява надмірної консолідації особливо характерна для глини, де ми розрізняємо нормально консолідовану та надмірно консолідовану глину.
Нормально зміцнена глина
Звичайно консолідована глина знаходиться на менших глибинах під поверхнею землі, яка раніше не піддавалася попередньому навантаженню. Зразок цієї глини, завантажений в одометр з навантаженнями, що перевищують вагу верхніх шарів «тиску грунту», демонструє безперервний потік консолідації, без розривів на діаграмі відносного стиснення або на діаграмі зміни коефіцієнта пористості. Осідання цієї глини під навантаженням об’єкта є нормальним, тобто під певним навантаженням осідання з часом зменшується.
Переущільнена глина
Переконсолідована глина знаходиться на більшій глибині або попередньо піддавалася попередньому навантаженню. Зразок цієї глини, завантажений в одометр під тиском, більшим за тиск ґрунту або попереднє навантаження, показує розрив на діаграмі відносного стиснення або на діаграмі зміни коефіцієнта пористості, так званий. геологічна тріщина g, із сильною зміною напрямку (рис. 5a). Осідання цієї глини під конструкцією невелике для навантажень нижче тиску ґрунту або попереднього навантаження σ1, але стає значно більшим при навантаженнях вище σ1.
Якщо геологічний розрив чітко визначений, то він визначається за допомогою дотичних до діаграми (рис. 5b).
Мал. 5. Діаграма зміни коефіцієнта пористості переконсолідованої глини
Діаграма розрахунку часу
Цю діаграму, яку також називають діаграмою консолідації, отримують, коли для кожного ступеня навантаження зразка в одометрі час t у годинах відносять до осі абсцис, а осідання в мм (мал. 6a) або в % від загального осідання (мал. 6b) прикладають до осі ординат. вісь.
Мал. 6. Діаграма розрахунків за часом
Незв’язані та зв’язані ґрунти поводяться по-різному під навантаженням. Пухкі ґрунти, наприклад пісок, мають великі пори, з яких при навантаженні швидко видавлюється вода, внаслідок чого ґрунт швидко осідає, причому найбільше осідання відбувається на початку навантаження і досягає остаточного осідання при даному навантаженні за відносно короткий проміжок часу. Зв’язні ґрунти, такі як глина, мають дрібні пори, з яких воду важко вичавити під навантаженням. У часовому процесі осідання ущільненого ґрунту можна виділити дві фази. На першому етапі, відразу після навантаження на ґрунт, оскільки вода не може витекти з пор, він стає напруженим і отримує все прикладене навантаження. На другому етапі напружена порова вода починає виштовхуватися під власною напругою за рахунок навантаження, яке поступово переходить на тверді частинки ґрунту. На цій другій фазі частинки об’єднуються, а пори звужуються. Процес осідання триває до тих пір, поки вода під тиском не буде витиснута з пор, тобто поки не припиниться напружений стан води в порах. Тому консолідація ґрунту є передусім гідродинамічною проблемою, яка залежить від водопроникності та пористості ґрунту. У випадку глини, проникність якої низька, процес консолідації може тривати дуже довго, і, крім того, осідання може бути значно більшим через вищу загальну пористість, ніж у випадку піску. На основі тесту консолідації можна розрахувати час розрахунку за весь час консолідації та на окремих етапах.