Сжимаемость грунтов. Закон уплотнения.

Сжимаемость грунтов – свойство, существенно отличающее грунты от массивных горных пород и других твердых тел, и заключается в способности грунтов изменять свое строение под влиянием внешних воздействий на более компактное за счет уменьшения пористости грунта.

Компрессионные испытания грунтов в лабораторных условиях проводятся в компрессионных приборах (одометрах). Конструкции их бывают разные, в зависимости от способа приложения нагрузки и целей испытания (рис. 5.3 стр. 152).

Рис.5. Схема одометра компрессионного прибора:

1 – образец грунта, 2 – металлическое кольцо, 3 – днище, 4 – тонкие отверстия в днище и штампе, 5 – штамп, 6 – индикаторы часового типа.

При испытании грунта на компрессию предварительно определяют плотность грунта , плотность частиц грунта и природную влажность Wгрунта, по которым вычисляют начальный (до сжатия) коэффициент пористости грунта

Поскольку уплотнение и разрушение грунта происходит из-за изменения пористости, результаты компрессионных испытаний представляют в виде зависимости коэффициента пористости грунта от сжимающего напряжения. Опытами было установлено, что каждому приращению внешнего давления соответствует определенное изменения влажности. Зависимость между влажностью и давлением можно изобразить в виде кривой, которая носит название компрессионной кривой. Так как для полностью водонасыщенных грунтов существует закономерная связь между влажностью и коэффициентом пористости, то компрессионную кривую легко перестроить в координатах «коэффициент пористости – давление».

Имея начальный коэффициент пористости , любой последующий , определяется по формуле:

;

где е₀ – начальный коэффициент пористости грунта;

∆n_i – изменение пористости грунта от начала загружения;

m – объем твердых частиц в единице объема грунта.

Рис.6. Компрессионные кривые:

а) в координатах «давление – влажность»; б) то же «давление – коэффициент пористости»; 1 – кривая уплотнения; 2 – кривая набухания.

Изменение объема пор ∆n_i численно равно произведению осадки s_iна площадь образца F, т.е.

,

а объем твердых частиц в грунте:

;

где h – начальная высота образца.

Подставляя полученные величины в исходное выражение, получим:

.

Для оценки сжимаемости грунта в диапазоне реальных (строительных) нагрузок компрессионную кривую можно заменить прямой линией АВ. Рассмотрим уравнение компрессионной кривой. Если ограничиться небольшим изменением давлений (порядка 0,1-0,3 МПа, что обычно и имеет место в основаниях сооружений), то с достаточной для практических целей точностью можно принять отрезок прямой АВкомпрессионной кривой за прямую.

Рис. 7. Компрессионная кривая.

Уравнение этой кривой, проходящей через точки А и В, согласно обозначениям на рисунке:

.

Величина характеризует сжимаемость грунта в пределах изменения напряжения от Р₁ до Р₂, поэтому ее называют коэффициентом уплотнения (сжимаемости) и обозначают буквой :

.

Обозначив p₂ – p₁ = p как приращение давления, получим:

.

Коэффициент сжимаемости – расчетная характеристика сжимаемости грунтов, которая используется при определении осадок сооружений. С помощью этого коэффициента можно производить качественную оценку грунта как основания зданий и сооружений:

- грунт мало сжимаемый;

- грунт средней сжимаемости;

- грунт сжимаемый.

Подставив полученное выражение вместо tg α в исходное уравнение, получим уравнение прямолинейного отрезка компрессионной кривой:

.

После дифференцирования этого уравнения можно записать:

( m_v*p_i=s_i /h)

Эта зависимость выражает закон уплотнения (компрессии) грунта: изменение относительного объема пор грунта пропорционально изменению давления.