Сжимаемость грунтов

2.3.1. Коэффициенты бокового расширения и бокового давления грунта

Рассмотрим деформации сжатия объема грунта, размеры которого таковы, что в его пределах напряжения от действующей на грунт внешней нагрузки можно считать постоянными. Деформации грунта под действием внешнего давления можно рассматривать по двум схемам:

1) сжатие в условиях свободного бокового расширения;

2) сжатие в условиях невозможности бокового расширения.

При сжатии в условиях свободного бокового расширения грунт сжимается по оси z и расширяется в стороны по оси x (рис. 2.3, а).

При свободном боковом расширении относительная продольная деформация , а относительная поперечная деформация .

, (2.1)

где – коэффициент Пуассона или поперечного расширения грунта. Значения составляют для песка 0,30…0,35; супесей 0,35…0,40; суглинков 0,40…0,45; глин 0,45…0,5. При сжатии грунта в условиях невозможности бокового расширения, например в жестком металлическом кольце, грунт оказывает давление на стенки кольца (рис. 2.3, б). Величину бокового давления при невозможности расширения характеризуют коэффициентом бокового давления , который представляет собой отношение приращения бокового давления Δq к приращению сжимающего усилия Δp:

. (2.2)

Величина коэффициента бокового давления грунтов зависит от дисперсности, плотности, влажности, химико-минералогического состава и принимается для песков = 0,25…0,37, а для глинистых грунтов в зависимости отвлажности = 0,11…0,82.

Коэффициент бокового давления и коэффициент Пуассона связаны между собой. Если на кубик грунта действует давление в условиях невозможности бокового расширения, то на боковые стенки кубика действует давление (рис. 2.4, а).

Проследим, что происходит с деформациями ребра кубика длиной , если на кубик действует сжимающее давление в условиях свободного бокового расширения, а затем, не снимая нагрузки , к его боковым граням прикладывается давление , которое возвращает его в первоначальное положение (рис. 2.4, б). Поскольку на кубики действуют одинаковые силы, их длины ребер и конечные объемы должны быть равны.

Принимая относительное удлинение ребра при действии давления, равного единице, за , давление вызывает удлинение ребра . Давление также вызывает удлинение ребра на величину . Давление сжимает ребро на величину .

Так как длина ребра не меняется, то или . Преобразовывая это выражение, получаем следующие зависимости:

; (2.3)

. (2.4)

Коэффициенты и позволяют определить давление грунтов на ограждение и деформации, вызываемые горизонтальным давлением грунта при обжатии его вертикальным давлением.

2.3.2. Компрессионное сжатие

Наиболее важным деформационным свойством дисперсных грунтов является их сжимаемость под нагрузкой. Уплотнение водонасыщенного грунта происходит вследствие удаления воды из пор, при этом влажность грунта уменьшается. Уплотнение не полностью водонасыщенных грунтов до определенных давлений может происходить без изменения их влажности.

Сжимаемость грунтов под нагрузкой длится во времени. Поэтому при определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой группе показателей относятся: коэффициент сжимаемости и модуль общей деформации грунта ; ко второй группе – коэффициент консолидации . Эти показатели определяются в лаборатории при уплотнении грунтов под нагрузкой без возможности бокового расширения в компрессионных приборах (одометрах) (рис. 2.5).

Для исследования используют образцы грунта ненарушенной структуры, отобранные в жесткие металлические кольца. Нагрузку на грунт передают ступенями, выдерживая каждую ступень до полного затухания деформаций.

При сжатии грунта в компрессионном приборе диаметр образца не меняется. Поэтому относительная вертикальная деформация грунта равна относительному изменению объема:

, (2.5)

где h – первоначальная высота образца грунта; – изменение высоты образца под давлением; V – первоначальный объем образца грунта; – изменение объема образца под давлением.

Так как уплотнение грунта происходит главным образом вследствие уменьшения объема пор, то деформацию сжатия грунта выражают через изменение величины коэффициента пористости (рис. 2.6).

Определим из выражения (2.5):

. (2.6)

Из формулы (2.6) получим выражение для коэффициента пористости грунта, соответствующего данной ступени нагрузки:

. (2.7)

Зная коэффициенты пористости грунта при соответствующих ступенях нагрузки, можно построить компрессионную кривую (рис. 2.7). Если после уплотнения образца внешним давлением произвести его разгрузку, то деформации восстановятся тем полнее, чем выше упругие свойства грунта (см. рис. 2.7).

Для небольшого диапазона давлений компрессионная кривая может быть заменена прямой. С приращением внешнего давления произойдет изменение коэффициента пористости (рис. 2.8).

Тангенс угла наклона отрезка компрессионной кривой к оси давлений характеризует сжимаемость грунта в рассматриваемом диапозоне давлений и носит название коэффициента сжимаемости грунта :

tg . (2.8)

При изменениях внешнего давления от P₁до P₂ этот закон можно распространить и на конечные изменения величин P и e:

,

откуда . (2.9)

Коэффициент сжимаемости – важная характеристика грунта, дающая возможность определить величину осадок оснований и сооружений.

Величина коэффициента сжимаемости связана с величиной модуля общей деформации E₀ следующим соотношением:

, (2.10)

где – коэффициент, зависящий от коэффициента относительной поперечной деформации грунта и приблизительно равный для песков – 0,8; супесей – 0,7; суглинков – 0,5 и глин – 0,4.

Компрессионные испытания следует проводить с учетом условий работы грунта в основаниях, образцы из которых испытывают с ненарушенной структурой и при естественной влажности.

На очертание компрессионных кривых образцов, взятых из глубоких горизонтов, оказывает влияние предшествующая геологическая история нагружения грунта. Грунты, залегающие на большой глубине, бывают уплотнены находящимися над ними слоями. Степень уплотнения некоторых из них может быть выше, чем при действующем на них давлении в настоящее время. Такие грунты называют переуплотненными. Для переуплотненных грунтов компрессионная кривая имеет два участка (рис. 2.9): первый – до давлений, не превосходящих структурной прочности грунта P_str, с очертанием, близким к линейному, и очень малыми уменьшениями коэффициента пористости и второй – криволинейный со значительными изменениями коэффициента пористости, что указывает на уплотнение грунта под нагрузкой, превосходящей структурную прочность грунта.

Что касается величины структурной прочности грунтов Р_str, то ее можно определить по компрессионной кривой, испытывая грунты малыми ступенями нагрузкой 0,002 – 0,01 МПа. Резкий перелом компрессионной кривой будет соответствовать достижению структурной прочности грунта.

2.3.3. Компрессионные свойства лессовых грунтов

В лессах и лессовидных породах при замачивании их водой и при определенном давлении наблюдается резкое уменьшение объема, которое называется просадкой. Важнейшими признаками грунтов, обладающих склонностью к просадочности, являются: высокая пористость (макропористость) и малая влажность; быстрая размокаемость в воде; повышенное содержание легководно растворимых солей; высокое содержание частиц крупной пыли (0,05 – 0,01 мм); присутствие карбоната кальция и др.

Просадочность грунта оценивается относительной просадочностью , которую можно определить по данным компрессионных испытаний с замачиванием образца водой:

, (2.11)

где h – высота образца грунта природной влажности под нагрузкой до замачивания; – высота образца после просадки от замачивания; – высота образца до действия нагрузки.

Грунт считается просадочным при ≥ 0,01. Величина просадочности лессовых пород легко фиксируется в лабораторных условиях по компрессионной кривой (рис. 2.10).

Компрессионная кривая для просадочного грунта имеет характерную форму в результате резкого, скачкообразного уменьшения коэффициента пористости при замачивании. На компрессионной кривой можно выделить три участка: участок a – b, соответствующий сжатию грунта при естественной влажности; участок b – c, характеризующий просадку грунта в результате его замачивания при данном давлении, и участок c – d, показывающий уплотнение замоченного грунта.

Просадочность грунта при замачивании объясняется рядом причин, основная из которых – потеря неводостойких связей между частицами грунта и разрушение макропористой текстуры. Это сопровождается резкой потерей прочности грунта и быстро развивающимися деформациями уплотнения – просадками.

2.3.4. Определение модуля деформации грунта

Модуль общей деформации учитывает упругие и остаточные деформации грунта и используется для расчета осадок грунтовых оснований. Модуль деформации можно определить по данным компрессионных испытаний и по данным испытания штампом грунта статической нагрузкой в шурфе или скважине.

Определение модуля деформации по данным компрессионных испытаний. Ранее было рассмотрено, что в случае сжатия грунта без возможности бокового расширения (см. рис. 2.4) напряжение . Относительная вертикальная деформация

,

где – коэффициент относительной сжимаемости, ; –коэффициент сжимаемости (2.9), отсюда

. (2.12)

Относительные вертикальные деформации по закону Гука

, (2.13)

где – модуль деформации; – коэффициент Пуассона.

Используя формулу (2.4) и учитывая, что , получаем . Если обозначить , тогда

. (2.14)

Приравнивая правые части (2.10) и (2.12), получим выражение модуля деформации

. (2.15)

Следует отметить, что модуль деформации, определенный по данным компрессионных испытаний, часто значительно отличается от действительного, т.к. извлечение грунта из глубины для компрессионных испытаний приводит к изменению его напряженного состояния.

Определение модуля деформации по данным испытания грунта статической нагрузкой в полевых условиях. Наиболее точные значения модуля деформации получают при испытаниях грунтов в условиях их естественного залегания. Испытания проводят с помощью штампа в шурфах или в скважинах под действием статической нагрузки, передаваемой на штамп гидравлическим домкратом. Используют жесткий металлический штамп круглой формы площадью 0,5 ÷ 1 м² (при испытаниях в шурфе) и 600 см² (при испытаниях в скважинах). Принципиальная схема испытания грунта штампом в шурфе приведена на рис. 2.11, а.

Нагрузка прикладывается ступенями и строится график зависимости осадки грунта от давления р. Модуль общей деформации определяется по формуле

, (2.16)

где – коэффициент, зависящий от формы штампа (для круглого = = 0,8; для квадратного = 0,9); D – диаметр штампа; – приращение нагрузки; – приращение осадки штампа при изменении давления на ; – коэффициент Пуассона. Формула применима в пределах линейной зависимости графика.