Модуль ДЕФОРМАЦІЇ ГРУНТІВ

1. Компресійні дослідження. Для визначення деформації грунтів необхідно знати коефіцієнт пропорційності між деформаціями і напруженнями - модуль деформації. Модуль деформації поширених, відносно однорідних матеріалів (бетон, метал) наводиться в довідниках. Природні ж грунти за своїми механічними властивостями є дуже різноманітними. Тому, зазвичай, перед розрахунками грунтових основ виконують дослідне визначення модуля деформації. Модуль деформації, в основному, визначають за результатами компресійних, cтабілометричних і штампових випробувань або за таблицями будівельних норм СНиП 2.02.01-83 [24].

Оскільки грунт складається з твердих частинок і пор (частково чи повністю заповнених водою і повітрям), то теоретично при його стисненні повинні зменшуватись об‘єми всіх компонентів. Оскільки напруження стиснення, які зазвичай виникають в основах фундаментів, при дії навантажень від надземних конструкцій, порівняно незначні, об‘ємні деформації твердих частинок незрівнянно малі і до уваги не беруться. Отже, можна вважати, що зміна об‘єму грунту при стисненні відбувається лише за рахунок зміни об‘єму пор, яка може відбуватися внаслідок взаємного переміщення окремих частинок в результаті руйнування структурних зв‘язків груту з витісненням повітря і води.

В лабораторних умовах модуль деформації визначають за допомогою копресійного приладу, основною частиною якого є одометр. Це кругла обойма 1 з днищем 2 (рис.4.1.). Грунт 3 розміщується в кільці 4. Навантаження N передається через штамп 5. Фільтрація води проходить через отвори, які є в днищі і штампі. Деформації грунту вимірюють індикаторами 6.

Оскільки зразок грунту в кільці не має можливості бічного розширення, то зміну його пористості (відношення об‘єму пор до об‘єму грунту (2.8)) під тиском , розподіленим по площі , знайдемо з виразу

, де (4.1)

- початкова висота зразка; - деформація зразка від тиску . Об‘єм твердих частинок до і після деформації незмінний (наше припущення), тому об‘єм твердих частинок в одиниці об‘єму зразка дорівнюватиме (2.9)

, де (4.2)

- початковий коефіцієнт пористості грунту.

Згідно з (2.10) . Поділивши вираз (4.1) на (4.2), одержимо вираз для визначення зміни коефіцієнта пористості грунту під дією тиску

(4.3)

Урахувавши для одержимо остаточний вираз для коефіцієнта пористості при дії тиску

(4.4)

Після визначення значень при різних тисках будують залежність , що має назву компресійної кривої (рис. 4.2).

При зростанні тиску коефіцієнт пористості зменшується (лінія 1 рис. 4.2). Якщо тиск поступово зменшувати, то зразок частково відновить деформацію і коефіцієнт пористості зросте (лінія 2 рис. 4.2). Первинна висота зразка не буде повністю відновлена, тому що при розвантаженні відновлюються лише пружні деформації.

На початковій ділянці залежність є лінійною, а деформації незначними. На цій ділянці чинять опір зовнішнім навантаженням структурні зв’язки грунтів. Міцність цих зв’язків називається структурною міцністю .

Якщо обмежитись незначною зміною тиску р=0,1…0,5мПа (реальний тиск, який може виникати в основах споруд), то компресійну криву можна замінити прямою лінією АВ (рис.4.3)

Тангенс кута нахилу цієї прямої до осі тисків називається коефіцієнтом стисливості

, де (4.5)

- коефіцієнти пористості відповідно при початковому і кінцевому тиску.

З певним (доволі суттєвим) наближенням можна записати рівняння компресійної кривої у такому вигляді

(4.6)

Модуль деформації грунту за результатами компресійних дослідів визначають за виразом

, де (4.7)

- коефіцієнт, що враховує неможливість поперечного розширення грунту в компресійному приладі.

В компресійному приладі грунт може деформуватись тільки у вертикальному напрямку. Це погано моделює роботу грунту під фундаментами невеликих розмірів (фундаменти більшості будівель), де величина горизонтальних деформацій є суттєвою. Під фундаментами великих розмірів переважають деформації грунту у вертикальному напрямку. Тому модуль деформації, одержаний за результатами компресійних випробувань, широко використвується для проектування гідротехнічних споруд, а в промисловому і цивільному будівництві тільки для споруд III класу капітальності.

З урахуванням вищесказаного модуль деформацій грунтів , знайдений за результатами компресійних випробувань визначають за формулою

, де (4.8)

- поправочний коефіцієнт (див. п.4.3 останній обзац).

Методика випробувань викладена в [17].

2. Стабілометричні випробування. Особливістю випробувань на трьохосьове стиснення в стабілометрі є можливість одночасного визначення характеристик стисливості і міцності.

Модуль деформації за результатами стабілометричних випробувань визначають для довільної точки в межах ділянки пропорційності ОА (рис. 4.4) за формулою

, де (4.9)

- величина бічних стискуючих напружень (девіатор напружень) визначається з виразу

, де (4.10)

- загальна величина головного напруження (після сумування з );

, де (4.11)

- початкова площа поперечного перерізу зразка; - площа поперечного перерізу зразка при дії напруження ;

, де (4.12)

- вертикальна деформація зразка при напруженні ; - початкова висота зразка.

Методика випробувань викладена в [13].

3. Метод штампових випробувань є еталонним, тобто найбільш точним. Його суть полягає в наступному. На жорсткий круглий штамп окремими ступенями передають навантаження і визначають при цьому його осідання. Кожний ступінь витримують до моменту умовної стабілізації, при якій переміщення штампа не повинні перевищувати 0,1мм за останні 0,5; 1,0 або 2год. залежно від грунту. Випробування можуть виконуватись у свердловинах, шурфах або котлованах. Площа штампа залежить від місця випробування (свердловина, котлован) і змінюється від 600 до 10000см². Навантаження передають гідродомкратами або тарованими вантажами. На рис. 4.5 наведена найпоширеніша схема штампових випробувань.

Методика випробувань наведена в [2].

За результатами дослідів будують графік залежності осідань штампа від тиску по його підошві (рис. 4.6).