Компрессионная зависимость

Сжимаемость грунтов (физические представления).

Так как грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, теоретически при его сжатии должны уменьшаться объемы всех трех компонентов: твердых частиц, воды и воздуха (газа). Вследствие сравнительно небольших напряжений сжатия, возникающих обычно в основаниях сооружений, объемные деформации твердых частиц, состоящих из таких минералов, как кварц и полевой шпат, ничтожно малы. Поэтому их обычно не учитывают, считая, что изменение объема грунта при сжатии происходит только из-за изменения объема пор.

Вследствие упругих деформаций скелета (частиц) грунта, тонких пленок воды, расположенных между частицами, упругого сжатия пузырьков воздуха, а также сжатия поровой воды, содержащей растворенный воздух, могут происходить упругие изменения объема грунта. Упругие деформации грунта, как правило, во много раз меньше остаточных, развивающихся, когда напряжения в грунте превышают его структурную прочность. Остаточные деформации приводят к уплотнению — уменьшению пористости грунта.

Деформации уплотнения развиваются вследствие сдвигов (смещений) отдельных частиц относительно соседних, а также вследствие разрушения частиц, особенно в точках их контактов. Деформации уплотнения глинистых грунтов протекают медленно во времени. Это обусловлено, тем, что при уплотнении из пор водонасыщенного грунта сначала должна быть выдавлена вода. Без выдавливания воды из пор такого грунта он уплотняться не может, так как вода практически не сжимается. Процесс выдавливания воды из водонасыщенных глинистых грунтов протекает очень медленно вследствие их малой водопроницаемости. Кроме того, медленное развитие деформаций, как уплотнения, так и сдвигов обусловливается ползучестью связанной воды, окружающей твердые частицы, и ползучестью самого скелета грунта.

Возьмем образец грунта 6 (рис. 2.1), полностью насыщенного водой, и поместим его в кольцо 4 высотой h прибора, называемого одометром (прибор для исследования компрессионных свойств грунта). Кольцо поставим на днище 5 с отверстиями (фильтрующее), а сверху установим поршень 2 тоже с отверстиями. Одометр поместим в ванночку 3 с водой 1 для исключения капиллярного давления и предотвращения высыхания образца грунта. Когда грунт насыщен водой неполностью, одометр не заливают водой, а окружают влажным пористым материалом, чтобы вода не испарялась из образца. Если к поршню одометра приложить силу, создающую давление P на образец, высота образца уменьшится вследствие уплотнения грунта (уменьшения его пористости). При этом изменится влажность образца. Если увеличить давление на образец грунта, то он получит дополнительное уплотнение из-за изменения объема пор. Возрастание давления приводит к увеличению вертикального перемещения поршня прибора.

Поскольку образец грунта в кольце не может получить бокового расширения, изменение его пористости под давлением, распределенным по площади, находим по выражению:

Рис. 2.1. Схема испытания образца грунта на сжатие в одометре:

1 – вода; 2 – поршень с отверстиями; 3 – ванночка; 4 – жёсткое металлическое кольцо; 5 – днище с отверстиями; 6 – образец грунта

где S_i — осадка от давления P_i;

h – высота кольца.

Объем твердых частиц в образце грунта до и после деформации остается практически неизменным, так как действующие напряжения не могут ощутимо изменять объем частиц, состоящих из различных минералов, и составляет

где e ₀ — начальный коэффициент пористости грунта (до приложения давления).

Изменение коэффициента пористости образца грунта под действием давления определяется по формуле:

Значение коэффициента пористости грунта e_i при давлении p_i определяется по формуле:

Эта формула позволяет определять коэффициент пористости грунта для любого приложенного давления. По значениям коэффициента пористости для различных давлений можно построить кривую. Для грунтов, не обладающих структурной прочностью и уплотняющихся под действием даже небольших давлений, получим компрессионную кривую (рис. 2.2,а). Если разгружать образец грунта, уменьшая давление ступенями, то будет наблюдаться обратный процесс — увеличение объема (набухание). При этом поршень одометра будет перемещаться вверх. Зная величину перемещения и руководствуясь формулой для e_i, можно построить ветвь набухания (рис. 2.2,а).

Кривую зависимости коэффициента пористости от давления называют компрессионной кривой, так как она характеризует сжимаемость грунта. Закономерность изменения коэффициента пористости впервые была установлена К. Терцаги, а затем развита многими учеными (Н.М. Герсевановым, Н.А. Цытовичем, Н.Н. Масловым, М.Н. Гольдштейном и др.).

Рис 2.2. Компрессионные кривые:

а) – общая закономерность; б) – расчетная схема для определения коэффициента относительной сжимаемости:

1 – ветвь сжатия; 2 – ветвь набухания

Расположение ветви набухания намного ниже ветви сжатия свидетельствует о том, что грунт обладает значительной остаточной деформацией уплотнения. Ветвь набухания ха­рактеризует упругие деформации грунта и деформации упругого последействия. Процесс набухания протекает медленно во времени, так как вода медленно входит в поры грунта под всасывающим действием скелета, стремящегося занять первоначальный объем, и расклинивающим действием молекул воды, проникающих между частицами. После снятия всей нагрузки образец грунта не может занять первоначального объема, вследствие произошедших при уплотнении грунта взаимных смещений частиц и их разрушения, особенно в точках контактов, а также установления новых связей между частицами при более плотном состоянии грунта (в результате сближения частиц при уплотнении).

Дата добавления: 2015-04-24