Деформативные свойства грунтов

ТЕМА 3

В области линейного сжатия деформирование грунтов, как и любых других материалов, характеризуется модулем деформации Е и коэффициентом бокового расширения ν, называемым коэффициентом Пуассона. Под фундаментами боковое расширение грунта стеснено окружающим массивом и мало влияет на деформации основания. Основным показателем деформирования следует считать модуль деформации, который является эмпирическим коэффициентом в известной из сопротивления материалов формуле Гука. Для однородных материалов, таких как сталь, опытные величины Е имеют небольшой разброс и рассматриваются как константа. Сжимаемость неоднородных грунтов меняется в широком интервале. Поэтому их модули деформации определяются на каждой строительной площадке по результатам полевых и лабораторных испытаний, или косвенными методами.

Полевые испытания грунтов проводят инвентарным штампом, являющимся моделью фундамента, и редко прессиометрами. Используемое в полевых условиях оборудование, измерительные приборы, порядок проведения испытаний и обработки результатов измерений указаны в ГОСТ 20276-99. Штамп 1 (рис. 4.1) устанавливается в котловане или горной выработке, плотно притирается к поверхности грунтового массива и загружается отдельными ступенями нагрузки гидравлическим домкратом 3, упирающимся в анкерную балку 5, соединенную с блоками 4, или штучными грузами. Ступени нагрузки принимаются в зависимости от вида и состояния грунта и выдерживаются до стабилизации осадки основания. Измерение осадки производится прогибомерами или, что удобнее, индикаторами 7, закрепленными на неподвижной основе 8. Конструкции установок для загружения штампа и схемы измерения осадок могут быть и иными. По результатам испытаний строится график (рис.4.2), на горизонтальной оси которого указываются давления, а по вертикальной оси откладываются измеренные осадки штампа. Построенный по экспериментальным точкам эмпирическая кривая чаще представляет ломаную линию, которую в некотором интервале давлений ∆р, допуская небольшую погрешность, заменяют осредненной прямой методом наименьших квадратов или графическим методом. За начальные значения р_g и s ₀ (первая точка, включаемая в осреднение) принимают давление от собственного веса грунта на глубине установки штампа, и соответствующую ему осадку; а за конечные значения р_к и s_к - значения давления и осадки, соответствующие точке на прямолинейном участке графика. Количество включаемых в осреднение точек должно быть не менее трех. Модуль деформации грунта Е вычисляют для линейного участка графика по формуле

(3.1)

где v - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин;

К ₁ - коэффициент, принимаемый равным 0,79 для жесткого круглого штампа;

D – диаметр штампа.

Согласно нормам проектирования СНиП 2.02.01-83* количество опытов для каждого выделенного инженерно-геологического элемента должно быть не менее 3. Модули деформации грунтов, вычисленные по формуле (3.1), являются наиболее достоверными. Однако затраты на проведение испытаний штампов относительно высоки.

Лабораторные испытания образцов грунта проводят в приборах, исключающих боковое расширение. Такой метод испытаний принято называть компрессионными сжатием, а конструкции приборов для испытаний компрессионными приборами или одометрами. Устройство одометра показано на рис 3.3. Образец испытываемого грунта 11, заключенный в рабочее кольцо 3, устанавливается в приборе на перфорированный вкладыш 6. Сверху на него укладывается перфорированный металлический штамп 5, предназначенный для равномерного распределения силы N, передаваемой на образец с помощью специального нагрузочного устройства. Под действием давления, увеличивающегося ступенями по 0.0125 МПа и более, штамп вследствие сжатия образца оседает. Его перемещение, продолжающееся довольно продолжительное время, измеряется двумя индикаторами 8 с точностью до 0.01 мм. При сжатии образца объёма пор грунта уменьшается и из них выдавливается вода, которая отводится через отверстия в штампе и вкладыше.

Уплотнение грунта принято характеризовать уменьшением коэффициента пористости. Первоначальное значение коэффициента пористости определяется по формуле, приведенной в табл. 1.3. На каждой ступени нагрузки коэффициент пористости вычисляется по формуле

е_i = е₀ - (1+ е₀) (3.2)

где s_i – величина измеренного перемещения штампа при давлении р_i;

h – высота образца грунта.

Изменения коэффициента в зависимости от давления показано на рис. 3.4. Экспериментальные точки на графике соединяются прямыми отрезками. Построенная эмпирическая зависимость в общем случае представляет ломаную линию, которую принято называть компрессионная кривая. Для интервала давлений от р_н до р_к, принимаемых из таких же соображений, как и для штамповых испытаний, участок компрессионной кривой заменяется прямой. Такая замена позволяет вычислить параметр деформативности, называемый коэффициент сжимаемости т₀:

т₀ = (3.3)

По смыслу коэффициент сжимаемости есть тангенс угла наклона осредненной прямой к горизонтальной оси.

Модуль деформации определяется по коэффициенту сжимаемости:

Е_к = (3.4)

где β – коэффициент, зависящий от коэффициента бокового расширения ν, вычисляется по формуле

(3.5)

где v — коэффициент поперечной деформации, принимаемый равным: 0,30—0,35 — для песков и супесей; 0,35—0,37 — для суглинков; 0,2¾0,3 при I_L < 0; 0,3¾0,38 при 0 £ I_L £ 0,25; 0,38¾0,45 при 0,25 < I_L £ 1,0 — для глин (меньшие значения v принимают при большей плотности грунта).

Поскольку грунты неоднородны, то модули деформации грунтовых слоев находят как среднее из результатов не менее 6 опытов.

По ряду причин величины Е_к оказываются значительно заниженными. Для зданий I и II уровней ответственности значения модуля деформации, устанавливаемые по результатам компрессионных испытаний, определяют по формуле

Е= т_к Е_к (3.6)

Эмпирический коэффициент т_к находят путем сопоставления полевых испытаний штампов с лабораторными испытаниями

т_к = (3.7)

Значения т_к для грунтов разного вида и состояния варьируют в широком интервале. Их ориентировочные значения принимают по региональным таблицам, составленными.

Помимо штамповых и компрессионных испытаний, которые широко распространены в практике инженерно-геологических изысканий, известны другие методы полевых и лабораторных испытаний. Из всех методов меньших затрат требуют испытания грунтов в полевых условиях статическим зондированием, которые позволяют достовернее решать такие проблемы, как разделение грунтового массива на однородные инженерно-геологические элементы (ИГЭ), установление границ ИГЭ, определение численных значений ряда показателей.

Вопросы для самопроверки.

1. Какими показателями характеризуется деформирование грунтов в области линейного сжатия?

2. Что означает по смыслу модуль деформации грунта?

3. Какие испытания проводят для определения модуля деформации?

4. Сколько испытаний штампов необходимо провести для определения модуля деформации однородного слоя (ИГЭ)?

5. Сколько следует провести компрессионных испытаний для определения модуля деформации ИГЭ?

6. Какова достоверность компрессионных испытаний грунтов?

Дата добавления: 2015-05-26