ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ КОМПРЕССИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
При исследовании деформационных свойств песчаных и глинистых пород наиболее часто производят их испытание на компрессию, при котором происходит деформация уплотнения пород без возможности бокового расширения. Сущность этих испытаний заключается в том, что породу подвергают уплотнению ступенями нагрузки (σ1, σ2, σ3 и т. д.) в рабочем кольце специального компрессионного или компрессионно-фильтрационного прибора и наблюдают за изменением её пористости или коэффициента пористости. В результате получают характерную зависимость, которую выражают обычно в виде компрессионной кривой (рис. 5.1).
На малом участке компрессионной кривой от М1 до М2 её можно считать прямой. Тангенс угла наклона этого участка кривой характеризует сжимаемость породы на данном интервале давления:
tg α = (е1 – е2) / (σ2 – σ1) = de / dσ
Рис. 5.1 Компрессионная кривая: 1 – кривая уплотнения; 2 – кривая разуплотнения.
Тангенс угла наклона компрессионной кривой, т. е. tg α, принято обозначать через m0 и называть коэффициентом сжимаемости. Чем больше величина tg α, тем порода слабее, так как она более податлива, сильнее уплотняется в пределах заданного интервала давлений.
Выбор точек на компрессионной кривой при определении коэффициента сжимаемости не может быть случайным. Координаты начальной точки должны соответствовать естественной природной нагрузке на породу и естественному коэффициенту пористости. Координаты конечной точки должны соответствовать конечной нагрузке на породу после возведения сооружения.
Коэффициент относительной сжимаемости mν, выражающий относительную деформацию породы, т. е. представляющий собой величину сжатия слоя породы от нагрузки σ, отнесённую к первоначальной мощности слоя.
Оборудование и материалы
Для определения коэффициента сжимаемости и коэффициента относительной сжимаемости песчаных и глинистых пород необходимо иметь компрессионный или компрессионно-фильтрационный прибор. Существует несколько типов компрессионных приборов различных конструкций, однако принципиальная схема всех приборов почти одинакова. Каждый прибор имеет соответствующий набор гирь, позволяющий вести уплотнение породы определёнными ступенями нагрузки.
а б
Рис. 5.2. Принципиальные схемы компрессионно-фильтрационных приборов: а – для испытаний по схеме нисходящего потока воды; б – для испытаний по схеме восходящего потока воды;
1 - корпус; 2 - поддон корпуса; 3 - основание корпуса; 4 - рабочее кольцо; 5 - направляющее кольцо; 6 - перфорированный вкладыш; 7 - перфорированный штамп; 8 - крышка; 9 - втулка; 10 - шток; 11 - спускная пробка; 12 - штуцер; 13 - резиновая прокладка; 14 - заглушка; 15 - прижимное кольцо верхнее; 16 - прижимное кольцо нижнее; 17 - гайка; 18 - стойка; 19 - шланг; 20 - стеклянная трубка; 21 - индикатор; 22 - держатель индикатора; 23 - опорная пятка индикатора; 24 - шарик; 25 - образец испытываемого грунта
Последовательность определения
Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется в программе испытаний или принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт.
Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или водонасыщенные или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности.
Образец должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 71 мм и отношением высоты к диаметру 1:3,5.
Компрессионные и компрессионно-фильтрационные приборы тарируют на сжатие с помощью металлического вкладыша. Максимальное давление при тарировке принимают равным 1,0 МПа, нагружение ступенями давления – 0,05 МПа с выдержкой по 2 мин.
1. Образец грунта в рабочем кольце взвешивают, покрывают с торцов влажными фильтрами и помещают в компрессионный прибор.
2. После помещения образца проводят следующие операции:
- устанавливают образец на перфорированный штамп;
- регулируют механизм нагружения образца;
- устанавливают приборы для измерения вертикальных деформаций образца;
- записывают начальные показания приборов.
3. При необходимости водонасыщение образца проводят путем фильтрации воды снизу вверх под арретиром. Для этого заполняют поддон водой. Водонасыщение проводят для глинистых грунтов в течение 2-5 сут, для песков - до момента появления воды над штампом.
4. Hагружение испытуемого образца проводят равномерно, без ударов, ступенями нагрузки.
5 Первую ступень давления 
при испытании песков, в том числе заторфованных, принимают в зависимости от коэффициента пористости e по таблице 5.1, а последующие ступени давления принимают равными 0,0125; 0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом 0,1 МПа до заданного значения нагрузки.
Таблица 5.8
| Коэффициент пористости, e |  0,75
| 0,75  0,6
|  0,6
|
Первая ступень давления  МПа
| 0,0125 | 0,025 | 0,05 |
В отдельных случаях, предусмотренных заданием, могут быть приняты более дробные ступени давления исходя из особенностей деформируемости грунта, условий отсыпки и условий возведения сооружения.
Слабые породы испытывают при нагрузках 0,025; 0,05; 0,075; 0,1; 0,2; 0,3 МПа, а более плотные при нагрузках 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6 МПа.
Величину груза, который необходимо приложить на рычаг пресса при заданной удельной нагрузке на породу, вычисляют по формуле
P = (σF – g)×L, где
P – общая нагрузка, приложенная к рычагу пресса (Н);
σ – заданная удельная нагрузка на породу (МПа);
F – площадь образца, (см2);
L – передаточное число системы рычага.
6. Hа каждой ступени нагружения образца грунта снимают отсчеты по приборам для измерения вертикальных деформаций в следующей последовательности: первый отсчет - сразу после приложения нагрузки, затем через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 мин и далее с интервалом 1 ч в течение рабочего дня, а затем - в начале и конце рабочего дня до условной стабилизации деформации образца.
7. За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость деформации образца, не превышающую 0,01 мм за последние 4 ч наблюдений для песков, 16 ч - для глинистых и 24 ч - для органоминеральных и органических грунтов.
8. Если при компрессионных испытаниях породы необходимо получить кривую разуплотнения, то после достижения стабилизации осадки от максимальной ступени нагрузки производят разгрузку ступенями в обратном порядке. После стабилизации разуплотнения от каждой ступени нагрузки определяют соответствующие значения коэффициента пористости.
9. После определения коэффициента пористости породы, соответствующего последней ступени нагрузки, прибор освобождают от породы, тщательно протирают и смазывают тонким слоем вазелина.
10. Обработка результатов испытания должна включать: построение компрессионной кривой, вычисление коэффициента сжимаемости и коэффициента относительной сжимаемости и модуля общей деформации.
11. Компрессионную кривую строят по конечным значениям коэффициента пористости породы после стабилизации её уплотнения от каждой ступени нагрузки. Компрессионную кривую можно строить также в другой системе координат, т. е. в системе, когда на оси ординат вместо значений коэффициента пористости показывают значения относительной деформации, а на оси абцисс, как и в первом случае, – нагрузки. Такая система построения компрессионной кривой очень удобна при использовании её для прогноза осадок сооружений.
12. Заключение по результатам проводимых испытаний должно состоять из оценки степени деформируемости – сжимаемости пород, определения структурной прочности и оценки состояния в условиях естественного залегания.
| Дата испытания | Температура
испытания
 °С
| Время снятия отсчета  ч
| Время от начала
опыта
 ч
| Hомер ступени нагружения | Масса груза на подвеске рычага прибора, кг | Давление на образец грунта 
МПа
| Показания индикаторов деформаций | ||
|
| среднее | |||||||
Абсолютная деформация образца
 мм
| Поправка на деформацию прибора
 мм
| Абсолютная деформация с учетом поправки
 мм
| Относительная деформация образца 
| Примечание |
13. Для определения характеристик m0 и E по результатам испытания для каждой ступени нагружения вычисляют:
- абсолютную вертикальную стабилизированную деформацию образца грунта 
h мм, как среднее арифметическое показаний измерительных приборов за вычетом поправки на деформацию компрессионного прибора ;
- относительную вертикальную деформацию образца грунта по формуле
14. По вычисленным значениям строят график зависимости 
.
Через точки графика проводят осредняющую плавную кривую или аппроксимируют эти точки монотонной зависимостью.
Значение давления, соответствующее точке пересечения кривой с осью давления 
равно значению структурной прочности на сжатие 
.
15. Вычисляют коэффициенты пористости 
грунта при давлениях 
по формуле:
16. Коэффициент сжимаемости 
МПа 
, в заданном интервале давлений и 
вычисляют с точностью 0,001 МПа по формуле:
где 
и 
- коэффициенты пористости, соответствующие давлениям и .
17. Модуль деформации 
МПа, в интервале давлений и вычисляют с точностью 0,1 МПа по формулам:
, или 
где 
и 
- значения относительного сжатия, соответствующие давлениям и ;
- коэффициент сжимаемости, соответствующий интервалу давления от до ;
- коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе и вычисляемый по формуле:
где 
- коэффициент поперечной деформации, определяемый по результатам испытаний в приборах трехосного сжатия.
При отсутствии экспериментальных данных допускается принимать равным: 0,30-0,35 - для песков и супесей; 0,35-0,37 - для суглинков; 0,2-0,3 при 
<0; 0,3-0,38 при 0 
0,25; 0,38-0,45 при 0,25< 
1,0 - для глин. При этом меньшие значения принимают при большей плотности грунта.
Приближённо можно считать, что если при небольших нагрузках – 0,05 – 0,5 МПа (0,5 – 5 кг/см2) на песчаные и глинистые породы коэффициент 
выражается единицами и десятыми долями единицы, породы являются чрезмерно сильносжимаемыми и сильносжимаемыми, если составляет сотые доли единицы, - среднесжимаемыми, и если выражается тысячными долями единицы, - слабосжимаемыми.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6