Сжимаемые грунты это какие: Сжимаемость грунтов

Сжимаемость грунтов

Все грунты в той или иной степени способны сжиматься. Эту их черту называют сжимаемостью. Под этим понятием подразумевают способность грунтов уменьшаться в объеме или оседать впоследствии определенного внешнего давления. На степень этой сжимаемости в большой мере влияет структура грунта.

Если говорить о песчаных грунтах, то их сжимаемость незначительна. На этот процесс сильно влияют гранулометрический и минералогический состав песка и плотность его сложения. Песок – это набор отдельных песчинок и при сжатии они взаимно перемещаются, а если давление чуть больше, то раздробляются. Поэтому сжимаемость таких грунтов происходит быстро и не зависит от влажности.

Что касается глинистых грунтов, то на процесс их сжатия влияют минералогический состав глины, степень ее дисперсности, пористости и состава обменных катионов. Также важны состояние породы и условия, при которых происходит сжатие. Гидрофильные монтмориллонитовые глины имеют большую сжимаемость, чем каолинитовые. На сжатие глинистых пород влияет дисперсность и чем выше она, тем сжимаемость больше. Насыщенность глины Na делает ее более сжимаемой, чем глины с содержанием Са. Пористость глины влияет на величину ее сжатия.

На процесс сжатия также имеют влияние гидратные оболочки, расположенные вокруг минеральных частиц. Они берут на себя часть нагрузки и при сжатии деформируются. Частицы в процессе взаимодействия притягиваются друг к другу с помощью молекулярных сил или так званых сил Ван-дер-Ваальса.

Способность к сжимаемости одного и того же вида глины может быть разной, поскольку здесь играет роль степень нарушенности структуры. Если провести опыт на двух образцах с одинаковой начальной пористостью и влажностью и равным составом воды, то те, у кого структура нарушена, будут поддаваться сжатию больше.

На сжимаемость грунтов влияют также размеры ступеней нагрузки и скорость ее нарастания. Увеличение этих данных приводит к увеличению сжатия глинистых пород.

Геологические изыскания содействуют более быстрым нарастаниям нагрузок, чем природные условия. Например, при строительстве полученные показатели сжимаемости немного завышены, и как результат осадок сооружения получается меньше, чем было рассчитано по компрессионным испытаниям.

На скорость сжатия таких видов грунтов сильно влияет уровень влажности грунта, а также мощность сжимаемого слоя.

Если образец грунта будет полностью насыщен водой, то скорость его сжатия до определенной степени будет определяться водопроницаемостью грунта. Если коэффициент фильтрации незначительный, а мощность слоя, который сжимается, будет больше, то процесс сжимаемости может происходить на притяжении многих лет. Процесс сжатия длится до той степени, пока не наступит состояние гидростатического равновесия. Это состояние, при котором из грунта отжимается часть воды, которая оказывает сопротивление на сжатие, и тогда внешнюю нагрузку на себя берет скелет грунта.

Состояние глинистого грунта, при котором в его порах, кроме наличия воды, есть еще и воздух, называют трехфазным. При этом состоянии воздух способен выходить из грунта свободно, что приводит к ускорению процесса сжатия независимо от водопроницаемости. В таком случае происходит деформация гидратных оболочек, а влажность самой породы при первом периоде опыта остается прежней.

Графическую схему зависимости пористости грунта или его влажности от давления изображает компрессионная кривая.

Понятия компрессии и сжимаемости немного отличаются друг от друга. В процессе компрессии исключается возможность расширения грунта в боковые стороны, в то время как при сжатии грунтов жесткая обойма, которая сохраняет поперечное сечение образцов, отсутствует. При этом боковая поверхность грунта поддается либо одноосному сжатию, при котором она не поддается нагрузке, либо трехосному сжатию, при котором она также переносит давление.

Явление, обратное понятию компрессии, называют декомпрессией или набуханием. Пример этого явления можно увидеть при разгрузке грунта, который был первоначально нагруженным. Разгружая грунт, его объем и пористость постепенно увеличиваются, но часто не возвращаются к своим первоначальным размерам.

Если грунт увеличился в объеме, а нагрузка при этом не была снята, то имели место так называемые упругие деформации. А если размеры начального объема грунта и объема после декомпрессии отличаются, то происходят остаточные деформации. Эти деформации вызваны перемещением частичек в грунте, которое приводит к нарушению связи между этими частицами. Упругие деформации пород связываются с деформациями водно-коллоидных и кристаллизационных связей, которые происходят между частицами, а в случае если порода насыщена водой лишь частично, то они связаны с упругими деформациями пузырьков в газах, которые находятся в поровом растворе.

Если боковое расширение грунта невозможно, то степень его сжатия определяется коэффициентом компрессии или коэффициентом уплотнения.

Для проведения экспериментов с грунтами в целях изучения их сжимаемости используют следующие приборы, которые для удобства определили в две группы: одометры и стабилометры. К первой группе относятся приборы, имеющие жесткие металлические стенки, которые не допускают боковое расширение исследуемого образца грунта при вертикальном сжатии нагрузкой. Стабилометры – это приборы, которые имеют боковую гидростатическую или же аэростатическую систему обжатия образца, которая заменяет жесткие стенки приборов первой группы.

60. Сжимаемость грунтов. Деформативные характеристики грунтов. Испытания грунта методом одноосного сжатия. Закон компрессии.

Наиболее
важным деформационным свойством грунтов
является их сжимаемость. Сжимаемостью
грунтов называется их способность
уменьшаться в объеме под действием
внешней нагрузки. Сжимаемость зависит
от пористости грунтов, гранулометрического
и минералогического состава, природы
внутренних структурных связей и характера
нагрузки.

Деформативными
характеристиками сжимаемости
являются: коэффициент сжимаемости m0,
МПа-1; коэффициент относительной
сжимаемости mV, МПа -1; модуль общей
деформации Ео, МПа и структурная прочность
грунта Рстр, МПа. Одним из способов
определения характеристик сжимаемости
в лабораторных условиях являются
компрессионные испытания. Это испытания
грунта в условиях одноосного
сжатия
без возможности бокового расширения.
Компрессионное сжатие моделирует
процесс уплотнения грунта под центром
фундамента. Компрессионные испытания
грунтов производят в одометрах –
приборах с жесткими металлическими
стенками, препятствующими боковому
расширению грунта при сжатии его
вертикальной нагрузкой. При испытаниях
происходит уплотнение грунта за счет
уменьшения объема пор и влажности.

Рис.
Схема испытания образца грунта на сжатие
в одометре.

При
испытании прикладываем на образец
грунта нагрузку Р₁ –
произойдет уплотнение грунта, и
коэффициент пористости станет е₁.

Затем
прикладываем нагрузку Р₂,
получим е₂ и
т.д. (4–5 ступеней).

После
заданного нагружения будем снимать
нагрузку и наблюдать за результатами.
По результатам испытаний строим график
компрессионной кривой (к.к).

Графическое
представление компессионных испытаний
в одометре с построением прямой и
обратной ветвей компрессионных кривых
(к.к.).

Компрессия-
это сжатие грунта без возможного бокового
расширения.

Закон
уплотнения (Закон компрессии)

изменение
коэффициента пористости грунта прямо
пропорцио­нально изменению давления.

Правая
часть этого равенства является
относительной деформацией грунта.
Поскольку для определенного грунта и
данного изменения давления величинапостоянна, относительная дефор­мация
грунта прямо пропорциональна давлению.
Следователь­но, грунт можно считать
линейно деформируемым телом.-

Однако
в ряде случаев это положение приводит
к значитель­ным расхождениям между
рассчитанными и наблюдаемыми в натуре
деформациями.

Из
графика компрессионной кривой видно,
что происходит необратимое уплотнение
грунта. Обратная ветвь к.к. – возможность
поднятия дна котлована, имеет значение
при глубоких котлованах(гидротехническое
строительство).

На
небольшом участке рассмотрим приращение
нагрузки ∆Р и
получим соответственно ∆е.
Заменим дугу прямой и рассмотрим угол
α.

∆е =
–tgα∆Р

В
этой формуле знак (–) означает, что с
увеличением нагрузки α – уменьшается.
В дифференциальной форме:

dе =
–tgαdР

tgα
= m_о и
тогда de =
–m_оdP – основная
математическая форма закона компрессии.

Относительное
изменение коэффициента пористости
пропорционально изменению нагрузки
(для малых интервалов нагрузок).

Компрессионная
кривая позволяет судить о сжимаемости
грунта.

α
– может характеризовать сжимаемость.

Пример
изменения угла наклона к.к. для мало и
сильно сжимаемого грунтов.

Возьмем
произвольную точку i на прямой, в пределах
отрезка Р₁ –
Р₂.
Составим уравнение для этой точки,
исходя из начального параметра е₀.

е_i =
е₀ –
р_i tgα
– это основное уравнение, характеризующее
компрессию в выбранном варианте.

Рассмотрим
подробнее .

где
m<_o –
коэффициент сжимаемости грунта.

Для
того чтобы получить m_o,
необходимо выделить определенный
интервал давлений.

• Р₁ –
  напряжение от собственного веса грунта

• Р
  – дополнительное давление от внешней
  нагрузки

• Р₂ –
  полное напряжение (Р₂ =
  Р₁ +
  Р)

Окончательно: 

В
соответствии с полученными значениями
коэффициента относительной сжимаемости
СП (СНиП) определяет 3 категории грунта:

• m_o <
  0,005 – грунт мало сжимаемый.

• m_o =
  0,005÷0,05 – грунт средне сжимаемый.

• m_o >
  0,05 – грунт сильно сжимаемый.

1. При
   изысканиях отбирают пробы грунта,
   строят график к.к. и определяют m_o –
   это делают обычно инженеры-геологи, а
   строители оценивают свойства грунта
   по показателям, полученным от геологов.

2. Основной
   расчет оснований по II предельному
   состоянию – по деформациям. В формулу
   расчета осадки S=hm_vP входит
   величина коэффициента относительного
   сжатия грунта .

Таким
образом, m_о является
той характеристикой, которая, как
правило, решает выбор основания: можно
строить или нельзя (тогда возникает
необходимость перехода на искусственное
основание).

существует
еще одна характеристика сжатия грунта:
Е₀ –
модуль общей деформации грунта.

Е₀ –
характеризует упругие + остаточные
деформации

(Эти
деформации не разделяются, так как в
большинстве случаев для здания это не
имеет никакого значения.)

Модуль
общей деформации может быть определен
следующим выражением:

μ
– коэффициент Пуассона (бокового
расширения грунта).

Сжимаемость и консолидация грунтов: книга по науке и технике, глава

Полное сжатие грунта под нагрузкой состоит из трех компонентов (т. е. упругая осадка, осадка первичной консолидации и вторичное сжатие). Компонент консолидации зависит от времени, и его анализ обычно основан на теории Терцаги. В главе рассмотрены характеристики консолидации грунта и их экспериментальное определение. Коэффициент консолидации можно определить с помощью метода подбора логарифма времени Касагранде или метода квадратного корня Тейлора из времени. Обсуждаются понятия предуплотнения и переуплотнения, объясняются способы определения давления предуплотнения, индекса сжатия, индекса предуплотнения и коэффициента объемной сжимаемости. Предложены способы расчета осадки с использованием коэффициента объемной сжимаемости и методов e-log как для нормально консолидированных, так и для переуплотненных грунтов. В главе также объясняется, как Шмертманн (1955) графическая методика аппроксимации индекса сжатия поля по лабораторной кривой. Он включает в себя вывод одномерной теории консолидации Терцаги и ее решение с использованием как аналитических, так и графических методов. Наконец, рассматривается явление и способ вычисления вторичного индекса сжатия.

Верх

8.1 Сжимаемость грунтов

Почва представляет собой многофазную среду, состоящую из минеральных зерен, которые заключают в себе пустоты, которые могут быть заполнены газом, жидкостью или их комбинацией. Когда к образцу почвы прикладывается напряжение, его объем уменьшается. Такое изменение объема может быть вызвано: (а) сжатием твердых частиц почвы, (б) сжатием воды и воздуха в пустотах или (в) выходом воды и воздуха из пустот.

Твердые частицы и поровая вода относительно несжимаемы и поэтому при нагрузках, обычно встречающихся в инженерно-геологических работах, они не будут претерпевать заметных объемных изменений. Поэтому уменьшение объема насыщенной грунтовой массы при увеличении напряжения почти полностью связано с выходом воды из пустот. Некоторое сжатие происходит также в результате смещения положения частиц грунта путем качения и скольжения под действием приложенной нагрузки. Этот аспект сжимаемости грунтового массива зависит от жесткости скелета грунта. Жесткость, в свою очередь, зависит от структурного расположения почвенных частиц, а в мелкозернистых почвах — от степени сцепления соседних частиц друг с другом.

При сжатии грунта поровая вода уходит. Утечка воды, по Терзаги (1943), происходит в соответствии с законом Дарси. Этот процесс, который включает в себя медленный выход воды из пор, постепенное сжатие и постепенную регулировку давления, называется консолидацией. Когда уплотнение происходит в ненасыщенных грунтах с помощью механических средств, таких как прикатывание или трамбовка, это называется уплотнением, и из пор почвы вытесняется в основном воздух, а не вода.

В песке большая часть консолидации происходит во время строительства, поэтому последствия значительно меньше, чем в мелкозернистом грунте. Однако воздействие на конструкцию фундамента зависит от чувствительности конструкции к небольшим дифференциальным осадкам. Поэтому даже для песков все же может потребоваться оценка осадки некоторых сооружений.

Глина, встречающаяся в природе, обычно подвергается естественному процессу уплотнения, первоначально отлагаясь в воде, а затем постепенно уплотняясь под весом отложившегося над ней материала. Говорят, что грунт полностью или частично консолидирован в зависимости от того, достигнуто ли состояние равновесия при существующем давлении вскрышных пород. Некоторые отложения глины чрезмерно консолидированы, то есть они были сжаты в какой-то момент своей геологической истории наложенными нагрузками, такими как ледяные щиты плейстоценового периода, или консолидировались из-за условий свободного дренирования, как в некоторых ложементах. , капиллярным всасыванием или понижением уровня грунтовых вод. Также возможно, что часть первоначального давления вскрышных пород, вызвавшего консолидацию залежи, будет удалена по причине геологической истории, например, в результате геологической истории. путем эрозии. Это также приведет к чрезмерной консолидации.

Таким образом, общее сжатие грунта под нагрузкой состоит из трех компонентов, т. е. Полная осадка = S _e + S _p + S _s (8.1) , где

S _e = упругая деформация (Немедленное урегулирование) S _p = Первичное уплотнение S _s = Вторичное сжатие

Упругая деформация возникает из-за деформации зерен грунта и горных пород и сжатия воздуха и воды в пустотах. Полностью восстанавливаем; первичная консолидация – дренаж воды и воздуха из пустот, обеспечивающих сжатие скелета грунта. Он неэластичен, зависит от времени и восстанавливается лишь частично; а вторичное сжатие происходит за счет ползучести – пластической подгонки ткани грунта под действием постоянного действующего напряжения. Это также неэластично, зависит от времени и не подлежит восстановлению. Упругое деформирование грунтов обсуждается в главе 4.

Полный список глав

Искать в этой книге:

Сброс

Как измерить сжимаемость грунтов?

РЕКЛАМА:

В теории сжатия предполагается, что сжатие грунта происходит за счет уменьшения объема пустот, при этом объем твердых частиц остается постоянным на протяжении всего процесса. Кроме того, чем выше эффективное напряжение в грунтах, тем выше результирующее сжатие. Следовательно, сжимаемость грунтов выражается в виде графика между коэффициентом пустотности по оси у и эффективным напряжением по оси абсцисс. Коэффициент пустот используется для представления сжатия, потому что это отношение объема пустот к объему твердых тел, причем первое отражает сжатие, а второе является постоянным при сжатии грунта.

Строительство любого сооружения происходит поэтапно, вызывая напряжения в грунтах также постепенно. Чтобы представить эти полевые условия, проводится лабораторное испытание на консолидацию путем постепенного приложения нагрузки к ненарушенному образцу грунта, что дает достаточно времени для полного уплотнения при каждом увеличении нагрузки.

Типичное лабораторное испытание на консолидацию состоит из нагружения образца ненарушенного грунта заданным приращением напряжения и регистрации вертикального сжатия образца с помощью циферблатного индикатора через регулярные промежутки времени в течение достаточного времени. Следующее приращение напряжения применяется только после завершения сжатия грунта под действием предыдущего приращения напряжения, и процесс повторяется.

РЕКЛАМА:

Существуют в основном следующие два типа результатов, которые получаются в ходе лабораторных испытаний на консолидацию:

я. Сжатие грунта как функция приращения эффективного напряжения, выраженная как отношение между конечным коэффициентом пустотности (также известным как равновесный коэффициент пустотности) по оси y и эффективным напряжением по оси x, как показано на рис. 11.3, что больше обычно представляют в виде кривой e-logσ ‘, как показано на рис. 11.5.

ii. Сжатие грунта как функция времени при заданном приращении напряжения, выраженное как сжатие (ΔH) или показания циферблатного индикатора (R) по оси y в зависимости от времени по оси x.

1. Соотношение давления в пустоте :

РЕКЛАМА:

На Рисунке 11.3 показано типичное соотношение пористости и давления, полученное в результате лабораторных испытаний на консолидацию, когда и коэффициент пустотности, и давление нанесены на арифметическую шкалу. Из этой кривой получаются следующие два важных члена.

я. Коэффициент сжимаемости :

Коэффициент сжимаемости, a _v , представляет собой наклон кривой соотношения паров и давления, когда обе они нанесены на арифметическую шкалу –

РЕКЛАМА:

a _v = – Δe/Δσ’ …(11.7)

Таким образом, коэффициент сжимаемости определяется как отношение изменения коэффициента пустотности к изменению эффективного напряжения. Отрицательный знак используется для обозначения того, что коэффициент пустот уменьшается с увеличением эффективного напряжения.

ii. Коэффициент объемной сжимаемости :

Коэффициент объемной сжимаемости, м _v , определяется как отношение изменения объема грунта к изменению действующего напряжения на единицу первоначального объема –

РЕКЛАМА:

м _v = ΔV/V ₁ × 1/Δσ’ …(11,8)

На рис. 11.4 показана трехфазная диаграмма почвы. Здесь V _s – объем твердого вещества почвы, а V _v объем пустот. Объем воздуха V _a = 0, так как теория уплотнения применима только для полностью водонасыщенных грунтов.

Коэффициент пустоты –

РЕКЛАМА:

e = В _v /V _с

С учетом единицы объема твердого вещества грунта, т. е. V _s = 1, коэффициент пустотности e = V _v , начальный объем грунта равен –

V ₁ = V _a + V _v = 1 + e ₁

Сейчас –

ΔV/V ₁ = Δe/(1 + e ₁ )

При постоянной нагрузке площади А имеем –

ΔV/V ₁ = (V ₁ /V ₂ )/V ₁

где V _f — конечный объем грунта после заданного приращения напряжения Δσ ’:

Объединив два приведенных выше уравнения, мы получим –

2. Индекс сжатия :

На рис. 11.5 показано более часто используемое соотношение пористости и давления, где эффективное напряжение представлено в логарифмическом масштабе, поскольку наблюдается линейная зависимость e-logσ’ для типичных нормально консолидированных глин.

Индекс сжатия представляет собой наклон графика e-logσ’ и определяется как отношение изменения коэффициента пустот к соответствующему изменению эффективного напряжения. Задается математическим соотношением –

, где e ₁ — доля пустот при эффективном напряжении σ ₁ ‘и e ₂ — доля пустот при эффективном напряжении σ ₂ ’. Отрицательный знак используется, чтобы указать, что коэффициент пустотности уменьшается с увеличением эффективного напряжения, и чтобы сделать индекс сжатия положительным –

, где Δe — уменьшение доли пустот при увеличении эффективного напряжения от σ ₁ ‘до σ ₂ ‘.