2. 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).