Метод компрессионного сжатия

 

Сущность метода

 

5.4.1.1 Испытание грунта методом компрессионного сжатия проводят для определения следующих характеристик деформируемости в соответствии с заданием и программой испытаний: коэффициента сжимаемости , модулей деформации  и  для ветвей первичного и повторного нагружения, коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации  и  для песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов, органо-минеральных и органических грунтов.

5.4.1.2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца при его нагружении вертикальной нагрузкой.

Результаты испытаний должны быть оформлены в виде графиков зависимостей деформаций образца от нагрузки при определении  и Е и их изменения во времени при определении значений  и .

5.4.1.3 Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется в программе испытаний с учетом напряженного состояния грунта в массиве, т.е. с учетом передаваемых на основание нагрузок и бытового давления. Во всех случаях конечное давление должно быть больше бытового давления на глубине залегания образца грунта.

5.4.1.4 Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или водонасыщенные или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности (см. ГОСТ 30416).

Образец грунта должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и отношение диаметра к высоте должно составлять от 2,8 до 3,5. Максимальный размер фракции грунта (включений, агрегатов) в образце должен быть не более 1/5 высоты образца.

 

Оборудование и приборы

 

5.4.2.1 В состав установки для испытания грунта в условиях компрессионного сжатия должны входить:

- компрессионный прибор (одометр), состоящий из рабочего кольца с внутренними размерами по 5.4.1.4, цилиндрической обоймы, перфорированных вкладыша под рабочее кольцо и штампа (пористых пластин) и поддона с емкостью для воды;

- механизм для вертикального нагружения образца грунта;

- устройства для измерения вертикальных деформаций образца грунта.

В компрессионном приборе может быть предусмотрено измерение порового давления в образце и бокового давления грунта на стенки рабочего кольца.

5.4.2.2 Конструкция компрессионного прибора должна обеспечивать:

- подачу воды к образцу снизу и ее отвод;

- герметичность деталей прибора;

- центрированную передачу нагрузки на штамп;

- постоянство давления на каждой ступени;

- первоначальную нагрузку на образец от штампа и закрепленных на нем измерительных приборов не более 0,0025 МПа;

- перфорация пористых штампов должна обеспечивать свободный отток отжимаемой воды из образца.

5.4.2.3 Компрессионные приборы тарируют на сжатие с помощью металлического вкладыша, покрытого с двух сторон бумажными фильтрами, смоченными водой. Максимальное давление при тарировке принимают в зависимости от конструкции прибора и предельных нагрузок при испытаниях, но не менее 1,0 МПа, нагружение проводят ступенями по 0,05 МПа на первых двух ступенях и далее по 0,1 МПа с выдержкой по 2 мин.

 

Подготовка к испытанию

 

5.4.3.1 Образец грунта изготавливают с учетом требований 5.4.1.4.

5.4.3.2 Образец в рабочем кольце взвешивают, покрывают с торцов влажными фильтрами и помещают в цилиндрическую обойму компрессионного прибора.

При односторонней фильтрации воды из образца вместо влажного фильтра используют тонкую водонепроницаемую прокладку.

5.4.3.3 Выполняют следующие операции:

- устанавливают образец на перфорированный вкладыш;

- устанавливают на образец перфорированный штамп;

- собранный прибор устанавливают под механизм для вертикального нагружения образца грунта;

- регулируют механизм нагружения образца;

- подключают устройства для измерения вертикальных деформаций образца;

- записывают начальные показания приборов.

5.4.3.4 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. Для ускорения водонасыщения применяют специальное устройство, в котором поддерживают уровень воды, превышающий верхнюю поверхность образца примерно на его высоту. Водонасыщение образца в рабочем кольце может быть проведено до испытания в специальной вакуумной камере, заполненной водой, после чего образец помещают в компрессионный прибор.

 

5.4.4 Проведение испытания для определения характеристик ,  и

 

5.4.4.1 Нагружение образца проводят ступенями нагрузки равномерно, без ударов.

Примечание - допускается проведение испытаний с постоянной скоростью деформации образца с измерением порового давления, а также испытаний с измерением бокового давления.

 

5.4.4.2 При испытании песков, в том числе заторфованных, органо-минеральных и органических грунтов первую ступень давления  принимают в зависимости от коэффициента пористости е по таблице 5.8, а при испытании глинистых грунтов - в зависимости от показателя текучести  по таблице 5.9. Последующие ступени давления р принимают равными удвоенным значениям предыдущей ступени. Нагрузку доводят до заданного значения (см. 5.4.1.3). Число ступеней должно быть не менее пяти.

Примечание - Программой исследований могут быть обоснованы иные ступени давления  исходя из особенностей деформируемости грунта, условий отсыпки и условий возведения сооружения, в частности, для плотных песков и полутвердых и твердых глинистых грунтов допускается принимать значения  равными бытовому давлению на глубине отбора образца.

 

Таблица 5.8 - Значение первой ступени давления в зависимости от коэффициента пористости

 

Коэффициент пористости e	1,0	1,0> 0,75	0,75> 0,6	0,6
Первая ступень давления , МПа	0,005	0,0125	0,025	0,05

 

Таблица 5.9 - Значение первой ступени давления в зависимости от показателя текучести

 

Показатель текучести	1,0	1,0> 0,75	0,75> 0,5	0,5> 0,25	0,25
Первая ступень давления , МПа	0,005	0,0125	0,025	0,05	0,1

 

5.4.4.3 При испытании глинистых и органо-минеральных грунтов ненарушенного сложения для определения их структурной прочности на сжатие  первую и последующие ступени давления принимают равными 0,0025 МПа до момента начала сжатия образца. Начало сжатия следует считать при относительной вертикальной деформации образца >0,005. При дальнейшем нагружении за очередную ступень давления принимают ближайшее большее значение по 5.4.4.2.

Для водонасыщенных глинистых и органо-минеральных грунтов при определении  следует учитывать их возможное частичное разуплотнение после отбора и подъема образца на поверхность, вычисляя относительное разуплотнение  по формуле

 

, (5.29)

 

где  - начальный коэффициент пористости грунта после подъема образца на поверхность;

 - коэффициент водонасыщения грунта после подъема образца на поверхность.

5.4.4.4 На каждой ступени нагружения образца регистрируют показания приборов для измерения вертикальных деформаций в следующей последовательности: первое показание - 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.

Примечание - Указанное время снятия показаний может быть несколько изменено для удобства построения кривой консолидации методом "квадратного корня из времени" (см. 5.4.4.5, 5.4.5.1).

5.4.4.5 Для водонасыщенных в природном залегании грунтов и грунтов, приведенных в водонасыщенное состояние предварительным замачиванием (см. 5.4.3.4), время окончания уплотнения образца грунта на данной ступени нагружения для глинистых, органо-минеральных и органических грунтов определяют как время завершения 100%-ной фильтрационной консолидации [3]. Для этого в процессе испытания строят график зависимости деформации образца во времени - кривую консолидации, которую обрабатывают методом "квадратного корня из времени" (также возможна обработка логарифмическим методом) и определяют время окончания фильтрационной консолидации  (см. приложение К).

5.4.4.6 Для неводонасыщенных в природном залегании глинистых грунтов, просадочных, набухающих и засоленных грунтов, а также песков уплотнение образца на данной ступени нагружения продолжают до момента достижения условной стабилизации деформации образца.

За критерий условной стабилизации деформации образца принимают ее приращение не превышающее 0,05% за время, указанное в таблице 5.3.

5.4.4.7 При испытании насыпных грунтов с заданными плотностью и влажностью ступени давления и время их выдержки принимают по 5.4.4.2, 5.4.4.4 и 5.4.4.6 или в соответствии с программой испытаний в зависимости от начального коэффициента увлажнения грунта  (см. таблицу 5.10), определяемого как отношение влажности насыпного грунта в конструкции к оптимальной влажности грунта при его максимальной плотности при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733.

 

Таблица 5.10 - Ступени давления и время их выдерживания в зависимости от коэффициента увлажнения грунта

 

Коэффициент увлажнения грунта	Ступени давления , МПа	Время выдерживания ступеней , ч
<1,2	0,02	1
1,20-1,25	0,015	3
1,26-1,35	0,010	10
>1,35	0,010	24
Примечание - Последнюю ступень нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформации в соответствии с 5.4.4.6.

 

5.4.4.8 По специальному заданию для определения модуля деформации по ветви повторного нагружения может быть проведена разгрузка образца грунта, а затем повторное нагружение. Последняя ступень разгрузки и начало повторного нагружения определяются заданием. При полной разгрузке последняя ступень должна соответствовать давлению от штампа и смонтированного на нем измерительного оборудования. Повторное нагружение проводят в последовательности, аналогичной последовательности первого нагружения. Число ступеней при разгрузке допускается уменьшить.

Регистрацию деформации образца при разгрузке и повторном нагружении ведут через интервалы времени, указанные в 5.4.4.4, а критерий условной стабилизации деформации принимают по 5.4.4.6.

5.4.4.7 После окончания испытания необходимо удалить воду сверху образца и из поддона, опустить арретир, снять нагрузку, взвесить рабочее кольцо с грунтом, определить влажность и массу сухого грунта.

 

5.4.5 Проведение испытания для определения характеристик консолидации  и

 

5.4.5.1 Испытание проводят при постоянном заданном давлении. Условия дренирования образца (одностороннее или двухстороннее) должны быть заданы в программе испытаний. Заданное давление на образец передают сразу. Деформации образца регистрируют через промежутки времени, указанные в 5.4.4.4. В процессе испытания строят кривую консолидации в координатах относительная деформация - корень квадратный из времени или используют логарифмическую шкалу времени (см. приложение К). При этом для определения  регистрацию деформаций необходимо продолжать до установления линейного участка вторичной консолидации.

5.4.5.2 При определении  и  насыпных глинистых грунтов с заданными плотностью и влажностью учитывают при необходимости реальный градиент отжатия поровой жидкости, значение которого задается в программе испытаний.

Давление на образец р, МПа, при котором будет создан заданный градиент отжатия, вычисляют по формуле

 

, (5.30)

 

где I - заданный градиент отжатия, МПа/см;

l - длина пути фильтрации воды из образца, см.

 

Обработка результатов

 

5.4.6.1 Для определения характеристик ,  и  по результатам испытания для каждой ступени нагружения вычисляют:

- абсолютную вертикальную стабилизированную деформацию образца грунта , мм, как среднеарифметическое значение показаний измерительных устройств за вычетом поправки на деформацию компрессионного прибора ;

- относительную вертикальную деформацию образца грунта ;

- коэффициент пористости грунта  при давлениях  по формуле

 

. (5.31)

 

5.4.6.2 По вычисленным значениям строят график зависимости  или е=f(p) (см. приложение Л). Через точки графика проводят осредняющую плавную кривую.

5.4.6.3 Коэффициент сжимаемости , , на каждой ступени нагрузки от  до  вычисляют с точностью 0,001  по формуле

 

, (5.32)

 

где  и  - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям  и .

5.4.6.4 Одометрический модуль деформации  и модуль деформации по данным компрессионных испытаний , МПа, в заданном интервале давлений  (секущие модули) вычисляют с точностью 0,1 МПа по формулам:

 

; (5.33)

 

, (5.34)

 

или

 

, (5.35)

 

где  - изменение относительного сжатия, соответствующее ;

 - коэффициент сжимаемости, соответствующий ;

 - коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе и вычисляемый по формуле

 

, (5.36)

 

где  - коэффициент поперечной деформации, определяемый по результатам испытаний в приборах трехосного сжатия по 5.3 или в компрессионных приборах с измерением бокового давления.

При отсутствии экспериментальных данных допускается принимать р равным 0,8 - для песков; 0,7 - для супесей; 0,6 - для суглинков и 0,4 - для глин.

5.4.6.5 Коэффициент фильтрационной консолидации  и коэффициент вторичной консолидации  определяют в соответствии с приложением К.

5.4.6.6 Структурную прочность на сжатие , МПа, определяют как давление, при котором относительная вертикальная деформация образца грунта  превысит 0,005 (см. 5.4.4.3).