POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

Laboratorium Mechaniki Gruntów

BADANIE ŚCIŚLIWOŚCI GRUNTÓW

Wykonał:

Michał Szymani

Ściśliwością nazywa się zdolność gruntu do zmniejszania swojej objętości pod wpływem obciążenia. Grunt poddany obciążeniu bez możliwości bocznego rozszerzania odkształca się zmniejszając swoją objętość na skutek zachodzących w gruncie następujących zjawisk:

1. usuwaniu z gruntu wody wolnej i kapilarnej;

2. przesuwaniu się cząstek gruntu względem siebie i zajmowania przez nie bardziej statecznego położenia;

3. usuwania z gruntów pęcherzyków powietrza;

4. zgniatania niektórych ziarenek gruntu;

5. sprężystego odkształcenia powłoki wody błonkowej;

6. sprężystego odkształcenia cząstek gruntu;

7. zmniejszenia objętości powietrza zamkniętego w porach gruntu;

Odkształcenie gruntu powstałe na skutek obciążenia można podzielić na odkształcenia trwałe (nieodwracalne) i odkształcenia sprężyste (odwracalne). Odkształcenie trwałe powstaje na skutek zjawisk wymienionych w punktach a - d, odkształcenie sprężyste powstaje na skutek zjawisk zachodzących w punktach e - g. Wobec powyższego odkształcenia gruntu powstałe na skutek obciążenia jest sumą odkształceń trwałych i sprężystych. Grunt poddany obciążeniu w warunkach niemożliwej bocznej rozszerzalności będzie odkształcał się wskutek zachodzących w nim zjawisk wymienionych w punktach od a do g, zmniejszając swoją objętość. Po usunięciu obciążenia nastąpi odprężenie gruntu i zwiększenie wysokości próbki, grunt jednak nie powróci do swej pierwotnej wysokości, ponieważ została z niego usunięta woda znajdująca się w porach, część pęcherzyków powietrza, nastąpiło również częściowe zgniecenie ziarenek i wzajemne przesunięcie się cząstek gruntu. Zjawiskom tym towarzyszy zagęszczenie się gruntu, a tym samym zmniejszenie się porowatości i wskaźnika porowatości.

Wobec powyższego krzywa ściśliwości i odprężenia nie będą pokrywały się ze sobą. Po dokonaniu jednorazowego obciążenia i odciążenia grunt nie uzyska maksymalnego, możliwego w tych warunkach zagęszczenia. Powtarzając kilkakrotnie proces obciążania i odciążania uzyskuje się ponowne, lecz coraz to mniejsze odkształcenia trwałe. Dokonując szeregu kolejnych, stale w tym zakresie powtarzających się obciążeń i odciążeń można prawie całkowicie wyeliminować odkształcenia trwałe, doprowadzając do pokrywania się krzywych ściśliwości.

KRZYWA ŚCIŚLIWOŚCI

Do wyznaczania krzywej: ściśliwości pierwotnej, odprężenia i wtórnej gruntu służy aparat zwany edometrem.

Jeżeli próbkę gruntu umieszczoną w edometrze podda się kolejnym, coraz to większym stopniom obciążenia, dokonując równocześnie pomiaru zmiany wysokości próbki przed każdorazową zmianą obciążenia, wówczas uzyska się zależność zmiany wysokości próbki od wielkości obciążenia. Nanosząc kolejne pomiary na układ współrzędnych prostokątnych i odkładając w skali na osi poziomej obciążenie przypadające na jednostkę powierzchni próbki, a na osi pionowej wysokość próbki przed każdorazową zmianą wysokości, uzyska się szereg punktów układających się w postaci krzywej logarytmicznej, która nazywa się krzywą ściśliwości pierwotnej.

Przez stopniowe zmniejszanie obciążenia grunt będzie się odprężał, zwiększając swą wysokość (objętość), nie uzyskując jednak tej objętości, jaką miał przy zwiększaniu obciążenia. Pomiary wysokości próbki po każdej zmianie obciążenia, naniesione na wykres dadzą krzywą odprężenia.

Obciążając stopniowo powtórnie tę samą próbkę i po naniesieniu dokonanych pomiarów na wykres, uzyska się drugą krzywą ściśliwości, która początkowo przebiegać będzie ponad krzywą odprężenia, potem przetnie ją, następnie pokryje się z krzywą ściśliwości pierwotnej, tworząc jej przedłużenie przy zwiększonych wartościach obciążeń. To jest krzywa ściśliwości wtórnej.

W praktyce inżynierskiej zachodzi często konieczność obliczania wielkości spodziewanych osiadań projektowanej budowli. Wielkość osiadań zależna jest przede wszystkim od ściśliwości gruntu, na którym projektuje się posadowienie danej budowli, od wielkości obciążeń oraz od rodzaju i wymiaru fundametnów w planie.

EDOMETRYCZNE MODUŁY ŚCIŚLIWOŚCI

Laboratoryjnie moduł ściśliwości wyznacza się za pomocą edometru. Każdy edometr powinien być wycechowany, w celu wprowadzenia odpowiednich poprawek odczytów czujnika redukujących odkształcenia własne edmetru. Do wyznaczenia modułu ściśliwości potrzebna jest następująca aparatura i sprzęt pomocniczy:

1. edometr

2. pierścień do pobierania próbek

3. nóż

4. sączki z bibuły filtracyjnej

5. suwmiarka

6. przyrządy do badania wilgotności, ciężaru objętościowego i właściwego

Edometr składa się z następujących zasadniczych części:

1. podstawa edometru z otworem w środku do odprowadzania lub doprowadzania wody

2. filtr dolny z oprawką

3. trzy śruby skrzydełkowe

4. pierścień wewnętrzny do umieszczania próbki gruntu

5. pierścień dociskowy

6. filtr górny z tłoczkiem

7. kulka stalowa

8. śrubka sworznia dociskowego

9. sworzeń dociskowy

10. nakrętka mocująca

11. uchwyt do podstawki czujnika z prętem pionowym i płytką górną do oparcia nóżki czujnika

12. ramka obciążająca

13. komplet obciążników tarczowych

14. czujnik zegarowy

15. ramiączko do umocowania czujnika

16. wodzik ramiączka

17. maszt

18. pierścieniowe uszczelki gumowe

Do badania ściśliwości używa się próbek o nienaruszonej strukturze i zachowanej wilgotności naturalnej, pobranych z dołów próbnych lub otworów wiertniczych. Przed przystąpieniem do badania należy stwierdzić, czy dostarczony grunt odpowiada warunkom stawianym dla tego rodzaju badań, a więc obejrzeć czy cylinder nie jest pogięty, czy dobrze wykonano uszczelnienie, czy parafina nie odstaje od ścianek cylindra i czy w parafinie nie ma pęknięć i szczelin. Wszelkie dostrzeżone braki i usterki wpisać do zestawień badań laboratoryjnych.

Badanie w edometrze wykonuje się przy stopniowym wzroście obciążeń. Zgodnie z tą metodą próbki umieszczone w pierścieniu edometru obciąża się stopniowo, przy czym każde kolejne obciążenie jest dwa razy większe od poprzedniego (przy wzroście obciążeń) lub dwa razy mniejsze przy odciążaniu. Każdy stopień obciążenia utrzymuje się tak długo, aż zakończy się proces osiadania. Według normy przyjmuje się, że proces osiadania próbki zakończył się, gdy zmiany wysokości w masie 1 do 4h (dla gruntu niespoistego) lub 4 do 19h (dla gruntu spoistego) od momentu zmiany obciążenia nie przekroczyły 0,001 mm. W związku z tym prowadzi się w określonych odstępach czasu pomiary wysokości próbki. Na podstawie tych obserwacji sporządza się wykresy konsolidacji oraz krzywe ściśliwości o odprężenia w postaci h = f(σ') lub e = f(σ').

Wartość edometrycznego modułu ściśliwości pierwotnej M­_o wyznacza się na podstawie wykresu ściśliwości wtórnej.

Moduły ściśliwości pierwotnej M_o i wtórnej M. oblicz się według wzoru:

gdzie:

- przyrost obciążenia;

- względne odkształcenie;

- wysokość próbki w edometrze przed zwiększeniem naprężenia z

- zmniejszenie wysokości próbki po zwiększeniu naprężenia Δσ'_i

Edometr standardowy, w którym próbka ma średnicę D = 65 mm i wysokość h = 20 mm, uniemożliwia badanie gruntów drobnoziarnistych (norma zaleca badania gruntów spoistych i organicznych).

WSPÓŁCZYNNIK ŚCIŚLIWOŚCI GRUNTU I WSPÓŁCZYNNIK ŚCIŚLIWOŚCI OBJĘTOŚCIOWEJ

Ściśliwość gruntów można określać również za pomocą współczynnika ściśliwości. Współczynnikiem ściśliwości gruntu nazywa się stosunek przyrostu wskaźnika porowatości do przyrostu naprężeń, które spowodowały przyrost wskaźnika porowatości. Współczynnik ściśliwości określa się w oparciu o krzywą ściśliwości, wyrażającą zależność pomiędzy przyrostem naprężenia a zmniejszeniem się wskaźnika porowatości, wywołanego przyrostem naprężenia. Jeżeli naprężenie na grunt zostanie zwiększone, wówczas zgodnie z prawem ściśliwości gruntów wskaźnik porowatości ulegnie zmianie (zmniejszy się).

Współczynnik ściśliwości a wyraża więc zależność zmiany wskaźnika porowatości od zmiany obciążenia gruntu w warunkach niemożliwej jego bocznej rozszerzalności i wyraża się wzorem:

- współczynnik ściśliwości

- zmiana wskaźnika porowatości przy zmianie naprężeń o

Zależność między edometrycznym modułem ściśliwości M_O a współczynnikiem ściśliwości jest wyrażona wzorem:

Współczynnik ściśliwości objętościowej m_V (współczynnik zmiany objętości) określa się ze wzoru:

Zależności pomiędzy M_oi, a_i oraz m_Vi są następujące:

Schemat próbki gruntu przed i po obciążeniu Δσ_i

WSKAŹNIK ŚCIŚLIWOŚCI GRUNTU

Wskaźnik ściśliwości C_C określa się na podstawie nachylenia pierwotnej krzywej ściśliwości, narysowanej w skali półlogarytmicznej według wzoru:

Do wstępnej oceny wskaźnika ściśliwości iłów i glin o małej wrażliwości można stosować wzór:

C_C = 0,009 (w_L - 10)

gdzie:

w_L - granica płynności w %

Dla normalnie skonsolidowanych glin i iłów o małej wrażliwości C_C od 0,2 do 10, grunty organiczne charakteryzuje C_C > 4

POLOWE BADANIA ŚCIŚLIWOŚCI GRUNTU

Ściśliwość gruntów w terenie określa się na podstawie próbnego obciążenia w wykonanych wykopach i otworach wiertniczych. W gruntach jednorodnych badania wykonuje się w trzech miejscach. Jeżeli gruntu są niejednorodne, to próbne obciążenie należy wykonać również dla każdej warstwy zalegającej w strefie aktywnej. Próbne obciążenie w celu określania modułów odkształcania obecnie wykonuje się na ogół za pomocą sztywne płyty i presjometru.

Próbne obciążenie gruntu sztywną płytą wykonuje się w wykopach. Do badań norma zaleca stosować płyty sztywne o kształcie kołowym i powierzchni 0,5 m². W czasie próbnego obciążenia określa się osiadanie płyty. Obciążenie zadaje się stopniami, a każdy stopień obciążenia utrzymuje się tak długo, aż przyrost osiadania płyty będzie Δs ≤ 0,1 / 2h dla gruntów spoistych i Δs ≤ 0,1 / 0,5h dla niespoistych. Wyniki tego obciążania przedstawia się w postaci wykresu s = f(σ), a otrzymaną wartość aproksymuje się linią prostą.

Próbne obciążenie presjometrem polega na pomiarze odkształcenia ścianki otworu wiertniczego w wyniku przyłożonego do niej określonego obciążenia poziomego (kołowo-symetrycznego). Badanie odbywa się przez wprowadzenie do otworu wiertniczego o małej średnicy (60 mm), wykonanego przy zastosowaniu płuczki iłowej, cylindra o elastycznej gumowej powierzchni bocznej, tzw. sondy oraz wywieraniu nacisku ścianek sondy na ścianę otworu w wyniku tłoczenia do niej płynu pod określonym ciśnieniem. W czasie badania mierzymy się wartość ciśnienia płynu P oraz wzrost objętości komory ΔV, czyli odkształcenie objętościowe otworu. Na podstawie wyznacza się presjometryczny moduł odkształcenia Eρ oraz ciśnienie (obciążenie) graniczne ρ_gr (poziome).

ŚCZĘŚ OBLICZENIOWA

7

---