Badanie ściśliwości gruntu

 

OPIS TEORETYCZNY

Ściśliwością gruntu nazywamy zdolność gruntu do zmniejszania swojej objętości pod wpływem obciążenia. W przypadku rozdrobnionych gruntów mineralnych zmniejszanie się objętości gruntu pod wpływem obciążenia jest wynikiem zmniejszania się objętości porów wskutek wzajemnego przesuwania się ziaren i cząstek gruntu. W procesie tym następuje wyciskanie wody i powietrza wypełniających pory gruntowe.

Ściśliwość gruntu zależy głównie od składu granulometrycznego gruntu, porowatości, wilgotności, składu mineralnego (zwłaszcza frakcji iłowej).

Miarą ściśliwości gruntu jest moduł ściśliwości, który jest w pewnym sensie odpowiednikiem modułu sprężystości ciał sprężystych. Grunt nie jest jednak ciałem w pełni sprężystym i odkształcenia zachodzące w nim pod wpływem przyłożonych obciążeń są sumą odkształceń sprężystych i trwałych, dlatego wykres ściśliwości nie pokrywa się z wykresem odprężenia. Jest wiele możliwości badania ściśliwości gruntu zarówno w terenie jak i w laboratorium. Badanie ściśliwości w laboratorium wykonuje się w aparacie zwanym edometrem, dlatego też parametr uzyskany w wyniku tego badania nazywa się edometrycznym modułem ściśliwości. Zależność między obciążeniem a odkształceniem jest funkcją wyższego rzędu, ilustracją której jest krzywa ściśliwości.

Rys. 1. Schemat edometru

 

Rys. 2. Edometr

Rys. 3. Krzywa ściśliwości

Powyższy wykres ilustruje zjawisko ściśliwości pierwotnej dla próbki gruntu, jej odprężenia (po odciążeniu) i ściśliwości wtórnej (przy ponownym obciążeniu w tym samym zakresie). Wartość modułu ściśliwości pierwotnej określamy z krzywej ściśliwości pierwotnej z wzoru, który przyjmuje się według prawa Hooke'a z zastrzeżeniem, że stosuje się go dla niedużych zakresów obciążeń:

w którym:

M₀ - moduł ściśliwości pierwotnej [kPa, MPa],
Δσ - przyrost obciążenia jednostkowego próbki [kPa, MPa],
ε - odkształcenie względne próbki,
Δσ_i - przyrost obciążeń, Δσ_i = σ_i -σ_i-1 , [kPa, MPa],
h_i-1 - wysokość próbki w edometrze przed zwiększeniem naprężenia z σ_i-1 do σ_i [mm],
h_i - wysokość próbki w edometrze po zwiększeniu naprężenia z σ_i-1 do σ_i [mm],
Δh_i - zmniejszenie wysokości próbki w pierścieniu edometru po zwiększeniu obciążenia o Δσ_i; Δh_i = h_i-1 - h_i [mm].

Moduł ściśliwości wtórnej (M) oblicza się w analogiczny sposób przyjmując wartości odkształceń z krzywej ściśliwości wtórnej.
Proces zmiany objętości gruntu w czasie, zachodzący w wyniku wypływania wody z porów pod wpływem przyłożonego obciążenia nazywamy konsolidacją.
Czas trwania konsolidacji zależy głównie od przepuszczalności gruntu. Grunty o niskiej przepuszczalności (np. grunty spoiste) wymagają dłuższego czasu na zakończenie konsolidacji. Dlatego grunty te osiadają znacznie wolniej niż grunty niespoiste, i, co za tym idzie, proces ten trwa znacznie dłużej. Proces ten ilustruje krzywa konsolidacji.

Rys. 4. Przykładowe krzywe konsolidacji

Krzywe konsolidacji sporządza się dla wszystkich stopni obciążeń.
Sporządzenie krzywej konsolidacji pozwala nam uchwycić moment stabilizacji osiadań, co warunkuje przyłożenie następnego stopnia obciążenia.

SPOSÓB WYKONANIA BADANIA

I Przygotowanie próbki do badania

Badania ściśliwości gruntu wykonuje się (jeżeli tylko jest to możliwe) na próbkach o nienaruszonej strukturze.
Dla celu ćwiczenia dydaktycznego poprzestaniemy na badaniu próbki o naruszonej strukturze wykonując następujące czynności:

1. przy pomocy dwudzielnego próbnika z wmontowanym w środku pierścieniem edometrycznym wyciąć z gruntu próbkę,

2. wyciągnąć pierścień edometryczny z gruntem i wyrównać powierzchnię gruntu równo z brzegami pierścienia edometrycznego (prowadzimy nóż zawsze od środka pierścienia do jego krawędzi),

3. na dolnym filtrze edometru umieścić zwilżony sączek z bibuły filtracyjnej a na nim pierścień edometryczny z gruntem, przykrywając górną powierzchnię gruntu również zwilżonym sączkiem z bibuły filtracyjnej,

4. założyć obudowę pierścienia edometru i przykręcić ją śrubami motylkowymi,

5. ułożyć na próbce pokrywę wraz z wbudowanym filtrem, umieścić trzpień na kulce górnej pokrywy i unieruchomić go śrubą dociskową,

6. ustawić czujnik zegarowy przesuwu, pamiętając o tym, że próbka gruntu będzie osiadać i sztyca pomiarowa czujnika nie może zawisnąć nad próbką; ustawiony i wyzerowany czujnik zegarowy wskazywać będzie na początku pierwotną wysokość próbki h = 20 mm,

7. założyć ramkę edometru na trzpień (nie obciążona ramka z wieszakiem daje obciążenie wywołujące naprężenie 12,5 kPa).

 II Wykonanie badania

Dla skrócenia procesu badawczego dopuszczamy się odstępstwa od normowego sposobu postępowania (PN-88/B-04881), zachowując zasadę pomiarów):

1. odczyty osiadania będziemy notować po upływie następujących czasów: 30˝, 1´, 2´, 4´, 6´, 8´ ,

2. odkręcamy śrubę dociskową trzpienia i notujemy odczyty czujnika przemieszczeń,

3. po określonym czasie pomiarowym zwiększamy obciążenie do kolejno: 25, 50, 100 kPa,

4. po każdym nowym obciążeniu notujemy wskazania czujnika jak przewidziano w pkt. II 1.,

5. po osiągnięciu umownej stabilizacji odciąża się próbkę stopniowo w odstępach czasowych 2 min do wartości 12,5 kPa,

6. w celu określenia ściśliwości wtórnej gruntu po odciążeniu, próbkę obciąża się ponownie kolejno stopniami obciążenia zgodnie z pkt. II 3. w odstępach czasowych 2min.

III Obliczanie wyników

1. Wykonać wykres ściśliwości h=f(σ), gdzie h - wysokość próbki jest określona na końcu każdego etapu obciążania po osiągnięciu przez próbkę umownej stabilizacji.

2. Wykonać wykres krzywej konsolidacji h=f(t), dla wszystkich stopni obciążenia gdzie t - jest czasem dla poszczególnych odczytów wysokości próbki.

3. Z krzywej ściśliwości odczytać odkształcenia i obliczyć edometryczne moduły ściśliwości pierwotnej i wtórnej.

4. Po makroskopowym określeniu rodzaju i stanu gruntu przeanalizować wielkość otrzymanych wyników.