Сжимаемость грунтов по результатам испытаний в стабилометре
Г.И. Швецов, д.г.Cм.н., профессор, членCкорр. РААСН; Л.В. Куликова, д.т.н., профессор, АлтГТУ им. И.И. Ползунова; В.Г. Казанцев, д.т.н., профессор, Бийский технологический институт
Испытание грунтов в приборах трехосного сжатия (стабилометрах) позволяют более правильно моделировать напряженное состояние грунта. Нами проводились опыты по методике ограниченного бокового расширения. Её применение обосновывается тем, что при загружении грунта местной нагрузкой, он испытывает ограниченное расширение, подобное расширению элементарного объема в грунтовой среде.
Основные положения методики заключаются в следующем. В начале опыта создается гидростатическое равновесие главных напряжений. Затем ступенями образец грунта загружается вертикальной нагрузкой, при которой боковое давление сохраняется постоянным. Испытание проводится до разрушения образца. В результате каждого опыта определяются основные характеристики сжимаемости: модуль общей деформации и коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона).
Опыты выполнялись на стабилометрах конструкции И.З. Лобанова. Величина модуля общей деформации грунтов определялась по формуле:
где Е – модуль общей деформации, кг/см2;
σz – вертикальное напряжение, кг/см2;
σq – первоначальное боковое давление, кг/см2;
μ – коэффициент Пуассона.
Учитывая отсутствие достаточно полных рекомендаций по назначению величины σq, нами ставились специальные опыты на мелких песках в воздушно – сухом и уплотненном состояниях.
Исследования проводились при различных первоначальных боковых давлениях σq, равных 0.2, 0.3 и 0.4 кг/см2. Указанные давления были выбраны с таким расчетом, чтобы не вызвать переуплотнение образцов и не исказить результаты опытов. С другой стороны, при малых величинах σq в большей степени сказывается влияние ошибок, неизбежных при проведении опытов в стабилометре: силы трения грунта о резину, сжимаемость резиновой оболочки и т.д.
В общей сложности выполнено на указанных грунтах 48 опытов, часть результатов которых приведены на рис. 1 в виде графиков зависимости относительно деформаций σz, коэффициента поперечного расширения μ и модуля деформации Е от удельного давления λz.
Из графиков λz=f(σz) следует, что увеличение первоначального бокового давления вызывает уменьшение относительных деформаций образца при одинаковых вертикальных напряжениях. При этом растет протяженность условного прямолинейного участка графика, сопровождаясь увеличением модуля деформации при равных вертикальных давлениях (рис. 1).
Таким образом, характеристики деформируемости грунтов в значительной степени зависят от напряженного состояния или точнее – от соотношения главных напряжений. Этот вывод наглядно подтверждается и данными табл. 1, в которой представлены характеристики сжимаемости грунтов, определенные при различных соотношениях главных напряжений σz/σq.
Как видно из табл. 1 увеличение соотношения главных напряжений приводит к уменьшению модуля деформации и росту коэффициента поперечного расширения. Однако, для каждого вида грунта при равных соотношениях σz/σq характеристики сжимаемости сохраняют сравнительно постоянное значение. Эта закономерность соблюдается независимо от величины первоначального бокового давления σq.
Полученный вывод является ответом на вопрос о величине бокового давления σq при проведении опытов в стабилометре. Из него вытекает, что испытание необходимо проводить при двух-трех значениях σq с тем, чтобы установить соотношение главных напряжений, соответствующее условной границе уплотнение грунта. После этого можно определять характеристики сжимаемости.
В настоящее время имеет широкое распространение теории «гидростатического» распределения напряжений от собственного веса грунта (4). Поэтому величину первоначального бокового давления следует назначать не выше «бытового» из условия сохранения естественной плотности грунта в начале опыта.
На величину характеристик сжимаемости грунтов влияет также соотношение размеров испытываемых образцов. Учитывая это, нами опытным путем сравнивались варианты образцов при отношении высоты (h) к диаметру (d) от 0.3 : 1.0 до 1.1 : 1.0. За объект сравнений были приняты коэффициенты бокового давления и модуль общей деформации (Е). Опыты по исследованию коэффициента давления проводились в условиях невозможности бокового расширения образца.
На рис. 2 приведены результаты опытов для макропористого лессовидного суглинка в виде зависимости ξ=f(h/d). Из него следует, что с увеличением высоты образца при постоянном диаметре значения коэффициентов бокового давления возрастают. Такой характер изменения ξ объясняется, в основном, влиянием сил трения, имеющим место по контактной поверхности поршня с грунтом. При малых высотах образца это влияние становится существенным и обуславливает уменьшение величины коэффициента бокового давления. Здесь также сказывается и влияние резиновой оболочки, сжимаемость которой приводит к снижению бокового давления. При малых значениях отношения h/d величины модулей деформации оказываются также заниженными. Это наглядно иллюстрируется данными табл. 2.
Таким образом, достоверные характеристики сжимаемости грунтов получаются на образцах, имеющих соотношение размеров h/d=1. К такому же выводу приходят Е.И. Медков (1) и А.А. Григорян (5).
Изложенные выше уточнения методики ограниченного бокового расширения послужили основой для исследований сжимаемости грунтов, имеющих широкое распространение в районе г. Новосибирска. Они представлены в большинстве пылеватыми песками и макропористыми лессовидными супесями и суглинками.
Результаты испытаний грунтов в стабилометре сравнивались с данными полевых опытов, проведенными на указанных грунтах штампами площадью 2500 см2, 5000 см2 (в шурфах) и 600 см2 (в скважинах). Полевые опыты выполнялись отделом инженерной геологии треста «НовосибТИСИЗ» при непосредственном участии авторов. При этом значения модулей деформации определялись на основе модели слоя ограниченной толщины, как более точно отражающей механические свойства исследуемых оснований (6).
По табл. 3 модули деформации грунтов по результатам трехосных испытаний и полевых опытов отличаются между собой в среднем на 20–25%. Это подтверждает возможность широкого использования приборов трехосного сжатия в практике инженерно-геологических исследований грунтов.
Выводы:
1. Основные характеристики сжимаемости грунтов – модуль общей деформации и коэффициент поперечного расширения – зависят от соотношения главных напряжений. Увеличение последних приводят к росту коэффициента поперечного расширения и уменьшению модуля общей деформации.
2. Исследование сжимаемости грунтов в стабилометре по уточненной нами методике ограниченного бокового расширения позволяет определить значение модулей общей деформации, удовлетворительно согласующимся с результатами полевых испытаний.
