Метод компрессионного сжатия

5.4 Метод компрессионного сжатия

5.4.1 Сущность метода

5.4.1.1 Испытание грунта методом компрессионного сжатия проводят для определения следующих характеристик деформируемости: коэффициента сжимаемости m₀, модуля деформации Е, структурной прочности на сжатие р_str, коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации с_v и с_a для песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов с показателем текучести I_L > 0,25, органо-минеральных и органических грунтов, относительного суффозионного сжатия e_sf и начального давления суффозионного сжатия p_sf для засоленных (содержащих легко- и среднерастворимые соли) песков (кроме гравелистых), супесей и суглинков,

5.4.1.2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах) или компрессионно-фильтрационных приборах (для определения характеристик суффозионного сжатия), исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой.

Результаты испытаний должны быть оформлены, как правило, в виде графиков зависимостей деформаций образца от нагрузки и их изменения во времени.

5.4.1.3 Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется в программе испытаний или принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт.

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.

Образец должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 71 мм и отношение высоты к диаметру 1:3,5.

5.4.2 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, перфорированного вкладыша под рабочее кольцо и поддона с емкостью для воды;

- механизм для вертикального нагружения образца грунта;

- устройства для измерения вертикальных деформаций образца грунта.

При определении характеристик суффозионного сжатия применяют компрессионно-фильтрационный прибор, конструкция которого приведена в приложении К.

5.4.2.2 Конструкция компрессионного прибора должна обеспечивать:

- подачу воды к образцу снизу и отвод ее;

- первоначальную нагрузку на образец, создаваемую весом штампа и закрепленными на нем измерительными приборами не более 0,0025 МПа.

Дополнительно к этим требованиям конструкция компрессионно-фильтрационного прибора должна обеспечивать:

- подачу воды к образцу грунта снизу (схема восходящего потока) или сверху (схема нисходящего потока);

- отвод воды, профильтровавшейся через образец грунта, и накопление ее в мерном сосуде;

- непрерывную на протяжении всего испытания фильтрацию воды, герметичность основных деталей прибора.

5.4.2.3 Компрессионные и компрессионно-фильтрационные приборы тарируют на сжатие с помощью металлического вкладыша. Максимальное давление при тарировке принимают равным 1,0 МПа, нагружение ступенями давления - 0,05 МПа с выдержкой по 2 мин.

5.4.3 Подготовка к испытанию

5.4.3.1 Образец грунта изготавливают с учетом требований 5.4.1.4.

5.4.3.2 При испытании для определения характеристик суффозионной сжимаемости дополнительно к физическим характеристикам должны быть определены: коэффициент фильтрации по ГОСТ 25584, количество легко- и среднерастворимых солей (степень засоленности) и их качественный состав (по результатам анализа водной и соляно-кислой вытяжек). По специальному заданию для засоленных глинистых грунтов определяют емкость поглощения и состав обменных катионов.

5.4.3.3 Образец грунта в рабочем кольце взвешивают, покрывают с торцов влажными фильтрами и помещают в компрессионный прибор.

5.4.3.4 После помещения образца проводят следующие операции:

- устанавливают образец на перфорированный штамп;

- регулируют механизм нагружения образца;

- устанавливают приборы для измерения вертикальных деформаций образца;

- записывают начальные показания приборов.

5.4.3.5 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.

5.4.4 Проведение испытания для определения характеристик m₀, Е и р_str.

5.4.4.1 Нагружение испытываемого образца проводят равномерно, без ударов, ступенями нагрузки.

5.4.4.2 Первую ступень давления р₁ при испытании песков, в том числе заторфованных, принимают в зависимости от коэффициента пористости е по таблице 5.8, а последующие ступени давления р₁принимают равными 0,0125; 0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом 0,1 МПа до заданного значения нагрузки (5.4.1.3).

Таблица 5.8

Коэффициент пористости е	е ³0,75	0,75 > e > 0,6	e £ 0,6
Первая ступень давления p1,МПа	0,0125	0,025	0,05
Примечание- В отдельных случаях, предусмотренных заданием, могут быть приняты более дробные ступени давления р1, исходя из особенностей деформируемости грунта, условий отсыпки и условий возведения сооружения.

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

5.4.4.4 Для глинистых водонасыщенных грунтов в случае их частичного разуплотнения после отбора и подъема образца на поверхность для определения р_str следует вычислять относительное разуплотнение e₁ по формуле

                                                     (5.23)

где Dh_н - увеличение высоты образца при разуплотнении, см;

h - высота образца до испытания, см;

е₀ - начальный коэффициент пористости грунта после подъема образца на поверхность;

S_r - коэффициент водонасыщения грунта после подъема образца на поверхность.

5.4.4.5 На каждой ступени нагружения образца грунта снимают отсчеты по приборам для измерения вертикальных деформаций в следующей последовательности: первый отсчет - 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 до условной стабилизации деформации образца.

5.4.4.6 За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость деформации образца, не превышающую 0,01 мм за последние 4 ч наблюдений для песков, 16 ч - для глинистых и 24 ч - для органо-минеральных и органических грунтов.

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, 5.4.4.3, 5.4.4.5 и 5.4.4.6 или в соответствии с программой испытаний в зависимости от начального коэффициента увлажнения грунта К_w по таблице 5.9.

Таблица 5.9

Кw	рi, МПа	Dti, ч
< 1,2	0,02	1
1,20 - 1,25	0,015	3
1,26 - 1,35	0,010	10
> 1,35	0,01	24
Примечание- Последняя ступень нагрузки выдерживается до условной стабилизации деформации в соответствии с 5.4.4.6.

5.4.4.8 В необходимых случаях по специальному заданию может быть произведена разгрузка образца грунта в последовательности, обратной порядку нагружения, а также повторное испытание грунта на сжимаемость, последовательность которого аналогична последовательности первого нагружения.

При разгрузке последняя ступень должна соответствовать давлению, создаваемому весом штампа и смонтированного на нем измерительного оборудования (5.4.2.2).

Регистрацию деформации образца при разгрузке следует вести через интервалы времени, указанные в 5.4.4.5, а критерий условной стабилизации деформации принимать по 5.4.4.6.

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

5.4.4.10 В процессе испытания ведут журнал, форма которого приведена в приложении А.

5.4.5 Проведение испытания для определения характеристик консолидации с_v и с_a

5.4.5.1 Испытание проводят при постоянном давлении, равном проектному давлению на грунт или другому заданному давлению. Давление на образец грунта передают сразу после приведения разуплотнившегося грунта к природному состоянию (5.4.4.4) или после предварительного уплотнения грунта заданной нагрузкой. Деформации образца регистрируют через промежутки времени, указанные в 5.4.4.5, до момента достижения условной стабилизации деформации в соответствии с 5.4.4.6.

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

Давление на образец грунта р, МПа, при котором будет создан заданный градиент напора, определяется по формуле

р = I × l,                                                             (5.24)

где I - заданный градиент напора, МПа/см;

l - длина пути фильтрации воды из образца, см.

5.4.5.3 После окончания испытания проводят операции по 5.4.4.9.

5.4.5.4 В процессе испытания ведут журнал, форма которого приведена в приложении А.

5.4.6 Проведение испытания для определения характеристик суффозионной сжимаемости s_sfи p_sf

5.4.6.1 Испытания засоленных грунтов в компрессионно-фильтрационном приборе следует выполнять по схемам:

- «одной кривой» (при испытании одного образца грунта) - для определения характеристик сжимаемости грунта природной влажности при различных давлениях, относительной просадочности и относительного суффозионного сжатия при одном заданном значении давления;

- «трех кривых» (при испытании трех образцов грунта) - для определения при различных давлениях характеристик сжимаемости грунта природной влажности, относительной просадочности и относительного суффозионного сжатия.

5.4.6.2 Компрессионно-фильтрационные испытания грунтов выполняют по схеме нисходящего или восходящего потока фильтрующей жидкости, а также при любых значениях градиента напора I при условии отсутствия механической суффозии.

5.4.6.3 При испытании по схеме «одной кривой» нагрузку на образец грунта природной влажности производят ступенями нагружения до заданного давления р, аналогично компрессионному испытанию (5.4.4.2 - 5.4.4.6). После условной стабилизации деформации образца грунта при давлении р его необходимо замочить водой, продолжая замачивание до условной стабилизации просадки по ГОСТ 23161. После окончания просадочных деформаций или в случае их отсутствия следует начать непрерывную фильтрацию воды через образец (при заданном давлении р) до условной стабилизации суффозионного сжатия (5.4.6.6).

5.4.6.4 Испытание по схеме «трех кривых» проводят на трех образцах грунта ненарушенного сложения, отобранных из одного монолита и отличающихся по плотности сухого грунта не более чем на 0,05 г/см³, или на трех образцах нарушенного сложения, имеющих одинаковые (заданные) степень засоленности и плотность сухого грунта.

Один образец испытывают при природной влажности. При этом нагрузку на образец грунта производят ступенями нагружения до заданного давления р в соответствии с 5.4.4.2 и 5.4.4.3.

Второй образец надлежит перед нагружением замочить (без применения арретира) до полного водонасыщения и затем прикладывать нагрузку на образец ступенями нагружения до заданного давления в соответствии с 5.4.4.2 - 5.4.4.6. Водонасыщение следует производить в соответствии с 5.4.3.5.

После условной стабилизации сжатия водонасыщенного грунта необходимо начать непрерывную фильтрацию воды через образец (при неизменном заданном давлении р) до условной стабилизации суффозионного сжатия.

Третий образец следует замочить до полного водонасыщения (без передачи нагрузки на образец грунта и без применения арретира) и затем производить выщелачивание солей (рассоление грунта) путем непрерывной фильтрации воды иди жидкости заданного состава через образец. После условного рассоления грунта необходимо прикладывать нагрузку на образец ступенями до заданного давления р (в соответствии с 5.4.4.2 - 5.4.4.6), поддерживая образец в водонасыщенном состоянии.

5.4.6.5 За критерий условного расселения грунта b₁ при выщелачивании солей без нагрузки (при испытании по схеме «трех кривых») следует принимать значения b₁, приведенные в таблице 5.10.

Таблица 5.10

Содержание водорастворимых солей, %	Значение b1 в зависимости от вида грунта, д.е.
	Песок	Супесь	Суглинок
< 5	0,80	0,65	0,60
5 - 10	0,85	0,70	0,65
11 - 20	0,90	0,80	0,75
21 - 30	0,95	0,90	0,85
> 30	1,00	0,95	0,90

5.4.6.6 За критерий условной стабилизации суффозионного сжатия грунта при заданном давлении р следует принимать приращение относительной деформации De_sf, не превышающее 0,001 при приращении степени выщелачивания солей Db_t = 0,1, а также при условии, что степень выщелачивания солей b_t (5.4.7.17) составляет не менее 0,6.

5.4.6.7 После начала фильтрации воды через образец грунта показания индикаторов деформаций следует регистрировать в первый час через 15 мин, далее - через час (но не менее 5 раз) в течение рабочего дня, затем один раз в день при испытании грунтов, содержащих легкорастворимые соли, и один раз в 2 - 3 дня при испытании грунтов, содержащих среднерастворимые соли.

5.4.6.8 В процессе выщелачивания солей необходимо отбирать фильтраты для определения в них количества солей по массе плотного остатка: первый фильтрат - после сбора 50 мл жидкости, второй - через 2 - 3 сут., далее - один раз в неделю при испытании грунтов, содержащих легкорастворимые соли, и один раз в две недели при испытании грунтов, содержащих среднерастворимые соли.

5.4.6.9 После завершения испытания рабочее кольцо с влажным грунтом взвешивают, производят контрольное измерение высоты образца грунта в кольце, определяют влажность грунта и массу сухого грунта, а также количественный и качественный состав солей.

5.4.6.10 В процессе испытания ведут журнал, форма которого приведена в приложении А.

5.4.7 Обработка результатов

5.4.7.1 Для определения характеристик т₀, Е и р_str по результатам испытания для каждой ступени нагружения вычисляют:

- абсолютную вертикальную стабилизированную деформацию образца грунта Dh, мм, как среднее арифметическое показаний измерительных приборов за вычетом поправки на деформацию компрессионного прибора D;

- относительную вертикальную деформацию образца грунта по формуле (5.10).

5.4.7.2 По вычисленным значениям строят график зависимости e = f(p) (см. приложение Л).

Через точки графика проводят осредняющую плавную кривую или аппроксимируют эти точки монотонной зависимостью (например, экспоненциальной в соответствии с приложением М).

Значение давления, соответствующее точке пересечения кривой (см. график 1 приложения Л) с осью давления р, равно значению структурной прочности на сжатие р_str.

В случае частичного разуплотнения грунта (см. график 2) за р_strпринимают абсциссу точки А графика e = f(p) с ординатой e_i = Dh_н/h, определенной по формуле (5.23).

5.4.7.3 Вычисляют коэффициенты пористости е_i грунта при давлениях p_i по формуле

е_i = е₀ - e_i(1 + е₀).                                                          (5.25)

5.4.7.4 Коэффициент сжимаемости т₀, МПа^-1, в заданном интервале давлений р_i и p_i+1 вычисляют с точностью 0,001 МПа^-1 по формуле

                                                             (5.26)

где e_i и e_i+1 - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям р_i и p_i+1.

5.4.7.5 Модуль деформации Е, МПа, в интервале давлений р_i и p_i+1 вычисляют с точностью 0,1 МПа по формулам:

                                                           (5.27)

или

                                                              (5.28)

где e_i и e_i+1 - значения относительного сжатия, соответствующие давлениям p_i и p_i+1;

m₀ - коэффициент сжимаемости, соответствующий интервалу давления от p_i до p_i+1;

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

                                                             (5.29)

где v - коэффициент поперечной деформации, определяемый по результатам испытаний в приборах трехосного сжатия по 5.3.

При отсутствии экспериментальных данных допускается принимать v равным: 0,30 - 0,35 - для песков и супесей; 0,35 - 0,37 - для суглинков; 0,2 - 0,3 при I_L < 0; 0,3 - 0,38 при 0 £ I_L £ 0,25; 0,38 - 0,45 при 0,25 < I_L £ 1,0 - для глин. При этом меньшие значения v принимают при большей плотности грунта.

5.4.7.6 Коэффициент фильтрационной консолидации с_v и коэффициент вторичной консолидации с_a определяют в соответствии с приложением Н.

5.4.7.7 При определении характеристик суффозионной сжимаемости строят график зависимости относительных деформаций от вертикального давления e = f(p) (приложение П). При этом относительную деформацию образца грунта определяют по формуле (5.10), в которой значение h заменяют h_ng, где h_ng - высота образца грунта при давлении, равном напряжению от собственного веса грунта на глубине отбора образца.

5.4.7.8 В случае набухания засоленного грунта при испытании по схеме «трех кривых» необходимо определить свободное относительное набухание e_sw по ГОСТ 24143, а точку, соответствующую e_sw, включить в график e = f(p), откладывая ее на оси ординат вверх от оси абсцисс.

5.4.7.9 При испытании по схемам «одной кривой» и «трех кривых» характеристики сжатия засоленного грунта природной влажности определяют в соответствии с 5.4.7.4 и 5.4.7.5.

5.4.7.10 При испытании по схеме «одной кривой» относительную просадочность засоленного грунта e_sl следует определять по ГОСТ 23161.

5.4.7.11 Относительное суффозионное сжатие грунта e_sf при испытании по схеме «одной кривой» и при наличии просадочных деформаций следует определять как дополнительное относительное сжатие образца грунта при заданном давлении и непрерывной фильтрации воды по формуле

                                                   (5.30)

где Dh_sf - суффозионное сжатие грунта при постоянной фильтрации и заданном давлении (абсолютное суффозионное сжатие), мм;

h_sat,p - высота образца замоченного грунта при заданном давлении, мм;

h_sf,p - высота образца грунта после сжатия в условиях постоянной фильтрации жидкости при заданном давлении, мм.

5.4.7.12 Относительное суффозионное сжатие грунта e_sf при испытании по схеме «одной кривой» и при отсутствии просадочных деформаций следует определять по формуле

                                                   (5.31)

где h_р - высота образца грунта природной влажности при заданном давлении, мм.

5.4.7.13 Относительную просадочность e_sl для различных давлений при испытаниях по схеме «трех кривых» следует определять как разность значений относительного сжатия образцов в водонасыщенном состоянии e_sat,p и природной влажности e_w или разность ординат соответствующих кривых графиков e = f(p).

5.4.7.14 Относительное суффозионное сжатие e_sf для различных давлений при испытании по схеме «трех кривых» следует определять как разность значений относительного сжатия образцов выщелоченного грунта и в водонасыщенном состоянии или разность ординат соответствующих кривых графика e = f(p). По значениям e_sf следует строить график зависимости относительного суффозионного сжатия от давления (приложение П).

5.4.7.15 Начальное давление суффозионного сжатия р_sf следует определять по графику зависимости относительного суффозионного сжатия от давления e_sf = f(p), принимая за р_sf давление, при котором относительное суффозионное сжатие составляет 0,01.

5.4.7.16 Относительное суффозионное сжатие вычисляют с точностью 0,001, начальное давление суффозионного сжатия - с точностью 0,02 МПа.

5.4.7.17 В процессе компрессионно-фильтрационного испытания грунта при непрерывной фильтрации воды и заданном давлении р следует строить график зависимости относительного суффозионного сжатия e_sf от степени выщелачивания солей b_t, д.е., (приложение П), определяемой по формуле

                                                      (5.32)

где k - число определений плотного остатка фильтрации за время испытаний;

V_w - объем воды, профильтровавшейся через образец грунта за период между двумя последующими определениями плотного остатка, л;

 - среднее арифметическое значение двух последующих определений плотного остатка фильтратов за вычетом плотного остатка фильтрующей жидкости, г/л;

D_sal - степень засоленности грунта (принимают по результатам определений средней степени засоленности монолита, из которого вырезают образец грунта), д.е.;

m₀ - масса сухого образца грунта перед началом испытаний, г.

5.4.7.18 После окончания компрессионно-фильтрационного испытания, а также после выщелачивания солей без нагрузки и последующего загружения образца следует произвести корректировку графика e_sf = f(b_t), подставляя в формулу (5.32) вместо значения D_salзначение начальной степени засоленности образца грунта D_0.sal, определяемой по формуле

                                                      (5.33)

где m_f - масса сухого образца грунта после окончания испытания, г;

D₁ - степень засоленности образца грунта после окончания испытания, д.е.

Источник: ГОСТ 12248-96: Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости оригинал документа