Ćwiczenie 8

Ściśliwość gruntu.

Edometr. Moduły ściśliwości

Grunt poddany obciążeniu ściskającemu odkształca się zmniejszając swoją objętość na skutek:

usuwania z gruntu wody wolnej i kapilarnej,

przesuwania się cząstek gruntu względem siebie i zajmowania przez nie innego położenia,

usuwanie z gruntu gazów ( przeważnie powietrza )

zgniatania niektórych ziaren gruntu,

sprężystego odkształcenia powłoki wody błonkowej

sprężystego odkształcenia cząstek gruntu

sprężystego zmniejszenia objętości powietrza zamkniętego w porach gruntu.

Pod wpływem zjawisk wymienionych w punktach e-g występują odkształcenia sprężyste (odwracalne), a zjawiska wymienione w punktach a-d powodują odkształcenia trwałe (plastyczne). Suma odkształceń plastycznych i sprężystych daje odkształcenie gruntu.

Zdolność gruntu do zmniejszania objętości pod wpływem obciążenia nazywa się ściśliwością.

W poprzednich ćwiczeniach zostały opisane właściwości fizyczne gruntów , natomiast trzy ostatnie ćwiczenia dotyczą własności mechanicznych gruntów. Do własności mechanicznych zaliczamy ściśliwość (odkształcalność) i wytrzymałość na ścinanie .

Parametry charakteryzujące ściśliwość gruntów bada się laboratoryjnie w edometrze lub konsolidometrze, gdzie realizowany jest jednoosiowy stan odkształcenia (trójosiowy stan naprężenia). Próbki gruntu, umieszczone w sztywnym cylindrze (edometrze - Rys.8.1, 8.2) obciąża się osiowo mierząc odkształcenia (lub zmianę wysokości próbki) towarzyszące kolejno zwiększanym obciążeniom. Po każdej zmianie obciążenia mierzymy zmianę odkształcenia (wysokości) próbki w czasie uzyskując wykresy konsolidacji gruntu (Rys.8.3), czyli przebiegu osiadania w czasie. Biorąc wartości odkształceń stałych (nie zmieniających się w czasie) robimy wykres ściśliwości edometrycznej tzn. wykres odkształcenie (wysokość próbki) w funkcji przyłożonego naprężenia (Rys.8.4).

W wyniku tak przeprowadzonych badań wyznaczamy edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej i wtórnej.

Edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej M_o jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego na krzywej ściśliwości pierwotnej (Rys.8.4):

M_o =

=
,

gdzie:

- przyrost obciążenia

- względne odkształcenie

- wysokość próbki w edometrze przed zwiększeniem naprężenia

z
do
,

- zmniejszenie wysokości próbki po zwiększeniu naprężenia

o
.

Edometryczny moduł ściśliwości wtórnej M jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego na krzywej ściśliwości wtórnej (Rys.8.4) (wzór jak wyżej).

Edometryczny moduł odprężenia
jest to stosunek zmniejszenia naprężenia normalnego do względnego wydłużenia na krzywej odprężenia (Rys.8.4):

=
=
,

gdzie:

- zmniejszenie naprężeń,

- względne wydłużenie próbki,

- zwiększenie wysokości próbki przy zmniejszeniu naprężenia

o
.

Podsumowując powyższe definicje - moduł ściśliwości jest parametrem geotechnicznym wiążącym obciążenie pionowe (główne) z przemieszczeniem pionowym (główne naprężenia pionowe z odkształceniem).

8.1.Przebieg ćwiczenia

a) Przy pomocy noża dwudzielnego w środku którego znajduje się pierścień (4) wycinamy próbkę gruntu o strukturze nienaruszonej. Po wciśnięciu pierścienia w grunt odcinamy pobraną próbkę od pozostałego gruntu.

b) Po otwarciu noża wyjmujemy pierścień z gruntem i wyrównujemy obie powierzchnie (górną i dolną). Obie powierzchnie próbki wyrównuje się nożem prowadzonym od środka próbki do krawędzi unika się w ten sposób szczeliny pomiędzy boczną powierzchnią próbki a pierścienie Przy badaniach próbek gruntów spoistych o strukturze naruszonej, do pierścienia należy włożyć grunt rozrobiony na pastę o wilgotności odpowiadającej wilgotności na granicy płynności.

c) Ważymy dwukrotnie pierścień wraz z próbką i wpisujemy średni wynik do formularza.

d) Przed wstawieniem pierścienia z próbką do edometru wkładamy wkładkę metalową o wysokości 20 mm z dwoma przekładkami bibuły filtracyjnej. Następnie wkładamy górny filtr, kulkę i trzpień dociskowy oraz ustawiamy czujnik tak, aby wskazywał 10,00 mm. Po uregulowaniu czujnika należy podstawę (12c) ostrożnie odsunąć na bok i wyjąć wkładkę metalową

e) Na pierścień zakładamy uszczelniającą obrączkę gumową (16).

f) Tak przygotowaną w pierścieniu próbkę gruntu (19) umieszczamy na dolnym filtrze (3a). Filtr uprzednio przykrywamy krążkiem bibuły filtracyjnej.

Uwaga:

Filtry kamienne przy badaniu próbek o strukturze naruszonej nasyca się wodą, nie ma bowiem niebezpieczeństwa aby grunt rozrobiony na pastę i w pełni nasycony wodą pobierał wodę z filtra. Przy próbkach zaś o strukturze nienaruszonej o małej wilgotności, przy nasyconych filtrach może zachodzić zjawisko wchłaniania wody z filtrów i pęcznienie próbek. W gruntach makroporowatych o strukturze nietrwałej może mieć miejsce dodatkowe osiadanie po wchłonięciu wody z filtra. Z drugiej strony zupełnie suche filtry mogą z kolei same wchłaniać wodę z próbki, aczkolwiek to zjawisko jest raczej rzadkie, gdyż napięcie kapilarne w próbkach jest zazwyczaj większe niż w filtrach. Dlatego należałoby utrzymać filtry w stanie raczej suchym niż za mokrym.

g) Na tak przygotowaną próbkę gruntu nakładamy obudowę edometru (5).

h) Na górną powierzchnię próbki nakładamy krążek bibuły filtracyjnej, a następnie kopułkę (6) wraz z filtrem górnym.

i) Całość umieszczamy na podstawie edometru (1) przytwierdzonej do ramy i ściągamy nakrętkami motylkowymi (2).

j) Na filtr górny nakładamy dolną kulkę przekaźnikową (7) i opuszczamy trzpień dociskowy (8) do którego przy pomocy uchwytu (12a) przytwierdzony jest pręt (12b) z podstawką (12c).

k) Po zamontowaniu edometru i postawieniu stopki czujnika na podstawce (12c) na czujniku uzyska się wartość odczytu odpowiadającą końcówce cyfry wysokości próbki np. wysokości próbki 19,850 mm czujnik wskaże 9,850 mm.

l) Odczytujemy i zapisujemy tę wysokość w przygotowanym formularzu,

ł) Przy pomocy śrubki (9) stabilizujemy trzpień dociskowy (8).

m) Nakrętkę mocującą (10) lekko zakręcamy, aż do pierwszego oporu.

n) Przy badaniach z pełnym nawodnieniem doprowadzamy wodę od dołu edometru i przystępujemy do następnej czynności po ukazaniu się wody na górnym filtrze. Przy badaniach bez nawodnienia umieszczamy na edometrze osłonę gumową uniemożliwiającą wysychanie próbki.

o) Na górną kulkę zakładamy wieszak obciążnikowy (11) wraz z prętem obciążnikowym uzyskując nacisk na grunt 25 kPa

p) Odkręcamy śrubkę (9) i przystępujemy do zapisywania kontrolnych odczytów czujnika, które dokonujemy wg następującej kolejności: 1 min, 2 min, 5 min, 30 min, a następnie co godzinę aż do trzykrotnego powtórzenia się odczytu. Po każdym odczycie lekko dokręcamy nakrętkę (10) do oporu.

q) Następnie przy pomocy śrubki (9) ponownie stabilizujemy trzpień dociskowy, a na pręt nakładamy odpowiednią ilość obciążników celem uzyskania nacisku na grunt, odpowiadającego następnemu stopniowi obciążenia

r) Odkręcamy śrubkę (9) i prowadzimy dalej badania wg zasad podanych poprzednio.

s) Po zakończeniu badań ważymy dwukrotnie wyjęty pierścień z próbką, a średni wynik wpisujemy do formularza.

t) Próbkę wkładamy w pierścieniu do suszarki i suszymy do stałej wagi w celu określenia wilgotności gruntu przed badaniem i po badaniu.

Uwagi:

Obciążenie gruntu w edometrze przeprowadza się z reguły następującymi stopniami: 25 -50 - 100 - 200 - 400kPa. Czasami zachodzi potrzeba wprowadzenia obciążeń mniejszych od 25kPa i większych od 400kPa.

Obciążenie próbki może być wykonywane z doprowadzeniem lub bez doprowadzenia wody. Poglądy na tę sprawę są podzielone i trzeba stwierdzić, że krzywe pęcznienia otrzymane wg obu metod różnią się między sobą.

Przy odciążeniu gruntu wykonujemy te same czynności jakie podano w pkt. 16 i 17 i tyle razy ile zmniejszamy obciążenie z tym, że z chwilą przystąpienia do odciążenia gruntu nakrętkę zupełnie odkręcamy.

Z otrzymanych wyników należy wyliczyć edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej, wtórnej, odprężenia oraz przedstawić wykresy odkształcenia i odprężenia.

---