Определения модуля деформации грунта
При расчете осадки фундамента сооружения важное значение имеет установление модуля деформации залегающего в районе строительства грунта. Эта величина – один из основных параметров, определяющих механические свойства и несущую способность основания.
Модуль деформации и способы его определения
Модуль деформации – это коэффициент, определяемый зависимостью упругих и остаточных деформаций грунта от величины загружения массива сжимающей нагрузкой. Соотношение этих величин определяется выражением:
Как видно из выражения, увеличение модуля деформации грунта происходит вместе с увеличением напряжений от прилагаемых нагрузок.
Модуль деформации определяется:
Определение в лабораторных условиях
В лабораториях для установления модуля деформации используются методы компрессионного и трехосного сжатия.
В одометрах (компрессионных приборах) сжатие образца производится без возможности его бокового расширения. Искомый параметр получают расчетом при определении деформации с учетом изменении давления от природного (вызванного собственным весом грунта) до предполагаемого давления от приложенной нагрузки.
При испытаниях по методу трехосного сжатия используется специальный прибор – стабилометр, с помощью которого оценивается сложное напряженное состояние образца. Модуль определяется по объемной деформации – отношению размеров цилиндра грунта к их исходному значению при ненагруженном состоянии.
Полученный при использовании стабилометра модуль деформации, как правило, в несколько раз выше величины, определенной при одометрических исследованиях. Такое превышение связано с различием напряженно-деформируемых состояний, вызванных приложением нагрузок.
Определение в полевых условиях
Для установления модуля деформации в полевых условиях применяется статическое испытание штампами. Оно позволяет определить более точное значение, чем полученное в лаборатории.
Сущность метода заключается в ступенчатом нагружении штампа с использованием домкрата или какого-либо груза (плит, бетонных блоков, тяжелой техники). Деформации основания, соответствующие значениям давления на отдельных этапах, измеряются посредством датчиков смещения либо прогибомеров.
График осадки строится как функция от давления под подошвой штампа. По полученной зависимости определяются изменения давления и осадки. Модуль деформации устанавливается по углу наклона линии, построенной по двум точкам деформационной кривой.
Определенный в лаборатории модуль деформации необходимо уточнять по результатам испытаний грунта штампами в полевых условиях. Ошибки преимущественно связаны с нарушением природной структуры образцов, что влияет на результаты лабораторных испытаний.
Модуль деформации грунта.
Модуль деформации грунта
Деформационные характеристики грунтов требуются при расчетах оснований по второй группе предельных состояний. Например, при определении осадок фундаментов по СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений». Также испытания грунтов штампом применяется при контроле качества грунтов оснований фундаментов, полов.
Модуль деформации или как его называют в механике сплошной среды – модуль Юнга является коэффициентом пропорциональности зависимости «деформация-напряжение», предложенной Гуком в виде:
Грунты показывают линейно упругое поведение до относительно небольших нагрузок. Однако даже при этом при разгрузке в грунтах возникает остаточная деформация. Поэтому полагают, что при нагружении до предела пропорциональности для грунтов также справедлива линейная зависимость Гука, однако при больших нагрузках деформации в грунтах нелинейно зависят от напряжений. Это особенно важно при проектировании высотных зданий, когда давление по подошве фундаментов может составлять более 1000 кПа. Испытания образцов грунта в стабилометре позволяют определять касательный модуль деформации подобный модулю Юнга. Подобие модуля деформации модулю Юнга позволяет использовать решения теории упругости при расчете осадки фундаментов.
Отличия модуля упругости от модуля деформации
Модуль упругости всегда больше модуля общей деформации. Модуль
упругости определяется из испытаний образцов грунта при их упругом поведении, которое имеет место при разгрузке (ветвь аb), а модуль общей деформации, характеризующий поведение грунта при наличии как упругих, так и остаточных деформаций, и находят из испытаний по ветви нагружения Oа.
Касательный и секущий модуль деформации
Из закона Гука следует постоянство модуля деформации (модуль упругости). В то же время из следующего рисунка видно, что этот закон справедлив только до точки a зависимости напряжение – деформация.
Если участок Oa прямолинейный, то, проведя через него линию и определив угол ее наклона получим касательный модуль деформации
В то же время через точки О и а можно провести секущую,совпадающую с касательной к начальному участку кривой деформирования грунта. Угол наклона этой секущей также будет равен углу наклона касательной. Поэтому на начальном участке кривой деформирования касательный модуль Et совпадает с секущим модулем деформации Es.
При небольшом уровне деформации (менее 0,01–0,05 %) значения касательного Et и секущего модулей Es деформации равны и характеризуют упругое поведение грунта, т.е. Es = Et = E.
Если теперь провести прямую через точки с и b, то угол ее наклона позволит вычислить значение упругого модуля при разгрузке грунта.
Этот модуль Ee используется для расчета величины подъема дна котлована при его разработке.
Прямая, проведенная через точки b и е, используется для определения модуля Er, характеризующего повторное нагружение грунта, после его разгрузки. Например, нагружение основания глубокого котлована (более 5 м) весом этажей, равным весу вынутого грунта.
При циклическом нагружении грунта, после определенного количества циклов «нагрузка – разгрузка» грунт начинает вести себя упруго, без остаточной деформации. В этом случае его упругая осадка определяется с помощью упругого модуля Ec, который находится из наклона прямой gf.
Этот модуль используется, например, при проектировании железнодорожного балласта или жесткого покрытия автомобильного полотна.
Определение модуля деформации методом компрессионного сжатия в одометре и методом трехосного сжатия в стабилометре
В стабилометре модуль общей деформации оказывается больше компрессионного модуля общей деформации в несколько раз. Это объясняется различным видом напряженно-деформированного состояния, возникающего в образцах грунта при их нагружении, что видно из следующего рисунка.
Найденные значения модулей деформации должны быть уточнены с результатами испытаний того же грунта штампами.
Определение модуля деформации грунта штампом
Испытания грунтов штампом проводятся для определения деформационных характеристик грунтов перед проектированием, строительством или при контроле качества уплотнения грунтов.
В ходе испытаний определяется:
⦁ Модуль деформации E;
⦁ Начальное просадочное давление p sl и относительная деформация просадочности основания ε sl ;
Штамповые испытания грунтов. Метод штампа грунты.
Проведение штамповых испытаний.
Вкратце суть статических испытаний грунтов оснований штампами можно описать так:
Круглый плоский или винтовой штамп нагружается поэтапно (ступенями) посредством домкрата или пригружается грузом (ФБС блоки, плиты или тяжелая техника: экскаватор, грузовой автомобиль и т.д.). Нагрузка при проведении штамповых испытаний увеличивается ступенями.
На каждом этапе с помощью прогибомеров или датчиков перемещений измеряются деформации основания, соответствующие давлению на данном этапе.
Данные обрабатываются, заносятся в журнал и строится график зависимости осадки штампа от давления S = f(P).
По полученным данным определяют модуль деформации Е, МПа грунта.
Для определения модуля деформации следует построить график зависимости осадки штампа от давления под его подошвой и в пределах линейного участка этой зависимости найти значения приращения давления и осадки. Модуль определяется углом наклона прямой линии, проведенная через две точки кривой деформирования, то этот модуль правильнее называть секущим модулем деформации.
Определение модуля деформации грунта прессиометром
Данному виду испытаний присущ существенный недостаток обусловленный тем, что для проведения испытаний необходимо предварительно пробурить скважину диаметром несколько большим диаметра прессиометра. Кроме того при проходке скважины структура грунта вблизи стенок разрушается. Эти два фактора оказывают влияние на характер зависимости «изменение объема рабочей камеры – давление» в виде образования нелинейной зависимости на участке ob кривой деформирования.
При определении характеристик грунтов модуля деформации используют прямолинейный участок ab.
Значение модуля деформации находится из выражения:
Модуль деформации грунта. Скачать брошюру «ГеоШтамп» в формате PDF
Испытания штампом. Скачать брошюру «ГеоШтамп» в формате PDF
Заказать испытания грунтов
Все права защищены, 2010-2030
Копирование информации с данного сайта допускается только со ссылкой на http://geostamp.ru
Предложения, размещенные на данном интернет-сайте, не являются публичной офертой.
Модуль деформации грунта
Наиболее достоверными методами определения деформационных характеристик грунтов считаются штамповые испытания, позволяющие исследовать грунты в условиях естественного залегания. Модуль общей деформации грунтов, который определен методом штампа называется штамповый модуль деформации. Эта величина является основой при расчете осадок фундаментов согласно СП 22.13330.2016. Модуль общей деформации по результатам штамповых испытаний или штамповый модуль деформации рассчитывается по экспериментальным данным на основе теории линейно-деформируемого полупространства. Наиболее важное положение применения теории к грунтам – условие обеспечения линейной (пропорциональной) связи между напряжениями и деформациями. Для того, чтобы корректно применять теорию линейно-деформированной среды и на ее основе производить вычисления модуля общей деформации грунта необходимо определять его на линейном участке экспериментального графика «осадка-давление» построенного по результатам штамповых испытаний.
Метод ГОСТ 20276.1-2020 для определения модуля деформации грунтов
Ниже приведен пример графической зависимости с определением штампового модуля деформации Е, МПа на основе линейного участка графика.
Формула для расчета модуля деформации по результатам штамповых испытаний в соответствии с формулой 1 п.5.5.2 ГОСТ 20276.1-2020:
Модуль деформации для винтового штампа в соответствии с формулой 2 п.5.5.2 ГОСТ 20276.1-2020:
Формула для определения модуля деформации винтового штампа отличается от формулы для штампа на поверхности введением коэффициента KP учитывающего относительное заглубление штампа h/D.
Формулы штампового модуля деформации грунта основаны на решении Буссинеска о единичной силе, приложенной к упругому полупространству. Вертикальное напряжение, возникающее от силы P, действующей на поверхности основания имеет вид:
Вертикальное перемещение (осадка) в соответствии с решением Буссинеска:
Проинтегрировав это выражение по площади круга получим выражение для определения осадки точки на поверхности основания и проходящей через центральную вертикальную ось (для z=0):
Данная формула получена для определения осадки гладкого круглого гибкого фундамента (штампа).
Модуль деформации грунта в соответствии с формулой Шлейхера с учетом жесткости фундамента:
E=((1-μ 2 )∙P∙d∙ω)/S,
где ω – коэффициент формы жесткого штампа.
Расчет модуля упругости грунта
Известно, что при разгрузке проявляются упругие деформации, которые происходят вследствие упругих деформаций скелета грунта и пленок связанной воды. Поэтому, чтобы определить модуль упругости грунта (модуль Юнга) должна быть предусмотрена разгрузка грунта и последующее нагружение штампа для определения значения модуля упругих деформаций Е0 и модуля деформации по вторичной ветви загружения (Ev2). Ниже представлен график, построенный по результатам штамповых испытаний с разгрузкой и повторным нагружением. На этом графике определяется три параметра: модуль общей деформации – Е1, модуль упругости грунта – Еу и модуль деформации на этапе повторного нагружения Е2.
Модуль упругости грунта всегда больше модуля общей деформации. В зависимости от грунтов имеет место следующее соотношение Еу=5–10Е1.
Модуль деформации грунта что это
(ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ ИНЖЕНЕРОВ)
От Автора:
«Книга инженера – строителя (для начинающих инженеров)» была создана мною при помощи «Конструктора сайтов Hostland.RU.», использовав при этом лишь небольшую часть возможностей конструктора: Заказать хостинг
8.6 Сжимаемость грунтов. Модуль деформации. Неравномерность осадок
Модуль общей деформации Е (МПа, т/м 2 ) – характеристика, аналогичная модулю упругости упругих тел, и представляет собой коэффициент пропорциональности между напряжениями и общими деформациями грунтов. Это одна из основных характеристик сжимаемости грунтов. Определяется она лабораторными или натурными испытаниями грунтов под нагрузкой. Без знания модулей деформации грунтов невозможно рассчитать осадку фундамента.
К малосжимаемым грунтам относятся крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем плотным и средней плотности, а также глины твердой консистенции в водонасыщенном состоянии с модулем деформации:
E > 50 МПа = 50 000 кПа (≈ 500 кгс/см 2 = 5 000 т/м 2 ).
За слабый принято считать грунт с модулем деформации: E 2 = 500 т/м 2 )
Разность осадок здания или сооружения зависит от степени изменчивости сжимаемости грунтов основания (отношения модулей сжимаемости Емакс / Е мин в пределах здания).
Грунты основания считаются однородными – мало изменчивыми в отношении сжимаемости, если удовлетворено одно из условий:
При таком отношении модулей сжимаемости осадки грунтов основания в отдельных точках мало разнятся по величине и отпадает опасность перекосов здания. Разность осадок в разных точках плана не должна превышать величин приведенных в приложении 4 СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений».
а) Эпюра осадок; б) Схема расчета крена сооружения.
Как было сказано ранее, значение осадок зданий и сооружений ограничены определенными пределами, установленными нормами. При этом следует отметить, что равномерная осадка основания не вызывает в несущей конструкции деформаций и что деформации – трещины и повреждения конструкций – имеют место главным образом в тех случаях, когда осадка под зданием неравномерна.
При большой изменчивости сжимаемости грунтов следует принимать меры для уменьшения влияния, оказываемого на здание неравномерностью осадок основания. К таким мерам могут быть отнесены:
1) Разрезка здания на части осадочными швами.
В зданиях с ленточными фундаментами осадочные швы осуществляются путем устройства вертикального паза; в зданиях с каркасными стенами – спаренными стойками на спаренных фундаментах. Осадочные швы устраиваются также и в тех случаях, когда здание имеет разную этажность (с разницей в два и более этажей) или когда части здания имеют различные типы основания – естественные и искусственные.
2) Усиление кладки стен горизонтальными железобетонными поясами.
Железобетонные пояса устраиваются по периметру наружных и внутренних стен не менее чем в двух плоскостях – на уровне цоколя и на уровне пола верхнего этажа. Пояса превращают каменные стены в балки большой жесткости, способные работать на изгиб и предупредить появление трещин.
Модуль общей деформации грунта и модуль упругости
Модуль деформации – это одна из характеристик грунта, которая позволяет оценить его сжимаемость, с точки зрения теории упругости – это величина, связывающая напряжения с деформациями. Необходимость в определении этой характеристики возникает, если нужно рассчитать основания по деформациям. Известно, что расчет оснований по второй группе предельных оснований является основным, поэтому переоценить значение этой характеристики невозможно. В связи с тем, что грунт не является упругим телом, то использование модуля упругости приведет к большим расхождениям с экспериментом. Поэтому, в практике геотехники и механики используется модуль общей деформации грунта – это характеристика линейной взаимосвязи приращений давления и деформаций грунта, с использованием допущений работы грунта как упругого тела. Одно из этих допущений – работа грунта в условиях однократного нагружения, без фазы разгрузки. Действительно для задач массового проектирования и нового строительства грунт испытывает поэтапное нагружение в процессе строительства без фазы разгрузки. Однако, есть задачи в геотехнике, например, проектирование глубоких котлованов, расчет влияния нового строительства, где грунт испытывает снятие бытовых давлений, поэтому в решении этих задач также используется модуль упругости или модуль на ветви вторичного нагружения грунта. Соотношение устанавливается экспериментально, для предварительных расчетов пользуются зависимостью Еur=5Е, где Eur – модуль упругости, МПа.
Чтобы определить деформационные свойства грунтов, используются несколько способов. Одним из эффективных методов определения модуля деформации считают его оценку по результатам штамповых испытаний. С их помощью выполняется исследование в условиях природного залегания грунтов, а также искусственных оснований для контроля качества уплотнения путем сравнения с проектной деформацией. Модуль деформации, определенный таким способом, принято называть штамповым. Это значение используется в известных аналитических формулах при расчете осадки фундамента (модель слоя конечной толщины, метод послойного суммирования, метод эквивалентного слоя, метод Бронина и др.).
Методы определения модуля деформации грунта
Штамповый метод испытания предусматривает использование винтовых и плоских штампов. Он предназначен для применения на любых промышленных или общественных объектах первого и второго уровня ответственности. К таким объектам можно отнести:
На деформацию влияет степень напряжения в грунте, которая возникает в результате нагрузки от фундаментов сооружений. Исходя из этого, данный параметр необходимо определять при уровне деформации, соответствующем рассматриваемой глубине под подошвой основания здания.
В большинстве современных сооружений показатель вертикальной деформации составляет 0,01-0,1%. Такой показатель вынуждает использовать штампы и прессиометры. Данные способы определения модуля деформации считаются прямыми. Это обусловлено тем, что для определения модуля применяются результаты проведенных испытаний и решения теории упругости.
Существуют и другие методы полевых исследований, но они считаются косвенными. Данный факт обусловлен тем, что они предусматривают использование корреляционных зависимостей, а не решений теории упругости.
Как проводятся испытания?
Чаще всего для проведения испытаний прессиометром используется баллонный прессиометр, предложенный Луи Менаром. Реже используют конусный или самозабуривающийся прессиометр.
Все необходимые исследования можно провести даже в скальных и дисперсных грунтах, прочность которых на одноосное сжатие меньше 10 МПа. В рамках данных исследований выполняются измерения давления, изменения объема или радиуса рабочей камеры. На основании полученных результатов можно определить предельное давление и прессиометрический модуль деформации. Для его определения потребуются решения теорий упругости и пластичности. Результаты исследований нужно интерпретировать в соответствии с видом используемого прессиометра.
Алгоритм расчета модуля упругости грунта и модуля деформации
Для определения этих данных выполняются следующие действия:
Для расчета модуля деформации используется специальная формула ГОСТ 20276.1-2020:
В этой формуле v означает коэффициент Пуассона. Это показатель деформируемости грунта, который характеризует соотношение продольных и поперечных деформаций. Для определения данного коэффициента проводятся исследования в приборах трехосного сжатия или компрессионных приборах с измерением бокового давления.
Чтобы определить модуль деформации для винтового штампа, используется несколько видоизмененная формула:
Ключевое отличие этой формулы — наличие коэффициента Kp. Он зависит от степени заглубления штампа. Для его определения необходимо разделить глубину расположения на диаметр штампа.
Для создания формулы штампового модуля использовалось уравнение Буссинеска относительно единичной силы, которая была приложена к упругому полупространству.
Результаты деформационных испытаний зависят сразу от нескольких критериев:
Зачастую высокая точность модуля деформации грунтов неактуальна. Иногда будут актуальны табличные значения или корреляционная зависимость физических и деформационных характеристик. Также можно использовать корреляционную зависимость параметров зондирования и деформационных характеристик.
Примеры определения модуля деформации грунта:
Где заказать расчет модуля общей деформации грунта?
Все перечисленные действия находятся в зоне ответственности специалистов Лаборатории «СибгеоПро». Наша Лаборатория аккредитована ОАО «НТЦ Промышленная безопасность». У нас есть необходимые допуски СРО на изыскания. Практический опыт наших специалистов и современные технологии позволяют нам оперативно решать любые задачи на объектах в Сибири и на Дальнем Востоке. Наша компания успешно сочетает полевые и лабораторные методы исследований.
В ходе испытаний специалисты компании «СибгеоПро» используют штамп, а также оборудование для создания нагрузки, замера осадки штампа, а также замачивания и отслеживания уровня влажности грунта. Для выполнения всех необходимых работ мы используем инновационное оборудование, высокое качество которого подтверждено техпаспортом и многочисленными сертификатами.
Наши специалисты учитывают специфику объекта и требования заказчиков. Поэтому для каждого объекта мы разрабатываем отдельную программу испытаний в соответствии с ГОСТ 20276.1-2020. Данный подход обеспечивает наших клиентов необходимыми данными при минимальных затратах.
Стоимость услуг наших специалистов определяется индивидуально для каждого проекта. Вы можете позвонить по указанным номерам телефонов или оставить сообщение в лайв-чате. Наши консультанты оперативно ответят на все поставленные вопросы.
Чтобы заказать подобное испытание, воспользуйтесь опцией обратного звонка на нашем сайте или напишите консультантам «СибгеоПро» в WhatsApp.