Модуль упругости грунта (Еу) – это соотношение между сжимающим напряжением грунта и относительной обратимой деформацией, которую оно вызывает. Выражается показатель в МПа и определяется для правильного расчета усадки, нагрузки на основания фундаментов и дорожное полотно.
Упругость свойственна всем грунтам.
Упругие деформации грунтов
Упругой деформацией грунта называют его способность восстанавливать свою форму и объем после снятия механической нагрузки. При сжатии, растяжении или сдвиге происходит смещение частиц, сжатие воды и водных пленок, сближение отдельных молекул минералов. Если нагрузка не критическая, после ее устранения объем воды и воздуха восстанавливается, а отдельные частицы занимают свое место.
Вместе с упругими возникают остаточные деформации. Большинство грунтов после снятия давления не восстанавливаются полностью. Когда число остаточных деформаций значительно превосходит упругие, материал разрушается.
Способность к упругим деформациям – это положительное свойство. Оно увеличивает прочность грунта. Упругий материал способен выдержать большие нагрузки без дефектов, изменения объема и формы. Поверхность грунта восстанавливается после снятия нагрузки, усадка немного замедляется.
Что такое модуль упругости
Модуль упругости характеризует сопротивление грунта растяжению или сжатию (линейным деформациям).
У скальных и твердых связных грунтов она подчиняется закону Гука и вычисляется по формуле:
Закон Гука применим к относительно однородным системам. Грунты такими не являются. При выветривании, увлажнении, увеличении дисперсности их упругие свойства изменяются. Зависимость между напряжением и вызванным им сопротивлением становится нелинейной. Она может увеличиваться при уплотнении, затем на некоторое время стабилизироваться и падать при увеличении нагрузки. Поэтому для вычисления показателя используются более сложные формулы.
В расчетах модуля упругости грунтов применяется коэффициент Пуассона (v или μ) – соотношение относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению.
Относительное поперечное сжатие определяется как:
Относительное продольное удлинение определяется как:
Формула коэффициента Пуассона:
v=-(∆d/d)/(∆l/l)
С учетом коэффициента Пуассона модуль упругости рассчитывают по формуле:
Методы определения модуля упругости
Модуль упругости определяется несколькими методами:
- Одноосным сжатием
Подробно о нем вы можете прочитать в нашей статье Прочность грунта на сжатие. - Трехосным сжатием
Этот метод применяется для вычисления общих деформаций грунта – упругих и остаточных.
Модуль упругости вычисляется по формуле:
Показатель можно рассчитаться с учетом коэффициента Пуассона:
Детальнее о методе трехосного сжатия вы можете прочитать в нашей статье Сопротивление грунта сдвигу.
- Жестким штампом в полевых условиях
Этот метод чаще всего применяется в дорожном строительстве и прописан в ОДМ 218.5.007-2016.
Подробно о последнем методе мы расскажем дальше.
Определение модуля упругости жестким статическим штампом
Исследование проводится в полевых условиях при температуре воздуха не ниже 5°С.
В работе используются следующие инструменты:
- Жесткий круглый штамп толщиной 2,5 см и диаметром 30 см
- Домкрат
- Насос с вмонтированным манометром, который показывает данные с точностью не менее 0,6 МПа
- Выдвижная штанга, которая должна обеспечивать выдвижение опор на расстояние 145-155 см (на штанге выбиты соответствующие отметки, помогающие измерить удаление)
- Круглый индикатор по типу часов с точностью измерений до 0,01 мм
- Планка для измерений
Штамп прикрепляется к упору. Чаще всего для этого используются груженые автомобили, катки, жесткие противовесы. Масса упора должна обеспечить максимальную нагрузку от штампа на грунт.
После закрепления штампа его устанавливают на поверхность грунта. Площадка должна быть совершенно ровной. Если этого не удается добиться, поверхность подсыпают песком. В центр штампа ставят чистый домкрат (на нем не должно быть следов пыли, глины или песка). Затем к домкрату подключают насос.
С помощью уровня устанавливают штангу в горизонтальное положение. Ее опоры должны располагаться на расстоянии 1,25-1,5 м от опор автомобиля или катка, служащих в качестве упора. В центре штампа прикрепляют измерительную планку и индикатор, используют для крепления подшипники. Планка должна свободно перемещаться в отверстии, а индикатор – занимать строго вертикальное положение.
Стартовое давление в домкрате выставляют на уровне 0,02 МПа. Индикатор устанавливают на отметке 0 и начинают испытание.
Порядок проведения опыта следующий:
- В домкрате создают давление 0,6 МПа
- Нагрузку выдерживают, пока просадка штампа не будет 0,03 мм/мин
- Записывают показания индикатора
- Снижают давление до 0,02 МПа
- Следят за показаниями индикатора, пока деформация не исчезнет, записывают его данные
Опыт повторяют несколько раз, записывают данные и высчитывают усредненное значение упругой деформации.
Затем высчитывают модуль упругости по формуле:
Показатель определяют также на расстоянии 0,9 м и 2,4 м от места приложения нагрузки. В этих точках измеряют упругие деформации, фиксируют их средние значения.
После этого рассчитывают модуль упругости по формуле:
Сейчас выпускаются ударные штампы, которые позволяют быстро и удобно вычислять модуль упругости в полевых условиях. Они состоят из штанги, упора движущегося устройства, наносящего удары по грунту в свободном падении. Штампы оснащены электронными дисплеями, на которых сразу отображаются показатели модуля упругости.
Такие приборы применяются на частных строительных площадках, при прокладке небольших дорог, тротуаров. При возведении высотных зданий или строительстве крупных автомобильных трасс используют методики, прописанные в нормативных документах.
Виды модулей упругости
Для полного представления об упругих деформациях грунта определяют несколько видов модулей упругости:
- Модуль упругого сдвига или жесткости
Показатель определяется при испытании грунта на устойчивость к сдвигу. Вычисляется он по соотношению между напряжением сдвига (τ) и размером упругой деформации. При сдвиге упругая деформация определяется как изменение прямого угла между плоскостью, по которой действует горизонтальное (касательное) напряжение. - Модуль объемной упругости
Он определяется в ситуации, когда на грунт действует нагрузка со всех сторон. Исследования проводят методом трехосного сжатия. - Модуль длительной упругости
Измеряется он при долговременных статических нагрузках. Отражает число связей в горной породе, которые могут восстанавливаться после нагрузки. Показатель определяют при строительстве зданий, при наличии пластических деформаций в грунте. - Динамический модуль упругости
Он измеряется при кратковременных нагрузках длительностью до 0,1 с. Этот вид показывает, как будет реагировать грунт на удары и быстрое движение автомобилей. Чаще всего он применяется в дорожном строительстве. - Требуемый модуль упругости
Это показатель, обеспечивающий максимальную надежность дорожного полотна на протяжении определенного промежутка времени. Он зависит от характеристик грунта и дорожной одежды, интенсивности траффика на трассе. - Модуль упругости эквивалентный
Это усредненный показатель для всех слоев дорожной одежды – грунтового основания, песчаной и щебневой подушки, бетона, асфальта.
Полную версию данной статьи вы найдете на этой странице.
Также мы рекомендуем ознакомиться с другими полезными статьями на нашем сайте.
#грунты #полезные советы #свойства грунтов #упругость грунтов #характеристики грунтов #строительные советы #грунт #строительный грунт #механические свойства грунтов #модуль упругости грунтов