что такое компрессионное сжатие
Компрессионное сжатие
Дата публикации: 2017-06-01
Автор: Дмитрий Майзлин
При проведении геологических изысканий приходится проводить большое число исследований, суть которых не всегда понятна заказчикам. Обычные люди, не обладающие специальными знаниями, зачастую просто не могут понять, зачем нужны те или иные опыты, что с их помощью можно определить, и вообще, насколько данные мероприятия необходимы. Например, такое испытание при изучении механики грунтов, как компрессионное сжатие, так ли оно важно и можно ли от него отказаться? Тут стоит прояснить следующий вопрос. При геологических изысканиях на участке под застройку необходимо провести лабораторные исследования образцов грунта. Его механические свойства можно изучить лишь при помощи специальной аппаратуры и оборудования. При изучении механических свойств грунтов применяются различные методики, в том числе и компрессионное сжатие.
Суть исследований
В лабораторных условиях этот метод используется наиболее часто. Компрессионное сжатие позволяет получить данные относительно деформационных параметров грунтов. В ходе процесса часть образца грунта подвергается уплотнению путем сжатия для того, чтобы из его пор полностью вытеснился воздух, а сам образец при этом остался неразрушенным. Увеличение нагрузки производится поэтапно, при этом, как правило, применяется схема 0,5 – 1,0 – 1,5– 2,0 – 3,0 – 4,0 – 5,0.
В сложных случаях процесс будет несколько отличаться. Вначале производится нагрузка образца по вышеописанной схеме, после чего осуществляется разгрузка до 2,0 по обратной схеме, а затем вновь образец нагружается до 5,0. Естественно, такие испытания занимают вдвое больше времени, что, соответственно, приводит к их удорожанию.
Опыты проводятся на одометре, довольно сложном компрессионном устройстве. В настоящее время модификаций таких приборов множество, они различаются по величине прилагаемых на грунт нагрузок и типу задач, которые можно решать с их помощью. При испытаниях на компрессионное сжатие производится определение таких показателей, как:
Что зависит от компрессионного сжатия
От профессионально проведенных изысканий и лабораторных исследований зависит полнота информации, в свою очередь влияющая на проектные решения, безопасность и долговечность сооружения. Компрессионное сжатие и полученные на его основании показатели дают возможность получить наиболее полное описание свойств грунтов, залегающих в районе участка под строительство. От почвенных характеристик зависит большое количество технических вопросов, возникающих при проектировании и строительных работах. Благодаря полученным результатам проектировщики и архитекторы смогут разработать такой проект, которому будут не страшны ни усадка фундамента, ни деформации и смещение всей конструкции, ни морозное вспучивание и размыв участка. Даже если заказчик убежден, что с геологией на его территории все в порядке, от форс-мажоров не застрахован никто. И испытания грунтов методом компрессионного сжатия в любом случае не будут лишними, поскольку дополнительные гарантии не помешают никогда.
Как заказать геологические изыскания в Москвe
Позвоните нам в офис для размещения заявки.
Сообщите информацию по заказу, для согласования объемов, сроков и стоимости работ.
Проведение работ начинается после оформления и подписания договора.
Компрессионное сжатие
Исследование грунта на компрессионное сжатие выявляет способность образца уплотняться при сохранении целостности. Компрессия подразумевает сжатие почвы без возможности бокового расширения.
Компрессионные испытания помогают рассчитать осадку грунтового основания под нагрузкой сооружения, что будет учтено проектировщиками и позволит построить такое здание, которому будут не страшны усадки фундамента, а сама конструкция не будет подвержена деформации и смещению, что обеспечит ее надежность, безопасность, долговечность.
Как происходит испытание грунтов на сжатие?
Работы проводятся в грунтовой лаборатории. В ходе рабочего процесса проба грунта подвергается сжатию до того момента, пока из его пор не будет вытеснен весь воздух, но при этом образец должен оставаться цельным, не распадаться на части.
Образец насыщенного водой грунта ненарушенной структуры помещается в кольцо одометра, которое выставляется на фильтрационное дно. Устанавливается поршень с двумя отверстиями. Прибор помещается в ванночку с водой, что предупредит пересыхание почвы и исключит капиллярное давление на нее. Если грунт насыщен влагой не полностью, то прибор не заливается водой, но окружается пористым влажным материалом, что не позволит влаге испаряться из образца. Под давлением поршня происходит уплотнение образца, уменьшение его высоты.
Нагрузка ступенчато увеличивается, затем постепенно уменьшается. На каждой ступени нагрузки давление удерживается до прекращения деформационного процесса, то есть стабилизации осадки грунта. Песчаные грунты стабилизируются в считанные минуты, для глинистых может понадобиться несколько суток.
По результатам наблюдений за грунтом лаборанты строят график компрессионной кривой, проводят расчеты для определения следующих характеристик грунта:
При учете данных свойств грунта специалисты проводят расчет основания строения.
Компрессионное испытание грунта
Компрессионные испытания — наиболее распространенный вид лабораторных исследований для определения деформационных характеристик (свойств) грунтов. Компрессия — это процесс сжатия фунта без возможности бокового расширения (ε х =ε y =0), т.е. уплотнение образца без его разрушения.
Компрессионные испытания грунтов в лабораторных условиях проводятся в компрессионных приборах (одометрах). Конструкции их бывают различные, в зависимости от способа приложения нафузки и целей исследования. В качестве примера на рис. 5.2 показан общий вид прибора для компрессионного испытания фунта.
На компрессионное сжатие ( рис. 5.3 ) образец грунта испытывается в металлическом кольце, и на него через жесткий штамп передается сила F, вызывающая в образце сжимающее напряжение σ = F/A, где А — площадь поперечного сечения образца. Таким образом, под действием вертикальной нагрузки происходит вертикальное перемещение штампа, вызывающее осадку образца.
Рис. 5.2 Общий вид прибора для испытания грунта на компрессию
Рис. 5.3 Схема компрессионного испытания образца грунта
График зависимости относительных деформаций (ε z ) от сжимающих напряжений при компрессионном испытании показан на рис. 5.4:
(см. рис. 5.3).
Рис. 5.4. График зависимости ε z =ƒ(σ)
При испытании грунта на компрессию предварительно определяют плотность грунта р, плотность частиц грунта ps и природную влажность со грунта, по которым вычисляют начальный (до сжатия) коэффициент пористости грунта:
(5.2)
(5.3)
где ∆e i — изменение коэффициента пористости;
ΔV n — изменение объема пор образца грунта;
V s — объем твердых частиц грунта.
По значениям е, для различных напряжений строим кривую e=ƒ(P), которую назьгвают компрессионной кривой. На рис. 5.5 показаны компрессионные кривые для грунтов, не обладающих структурной прочностью.
Рис. 5.5. Компрессионные кривые (а) и зависимости изменения относительных деформаций от напряжений (б): 1 — кривая компрессии (уплотнения); 2 — кривая декомпрессии (набухания); ε 0 — относительная пластическая деформация; ε y — то же, упругая
Для оценки сжимаемости грунтов в диапазоне реальных (строительных) нагрузок компрессионную кривую можно заменить прямой линией ММ1 ( рис. 5.6 ). Уравнение этой приямой
Рис. 5.6. Расчетная схема для определения коэффициента уплотнения (сжимаемости)
(5.5.)
Коэффициент сжимаемости — расчетная характеристика деформируемости фунтов, которая используется при определении осадок сооружений. С помощью этого коэффициента можно производить качественную оценку грунта как основания зданий и сооружений:
(5.6)
Продифференцировав это выражение, получим
(5.7)
и тогда можно сформулировать закон уплотнения (компрессии): изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления.
Что такое компрессия и степень сжатия и чем они отличаются
При диагностике автомобиля перед покупкой опытные автовладельцы практически всегда советуют новичкам проверить компрессию. А еще существует степень сжатия – казалось бы, схожий термин, ведь компрессия – это и есть сжатие. На самом деле это совершенно разные вещи. Давайте разберемся, что есть что, а заодно поймем, что и как нужно проверять при покупке машины.
Начнем со степени сжатия. Как мы помним, поршень в цилиндре при работе двигателя движется вверх-вниз, имея две так называемых мертвых точки, верхнюю и нижнюю. Так вот, степень сжатия – это отношение между двумя объемами: полным объемом цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке, и объемом камеры сжатия, когда поршень находится в верхней мертвой точке. То есть степень сжатия – это математическое отношение, которое показывает, во сколько раз топливовоздушная смесь (или воздух, если речь о дизеле) сжимается в цилиндре при работе мотора.
Степень сжатия – одна из базовых характеристик любого двигателя, и закладывается она на стадии проектирования. У бензиновых моторов она ниже, чем у дизельных: в среднем от 8:1 до 12:1 у первых и от 14:1 до 23:1 у вторых. Дело в том, что работа дизельного мотора предполагает самостоятельное воспламенение топливовоздушной смеси от сжатия, а в бензиновом моторе смесь в каждом такте поджигается свечой зажигания. Однако в целом по мере развития технологий двигателестроения степень сжатия в моторах росла. Причина проста: повышение степени сжатия позволяет увеличить КПД мотора, получая больше мощности при том же рабочем объеме и расходе топлива. Собственно, с ростом степени сжатия связано и применение более высокооктановых бензинов.
Таким образом, степень сжатия – это конструктивная характеристика двигателя, и она не меняется по мере его износа и старения. Степень сжатия не нужно «проверять» при покупке, а знать ее нужно в основном для того, чтобы знать, какой бензин лучше заливать в бак купленной машины.
Если степень сжатия – параметр математический и неизменный, то компрессия – характеристика изменяемая. Компрессия – это давление, создаваемое в цилиндре в конце такта сжатия, когда поршень идет от нижней мертвой точки к верхней, сжимая воздух или топливовоздушную смесь. Давление в цилиндре в момент, когда поршень достиг верхней мертвой точки – это и есть компрессия. Можно подумать, что компрессия фактически должна быть равна степени сжатия – ведь она тоже показывает разницу давления в цилиндре при двух положениях поршня – верхнем и нижнем. Однако на самом деле компрессия оказывается значительно выше. Ведь воздух при резком сжатии нагревается, что означает увеличение давления. А еще он нагревается от горячих стенок цилиндра, ведь рабочая температура двигателя гораздо выше температуры окружающей среды. Таким образом, компрессия, конечно, зависит от степени сжатия, но не равна ей. И именно компрессию замеряют при диагностике двигателя, чтобы оценить его техническое состояние.
Замер компрессии проводится с учетом перечисленных выше условий: на полностью прогретом двигателе и при полностью открытой дроссельной заслонке, отвечающей за подачу воздуха в цилиндр. Разумеется, горение топлива для замера компрессии не нужно, в цилиндре сжимается только воздух. Так что подачу топлива отключают, а свечу зажигания (или накаливания, если речь идет о дизеле) выкручивают, а на ее место вкручивают шлаг компрессометра. Компрессометр – это прибор для измерения компрессии. Он фактически представляет собой манометр, подключаемый трубкой к цилиндру и оснащенный обратным клапаном, чтобы не сбрасывать измеренное давление.
Замер компрессии позволяет оценить исправность и техническое состояние двигателя. Во-первых, после замера можно сравнить соответствие полученного результата заводским параметрам – то есть оценить компрессию в имеющемся двигателе по сравнению с новым. Во-вторых, низкий показатель компрессии означает наличие проблем с мотором, ведь он сигнализирует о том, что воздух «утекает» из камеры сгорания, а при работе мотора из нее будут прорываться раскаленные газы. Причин может быть довольно много: поршневые кольца, повреждения седел клапанов и самих клапанов, негерметичность прокладки ГБЦ и даже трещина в самом поршне. Ну а в-третьих, важна не только сама величина компрессии, но и ее равномерность во всех цилиндрах двигателя. Если компрессия в одном или нескольких цилиндрах ниже, чем в других, это говорит о неравномерном износе и наличии проблем.
Таким образом, замер компрессии – одна из простых, но эффективных методик оценки исправности и общего технического состояния двигателя. Он позволяет быстро отсеять заведомо «мертвые» моторы, имеющие проблемы с цилиндропоршевой группой, клапанами и так далее. Поэтому замер компрессии можно и нужно проводить при диагностике практически любого автомобиля перед покупкой.
Компрессионное сжатие
Компания ООО «ГеоЭкоСтройАнализ» профессионально занимается комплексным изучением механических свойств грунтов. Среди испытаний грунта одним из основных является метод компрессионного сжатия.
При проведении испытаний при помощи метода компрессионного сжатия наши специалисты руководствуются номами ГОСТ 12248-2010. На основании полученных данных можно определить:
— структурную прочность на сжатие;
— коэффициенты вторичной и фильтрационной консолидации;
— относительное суффозионное сжатие и начальное давление суффозионного сжатия для песков засоленного типа, суглинков и супесей.
На основании полученных параметров производится расчет оснований сооружений и зданий.
Методика сжатия заключается в уплотнении грунта, при котором происходит вытеснение воздуха из порового пространства. С подобным эффектом уплотнения грунта, происходящим при его сжатии, можно сравнить возникновение динамических воздействий, связанных с погружением свай, землетрясениями и прохождением транспорта.
Компрессионным сжатием называют сжатие, при котором невозможно боковое расширение. Аналогичные нагрузки испытывают некоторые элементы конструкции основания протяженных сооружений. К подобным сооружениям можно отнести широкий спектр плотин, земляных насыпей, подпорных стен. Если рассматривать центральную часть основания земляной насыпи, то в ней грунт не может расширяться горизонтально, так как его деформация происходит в вертикальном направлении.
Дело в том, что нагрузка, которая связана с весом насыпи, является константой, и нагрузка, испытываемая каждым элементарным столбом грунта, соответствует одному и тому же весу насыпи. Если рассматривать ситуацию по краям насыпи, но там происходит уменьшение ее веса, что не соответствует условиям компрессионного сжатия.
Внешняя нагрузка оказывает различное воздействие на грунт и зависит от того, какова степень его насыщения водой. Если грунт полностью насыщен водой, это приводит к заполнению водой всего объема пор. В этом случае грунт относится к двухкомпонентным средам, и его сжатие возможно только после дренирования.
В трехкомпонентных средах, при частичном заполнении пор водой, воздухом или другим газом, можно говорить о неполном водонасыщении грунта. В водонасыщенных и не полностью водонасыщенных грунтах процесс сжатия отличается. Если проводить сжатие грунта, это не повлияет на изменение в нем объема воды.
В различных случаях можно говорить о сжатии грунта или его консолидации. При консолидации грунта происходит уменьшение объема воды в определенном объеме грунта. Это связано с отжатием или фильтрацией воды, когда на нее действует внешняя нагрузка, что приводит к уплотнению грунта.
При использовании метода компрессионного сжатия наши специалисты определяют следующие параметры:
— коэффициент сжимаемости m0;
— модули деформации Eobd и Еk для ветвей вторичного и первичного нагружения;
— коэффициенты вторичной и фильтрационной консолидации cv и са, применяемые для песков пылеватого и мелкого типа, грунтов глинистого, органо-минерального и органического типа.
Твердые частицы, содержащиеся в грунте, называются его скелетом. Можно представить себе пружину, расположенную в водяном цилиндре. Движение поршня приводит к сжатию пружины и оттоку воды. При отсутствии перемещения поршня нагрузка ложится на воду и пружину. Открытие крана приводит к началу отжатия воды, уменьшению давления в воде и увеличения давления в пружине. Величина перемещения поршня или уплотнение грунта зависит от жесткости пружины. Следовательно, от показателя жесткости грунта зависит осадка консолидации. От размера диаметра крана зависит, с какой скоростью будет отжиматься (дренировать) вода.
Эту модель грунта используют, когда хотят описать процесс консолидации в полностью водонасыщенном грунте. Если нужно описать процесс сжатия в не полностью насыщенном водой грунте, то не обойтись без учета давления воздуха, который находится в поровом пространстве.