ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

 

Грунты как природные тела имеют множество свойств и характеристик. Для использования грунтов как среды для инженерной деятельности человека необходимо выделить свойства, требуемые для обеспечения

устойчивости сооружений. Эти свойства были выделены на основании многовекового опыта строительства и проектирования зданий.

1. Сжимаемость — изменение пористости грунта под нагрузкой.

2. Водопроницаемость — способность воды проникать сквозь слой грунта это общее свойство всех пористых тел, но для грунтов величина переменная.

3. Контактная сопротивляемость сдвигу — внутреннее трение в сыпучих грунтах и трение со сцеплением грунтах связных.

4. Деформируемость грунтов — сопротивляемость и податливость структурных связей, и деформируемость отдельных компонентов образующих грунты.

Сжимаемость грунтов — процесс более плотной укладки (переупаковки) в горной породе слагающих частиц. Этот процесс сопровождается неизбежным взаимным перемещением частиц, которое выражается в виде некоторых микросдвигов элементарных частиц слагающих пород, при этом происходит уменьшение пористости.

Механические свойства песчаных грунтов существенно зависят от плотности расположения их частиц в скелете – сложения или упаковки. Различают два вида сложения песков: рыхлое и плотное.

Для глинистых грунтов характерно пакетное сложение. Наряду с относительно крупными порами в глинах имеются очень мелкие поры; под действием нагрузки сжимаются, прежде всего, крупные поры.

Следует отметить, что для различных типов грунтов механизм уплотнения различен.

Так для сыпучих несвязных грунтов уплотнение происходит при таких величинах нагрузки, когда преодолены силы трения минимальными частицами. В грунтах с водно-коллоидными связями уплотнение достигается вследствие изменения толщины водно-коллоидных оболочек минеральных частиц. Для грунтов водонасыщенных уплотнение возможно лишь при изменении влажности, для грунтов неводонасыщенных оно может происходить и при сохранении их влажности.

Следует различать уплотняемость грунтов при кратковременном действии динамических нагрузок (механическую) и уплотняемость при постоянной статистической нагрузке.

При механическом воздействии (трамбовка вибрация) хорошо уплотняются лишь маловлажные рыхлые грунты, имеющие жесткие контакты между частицами.

Сжимаемость песка зависит от его пористости, формы и окатанности зерен, однородности гранулометрического состава. Окатанность зерен способствует взаимному их перемещению при уплотнении, неправильная и остроугольная форма зерен, шероховатость поверхности препятствуют уплотнению.

Факторы, определяющие сжимаемость глинистых грунтов, многообразны: текстура, структурная прочность и консистенция, минералогический и гранулометрический состав, пористость, темп загрузки, наличие различающихся по составу слоев, характер и степень выраженности структурных связей. Особенностью глинистых грунтов является медленное течение процесса уплотнения.

При уплотнении грунтов постоянной нагрузкой следует рассматривать два диапазона давлений:

1. Когда внешнее давление меньше прочности структурных связей.

2. Когда эти связи преодолены.

В первом случае уплотнение грунта не происходит, то есть возникают упругие (обратимые) деформации. При нарастании нагрузки связи между частицами обрываются и наступают необратимые деформации.

В глинистых грунтах уплотнение возможно только после разрушения (частичного или полного) структурных связей. При разрушении связей происходит переход воды, иммобилизованной в структурной сетке, и частично пленочной в свободную воду, которая и отжимается.

Для установления основных показателей сжимаемости грунтов проводят испытания на уплотнение (рис. 2). Полученные при этом результаты называют компрессионными характеристиками, сами испытания — компрессионными.

При испытании грунта на сжимаемость используют приборы с жесткими стенками (одометры) для обеспечения сжатия грунта только в одном направлении. Нагрузку на поверхность грунта прикладывают отдельными возрастающими ступенями и часовыми индикаторами измеряют деформации грунта.

 

 

 

Рис. 2. Схема испытания образца грунта на компрессионное сжатие:

1 — кольцо; 2 — образец грунта; 3 — обойма прибора; 4 — пористый штамп

 

Известно, что уплотнение грунта происходит при изменении объема пор n в образце

D n_i = S_i × F; (13)

 

где S_i — измеренная деформация образца грунта при нагрузке Р_i; F — площадь образца.

Тогда пористость образца после уплотнения определяют по формуле

 

е_i = е _о – (D n_i / m), (14)

 

где е _о — коэффициент пористости грунта до начала испытаний; m — объем твердых частиц (m + n = 1 )

m = × Fh. (15)

Решая систему уравнений (14) и (15), получим:

e_i = e_j – (1 +e _o) S_i / h. (16)

В ряде случаев при оценке сжимаемости грунтов применяют модуль осадки Е_p — относительную деформация грунта при данном давлении:

Е_p = . (17)

По результатам компрессионных испытаний строят компрессионную кривую — зависимость коэффициента пористости от сжимающего напряжения (рис.3).

 

а б

 

Рис. 3. Компрессионные кривые и зависимости изменения:

а — относительной деформации от напряжения, 1 — нагружение; 2 — разгрузка;

б — грунта нарушенной (1) и ненарушенной (2) структуры

 

При малых ступенях нагружения (не нарушенных грунтов), в месте резкого перелома при величине σ _str достигается предел структурной прочности образца (рис. 3, б). Испытания продолжают до стабилизации осадки.

После снятия нагрузки наблюдается разуплотнение образца, вызванное упругостью минеральных частиц, воды защемленных в порах и т.д. (рис.3, а, кривая 2). Общая деформация глинистых грунтов под нагрузкой складывается из осадки обратимой (упругой) и необратимой (остаточной). Обратимые деформации происходят в результате упругости водно-коллоидных пленок, пузырьков воздуха в поровом пространстве, чешуйчато-пластинчатых глинистых минералов. Необратимые деформации связаны с отжимом воды и уплотнением грунта, происходящим вслед за нарушением начальной структуры. В общей деформации грунтов остаточные деформации значительно превышают обратимые.

При нарушенной природной структуре грунта уплотнение грунта начинается при самых малых нагрузках и сжимаемость будет значительно больше (рис. 3, б кривая 2).

Если компрессионную кривую начертить в логарифмических координатах, то изменение коэффициента пористости будут линейно зависеть от логарифма внешних давлений (рис. 4).

 

Рис. 4. Компрессионная кривая грунта, обладающего структурной прочностью в полулогарифмической системе координат

 

В этом случае компрессионная кривая первичного сжатия (прямая CD, рис. 4) описывается логарифмической зависимостью:

 

e_i = e _o- C_c lg(Р_i / P_o), (18)

 

где e _o и P _o — начальные коэффициенты пористости и давление близкое к значению структурной прочности соответственно, e_i и Р_i — коэффициенты пористости и давление при ступени нагрузки Р, C_c — коэффициент компрессии равный тангенсу угла наклона полулогарифмической кривой к оси давлений.

Если вернуться к обычным координатам (рис. 5) и рассмотреть небольшой диапазон давлений, например, порядка 0, 1 — 0, 3 мПа (что обычно имеет место в основаниях сооружений), то для определения изменения коэффициента пористости можно использовать отрезок прямой АВ, тогда

е_i = e _o – P_i tga _, (19)

где tga — характеризует сжимаемость грунта в рассматриваемом диапазоне давлений Р.

Эта величина носит название коэффициента сжимаемости и обозначается m _о

 

m _о = tga; (20)

или

m _о = ; (21)

или

е _i = e _o - m _o P_i. (22)

 

То есть коэффициент сжимаемости равен отношению изменения коэффициента пористости к величине действующего давления.

 

Рис. 5.Расчетная схема для определения коэффициента сжимаемости

 

При расчетах осадок часто используют коэффициент относительной сжимаемости m_v:

 

. (23)

 

Из уравнений (22) и (16) получаем:

m_v = S_i / hP_i, (24)

то есть коэффициент относительной сжимаемости равен относительной осадке S_i / h, приходящейся на единицу давления Р_i.

Полученные уравнения описывают изменение коэффициента пористости лишь для спрямленного участка. Если же изменение коэффициента пористости будут бесконечно малыми, то изменение коэффициента пористости будет строго пропорциональными изменению давлению. Этого можно достигнуть, дифференцируя уравнение (22)

 

de = - m _o d_p. (25)

 

Полученное соотношение позволяет сформулировать закон уплотнения грунтов: бесконечно малое изменение относительного объема пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления.

Деформации песчаных оснований под сооружениями складываются из уплотнения, вызванного перемещением зерен сверху вниз, и возникновения первоначально небольших, а затем все более расширяющихся областей сдвига в краевой зоне по контуру сооружения. Вертикальное перемещение зерен при уплотнении песка под обычными строительными нагрузками незначительно. Однако при увеличении вертикальной нагрузки общая деформация возрастает за счет бокового перемещения зерен. Интенсивная деформация наступает, когда вертикальная нагрузка превышает предел прочности песчаного грунта.

При компрессионных испытаниях уплотнение глинистого грунта данной нагрузкой завершается сравнительно быстро благодаря небольшой высоте образца. Во много раз медленнее протекает процесс уплотнения глинистых грунтов под сооружениями: полная осадка их завершается лишь через несколько лет.

Консолидацию глинистых грунтов разделяют на первичную, или фильтрационную, при которой происходит отжим свободной воды, и вторичную, обязанную вязкопластическому сопротивлению связанной воды сдвигу, повороту и смещению частиц. Чем тоньше водно-коллоидные пленки, тем больше сопротивление грунта деформирующим усилиям.

Сжимаемость грунтов зависит от скорости загружения и величины прилагаемого давления – она возрастает с повышением скорости и при приложении более высоких ступеней нагрузки. Наименьшая сжимаемость достигается при последовательном приложении небольших нагрузок с доведением общей нагрузки до некоторого конечного значения. В этом случае структурные связи разрушаются в минимальной степени и наиболее правильно моделируются условия загружения грунта под сооружениями. Повышение скорости загружения и более высокие ступени прилагаемого давления сказываются на структурных связях и вызывают тиксотропное разупрочнение грунтов.