Основные закономерности механики грунтов

 

Глава 3. Механические свойства грунтов.

В механике сплошных тел, в том числе в механике массивных горных пород, рассматриваются тела сплошные, которые нередко состоят из ясно выраженных отдельных кристаллов и зёрен различных минералов, но настолько взаимно связанных и спаянных между собой, что прочность связей между ними не отличается от прочности отдельных минеральных зёрен. Деформация таких тел описывается в строительной механике и общей механике сплошных тел.

Основной особенностью грунтов как рыхлых горных пород является то, что в них твёрдые минеральные частицы занимают не весь объём, а только его часть, т. е. грунты не являются сплошными телами и всегда обладают той или иной пористостью, причём прочность связей между минеральными частицами во много раз меньше прочности самих частиц.

В грунтах (природных дискретных минерально-дисперсных образованиях) при действии внешних сил возникают как общие деформации, присущие всем сплошным телам, так и деформации, обусловленные взаимным перемещением отдельных зёрен грунтов и их твёрдых минеральных частиц. Если при действии внешних сил прочность структурных связей между минеральными частицами грунтов не нарушается, то грунты будут деформироваться как сплошные тела. В случае же их нарушения деформации будут определяться, главным образом, перемещениями отдельных зёрен грунтов. Поэтому кроме общих закономерностей, которым подчиняются деформации сплошных тел, здесь будет ещё ряд особенностей и закономерностей, обусловленных природой грунтов.

К таким закономерностям относят:

1. Сжимаемость грунтов, обусловленную изменением их пористости, а, следовательно, и общего объёма под действием внешних сил вследствие переупаковки частиц. Процесс уплотнения в общих чертах заключается в том, что под действием внешних сил расстояния между твёрдыми частицами уменьшаются, вследствие чего уменьшается объём пор и увеличивается удельный вес грунта, т. е. грунт приобретает более плотное сложение. Если поры грунта заполнены водой, то процесс уплотнения под действием сжимающих сил может произойти только при условии выдавливания воды из пор. Внешняя нагрузка, приложенная к грунту, создаёт в грунтовой воде добавочный напор, вследствие чего и происходит фильтрация воды из пор, обуславливающая уменьшение влажности грунта и увеличение его плотности.

2. Водопроницаемость, которая, представляя общее свойство всех пористых тел, имеет для грунтов особенность, так как является для них переменной величиной, изменяющейся в процессе уплотнения их под нагрузкой. Как деформируемость грунтов во времени, так и их сопротивление сдвигу зависят от долей напряжений, передаваемых на скелет грунта и на воду, находящуюся в порах грунта. Поровая вода под действием возникающего в ней давления постоянно отжимается, передавая давление на скелет грунта, поэтому деформируемость грунтов и их сопротивление сдвигу зависят от фильтрационных способностей грунта. Кроме того, фильтрация воды в грунтах интересует строителей в отношении определения притока воды в котлованы и расчёте водопонижающих установок.

3. Контактную сопротивляемость сдвигу, обусловленную лишь внутренним трением в сыпучих грунтах и трением со сцеплением в грунтах связных.

4. Деформируемость грунтов как дисперсных тел и частный случай – принцип линейной деформируемости. Деформируемость грунтов зависит как от сопротивляемости и податливости их структурных связей (будут ли связи сплошные или только в точках контакта минеральных частиц; являются ли они пластичными – водно-коллоидными, или хрупкими – кристаллизационными и т. д.), так и от деформируемости отдельных компонентов, образующих грунты. При этом при однократном загружении и давлении, большем прочности жёстких структурных связей, грунты всегда будут иметь кроме восстанавливающихся и остаточные деформации, во много раз превосходящие по величине деформации восстанавливающиеся.

Знание указанных закономерностей позволяет составлять прогнозы ожидаемой осадки и предотвращать возможность потери устойчивости массивов грунтов.

 

Логическая схема взаимосвязи основных закономерностей механики грунтов.