Влияние физических и механических характеристик на строительные свойства грунтов

Характерные свойства грунтов длительное время воспринимать внешние нагрузки при деформациях оснований, не препятствующих нормальной эксплуатации зданий и сооружений, называют их строительными свойствами.

Под действием внешней нагрузки в грунте происходит уплотнение – уменьшение объема пор в результате переупаковки минеральных частиц, а также их взаимного перемещения. Процессы деформаций осложняются из-за наличия сил сцепления между отдельными минеральными частицами и содержания в порах грунта воды, находящейся во взаимодействии с этими частицами.

Крупнообломочные грунты под нагрузкой уплотняются мало. Их несущая способность велика, что объясняется высоким сопротивлением сдвигу. Кроме того, они обладают высокой водопроницаемостью и слаборазмываемы. Насыщение водой практически не оказывает влияния на их строительные свойства.

Несущая способность песков, состоящих из отдельных, не связанных между собой зерен, определяется сопротивлением их сдвигу. Она тем больше, чем шероховатее и крупнее зерна и чем более плотно они расположены. Увлажнение песков приводит к уменьшению их несущей способности, причем влияние этого фактора повышается с уменьшением крупности песков.

Под действием давления сооружения на водонасыщенные песчаные грунты происходит отжатие воды из пор и уменьшение их объема, а следовательно, осадка основания. Песчаные грунты обладают высокой водопроницаемостью, в связи с чем отжатие воды из пор и осадка основания происходят за короткий период. Это является ценным свойством песчаных оснований, так как осадка сооружений происходит преимущественно в процессе строительства, что улучшает условия эксплуатации сооружений.

Важной характеристикой строительных свойств песков является угол внутреннего трения φ. Он возрастает с увеличением их плотности, размеров, твердости и угловатости частиц и уменьшается с повышением влажности, а также при сотрясениях, возникающих при сильных землетрясениях, взрывах и воздействии вибрации. Угол внутреннего трения песка изменяется в зависимости от его плотности от 25 до 45° при средних значениях 30 – 35°.

Плотность сложения сыпучих грунтов имеет первостепенное значение для оценки их строительных свойств при выборе оснований сооружений. О плотности сложения можно судить по коэффициенту пористости грунта е. Чем больше изменение этого коэффициента в заданном диапазоне изменения давления, тем большей сжимаемостью обладает грунт.

В глинистых грунтах, кроме свободной воды, содержится связанная вода, покрывающая отдельные частицы. При увлажнении грунтов пленки связанной воды утолщаются, расстояния между частицами увеличиваются, грунт набухает и переходит из твердого состояния (твердой консистенции) в пластичное (тестообразное), а затем и в текучее, т. е. приобретает свойства вязкой жидкости. Такие переходы сопровождаются резким падением несущей способности грунтов. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании и возведении фундаментов сооружений.

Значения характеристик сдвига глинистых грунтов изменяются в широких пределах. Они во многом зависят от их структуры, влажности, гранулометрического и минералогического составов и пр. Степень уплотнения глинистых грунтов характеризуется их консистенцией, т. е. способностью противостоять пластическому изменению формы.

Осадка глинистых грунтов под нагрузкой продолжается в течение длительного времени (годы и даже десятилетия), что объясняется малой водопроницаемостью таких грунтов (особенно глин), затрудняющей отжатие воды из их пор. С этим приходится считаться при использовании глин в качестве оснований сооружений.

На строительные свойства глинистых грунтов отрицательно влияет также низкая температура. При замерзании воды в грунте происходит его пучение (подъем поверхности), что может повлиять в неблагоприятном отношении на устойчивость фундаментов.

Модуль деформации грунтов может изменяться в больших пределах. Для грунтов, используемых в качестве естественных оснований, его значения в зависимости от крупности и плотности сложения песков и консистенции глинистых грунтов колеблются примерно от 5 до 50 МПа, а иногда и больше.

В общей деформации грунтов упругие деформации носят линейный характер, а остаточные – нелинейный. Для плотных или обладающих большой структурной прочностью грунтов первостепенное значение имеют упругие деформации. Для таких грунтов прогноз осадок методами теории упругости дает наибольшее совпадение с фактическим состоянием. Наоборот, чем меньше структурная прочность грунтов или чем меньше плотность сложения, тем большее значение приобретают остаточные деформации и тем больше будет отклонение прогнозируемых осадок от фактических.