Основные физико-механические свойства грунтов.

Для сравнения различных грунтов друг с другом их свойства оценивают численными величинами, которые называют параметрами, характеристиками или показателями свойств. Важнейшими показателями механических свойств являются коэффициент Пуассона  и модуль одноосной деформации Е, который аналогичен модулю упругости, но учитывает не только обратимые деформации, но и необратимые. Эти показатели дают возможность оценивать сопротивления грунта деформациям от воздействия различных рабочих органов - режущих и уплотняющих. Однако они, к сожалению, являются не константами, а некоторыми нелинейными функциями возникающих в грунте напряжений. Определяют эти показатели с помощью приборов, воспроизводящих одноосное или трехосное сжатие в некотором интересующем исследователя диапазоне напряжений, а единая методика определения их отсутствует. Поэтому, несмотря на важность параметров  и Е, используют их лишь при теоретическом анализе рабочих процессов. Эксплуатационные свойства грунтов обычно определяют набором эмпирических характеристик, которые, хотя и не имеют строгого обоснования, но с достаточной для практики точностью позволяют определять основные усилия в элементах машин при воздействии их на грунты.

Важнейшие характеристики грунтов описаны ниже.

Гранулометрический состав грунта - процентное содержание по массе частиц различной крупности. В зависимости от крупности, мм, частицы грунта разделяют на следующие: галечные 40 - 20, гравийные – 20 - 2, песчаные – 2 - 0,05, пылеватые - 0,05 - 0,005, глинистые - менее 0,005. Чем мельче частицы грунта, тем больше преобразована первичная горная порода.

Крупноблочные грунты разрабатывают обычно захватом подбором или зачерпыванием кусков. Поэтому сопротивление их разработке зависит от тяжести и механического зацепления кусков. По мере уменьшения размеров частиц грунта их удельная поверхность увеличивается, а, следовательно, возрастают и силы взаимодействия частиц между собой и с элементами рабочих органов машин.

Объемная масса - отношение массы грунта при естественной влажности к его объему. Объемная масса большинства грунтов составляет 1,5 - 2,0 т/м³. С помощью этого показателя определяют массу грунта в ковше машины или в призме волочения при нахождении усилий в элементах машины в процессе ее работы.

Разрыхляемость - свойство разрабатываемого грунта увеличивать свой объем при постоянной массе. Объемы земляных работ и производительность землеройных машин исчисляют по объему грунта в состоянии естественного залегания. В процессе же разработки грунты превращаются в рыхлый материал с объемом пор и пустот значительно большим, чем до разработки. Характеризуют разрыхляемость коэффициентом разрыхления,равным отношению объема разрыхленного грунта к объему, который он занимает в плотном теле. Коэффициент разрыхления всегда колеблется в пределах от 1,08 до 1,75 в зависимости от грунта и конструкции рабочего органа. Это свойство грунта тоже принимают во внимание при установлении емкостей ковшей, размеров отвалов и других размеров машин для земляных работ.

Пористость - отношение объема пор (независимо оттого, чем они заполнены) ко всему рассматриваемому объему грунта. Чем пористее грунт, тем он рыхлее, а следовательно, менее прочен и более подвержен деформациям. Пористость грунта изменяется в зависимости от расстояния между частицами скелета грунта под действием внутренних и внешних сил и особенно важна при искусственном уплотнении грунтов.

Влажность - отношение массы воды к массе сухого грунта, выраженная в процентах. Влажность влияет на механические свойства грунтов особенно сильно. С увеличением влажности грунтов, содержащих в значительных количествах тонкодисперсную фракцию, снижается их прочность, несущая способность и т.п. Кроме того, свойство грунтов уплотняться под нагрузкой существенно зависит от количества содержащейся в нем влаги. Так, максимальной плотности грунта при заданном режиме уплотнения можно достичь лишь при определенном соотношении воды и воздуха в грунте. При повышенной влажности этот показатель снижается. Максимальную плотность грунта при определенной для данной влажности нагрузке называют максимальной стандартной плотностью,а соответствующую ей влажность - оптимальной влажностью. Каждой нагрузке соответствуют определенные значения максимальной плотности и оптимальной влажности. Последние показатели определяют для каждого вида грунта в лабораторных условиях по методу стандартного уплотнения.

Связность - свойство грунта благодаря силам сцепления сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием внешних нагрузок. Характерными примерами связных грунтов являются глины, содержащие в значительных количествах тонкодисперсные фракции.

Пластичность - свойство грунта в результате внешнего воздействия изменять форму без разрыва сплошности и сохранять ее после того, как воздействие снято. Пластичностью обладают все связные грунты в определенных границах влажности. Пластичность тесно связана с влажностью, а также с дисперсностью и однородностью частиц грунта. Чем более грунт дисперсен и однороден, тем выше его пластичность. Так как к связным грунтам относятся грунты с различным гранулометрическим составом, пластические свойства их могут быть различными. Эти различия не имеют, однако, качественного характера. Для количественной оценки пластичности установлено так называемое число пластичности,под которым понимают выраженную в процентах разность влажностей грунта, относящихся к границам перехода в текучее и твердое состояния.

Липкость - параметр, характеризующий способность грунта прилипать к поверхности рабочих органов. Слой грунта, налипающий, например, на внутреннюю поверхность ковша, может существенно затруднить работу машины. Липкость характерна для связных грунтов, находящихся в увлажненном состоянии. С возрастанием влажности липкость увеличивается, но до известного предела.

Так, по достижении полной влажности липкость резко уменьшается и при дальнейшем увеличении влажности может полностью исчезнуть. Таким образом, максимальная липкость, аналогично максимальной плотности, может иметь место лишь при вполне определенной влажности, значение которой определяется гранулометрическим и минеральным составом скелета грунта. Липкость выражают отношением усилия, необходимого для отрыва прилипшего к грунту предмета, к площади прилипания.

Размокаемость - свойство некоторых видов связных грунтов при впитывании воды после потери связности превращаться в рыхлую массу, лишенную несущей способности. Размокаемость грунтов зависит от их состава, характера связей, начальной влажности и имеет существенное значение при гидромеханизации земляных работ. Показателем размокания является время, в течение которого образец грунта, помещенный в воду, распадается в крупные или мелкие комочки, пыль.

Сжимаемость - свойство грунтов уменьшаться в объеме под действием внешней нагрузки. Сжимаемость определяется способностью грунтов уменьшать пористость из-за переупаковки частиц, как вследствие возникновения местных сдвигов частиц и соскальзывания более мелких частиц в поры грунта, так и от изменения толщины водно-коллоидных оболочек частиц при увеличении давления.

Для небольших перепадов давления сжимаемость грунта можно характеризовать коэффициентом сжимаемости, равным отношению разности пористости грунта в начале и конце интервала к приращению давления на этом же интервале. Для больших перепадов давления сжимаемость обычно характеризуют компрессионной кривой, представляемой обычно в виде уравнения:

,

где  и  - начальные коэффициент пористости и давление;

 и  - коэффициент пористости и давление, соответствующие i -й ступени нагрузки;

 - коэффициент компрессии, определяемый экспериментально.

Сопротивление грунта вдавливанию. Значительному числу рабочих процессов машин для земляных работ соответствуют деформации, наблюдаемые при вдавливании в грунт металлических штампов. Для характеристики сопротивления грунта вдавливанию используют показатель - коэффициент сопротивления грунта смятию,т.е. напряжение, вызывающее вдавливание в грунт опорной поверхности на глубину в 1 см. Коэффициент сопротивления смятию позволяет оценивать несущую способность грунта и, следовательно, правильно конструировать ходовое оборудование машин. Значение этого коэффициента колеблется у разных грунтов в пределах
0,12 - 1,3 кг/см². По данным некоторых исследователей, сопротивления при вдавливании штампов в грунт должны коррелироваться с усилиями резания, и они могут служить объективными критериями для составления шкалы сопротивляемости грунтов резанию. Приборы, основанные на принципе вдавливания штампов в грунт, называют плотномерами.

Сопротивление сдвигу. Этот показатель нужен для правильного расчета режимов работы машин и оценки нагрузок на их рабочее оборудование. В настоящее время нет единой точки зрения на природу сопротивления грунтов сдвигу. Некоторые исследователи считают, что сопротивление сдвигу зависит только от сцепления между частицами, показателем которого является коэффициент сцепления.Другие полагают, что сопротивление сдвигу зависит также и от сил трения. Показателями этих сил, действующих в грунте, считают угол внутреннего трения и коэффициент трения. Несмотря на недостаточную изученность природы сопротивления и условность его разделения на внутреннее трение и сцепление, для практических расчетов сопротивление грунтов сдвигу принято характеризовать зависимостью, выражающейся уравнением Кулона:

,

где  - угол внутреннего трения грунта;

р - нормальное давление на поверхности сдвига;

 - удельное сопротивление сдвигу при р = 0, или коэффициент сцепления грунта.

Сопротивление сдвигу грунта зависит как от физического состояния его (плотности, влажности), так и от условий деформации (скорости сдвига, размеров массива). Для количественной оценки сопротивления грунтов сдвигу проводят экспериментальные исследования, заключающиеся в одновременном измерении нормального и касательного усилий при разрушении сдвигом стандартного образца.

Угол естественного откоса грунта - угол, при котором неукрепленный откос грунта еще сохраняет равновесие, или угол, под которым размещается свободно насыпаемый грунт. Для несвязных грунтов угол естественного откоса равен углу внутреннего трения.

Абразивность грунтов - свойство их изнашивать рабочие органы машин в результате истирания. Форма и размеры элементов машин, соприкасающихся с грунтом, значительно меняются, вследствие чего нарушаются проектные условия их взаимодействия и возрастают нагрузки на машину.

Динамические показатели. Число параметров, характеризующих с различных сторон динамические свойства грунтов, чрезвычайно велико. К наиболее существенным следует отнести скорости распространения продольных и поперечных волн,определяющих скорость распространения возмущений в грунте. Произведение плотности грунта на скорость продольных волн принято называть акустической жесткостью,характеризующей сопротивляемость грунта прохождению продольной волны. Коэффициент затухания колебаний - параметр, характеризующий уменьшение амплитуды колебаний по мере удаления от источника возмущений.

Классификация грунтов.

Инженерные классификации грунтов, применяемые в настоящее время, можно подразделить на группы: инженерно-геологическую почвенно-дорожную, физико-техническую и практическую.

В нашей стране наиболее употребительна практическая классификация, по которой грунты подразделяют на два класса, резко отличающихся друг от друга по своим свойствам: массивные, сцементированные скальные; рыхлые, обломочные, состоящие из нецементированных обломков и частиц - глинистые, песчаные, крупнообломочные нескальные.

Главный принцип, положенный в основу практической классификации, - трудность разработки грунтов. В соответствии с этим принципом скальные грунты характеризуются показателем крепости. Все горные породы разделены на 10 категорий. Крепость их оценивается коэффициентом крепости . За единицу крепости принят предел прочности при простом сжатии, равный 100 кг/см². Например, если какая-либо порода обладает сопротивлением сжатию 400 кг/см², то коэффициент крепости ее будет  = 400 / 100 = 4.

По шкале Протодьяконова к 1-й категории относят в высшей степени крепкие породы (например, наиболее крепкие кварциты, базальты), коэффициент крепости которых составляет 20. Глинистые сланцы, известняки, некрепкие песчаники, характеризующиеся коэффициентом крепости 4, относят к породам 5-й категории.

Для нормирования производственных процессов применяют и другие классификации горных пород по прочности. В классификации нескальных грунтов их характеризуют видом и гранулометрическим составом (количественным содержанием твердых частиц того или иного размера), в соответствии с которыми грунтам присваивают название.

В зависимости от количества воды в несвязных грунтах их разделяют на маловлажные, если вода заполняет не более 50% всего объема пор, влажные, когда водой заполнено 50 - 80% объема пор, и водонасыщенные при заполнении водой более 80% объема пор.

В связных грунтах в отличие от несвязных наряду с гранулометрическим составом классификационным показателем является не влажность, а число пластичности. Такой принцип классификации рекомендует СПиП. Он позволяет легко определить вид грунта, а затем отнести его к той или иной группе в зависимости от трудности разработки.

В настоящее время наиболее употребительна классификация, предложенная А.И. Зелениным. По ней физическое состояние грунта оценивается по числу ударов динамического плотномера ДорНИИ. Плотномер состоит из цилиндрического стержня сечением 1 см², на который надета гиря массой 2,5 кг. При падении с высоты 40 см гиря ударяется об упор на стержне, который погружается в грунт. В зависимости от числа ударов С_пл, необходимых для погружения стержня на 10 см, грунт (в соответствии с классификацией грунтов по числу ударов динамического плотномера) можно отнести к одной из восьми категорий: I - 1 - 4; II - 5 - 8; III - 9 - 16; IV – 16 – 34; V – 35 – 70; VI - 70 – 140; VII – 140 – 280; VIII - 280 – 560.

 

Использование динамического плотномера позволяет классифицировать грунты, при разрушении которых преобладает пластическое деформирование. Следует заметить также, что это один из наиболее объективных способов оценки мерзлых грунтов при различных влажностях и температурах, поэтому указанная классификация грунтов рекомендуется во многих ГОСТах на машины для земляных работ.

А. И. Зеленин установил экспериментально зависимость:

где  и  - число ударов динамического плотномера для двух видов грунта;

 и  - усилия резания в этих грунтах.

Отсюда

.

 

Контрольные вопросы

1. Виды машин и оборудования, применяемых при строительстве, ремонте, эксплуатации и техническом обслуживание газонефтепроводов.

2. Технологический процесс и основные машины для производства земляных работ.

3. Грунты как объект воздействия в процессе их разработки.

4. Основные физико-механические свойства грунтов.

5. Классификация грунтов.

 

 

 

Практика № 2