Пьянков, С. А., Азизов З. К.

С.А. Пьянков.

З.К. Азизов

 

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

 

Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 27010265 «Промышленное и гражданское строительство» и 27010965 «Теплогазоснабжение и вентиляция»

 

 

Ульяновск 2008

УДК 32.001(075)

ББК 66.0 я7

П 87

 

 

Рецензенты: заведующий кафедрой, к.г.н., доцент А. И. Золотов (кафедра «География» УлГПУ); В. Л. Рубцов, гл. инженер ООО «ГрадСтройПроект».

 

 

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия.

 

 

Пьянков, С. А., Азизов З. К.

П 87 Механика грунтов: учебное пособие / С. А. Пьянков, З. К. Азизов; Ульян. гос. техн. ун-т. – Ульяновск: УлГТУ, 2008. – 97 с.

ISBN 5-89146-700-0

 

 

Учебное пособие содержит материалы по дисциплине «Механика грунтов». Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 27010265 «Промышленное и гражданское строительство» и 27010965 «Теплогазоснабжение и вентиляция», изучающих дисциплину «Механика грунтов».

УДК 32.001(075)

ББК 66.0 я7

 

 

Ó Пьянков С. А., Азизов З.К., 2008

ISBN 5-89146-700-0 Ó Оформление. УлГТУ, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………...4

1. Общие представления о грунтах и механике грунтов и основы строительного грунтоведения……………………………………………………….. 5

1.1. Механика грунтов как теоретическая основа проектирования оснований. Исторический обзор развития дисциплины. Основные понятия и определения……………..………... 5

1.2. Состав и строение грунта. Виды грунтов………………………..………………….. 7

1.3. Классификация грунтов………………………………………………………..……. 11

1.4. Структурно-неустойчивые грунты……………………………………..…………... 13

1.5. Основные расчетные модели грунтов ………………………………………………15

2. Физические свойства грунтов, классификация грунтов по физическим свойствам………………………………………………………………………….….17

2.1. Основные характеристики физических свойств грунтов, отбор образцов……….....17

2.2. Основные, производные и классификационные характеристики грунта……….... 21

2.3. Строительная классификация грунтов по физическим свойствам ………………. 24

2.4. Понятие об оптимальной плотности скелета грунта и оптимальной влажности......28

3. Основные закономерности сопротивления грунтов действию внешних нагрузок, механические свойства грунтов……...…………….. 28

3.1. Условия работы грунтов в массиве. Основные законы и свойства,

механические характеристики…………………………………..………………………. 28

3.2. Закон уплотнения, сжимаемость грунта. Компрессионная зависимость, компрессионные испытания. Коэффициент сжимаемости, модуль деформации грунта ………………..30

3.3. Закон сопротивления сдвигу для различных грунтов, характерные зависимости. Угол внутреннего трения и угол естественного откоса, трение и сцепление…………………35

3.4. Закон ламинарной фильтрации, водопроницаемость и фильтрационные свойства. Гидравлический градиент, коэффициент фильтрации………………………………………….38

3.5. Влияние подземных вод на строительные свойства грунтов и на фундаменты…...40

3.6. Влияние физических и механических характеристик

на строительные свойства грунтов ……………………………………...……………….………42

4. Основы теории распределения напряжений в грунте…………………......43

4.1. Фазы напряженно-деформированного состояния грунта……………..……………..43

4.2. Применимость к грунту решений теории упругости…………………..………….. 45

4.3. Напряжения, возникающие от действия внешних нагрузок. Действие сосредоточенных сил, распределенной нагрузки. Действие равномерно распределенного давления, метод угловых точек………………………………………………………………………………. 47

4.4. Напряжения, возникающие от действия собственного веса грунта………..……….54

5. Деформации грунтов и расчет осадок фундаментов…………….…….. 56

5.1. Виды и природа деформаций грунтов…………………………………………..….. 56

5.2. Особенности деформирования грунтов…………………………………..……….... 56

5.3. Влияние различных факторов на величину и характер деформаций………...……..58

5.4. Расчет оснований по деформациям и методы расчета осадок. Затухание осадок во времени……………………………………………………………………………………………..60

5.5. Реология и нелинейная механика грунтов……………………………..….………... 65

5.6. Виды неравномерных осадок сооружений………………………………...……….. 71

5.7. Особенности деформирования различных типов грунтов ………….…………….81

6. Устойчивость откосов и склонов, давление грунта на подпорные стены………………………………………………………………………………….………….82

6.1. Общие положения……………………………………………………………………. 82

6.2. Инженерные методы расчета устойчивости откосов и склонов………………….. 84

6.3. Мероприятия по повышению устойчивости сооружений, откосов и склонов…... 86

6.4. Давление грунтов на ограждающие конструкции……………………………………88

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………..……………….. 96

Библиографический список………………………………………….…………………96

ВВЕДЕНИЕ

 

Дисциплина «Механика грунтов» является частью группы дисциплин, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией зданий и сооружений, устройством подземных коммуникаций, прокладкой трубопроводов.

Базовой дисциплиной по направлению «Строительство» для специальностей 27010265 «Промышленное и гражданское строительство» и 27010965 «Теплогазоснабжение и вентиляция» является «Механика грунтов», содержание которой определяется выпиской из Государственного Образовательного Стандарта Высшего Профессионального Образования.

Выписка из ГОС ВПО

ОПД.Ф.07

Механика грунтов: состав, строение и состояние грунтов; физико-механические свойства грунтов основания; распределение напряжений в грунтовом массиве; расчет оснований по деформациям, несущей способности и устойчивости.

 

Во многих случаях на выполнение работ нулевого цикла, включающих устройство оснований и фундаментов, затрачивается больше времени, чем на возведение сборных надземных конструкций зданий. Кроме того, стоимость этих работ иногда составляет до 40% от общей стоимости сооружений, поэтому их удешевление дает вполне ощутимый эффект.

Надежность оснований и фундаментов и удешевление работ по их устройству в значительной степени зависят от умения правильно оценить инженерно-геологические условия площадок строительства, свойства грунтов в основаниях и совместную работу этих грунтов с деформирующимися фундаментами и конструкциями сооружения, от рациональности выбранных типов оснований, от качества выполнения работ.

Механика грунтов изучает проблемы напряженно-деформированного состояния, прочности, деформативности и устойчивости грунтовых массивов и определяет условия их использования в качестве оснований объектов строительства.

Настоящий курс является естественным продолжением курса «Инженерная геология».

 

Образование грунтов (генезис).

Континентальные отложения:

· элювиальные (форма зерен угловатая);

· делювиальные (перемещенные атмосферными водами и силами тяжести, напластования неоднородны);

· аллювиальные (перенесенными водными потоками на значительные расстояния – окатанные частицы);

· ледниковые (результат действия ледников, неоднородные грунты);

· эоловые (продукты выветривания, пески дюн, барханов, наличие пылеватых и илистых фракций).

Морские отложения: илы, заторфованные грунты, пески, галечники – низкая несущая способность.

Состав грунтов.

Грунты состоят из: твердых частиц; воды в различных видах и состояниях (в том числе льда при нулевой или отрицательной температуре грунта); газов (в том числе и воздуха).

Вода и газы находятся в порах между твердыми частицами (минеральными и органическими). Вода может содержать растворенные в ней газы, а газы могут содержать пары воды.

 

 

От соотношения этих фаз и зависят характеристики грунтов.

Свойства твердых частиц.

Твердая минеральная масса состоит из первичных зерен скелета грунта ( обломков горных пород и минералов) и вторичных частиц, служащих цементирующим веществом грунта. Свойства твердых (минеральных) частиц зависят от размеров (крупности).

Диапазон изменения крупности частиц грунтов значительный. Частицы, близкие по крупности, объединяют в определенные группы, называемые гранулометрическими фракциями (или просто фракциями). Грунты состоят из фракций разной крупности. Процентное содержание в грунте по массе фракции определяет зерновой (гранулометрический) состав грунта (см. таблицу 1.1).

 

Таблица 1.1

 

Классификация твердых частиц

 

Наименование частиц	Поперечный размер (мм)	Примечания
Галечные (щебень)	> 10 (20)	Классификация по шкале Сабанина (по скорости падения частиц в воде)
Гравелистые	2 ¸ 10 (20)
Песчаные	0,05 ¸ 2
Пылеватые	0,005 ¸ 0,05
Глинистые	< 0,005

 

Глинистые частицы по химическому анализу существенно отличаются от остальных (форма их чешуйчатая и игольчатая) – таблица 1.2.

 

Таблица 1.2

Классификация глинистых грунтов (простейшая)

 

Наименование грунта	Содержит частиц < 0,005 (%)
Глины	> 30
Суглинок	10 ¸ 30
Супесь	3 ¸ 10

Свойства воды.

Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым существенным образом зависят от состава и содержания в них воды. В грунте различают кристаллизационную, или химически связанную, физически связанную, или пленочную (характерна для пылевато-глинистых грунтов) и свободную воду. Кроме того, вода в грунте может находиться в виде пара, который обычно относят к газообразной составляющей. При отрицательной температуре вся вода или ее часть может переходить в лед.

Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта. Этот тип воды практически неизвлекаем из грунта и недобавляем в грунт.

физически связанная вода в пылевато-глинистых грунтах в значительной степени предопределяет свойства грунта, которые зависят в первую очередь от ее относительного содержания. Это объясняется взаимодействием молекул воды вследствие наличия электромолекулярных сил с поверхностями коллоидных и глинистых частиц грунта. Эта вода создает гидратные пленки вокруг твердых частиц, и ее часто называют пленочной. Данная вода является связанной, и она трудно извлекается из грунта и добавляется в грунт.

Свободная вода в грунте не испытывает силу притяжения. Она подчиняется законам гидравлики, т. е. передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров. Часто свободную воду подразделяют на гравитационную и капиллярную. Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно в пылеватых песках, глинистых грунтах. Легко извлекается из грунта и добавляется в грунт.

Свойства газа.

Содержание воды и газа в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже – азотом, метаном, сероводородом и другими газами. Газы в грунте могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Свободный газ подразделяется на незащемленный,сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах грунта и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие разработки котлована или извлечения образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта.

Основные понятия и виды грунтов.

Грунт скальный –грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.

Грунт полускальный – грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа.

Условная граница между скальными и полускальными грунтами принимается по прочности на одноосное сжатие ( МПа – скальные грунты, МПа – полускальные грунты).

Грунт дисперсный – грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом; образуется в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложением.

Грунт глинистый – связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности I_P ≥ 1.

Песок – несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50 % .

Грунт крупнообломочный – несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50 %.

Грунт просадочный – грунт, который под действием внешней нагрузки и собственного веса или только от собственного веса при замачивании водой или другой жидкостью претерпевает вертикальную деформацию (просадку) и имеет относительную деформацию просадки .

Грунт пучинистый – дисперсный грунт, который при переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие образования кристаллов льда и имеет относительную деформацию морозного пучения .

Грунт мерзлый – грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент и характеризующийся криогенными структурными связями.

Грунт многолетнемерзлый (синоним – грунт вечномерзлый) – грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет.

Грунт сезонномерзлый – грунт, находящийся в мерзлом состоянии периодически в течение холодного сезона.

Грунт морозный – скальный грунт, имеющий отрицательную температуру и не содержащий в своем составе лед и незамерзшую воду.

Техногенные грунты – естественные грунты, измененные и перемещенные в результате производственной и хозяйственной деятельности человека, и антропогенные образования.

Антропогенные образования – твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, в результате которой произошло коренное изменение состава, структуры и текстуры природного минерального или органического сырья.

Природные перемещенные образования – природные грунты, перемещенные с мест их естественного залегания, подвергнутые частично производственной переработке в процессе их перемещения.

Грунты, измененные физическим воздействием – природные грунты, в которых техногенное воздействие (уплотнение, замораживание, тепловое воздействие и т. д.) изменяет строение и фазовый состав.

Грунты, измененные химико-физическим воздействием – природные грунты, в которых техногенное воздействие изменяет их вещественный состав, структуру и текстуру.

Насыпные грунты – техногенные грунты, перемещение и укладка которых осуществляются с использованием транспортных средств или взрыва.

Намывные грунты – техногенные грунты, перемещение и укладка которых осуществляется с помощью средств гидромеханизации.

Бытовые отходы – твердые отходы, образованные в результате бытовой деятельности человека.

Промышленные отходы – твердые отходы производства, полученные в результате химических и термических преобразований материалов природного происхождения.

Шлаки – продукты химических и термических преобразований горных пород, образующиеся при сжигании.

Шламы – высокодисперсные материалы, образующиеся в горнообогатительном, химическом и некоторых других видах производства.

Золы –продукт сжигания твердого топлива.

Золошлаки – продукты комплексного термического преобразования горных пород и сжигания твердого топлива.

 

 

Классификация грунтов

Класс природных скальных грунтов – грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными) подразделяют на группы, подгруппы, виды и разновидности согласно таблице 1.3.

 

Таблица 1.3

Класс природных скальных грунтов

 

Группа	Подгруппа	Вид
Скальные	Магматические	Граниты, базальты
Метаморфические	Гнейсы, сланцы скарны
Осадочные	Песчаники известняки, доломиты
Полускальные	Осадочные	Алевролиты, песчаники опоки, трепела, диатомиты мела, мергели, известняки

 

По пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии грунты подразделяют согласно таблице 1.4.

 

Таблица 1.4

 

Разновидность грунтов	Предел прочности на одноосное сжатие , МПа
Очень прочный	> 120
Прочный	120 – 50
Средней прочности	50 – 15
Малопрочный	15 – 5
Пониженной прочности	5 – 3
Низкой прочности	3 – 1
Очень низкой прочности	< 1

 

Класс природных дисперсных грунтов – грунты с водно-коллоидными и механическими структурными связями подразделяют на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности согласно таблице 1.5.

Таблица 1.5

 

Класс природных дисперсных грунтов

 

Группа	Подгруппа	Тип	Вид
Связные	Осадочные	Минеральные	Глинистые грунты
Органоминеральные	Илы, заторфованные грунты
Органические	Торфы и др.
Несвязные	Минеральные	Пески, крупнообломочные грунты

 

По числу пластичности глинистые грунты подразделяют согласно таблице 2.4 (глава 2).

По показателю текучести глинистые грунты подразделяют согласно таблице 2.5 (глава 2).

По относительной деформации просадочности глинистые грунты подразделяют согласно таблице 2.6 (глава 2).

По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно таблице 1.6.

 

Таблица 1.6

 

Разновидность грунтов	Размер зерен, частиц d, мм	Содержание зерен, частиц, % по массе
Крупнообломочные:
· валунный (при преобладании неокатанных частиц – глыбовый);	> 200	> 50
· галечниковый (при неокатанных гранях – щебенистый);	> 10	> 50
· гравийный (при неокатанных гранях – дресвяный)	> 2	> 50
Пески:
· гравелистый	> 2	> 25
· крупный	> 0,50	> 50
· средней крупности	> 0,25	> 50
· мелкий	> 0,10	75
· пылеватый	> 0,10	< 75

Примечание. При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40 % или глинистого заполнителя более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Вид заполнителя устанавливается после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм.

 

Класс природных мерзлых грунтов – грунты с криогенными структурными связями подразделяют на типы: ледяные минеральные, ледяные органно-минеральные, ледяные органические.

Класс техногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) грунтов – грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека, подразделяют на подгруппы: измененные физическим воздействием, измененные физико-химическим воздействием, насыпные, намывные.

Лёссовые грунты.

Лёссовые грунты по своей структуре и составу значительно отличаются от других видов грунтов. У лёссовых грунтов размер пор значительно превышает размер твердых частиц, такие грунты по-другому называют макропористыми.

В естественном состоянии лёссовые грунты обладают значительной прочностью за счет цементноционных связей и могут держать откосы высотой до 10 метров.

При увлажнении лёссовых грунтов цементноционные связи нарушаются, что приводит к разрушению макропористой структуры.

Разрушения связи сопровождаются потерей прочности грунта и возникающей просадкой.

Набухающие грунты.

К набухающим грунтам относят глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных минералов.

Набухающие грунты характеризуются набуханием (увеличением объема) при увлажнении и усадкой при высыхании.

Увеличение влажности возможно за счет подъема уровня грунтовых вод, накопления влаги от сооружений и нарушения природных условий, испарения воды.

Уменьшение влажности в основном связано с технологическими и климатическими факторами.

Засоленные грунты.

К засоленным грунтам относятся крупнообломочные песчаные грунты, имеющие в своем составе большое количество легко- и среднерастворимых солей. Химическая суффозия солей (недостаток).

Защитные материалы, водозащитные мероприятия, защита от коррозии.

Насыпные грунты.

К насыпным грунтам относятся грунты природного происхождения с нарушенной структурой, а также отходы промышленного производства. Свойства таких грунтов очень различны и зависят от многих факторов (вид исходного материала, степень уплотнения, однородность и т. д.).

 

 

Физические представления

Так как грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, теоретически при его сжатии должны уменьшаться объемы всех трех компонентов – твердых частиц, воздуха (газа) и воды. Поскольку напряжения сжатия, возникающие обычно в основаниях сооружений, сравнительно небольшие, объемные деформации твердых частиц, состоящих из таких материалов, как кварц и полевой шпат и др., ничтожно малы и не учитываются. Следовательно, можно считать, что изменение объема грунта при сжатии происходит только из-за изменения объема пор.

Вследствие упругих деформаций скелета, (частиц) грунта, тонких пленок воды, расположенных между частицами, упругого сжатия пузырьков воздуха, а также сжатия поровой воды, содержащей растворенный воздух, могут происходить упругие изменения объема грунта. Такие деформации грунта, как правило, во много раз меньше остаточных. Последние развиваются, когда возникающие в грунте напряжения превышают его структурную прочность. В конечном счете остаточные деформации приводят к уплотнению (уменьшению пористости) грунта.

Деформации уплотнения развиваются в результате сдвигов или смещений отдельных частиц грунта относительно друг друга, а также при разрушении частиц, особенно в точках их контактов. Деформации уплотнения пылевато-глинистых грунтов чаще всего протекают медленно во времени. Это объясняется прежде всего тем, что при уплотнении из пор водонасыщенного грунта должна быть выдавлена вода, без этого грунт уплотняться не может, так как вода практически не сжимается. Процесс же выдавливания воды из водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов вследствие их малой водопроницаемости продолжается длительное время. Медленное развитие деформаций как уплотнения, так и сдвигов обусловливается, кроме того, ползучестью связанной воды, окружающей твердые частицы, и ползучестью самого скелета грунта.

Все механические свойства грунтов обычно определяются опытным путем (исследования в полевых и лабораторных условиях).

Сжимаемость грунтов обусловливается изменением их пористости вследствие переупаковки частиц, ползучестью водных оболочек, вытеснением воды из пор грунта. Сжатие полностью водонасыщенных грунтов возможно только при условии вытеснения воды из пор грунта.

Исследуем грунт ненарушенной структуры, помещая его в одометр (рис. 3.1).

Прикладываем нагрузку Р ₁ – произойдет уплотнение грунта, и коэффициент пористости станет е ₁. Нагрузка Р ₂ – е ₂ и т. д. (4 – 5 ступеней).

Затем будем снимать нагрузку и наблюдать за результатами. По результатам испытаний строим график компрессионной кривой (к. к.) (рис. 3.2).

 

Из графика видно, что происходит необратимое уплотнение грунта. Нас интересует в основном только прямая ветвь к. к., обратная ветвь к. к. –возможность поднятия дна, при глубоких котлованах (рассматривается в основном в гидротехническом строительстве).

Компрессионная кривая позволяет судить о сжимаемости грунта.

Изобразим снова компрессионную кривую (рис. 3.3):

 

 

Рис. 3.3. Определение коэффициента сжимаемости

 

На небольшом участке рассмотрим приращение нагрузки Р и получим соответствующее е. Заменим дугу прямой и рассмотрим угол .

Тангенс угла наклона касательной компрессионной кривой называется коэффициентом сжимаемости (m_o), tg = m_о.

Если

m_o < 0,005 – грунт малосжимаемый,

m_o = 0,005 ÷ 0,05 – грунт среднесжимаемый,

m_o > 0,05 – грунт сильносжимаемый.

 

Кроме этого используется коэффициент относительной сжимаемости

 

(3.1)

 

где e_o – начальный коэффициент пористости [МПа^–1].

 

е = –tg Р

 

(–) показывает, что с увеличением нагрузки уменьшается. также может характеризовать сжимаемость.

Для фундаментов большинства зданий и сооружений характерно небольшое изменение давлений. Поэтому для них применяют закон уплотнения грунта – изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления.

 

 

de = –m_odP _,(дифференциальная форма)

 

(разностная форма). (3.2)

 

Существенной особенностью природных грунтов ненарушенной (естественной) структуры является наличие так называемой структурной прочности, которая проявляется при их компрессионных испытаниях (рис. 3.4). Благодаря наличию структурных и, в частности, цементационных (кристаллизационных) связей между частицами при относительно малых нагрузках на основной ветви компрессионной кривой до напряжений σ_стр наблюдается практически горизонтальный участок, т. е. отсутствие уплотнения. При напряжениях, несколько больших структурной прочности σ_стр, в результате разрушения хрупких связей между частицами, происходит резкое нарастание деформаций (уменьшение е). Величина σ_стр в некоторых грунтах может быть весьма малой (0,01...0,05 МПа), и поэтому для того, чтобы ее обнаружить, нужно тщательно сохранять структуру образца грунта и прикладывать нагрузку малыми ступенями очень плавно.

Наиболее ярко влияние структурной прочности проявляется в илистых грунтах и некоторых очень влажных глинах, например, иольдиевых глинах и др. Имея очень рыхлое сложение и, как следствие, в водонасыщенном состоянии значительную влажность, эти грунты обладают структурной прочностью, после малейшего преодоления которой начинается «лавинное» разрушение связей между частицами и значительное, обычно катастрофическое для возведенных на них сооружений, стремление к значительному уплотнению водонасыщенного грунта (см. рис. 3.4, кривая 3). В результате этого ранее относительно прочный грунт переходит практически в состояние жидкости, поэтому такие грунты иногда относят к категории «структурно неустойчивых». Одним из возможных путей строительства на таких грунтах является максимальное сохранение в них структурных связей.

Во всех случаях, благодаря наличию структурных связей, сжимаемость любого грунта ненарушенной структуры меньше сжимаемости такого же грунта нарушенной структуры (имеющих одинаковые начальные коэффициенты пористости) (см. рис. 3.4, кривые 1 и 2).

Сопоставляя сжимаемость грунтов различных видов, следует сделать общее практически важное заключение об относительно малой сжимаемости несвязных грунтов и большой сжимаемости связных – глинистых грунтов при действии статических нагрузок. Рыхлый песок в результате действия возможных в строительной практике статических сжимающих напряжений невозможно существенно уплотнить и тем более добиться плотного сложения. Еще меньше уплотняются при статических нагрузках окатанные крупнообломочные грунты. Это объясняется «жесткостью» структуры таких грунтов, наличием непосредственных контактов между частицами и их формой. Ряд частиц крупнообломочных грунтов при нагрузке перемещается только после их разрушения или скола углов. В глинистых грунтах, содержащих пластинчатые частицы, окруженные пленками связанной воды, свойства сжимаемости при статических воздействиях проявляются весьма ярко.

Этими же особенностями структуры объясняется существенная разница в процессах «разбухания» несвязных и связных грунтов при их разгрузке. В несвязных грунтах «разбухание» мало и объясняется в основном упругой деформацией частиц. В глинистых грунтах, наоборот, явления разбухания ярко проявляются в основном за счет увеличения пленок связанной воды (расклинивающий эффект).

Также одной из величин, характеризующих сжимаемость грунта, является модуль деформации грунта Е [МПа], который учитывает как упругие, так и остаточные деформации грунта.

 

Е_о = =

(Аналогичен закону Гука, но там используется модуль упругой деформации)

Модуль деформации грунта может определяться тремя способами:

Модуль деформации грунта обратно пропорционален коэффициенту относительной сжимаемости грунта и прямо пропорционален некоторой функции коэффициента Пуассона, учитывающей вид напряженного состояния при компрессионном сжатии.

Е_о = , (3.3)

 

где ; – коэффициент Пуассона (бокового расширения грунта), принимаемый для песков и супесей – 0,3, суглинков – 0,35, глин – 0,42. Коэффициент Пуассона – одна из физических характеристик материала упругого тела, равная отношению абсолютных значений относительной поперечной деформации элемента тела e _x к его относительной продольной деформации e _z , взятое с обратным знаком, в случае, если действуют только вертикальные напряжения s _z (напряжения s _x и s _y в этом случае отсутствуют).

Коэффициент Пуассона изменяется теоретически от 1 до +0,5, а практически от 0 до +0,5. Коэффициент Пуассона не может быть более 0,5, так как в этом случае при всестороннем сжатии должен был бы увеличиваться объем грунта, что физически невозможно. Таким образом, при s _x = s _y = 0 .

Коэффициент фильтрации

Водопроницаемость связана с уплотнением грунта, так как при уплотнении из грунта в первую очередь извлекается влага.

В строительстве фильтрационные свойства грунта связаны:

1. С инженерными задачами (фильтрация берегов в результате строительства плотин).

2. С вопросами временного понижения уровня грунтовых вод для осушения котлованов и последующего возможного устройства дренажных систем.

Фильтрацией называют движение свободной воды в порах грунта в условиях, когда поток воды почти полностью заполняет поры грунта, т. е. содержится относительно небольшое количество газа, защемленного в скелете грунта.

Закон ламинарной фильтрации Дарси устанавливает зависимость скорости фильтрации поровой воды от градиента гидравлического напора. Движение поровой воды называют фильтрацией, а связанные с этим процессы – фильтрационными. Рассматриваются такие скорости, при которых не наблюдаются завихрения гидравлического потока. Такое движение характеризуется как спокойное, или ламинарное.

Гидравлическим напором называют давление в поровой воде, выраженное в единицах высоты эквивалентного водяного столба:

 

, (3.7)

 

где γ_w – удельный вес воды. Градиентом гидравлического напора называют безразмерную величину, равную отношению разности гидравлических напоров на входе и выходе фильтрационного потока к длине пути фильтрации поровой воды (рис. 3.11, б):

 

(3.8)

 

 

Рис. 3.11. Схемы фильтрации поровой воды:

а – в приборе Дарси; б – в грунтовом массиве; 1 – песок; 2 – сетка; 3, 4 – уровни воды на входе
и выходе; j – угол наклона потока

В опытах (рис. 3.11, а) Дарси измерял расход воды Q (м³) при фильтрации ее через цилиндр с песком площадью поперечного сечения А. Им получена следующая экспериментальная зависимость:

 

Q = , (3.9)

 

где k_f – коэффициент пропорциональности, названный коэффициентом фильтрации;
t – время фильтрации.

Определим понятие скорости фильтрации