Основные закономерности сопротивления грунтов действию внешних нагрузок, механические свойства грунтов

Условия работы грунтов в массиве. Основные законы и свойства, механические характеристики

Механическими называются те свойства грунтов, которые характеризуют их поведение под нагрузкой.

Под действием передаваемых сооружением вертикальных или наклонных сил в массиве основания возникают нормальные и касательные напряжения, приводящие к деформации грунтов. Кроме того, грунт испытывает напряжения от собственного веса. Деформации от собственного веса грунта завершаются, как правило, в процессе образования и диагенеза грунтов. Напряжения, возникающие от усилий, передаваемых сооружением, приводят к дополнительной деформации грунтов. Наиболее часто имеют место деформации уплотнения грунтов под действием нормальных напряжений, реже – деформации сдвигов грунтов, вызываемые касательными напряжениями.

Воздействие нормальных напряжений на сплошные тела рассматривают в механике деформируемых тел (сопротивление материалов, теория упругости). Поскольку грунты относятся к дисперсным телам, кроме закономерностей деформируемости сплошных тел, приходится учитывать изменение объема пор при сжатии, т. е. рассматривать дополнительно закон уплотнения (закон компрессии). Кроме того, в грунтах, как и в сплошных телах, при действии нормальных напряжений наблюдается боковое расширение, но по более сложной закономерности.

Деформируемость сплошных тел под действием касательных напряжений характеризуется модулем сдвига при упругих деформациях, границей текучести при пластических деформациях и коэффициентом вязкости, обусловливающим вязкое течение.
В грунтах деформации сдвигов рассматривают сравнительно редко, обычно интересуются сопротивлением их сдвигу при предельно напряженном состоянии. Это сопротивление зависит от угла внутреннего трения и удельного сцепления грунтов, определяемых в соответствии с законом сопротивления грунтов сдвигу.

Как деформируемость грунтов во времени, так и их сопротивление сдвигу зависит от долей напряжений, передаваемых на скелет грунта и на воду, находящуюся в порах. Поровая вода под действием возникающего в ней давления постепенно отжимается и передает его 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 котлован и расчета водопонижающих установок. Все это обусловливает необходимость изучения закона фильтрации поровой воды.

Итак, к основным закономерностям относятся закон фильтрации, описывающий водопроницаемость, закон уплотнения, определяющий сжимаемость, и закон сопротивления сдвигу, характеризующий сопротивляемость грунтов сдвигу.

 

 

Все механические характеристики грунта делятся на 3 группы:

 

I группа – для оценки деформативных свойств грунта.

(m_о) – коэффициент сжимаемости основания , , МПа^–1;

(m_v) – приведенный коэффициент сжимаемости основания;

Е_о – модуль общей деформации , МПа.

II группа – для оценки фильтрационных свойств грунта.

К_ф – коэффициент фильтрации , ;

i – гидравлический градиент.

 

 

III группа – для оценки прочностных свойств грунтов.

– угол внутреннего трения (град);

С – коэффициент сцепления , МПа.

 

Для определения деформативных свойств грунтов проводятся компрессионные испытания.

 

 

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

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: