Классификационные показатели грунтов.

Физические свойства грунтов

Грунты состоят из твердых минеральных частиц («скелет» грунта), воды и воздуха и, таким образом, представляют собой (при положительной температуре) трехфазную систему. Все грунты различаются между собой многими признаками. Для механики грунтов наиболее важными являются их физические и механические свойства. Количественные показатели свойств грунтов называют характеристиками. Основные из этих характеристик определяют опытным путем в лаборатории или в полевых условиях, остальные вычисляют затем по найденным основным характеристикам. Основными характеристиками физических свойств грунтов служат: гранулометрический состав, удельный вес грунта природного сложения, удельный вес частиц грунта, влажность, границы раскатывания и текучести.
Гранулометрический состав характеризует содержание по массе групп частиц (фракций) грунта различной крупности по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта. В зависимости от содержания в грунте частиц разных размеров определяют степень неоднородности гранулометрического состава.Степень неоднородности гранулометрического состава не может быть меньше единицы и практически не бывает больше 200.
Удельным весом грунта природного сложения у называют отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры, умноженное на ускорение свободного падения g, равное 9,81 м/с2. Удельные веса нескальных грунтов природного сложения, встречающихся в строительной практике, имеют значения от 15 до 22 кН/м3.Разные грунты имеют удельные веса частиц, мало отличающиеся между собой. Удельные веса частиц песков составляют от 26,5 до 26,8 кН/м3, супесей и суглинков — от 26,0 до 27,0 кН/м3 и глин — от 26,0 до 27,5 кН/м3.
Пластичность и консистенция глинистых грунтов.
Изменение влажности оказывает большое влияние на свойства глинистых грунтов, которые при этом могут переходить из твердого состояния в полутвердое, затем в пластичное и, наконец, в текучее или наоборот. Если образцу маловлажного глинистого грунта попытаться путем раскатывания придать форму проволоки, то он будет крошиться Основными физико-механическими свойствами грунтов являются:
1. Гранулометрический состав, т. е. процентное содержание по весу частиц различной крупности: гальки (40 мм), гравия (2—40 мм), песка (0,25—2 мм), песчаной пыли (0,05— 0,25 мм), пылеватых частиц (0,005—0,05 мм) и глинистых частиц (менее 0,005 мм).
2. Объемный вес, т. е. отношение веса грунта к его объему при естественной влажности. Для грунтов он составляет от 15 до 20 кн/м3 (1,5—2 г/,и3).
3. Пористост ь — объем пор, заполненных водой и воздухом в процентах от общего объема грунта. Она характеризуется коэффициентом пористости, представляющим собой отношение объема занятых водой и воздухом пор к объему твердых частиц.
4. Весовая влажность — отношение веса воды к весу сухого грунта в %.
5. Связность (взаимное сцепление частиц) — способность грунта сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием внешних нагрузок. Типичным представителем связных грунтов являются глину, несвязных грунтов — сухие пески.
6. Пластичность — свойство грунта изменять свою форму под действием внешних сил и сохранять эту форму после удаления внешних сил. Наибольшей пластичностью отличаются влажные глины; песок и промытый гравий — материалы непластичные.
7. Прочность. В связи с тем, что грунты, особенно не связные, имеют незначительную прочность, не удается пользойваться такими характеристиками, как прочность на одноосное.
8. Сопротивление сдвигу. Под действием механической нагрузки грунт разрушается в результате деформаций, превосходящих предельные значения. Считается, что эти деформации происходят по плоскостям скольжения (плоскостям, по которым происходит сдвиг одних частиц относительно других). При разрушении грунта частицы сопротивляются относитель—ному сдвигу. Это сопротивление характеризуется величиной, сцепления. Сопротивление сдвигу по плоскости скольжения уве-личивается в результате внутреннего трения частиц, возникаю щего под действием нормальных напряжений. Если выделить условно сдвигаемую частицу грунта, то напряжения, действующие в плоскости скольжения частицы, могут быть упрощенно представлены так, как показано на рис. 49.

Рис. 48. Предел прочности на одноосное сжатие мерзлых грунтов в зависимости от температуры и влажности ш в:

Рис. 49. Условия равновесия частицы грунта на откосе

9. Угол естественного откоса ф — угол у основания конуса, который образуется при отсыпании разрыхленного грунта с некоторой высоты. Этот угол зависит от величины коэффициента внутреннего трения и от связности. Для несвязных грунтов угол естественного откоса равен углу внутреннего трения. Величины углов естественного откоса приводятся в табл. 8.

10. Сопротивл ени е грунта вдавливанию. При вдавливании в грунт штампа или какой-либо опорной поверхности (ходовой части машины, элемента рабочего органа) под штампом происходят деформации в условиях, близких к всестороннему сжатию (т. е. когда на элемент грунта действуют одновременно окружающий массив и поверхность штампа так, что элемент оказывается сжатым со всех сторон). Чем ближе к поверхности грунта расположен элемент, тем меньше влияние всестороннего сжатия. Вдавливание на небольшую глубину (до 1 см) называют смятием. При этом усилие, необходимое для вдавливания штампа, во много раз меньше, чем при вдавливании штампа на значительную глубину. В частности, допускаемые нагрузки для ходовых частей” машин предусматривают погружение до 6—12 см. Величина усилия, необходимого для вдавливания штампа, зависит от размеров штампа. Чем меньше он, тем больше должно быть удельное усилие при вдавливании.

11. Абразивность (от латинского слова abrasio — соскабливать) — способность материала оказывать истирающее действие на другой материал. Абразивность грунтов из горных пород в значительной степени определяет износ рабочих органов землеройных машин. Имеются различные методы оценки аб-разивности, однако все они пока еще являются относительными, так как износ зависит от удельных давлений, скорости взаимного перемещения и прочностных показателей. При одних и тех же прочностных показателях величина износа может быть различной.

Коэффициент трения грунта о сталь зависит от состояния поверхности стали и физико-механических свойств грунта.

12. Разрыхляемость определяется как отношение объема разрыхленного грунта Vp к объему V первоначальному (в плотном теле).

Первоначальное разрыхление — это разрыхление, наблюдаемое сразу после отделения грунта от массива; остаточное разрыхление наблюдается через некоторое время после укладки грунта в отвал или насыпь, где происходит его самоуплотнение без трамбования.

Копание и резание грунтов

Копание — совокупность процессов отделения грунта от массива, включающих резание грунта, перемещение его по рабочему органу и впереди последнего, а в отдельных случаях и перемещение внутри рабочего органа (в частности, в ковшах экскаваторов).

Резание — процесс отделения грунта от массива при помощи режущей части рабочего органа, обычно имеющей вид клина.

Одно из них — движение, при котором отделяется стружка1, другое (оно может быть названо движением подачи) — при котором изменяется толщина стружки.

Скорость движения подачи обычно в несколько раз меньше скорости главного движения. Соотношение скоростей этих движений в известной мере определяет траекторию рабочего органа.

Рис. 50. Геометрия рабочего органа

В землеройно-транспортных машинах режущий орган (нож) предварительно внедряется в грунт до определенной глубины, а затем, двигаясь в нужном направлении, срезает стружку заданной толщины.

Как правило, внедрение в грунт происходит в результате одновременного перемещения ножа вглубь и вперед.

Механику отделения грунта от массива в процессе резания можно представить так.

Термином «стружка» пользуются при обработке металлов, он не всегда отражает физическую сущность процессов, происходящих при резании грунтов, однако удобен при расчетах сил сопротивления грунта резанию и копанию, наполнения ковша и производительности землеройных машин. Поэтому применяется условно.

Указанный способ моделирования процесса резания был впервые предложен М. И. Гальпериным и В. Д. Абезгаузом.

У передней грани формируется уплотненное ядро (рис. 52), которое, двигаясь перед режущей частью рабочего органа, внедряется в массив и отделяет стружку. Размеры ядра в процессе резания непрерывно изменяются, а само ядро периодически обновляется.

При углах резания, меньших 30°, у большинства грунтов ядро не образуется. В этом случае стружка отделяется под воздействием передней грани рабочего органа.

Рис. 51. Внедрение штампа у одной открытой стенки

Грунт отделяется от массива в результате сдвига или отрыва. Характер этого отделения зависит от физико-механических свойств грунта, геометрии рабочего органа и режимов работы.

Определение отдельных параметров процесса резания и копания грунта, усилий, наивыгоднейших режимов, геометрии рабочего органа из-за сложности процесса и одновременного влияния многих факторов пока еще не получило аналитического решения. В основном усилия и режимы подбираются на основе экспериментальных данных.

Рис. 53. Удельное сопротивление резанию при разработке

До определенных значений с по мере его увеличения второй фактор оказывает большее влияние и, следовательно, величина kp уменьшается. После увеличения с сверх определенных значений большее влияние оказывает всестороннее сжатие и сопротивление kp увеличивается. Это продолжается, пока значение с не достигнет величины си после чего значения kp стабилизируются.

С увеличением Ь величина kv уменьшается и после определенных значений Ь она также стабилизируется.

При полусвободном и свободном резании удельное сопротивление с увеличением с при постоянном b уменьшается и после определенных значений с тоже стабилизируется.

Величина kp в значительной степени зависит от физико-механических свойств грунта и в большей степени от его прочности на одноосное сжатие. Последняя зависит от влажности, объемного веса, пластичности, связности грунта и других параметров. Так как прочность на одноосное сжатие многих талых грунтов мала и трудно поддается измерению, а для некоторых грунтов, например для песков, ее вообще нельзя измерить, то трудность разработки характеризуют категорией грунта.

Рис. 54. Ударник конструкции ДорНИИ

Под действием удара стержень внедряется в грунт. В зависимости от физико-механических свойств грунта для внедрения стержня на глубину 0,1 м требуется различное число ударов: например, в просеянный песок влажностью 9,2 требуется всего один удар, а в легкий суглинок вл а леностью 10,6% — 12 ударов. Величина kp зависит также от геометрии режущей части рабочего органа. Опыты показывают, что для большинства грунтов оптимальное значение угла резания б должно быть 20—30°. При меньших углах б лезвие получается очень тонким. С увеличением этого угла удельное сопротивление резанию возрастает. Задний угол а должен быть не меньше 7°, особенно для экскаваторов и бурильных машин, при работе которых в результате сложного перемещения рабочего органа угол а фактически уменьшается. При а = 7-М0° не всегда можно достигнуть, чтобы угол резания составлял 20—30°, так как в этом случае угол заострения р не превышает 25°, а при такой величине угла заострения прочность режущей части рабочего органа недостаточна. Поэтому угол р делают больше 25°, тогда при а — 7—10° угол резания получается очень часто больше 20—30°.

С увеличением угла б на каждые 10° удельное сопротивление резанию возрастает примерно на 10—12%. Поэтому, если прочность режущей части достаточна, то следует работать на углах, близких к оптимальным значениям.

2. Сила сопротивления внедрению режущего лезвия рабочего органа в грунт Р п (в направлении, нормальном к траектории), т. е. сила подачи.

Как правило, режущая часть рабочего органа быстро затупляется и на ней образуется так называемая площадка затупления. Профиле площадки затупления может совпадать или не совпадать с траекторией движения режущего лезвия. На форму профиля влияют физико-механические свойства грунта и режимы работы.

Рис. 55. Виды затупления режущего лезвия

На рис. 55 показан различный характер затупления режущего лезвия и возникающие при этом силы.

Если траектория движения совпадает с профилем площадки затупления и радиус закругления незначителен, то можно считать, что сопротивление Рп возникает только при отжиме рабочего органа от поверхности грунта (рис. 55.а) в результате упругого последействия.

Если траектория движения совпадает с профилем площадки затупления и при этом на режущей кромке образовался радиус закругления, определяющий площадку затупления, то появляются дополнительные силы, отжимающие рабочий орган в процессе резания.

Если профиль траектории не совпадает с профилем площадки затупления, то выступающая за траекторию часть (рис. 55, в) внедряется в грунт. Сила Р„ при этом определяется сопротивлением внедрению выступающей части в грунт.

Рис. 56. Изменение усилий при вдавливании плоского штампа в мерзлый песок в условиях всестороннего сжатия

.

Водопроницаемость грунтов.

В грунтах часть его объема занимают твердые минеральные частицы, а другую часть — поры, которые обусловливают водопроницаемость. Различные виды грунтов обладают разной водопроницаемостью. При прочих равных условиях лучшей водопроницаемостью обладают песчаные грунты и меньшей — глинистые.

Водопроницаемостью грунта называют его способность пропускать через себя свободногравитационную воду под действием разности напоров. От водопроницаемости грунтов зависит ряд процессов, влияющих на устойчивость сооружений, в том числе:

скорость уплотнения основания (грунтов);

суффозия грунта — перемещение или вынос мелких частиц по порам, образованным более крупными частицами под воздействием фильтрационного потока;

оползневые явления — перемещение грунтовых масс под действием силы тяжести или внешней нагрузки.

Движение свободногравитационной воды в грунтах оснований называется фильтрацией. Фильтрация может происходить по различным направлениям:

горизонтально (рис. 5.15,а);

вертикально вниз (рис. 5.15,6);

вертикально вверх (рис. 5.15,в).

Рис. 5.15. Схемы движения воды в фунтах: l — длина или высота образца грунта; ΔН — разность отметок воды перед входом в образец и выходом из него

Таким образом, движение воды в грунте происходит под действием возникающего в нем градиента напора.

Движение воды в песчаных и глинистых грунтах рассматривается как параллельно-струйное, т.е. имеет ламинарный характер движения, так как скорость фильтрации в таких грунтах невелика.

Первые эксперименты по изучению фильтрации воды были поставлены французским инженером А. Дарси в 1854 г. Дарси установил, что объем воды V, профильтровавшийся через заполненную песком трубу, пропорционален площади ее поперечного сечения, потерям напора и продолжительности фильтрации:

V = kfJAt, (5.29)

где kf — коэффициент фильтрации, см/с (м/сут); J — гидравлический градиент (уклон), равный потере напора на пути фильтрации:

(5.30)

где kƒ — площадь поперечного сечения трубки, м2;
t — продолжительность фильтрации, с.

Коэффициент фильтрации

Коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при гидравлическом градиенте, равном единице. Он широко используется в практике гидрогеологических расчетов, характеризует водопроницаемость грунтов, зависит от грануломефического состава, плотности и пористости грунта. Коэффициент фильтрации определяется в лабораторных и полевых условиях.

Коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при гидравлическом градиенте, равном единице. Он широко используется в практике гидрогеологических расчетов, характеризует водопроницаемость грунтов, зависит от грануломефического состава, плотности и пористости грунта. Коэффициент фильтрации определяется в лабораторных и полевых условиях.

Средние ориентировочные значения коэффициента фильтрации для некоторых видов грунтов приведены в табл. 5.5.

Таблица 5.5. Ориентировочные значения коэффициента фильтрации грунтов

Грунт	Коэффициент фильтрации kƒ, м/сут.
Галечниковый (чистый)
Гравийный (чистый)	От 100 до 200
Крупнообломочный с песчаным заполнителем	От 100 до 150
Песок: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый	От 50 до 100 От 25 до 75 От 10 до 25 От 2 до 10 От 0,1 до 2
Супесь	От 0,1 до 0,7
Суглинок	0,005 до 0,4
Глина	0,005
Торф: слаборазложившийся среднеразложившийся сильноразложившийся	От 1 до 4 От 0,15 до 1,0 От 0,01 до 0,15

Для хорошо фильтрующих грунтов (песков и супесей) коэффициент фильтрации определяют с помощью прибора (рис. 5.16), состоящего из трубы длиной l, заполненной грунтом, и двух трубок — подводящей и отводящей воду. При разности напоров Н2 - Н1 вода будет фильтроваться под действием градиента (J). Определив объем воды V, профильтровавшейся за время t, можно по формуле

(5.31)

Зависимость скорости фильтрации (Vƒ) от гидравлического фадиента, характеризующего водопроницаемость фунтов, носит название закона ламинарной фильтрации. Математическое выражение этого закона, предложенное Дарси, имеет вид

(5.32)

Рис. 5.16. Схема установки для определения коэффициента фильтрации

Формулируется закон ламинарной фильтрации следующим образом: скорость движения (фильтрации) воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.
Фильтрация воды в вязких глинистых грунтах имеет свои особенности, связанные с малыми размерами пор и вязким сопротивлением водноколлоидных пленок, обволакивающих минеральные частицы грунтов.

Движение (фильтрация) воды в глинистых грунтах, в отличие от песчаных (рис. 5.17, кривая а), начинается лишь при достижении некоторого градиента напора (см. рис. 5.17, кривая б), преодолевающего внутреннее сопротивление движения воды.

Рис. 5.17. Зависимость скорости фильтрации в грунте от гидравлического градиента

Для кривой (б) различают три участка:

I — начальный (0—1), когда скорость фильтрации практически равна нулю (Vf = 0);
II — переходный (1—2) криволинейный участок;
III — прямолинейный (2—3), характеризующий процесс установившейся фильтрации.

Таким образом, в глинистых грунтах, особенно в плотных, при относительно небольших значениях градиента напора фильтрация может не возникать (участок 0—1, кривая б). Увеличение градиента напора приведет к постепенному, очень медленному развитию фильтрации (участок 1—2). Наконец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим (участок 2—3).

Напорный градиент, до достижения которого фильтрация в грунте не наблюдается, называется начальным градиентом (J'0).
Во многих случаях исключают из рассмотрения участок 0—2 кривой «б» и закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде

(5.33)

где J'0 — начальный градиент напора, т.е. участок на оси J, отсекающий продолжение отрезка прямой 2—3 до пересечения с этой осью. Для песчаных грунтов фильтрация начинается сразу после передачи напора (рис. 5.17, кривая а).

 

Армирование грунтов

Укрепление откосов, насыпей и оврагов необходимо для предотвращения водной и ветровой эрозии. С помощью армирующих материалов легко решаются такие задачи, как укрепление слабых оснований земляного полотна, усиление дорожной одежды, возведение насыпей с откосами повышенной крутизны, строительство армогрунтовых подпорных стен.

 

Армирование грунтов и грунтовых насыпей представляет собой введение в грунтовые конструкции специальных элементов, которые позволяют увеличить механические свойства грунта. Армирующие элементы, работая в контакте с грунтом, перераспределяют нагрузку между участками конструкции, обеспечивая передачу напряжений с перегруженных зон на соседние менее загруженные участки. Такие элементы могут быть изготовлены из различных материалов: метал, железобетон структуры из стеклянных или полимерных волокон и т.д.

 

Наиболее эффективными и экономически выгодными для армирования грунтов являются геосинтетические материалы, обладающие высокой прочностью, устойчивостью к низким температурам и агрессивным средам, неподверженностью коррозии и гниению, низкой ползучестью (старением).

 

Одним из наиболее простых решений задачи укрепления грунтов является геотекстиль, который представляет собой нетканое полотно из синтетических полимерных волокон. Главной функцией геотекстиля является укрепление грунта. Хорошая водопроницаемость этого полотна позволяет свободно пропускать воду, однако не допускать вымывание грунтов. Геотекстиль получил широкое применение при создании ландшафта на слабых и техногенных грунтах, строительстве и возведении гидротехнических сооружений, автомобильных и железных дорог, аэродромов, туннелей, а также используется для предотвращения эрозии почвы.

Наиболее распространенным материалом при укреплении склонов и грунтов является применение геотекстиля дорнит. Дорнит представляет собой иглопробивное полотно, которое хорошо пропускает воду, осуществляя ее фильтрацию, и препятствует смешиванию слоёв грунта при устройстве дорожного полотна или фундаментов Применение геотекстильного полотна как материала для защиты и укрепления грунта дало возможность строить дороги, выдерживающие довольно высокие нагрузки, даже на слабом основании. Геоткань дорнит может применяться как самостоятельно, так и совместно с георешётками, которые являются не менее эффективным способом укрепления грунта.

 

Георешетка представляет собой гибкую ячеистую конструкцию из пластиковых лент, скрепленных между собой сварными швами. Георешетка применяется при организации противоэрозионной защиты насыпей и откосов повышенной крутизны, неизбежной при строительстве железнодорожных путей, автодорог, мостов, тоннелей, пешеходных переходов через магистрали. Этот материал незаменим и для укрепления прибрежных зон водоемов, в которых грунт особенно сильно подвержен водной эрозии. Основными достоинствами при укреплении ОТК Ёосов георешеткой является его высокая устойчивость к пресной и соленой воде, грунтовой среде и ультрафиолетовому излучению, что позволяет продлить срок службы конструкции. В транспортном и гидротехническом строительстве применение георешетки повышает надежность дорог и водоемов, что уменьшает затраты на дополнительное обслуживание обслуживания зон с нестабильной почвой.

 

Геосетк а представляет собой геосинтетический материал, широко применяемый для армирования и стабилизации строительных конструкций. Эффективность применения материала геосетки обеспечивается водостойкостью и долговечностью геосинтетика. Этот материал устойчив к воздействию химических соединений и ультрафиолета, не подвержен гниению и экологически безопасен.

 

На сегодняшний день геотекстиль «Стабитекс» является наиболее эффективным геосинтетическим материалом, который применяется для армирования слабых оснований при строительстве автомобильных и железных дорог. «Стабитекс» представляет собой геоткань, которая обладает высокой прочностью на растяжение, изготавливается из полиамида, поэтому она может выдерживать большие растягивающие нагрузки при незначительном удлинении.

 

18.Реологические свойства грунта: ползучесть и релаксация

Характер сопротивления грунтов внешним силам зависит от скорости приложения к ним этих сил. При быстром возрастании нагрузки сопротивление грунта будет наибольшим и в нем будут преобладать упругие деформации, при медленном возрастании внешних сил — сопротивление грунта будет меньшим, и он будет проявлять свойства ползучести и текучести.

 

Степень проявления упругости или ползучести в грунте зависит от отношения времени действия силы к так называемому времени релаксации, под которым понимается такой промежуток времени, в течение которого напряжение уменьшается на определенную величину, например, в е раз (е = 2,71).

 

Время релаксации различно у разных тел. Для скальных грунтов оно измеряется сотнями и тысячами лет, для стекла около ста лет, а для воды — 10-11 сек. Если продолжительность действия сил на грунт меньше периода релаксации, то будут развиваться в основном упругие деформации. Если же время действия силы на грунт превышает время релаксации, то в грунте возникают необратимые деформации ползучести и течения. Иными словами, в зависимости от отношения времени действия силы ко времени релаксации тело будет вести себя или как твердое, или как жидкое. Период релаксации является основной константой, объединяющей свойства твердых и жидких тел.

 

В современной физико-химической механике деление на жидко-образные и твердообразные тела производится на основе картины развития скорости деформации сдвига от величины действующего сдвигающего давления.

 

Для жидкости при действии сколько угодно малых напряжений за время, большее периода релаксации, устанавливается стационарное течение с постоянной вязкостью, не изменяющейся при возрастании напряжений. Для структурированных жидкостей (суспензий, высокодисперсных и высоковлажных илов, сапропелей) вязкость уже зависит от действующего касательного напряжения и поэтому называется эффективной.

 

Для твердообразных тел, к которым относятся дисперсные и скальные грунты, характерно наличие предельного напряжения сдвига, называемого пределом текучести и совпадающего с пределом упругости.

 

Для твердообразных тел говорят о пластической вязкости.

 

Н. Ф. Шведов (1889), а затем Бингам (1916) показали, что пластические тела характеризуются двумя параметрами: пределом текучести тел и пластической вязкостью.

Физический механизм ползучести очень сложен и зависит от большого числа факторов. В кристаллах ползучесть обусловлена движением дефектов структуры, двойникованием, трансляцией, диффузией; в поликристаллических телах и дисперсных глинистых грунтах, которые ползут при меньших давлениях, чем кристаллы, — квазивязким скольжением частиц относительно друг друга, переориентацией частиц в направлении, нормальном результирующему напряжению, и развитием микротрещин. Кинетика ползучести зависит от давления и температуры и осложняется различными структурными превращениями — уплотнением и упрочнением грунта на стадии затухающей ползучести и дилатансным разупрочнением на стадии течения.

 

Для составления прогноза ползучести сооружений необходимо знание двух величин — порога ползучести и эффективного коэффициента вязкости грунта и его изменения во времени. Порог ползучести (по Н. Н. Маслову) представляет собой такое касательное напряжение, при котором и выше которого деформация ползучести, имевшая до этого по своей величине и скорости практически пренебрегаемый характер, резко интенсифицируется.

 

Порог ползучести грунтов зависит от структуры и состава грунта, от температуры и давления и скорости действия давления. Для плотных пород порог ползучести выше, чем для малоуплотненных.

 

«Порог ползучести» определяется по данным длительных опытов на ползучесть идентичных образцов грунта, испытываемого при различных значениях касательного напряжения.

 

Ж. С. Ержанов (1964) отмечает, что скальные грунты (алевролиты, аргиллиты, песчаники, известняки) в условиях изгиба при нагрузках, не превышающих ~70% от разрушающих, четко обнаруживают свойство ползучести. Следовательно, порог ползучести у этих пород может достигать нескольких десятков кГ/см2. Из рассмотренных им пород специфическим поведением при ползучести обладали известняки, ползучесть которых затухала в 10—20 раз быстрее, чем у других пород. Такое поведение известняка, по-видимому, можно объяснить высоким углом внутреннего трения и высокой вязкостью, присущих кальциту, основному минералу, слагающему известняки.

 

Эффективная вязкость грунтов характеризует сопротивление их течению под действием внешних сил. Количественно вязкость определяется величиной касательной силы, которая должна быть приложена в единице площади сдвигаемого слоя, чтобы поддержать в нем ламинарное течение с постоянной скоростью относительного сдвига, равной единице.

 

Факторы, определяющие вязкость грунтов. Вязкость грунтов зависит от их структуры и текстуры, химико-минералогического состава, от температуры и величины касательных напряжений. Коэффициент вязкости для разных грунтов изменяется в очень широких пределах: от 102—104 пз для илов с нарушенной структурой до 1022 пз для известняка. С увеличением плотности грунтов их вязкость, а также порог ползучести возрастают.

 

Нарушение структурных связей в глине путем ее перемятая приводит к существенному уменьшению вязкости. Отношение наибольшей вязкости к наименьшей возрастает от менее дисперсных грунтов (суглинок лёссовидный, глина кембрийская) к более дисперсным (хвалынская глина).

С увеличением интенсивности касательных напряжений вязкость грунтов уменьшается, изменяясь от наибольшей вязкости по, характерной для практически неразрушенной структуры, до наименьшей вязкости, отвечающей структуре в состоянии максимального нарушения связей между частицами.

 

Зависимость вязкости скальных грунтов от касательного напряжения М. В. Гзовский аппроксимирует логарифмической зависимостью.

 

М. В. Гзовский (1963) по величине вязкости горных пород в природных условиях выделяет:

наименее вязкие породы (тощие глины, соли, гипсы, тонкослоистые алевролито-глинистые толщи);

слабовязкие породы (тонкослоистые известняково-мергелистые, песчано-глинистые, флишевые толщи);

сильно вязкие породы (слабо слоистые песчаниковые, конгломератовые, карбонатные, вулканогенные, в прошлом сильно дислоцированные и слабо метаморфизованные песчано-глинистые толщи);

наиболее вязкие породы (граниты, гнейсы, кристаллические сланцы);

 

Таким образом, петрографический состав является основным фактором, который определяет вязкость монолитных пород.

 

Глины, соли и мергели обусловливают относительно низкую вязкость грунтов, так как, присутствуя в виде прослоев, они снижают вязкость песчаных и известняковых толщ и способствуют их оползанию на склонах. Примером такого смещения являются деформации Дзора ГЭС (Армения), описанного Г. М. Ломизе (1945). Сооружение стало с некоторого момента времени обнаруживать осевое сжатие в результате давления толщи андезито-дацитов, сползавшей по слою глинистых туфов, кровля которых была наклонена к горизонту под углом порядка 8—9°. Геодезические наблюдения установили, что скорость смещения толщи в направлении ГЭС измерялась величиной 2—3 см/год.

 

Вязкость грунтов, так же как и жидкостей, зависит от температуры. Однако исследования вязкости грунтов в диапазоне температур, представляющих интерес для инженерной геологии (примерно от —40 до +80° С), не проводились и данных об изменении вязкости грунтов от температуры практически нет. Расчеты, выполненные по данным изучения ползучести глин в недренированных условиях при разных температурах, показали, что для иллита увеличение температуры от 20 до 26°С привело к уменьшению вязкости от 20•1012 до 0,7•1012 пз, т. е. почти в 30 раз.

 

 

Физические свойства грунтов

Грунты состоят из твердых минеральных частиц («скелет» грунта), воды и воздуха и, таким образом, представляют собой (при положительной температуре) трехфазную систему. Все грунты различаются между собой многими признаками. Для механики грунтов наиболее важными являются их физические и механические свойства. Количественные показатели свойств грунтов называют характеристиками. Основные из этих характеристик определяют опытным путем в лаборатории или в полевых условиях, остальные вычисляют затем по найденным основным характеристикам. Основными характеристиками физических свойств грунтов служат: гранулометрический состав, удельный вес грунта природного сложения, удельный вес частиц грунта, влажность, границы раскатывания и текучести.
Гранулометрический состав характеризует содержание по массе групп частиц (фракций) грунта различной крупности по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта. В зависимости от содержания в грунте частиц разных размеров определяют степень неоднородности гранулометрического состава.Степень неоднородности гранулометрического состава не может быть меньше единицы и практически не бывает больше 200.
Удельным весом грунта природного сложения у называют отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры, умноженное на ускорение свободного падения g, равное 9,81 м/с2. Удельные веса нескальных грунтов природного сложения, встречающихся в строительной практике, имеют значения от 15 до 22 кН/м3.Разные грунты имеют удельные веса частиц, мало отличающиеся между собой. Удельные веса частиц песков составляют от 26,5 до 26,8 кН/м3, супесей и суглинков — от 26,0 до 27,0 кН/м3 и глин — от 26,0 до 27,5 кН/м3.
Пластичность и консистенция глинистых грунтов.
Изменение влажности оказывает большое влияние на свойства глинистых грунтов, которые при этом могут переходить из твердого состояния в полутвердое, затем в пластичное и, наконец, в текучее или наоборот. Если образцу маловлажного глинистого грунта попытаться путем раскатывания придать форму проволоки, то он будет крошиться Основными физико-механическими свойствами грунтов являются:
1. Гранулометрический состав, т. е. процентное содержание по весу частиц различной крупности: гальки (40 мм), гравия (2—40 мм), песка (0,25—2 мм), песчаной пыли (0,05— 0,25 мм), пылеватых частиц (0,005—0,05 мм) и глинистых частиц (менее 0,005 мм).
2. Объемный вес, т. е. отношение веса грунта к его объему при естественной влажности. Для грунтов он составляет от 15 до 20 кн/м3 (1,5—2 г/,и3).
3. Пористост ь — объем пор, заполненных водой и воздухом в процентах от общего объема грунта. Она характеризуется коэффициентом пористости, представляющим собой отношение объема занятых водой и воздухом пор к объему твердых частиц.
4. Весовая влажность — отношение веса воды к весу сухого грунта в %.
5. Связность (взаимное сцепление частиц) — способность грунта сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием внешних нагрузок. Типичным представителем связных грунтов являются глину, несвязных грунтов — сухие пески.
6. Пластичность — свойство грунта изменять свою форму под действием внешних сил и сохранять эту форму после удаления внешних сил. Наибольшей пластичностью отличаются влажные