Показатели механических свойств грунтов

Под механическими свойствами грунтов понимают их способность сопротивляться изменению объема и формы под действием внешних силовых и физических (изменение влажности, температуры и др.) воз­действий. Характеристики этих свойств различаются для разных ви­дов и состояний грунтов и зависят от величины действующих напря­жений. В допредельном напряженном состоянии характеристики ме­ханических свойств называются деформационными. Они определяют способность грунтов сопротивляться развитию деформаций (осадок, горизонтальных смещений и др.). В предельном состоянии характери­стики механических свойств называются прочностными и определяют способность грунтов сопротивляться разрушению.

Механические свойства грунтов зависят от их состава (грануло­метрического, минерального), физического состояния (плотности, влажности) и структурных особенностей, обусловленных условиями образования и последующего изменения под действием природных явлений или техногенной деятельности. Обычно механические свой­ства грунтов определяются экспериментально: лабораторными или полевыми исследованиями.

Иногда показатели механических свойств грунтов могут быть оп­ределены косвенным путем по их физическим характеристикам. Так, СНиП 2.02.01-83* "Основания зданий и сооружений" допускает для предварительных расчетов оснований, а также для окончательного расчета оснований зданий и сооружений II и III классов и опор линий электропередач и связи независимо от их класса определять значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по показате­лям их физического состояния. С этой целью в СниП 2.02.01-83* при­водятся таблицы нормативных значений прочностных и деформаци­онных характеристик песков и глинистых грунтов.

Сжимаемость грунтов

 

Сжимаемостью грунтов называется их способность уменьшаться в объеме, давая осадку, под действием внешней нагрузки. Сжимае­мость происходит в основном за счет уменьшения объема пор, так как твердые минеральные частицы и вода считаются практически несжи­маемыми в диапазоне распространенных в строительной практике давлений (0,1-0,5 МПа).

Рассмотрим деформации сжатия выделенного в грунте объема, размеры которого таковы, что в его пределах напряжения от дейст­вующих на грунт внешних нагрузок постоянны.

Выделенный объем грунта сжимается в направлении большего из действующих напряжений и расширяется в перпендикулярных ему направлениях.Но поскольку расширению грунта препятствует реакция окружающего грунта, то деформация его происходит при ограничен­ной возможности бокового расширения. В связи с неопределенностью деформации такого вида рассмотрим деформацию грунта при гранич­ных условиях: 1) при свободном боковом расширении и 2) при полной невозможности бокового расширения.

В первом случае (рис. 4) относительные деформации грунта бу­дут:

 

ε_x = ε_y = νε_z (16)

или ν = (16')

где ε_x, ε_y, ε_z — относительные деформации грунта по осям X, Y и Z

соответственно;

ν - коэффициент бокового расширения (коэффициент Пуассо­на).

 

Рис. 4. Схема деформации грунта

при свободном боковом расширении

 

Значения v принимаются равными для грунтов: крупнообломоч­ных - 0,27; песков и супесей - 0,30; суглинков - 0,35; глин - 0,42.

При сжатии в условиях полной невозможности бокового расшире­ния (рис. 5) грунты испытывают одноосное сжатие в направлении при­ложения вертикальной нагрузки N_z и расширение в горизонтальном. Однако этому расширению препятствует реакция окружающего грунта, вызывая горизонтальные сжимающие напряжения σ_х и σ_у.

Величина бокового давления грунта при невозможности бокового расширения характеризуется коэффициентом бокового давления ζ:

,

отсюда следует, что

Значения коэффициента бокового давления ζ, полученные экспе­риментально, следующие: для песков - 0,25+0,37; для глинистых грун­тов (в зависимости от консистенции) - 0,11+0,82.

Для глинистых грун­тов текучепластичной консистенции ζ приближается к единице.

 

Рис. 5. Схема деформации грунта при полной невозможности

бокового расширения

 

Для установления связи между коэффициентом бокового расши­рения ν и бокового давления ζ к мысленно выделенному в массиве грунта элементарному кубу, находящемуся в равновесии в условиях свободного бокового расширения, приложим вертикальную нагрузку N_z, под действием которой грань куба будет испытывать напряжение σ_Z, вызывающее деформацию боковых граней куба. Не снимая напря­жения σ_Z, к боковым граням куба приложим нагрузки N_x и N_y, вызы­вающие напряжения по граням σ_X и σ_Y. При этом σ_X = σ_Y=ζ∙σ_Z. Напря­жения σ_X и σ_Y создадут дополнительное обжатие грунта, возвращая боковые грани куба в первоначальное состояние. Так как объем куба под действием этих напряжений остается постоянным, то сумма де­формаций будет равна нулю.

Рассмотрим деформацию одного из ребер I куба (например, по оси X) от действующих напряжений (рис. 6). Если относительное уд­линение ребра I при действии напряжения составит ε, то напря­жение σ_Z вызывает удлинение ребра на величину

,

где - коэффициент Пуассона.

 

 

Рис. 6. Деформация грунта от действия напряжений

по трем направлениям

 

 

Под действием напряжения ребро I удлинится на величину

Действие напряжения вызывает сжатие ребра I на величи­ну

Так как сумма деформаций равна нулю, то

отсюда,

+

Решая равенство, получим

+ = ; ,

откуда

; , (17)