Физико-механические свойства инженерно-геологических элементов

Основные понятия

Физико-механические свойства грунтов проявляются при воздействии на них внешних нагрузок. В общем случае поведение грунта под нагрузкой складывается из трех последовательно идущих и часто взаимно накладывающихся процессов: а) обратимого или упругого деформирования, состоящего из условно-мгновенной части и упругого последействия — У; б) пластического деформирования — П; в) разрушения — Р.

Состояние грунта при переходах У>Р (хрупкое разрушение), У>П (наступление пластической деформации) и П>Р (пластическое разрушение) называется критическим или предельным. Знание поведения грунта на каждой стадии деформации, а также условий перехода от одной стадии деформации к другой имеет большое практическое значение, так как позволяет предсказывать поведение грунта при действии давления от сооружения.

Физико-механические свойства грунтов подразделяются на деформационные, прочностные и реологические.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические и, следовательно, не приводящими к разрушению. Эти свойства можно выразить двумя парами показателей: либо модулем деформации и коэффициентом Пуассона, либо модулями сдвига и объемного сжатия.

Деформационные свойства грунтов определяются в условиях, моделирующих работу грунта в сооружении. Наиболее часто деформационные свойства грунтов определяются при статическом нагружении. Однако для дорожного и антисейсмического строительства изучение деформационных свойств грунтов производится также при действии вибрации, переменных нагрузок и т. д.

Грунт под нагрузкой может деформироваться при свободном расширении, ограниченном боковом или без бокового расширения. Первое условие реализуется при одноосном сжатии образцов, второе — при испытании в приборах трехосного сжатия и методом пробных нагрузок, третье — при компрессии.

Прочностные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта. Сдвиг и разрыв — два основных механизма потери прочности телом. Сдвиг происходит под действием касательных сил; при сдвиге одна часть тела перемещается относительно другой. Разрыв тела происходит под действием нормальных растягивающих, сил и морфологически выражается в виде трещин и отделении одной части тела от другой.

Основным показателем прочности грунтов является их сопротивление сдвигу; сопротивление разрыву определяется значительно реже. В практике инженерно-геологических изысканий часто определяют сопротивление грунтов одноосному сжатию.

Потеря прочности массива грунта может произойти в результате пластических деформаций, напоминающих течение вязких жидкостей. Поэтому грунты характеризуются также вязкостью, позволяющей оценивать величину пластических деформаций при данном силовом воздействии на протяжении длительного времени. Примером таких медленных деформаций являются вековые осадки и наклон сооружений, перемещение подпорных сооружений, оползни, развитие оседания земной поверхности при строительстве тоннелей, появление горного давления в подземных сооружениях и др. Образование складчатости и изгиб пластов горных пород также результат их течения при длительном действии сил.

Протекание деформаций различных тел во времени под действием приложенных к ним сил изучает реология (от греческого слова рео — течь). Отсюда реологическими свойствами являются свойства грунтов, характеризующие их поведение под давлением во времени.

Реологические свойства проявляются в виде релаксации напряжений (падение напряжения при неизменной деформации) и деформации ползучести (рост деформации при постоянном напряжении), в результате которой прочность грунта изменяется во времени (длительная прочность) и происходит его разрушение.