Деформационные характеристики грунтов

Деформация – свойства горных пород под нагрузкой менять форму сложения и обьем. Характер деформаций, возникающих в породах, зависит от характера передаваемого усилия, его размеров, способов передачи на породу и типа породы. При сжатии образца горной породы длина его уменьшается, а поперечное сечение увеличивается; при растяжении длина увеличивается, а поперечное сечение уменьшается.

Внешние усилия, передаваемые на породу, вызывают противодействующие этим усилиям внешние напряжения в породе. Под напряжением понимается интенсивность усилия на единицу площади. В условиях равновесия внутреннее напряжение в породе равно действию внешних усилий, поэтому напряжения могут быть выражены через величину этих усилий: σ= dP/dF.

Каждую силу, действующую на любую произвольную выбранную площадку или сечение внутри породы, можно разложить на силы, нормальную к площадке и касательную к ней. Эти две силы, отнесенные к еденице площади, называют нормальными, или сжимающими, и касательными, или сдвигающими, напряжениями.

Деформация сжатия – уменьшение расстояния между двумя паралельными площадками под действием нормальной силы. Деформация сдвига – взаимное перемещение двух смежных площадок породы в направлении, паралельном этим площадкам, под действием тангенциального условия.

Деформация горных пород возникает тогда, когда внешние силы, действующие на породу, становятся больше внутренних сил в породе (трение и сцепление), стремящихся сохранить целостность породы – форму и размер составляющих ее зерен и связи между ними. Они возникают в наиболее неблагополучных сечениях, в которых действуют максимальные нормальное и касательное напряжения.

 

Физическое и химическое выветривание

Массивные гп коры выветривания литосферы не сохраняют свое первоначальное состояние, а постоянно изменяются, подвергаясь раздраблению, переносу водой и воздушными течениями.

Изменение под влиянием физического и химического действия различных агентов носят названия процесса выветривания. Продукты выветривания – основная масса грунтов. Главным фактором выветривания является резкое колебание температур и действия мороза.

Физическое выветривание разрушает породу на более мелкие отдельности не нарушая его минералогического состава.

При химическом выветривании происходящие между отдельными минералами и обусловленным новыми условиями давления и деятельностью воды. Основная порода распадается на очень мелкие частицы.

 

Механические свойства грунтов.

Механические свойства – это способность горных пород сопротивляться внешним механическим воздействиям. Последние вызывают деформации в горных породах. При достаточно больших значениях внешних механических воздействий (нагрузок) породы могут терять прочность и разрушаться. Иными словами, механические свойства горных пород характеризуют их деформируемость и прочность под действием внешних нагрузок.

Механические свойства зависят от характера породы. Различают три группы пород: породы с жесткими связями – твердые (скальные и полускальные), связные – глинистые и несвязные – песчаные.

 

Методы прогноза развития деформаций грунтов во времени

Методы прогноза развития деформаций грунтов во времени основаны на теории фильтрационной консолидации, в основу которой положены следующие предпосылки:

- скелет грунта рассматривается как упругая пористая среда, действует компрессионный закон уплотнения Δε=m_VΔσ;

- поровая вода абсолютно несжимаемая;

- отжатие воды из пор грунта подчиняется закону ламинарной фильтрации Дарси v=ki;

- внешняя нагрузка уравновешивается суммой напряжений в скелете грунта (эффективное напряжение) σ_z и в поровой воде u_v.

Основные расчетные случаи.

Случай 0 – одномерное уплотнение слоя грунта под действием сплошной нагрузки.

Случай 1 – сжимающие напряжения увеличиваются с глубиной по закону треугольника. Случай соответствует уплотнению свежеотсыпанного слоя водонасыщенного грунта под действием собственного веса.

Случай 2 – сжимающие напряжения уменьшаются с глубиной по закону треугольника. Случай соответствует виду эпюры дополнительных напряжений по оси фундамента, принятой в методе эквивалентного слоя.

 

Прочность грунтов в неконсолидированном состоянии.

При незавершонной консолидации водонасыщеного глинистого грунта эффективное напряжение в скелете σ, вызывающее уплотнение грунта, всекда меньше полного напряжения и закон Кулона будет иметь следующий вид: τ_пр=(σ- u_w)tg φ+ c, где u_w – избыточное (поровое) давление.

Водонепроницаемость грунтов.

Водонепроницаемые грунты - грунты, обладающие свойством не пропускать воду. Водонепроницаемость их тем выше, чем мельче размер частиц, и, кроме того, в сильной степени зависит от формы грунтов. Глины, состоящие из чешуйчатых частиц, пропускают воду в 10 тыс. раз хуже, чем песчаная пыль, почти столь же мелкая, но имеющая зернистое строение. Жирные глины и плотная, без трещин, скала практически водонепроницаемы; суглинки мало водопроницаемы; все же прочие грунты обладают известной дренирующей способностью. Со свойствами водонепроницаемости приходится считаться при возведении земляного полотна и оснований сооружений, чтобы избежать оползней, образования грязевых карманов, балластных корыт, неравномерной осадки сооружений и т. п.

 

Деформация грунтов и расчет осадок оснований сооружений

(рис 5.1)

На рисунке представлены расчетные схемы к задаче определения конечной стабилизированной осадки основания от действия нагрузки, передаваемой на грунты через подошву фундамента.

Осадку поверхности основания в уровне подошвы фундамента будет вызывать не полное давление р(х), возникшее после строительства, а приращение давления, равное р(х)-q. Где q=yd – природное давление на глубине заложения фундамента.

Прогиб поверхности основания будет иметь криволинейное очертание, которое зависит от жесткости фундамента. Для абсолютно жестких фундаментов характер осадок поверхности будет соответствовать пунктирным линиям.

При практических расчетах прибегают к упрощению задачи.

Для центрально нагруженных фундаментов определяется максимальная осадка s по оси z, которая принимается как величина совместной деформации основания и фундамента.

Для внецентренно нагруженных фундаментов определяется величина средней осадки и крена подошвы фундамента.

Различают две группы методов расчета осадок: основанные на строгих решениях и дополнительных упрощающих предпосылках (приближенные решения).

 

Классификационные показатели грунтов.

При изучении физических свойств грунтов следует различать характеристики, позволяющие охарактеризовать физическое состояние грунтов и их классифицировать и дающие оценку поведения грунта под действием внешних сил. К первым относятся: коэффициент пористости, влагонасыщенности, относительная плотность и пределы консистенции; ко вторым – коэффициент сжимаемости, водопроницаемости, внутреннего трения и модули деформируемости.

Пористость есть важнейшей физической характеристикой грунтов как дисперстных тел.

В природных грунтах всекда содержится то или иное количество воды, которое оказывает влияние на взаимосвязь минеральных частиц. Поэтому второй важнейшей характеристикой физических свойств грунтов будет их влажность.

Как пористость, так и влажность грунтов необходимо определять не в абсолютных величинах, а в относительных, например по обьему твердых частиц или как долю заполнения обьема пор водой. Для их вычесления предварительно для грунтов должны быть найдены три основных физических показателя: объемный вес грунта естественной ненарушенной структуры, удельный вес твердых частиц грунта, весовая влажность грунта естественной структуры.