Особенности деформирования и разрушения грунтовых массивов.

Физическое состояние грунтов оценивается по результатам испытаний образцов ненарушенной структуры, в результате чего определяются три основные характеристики:

· плотность грунта ρ — отношение массы образца к его объему;

· плотность твердых частиц грунта ρ_s — отношение массы твердых частиц к их объему;

· природная весовая влажность грунта w — отношение массы содержащейся в грунте воды к массе твердых частиц (определяется в результате испарения всех видов воды в грунте при температуре + 105 °С).

Помимо основных характеристик, вычисляются и другие: пористость грунта n — отношение объема пор к объему образца; коэффициент пористости грунта е — отношение объема пор к объему твердых частиц, равное n/(1-n).

Важной характеристикой консистенции грунта является число пластичности:

I_p = w_l – w_p, (6.3)

где w_l - влажность грунта, соответствующая границе текучести (при которой стандартный конус погружается в образец на глубину 10 мм); и w_p — влажность грунта, соответствующая границе раскатывания (при которой образец теряет способность раскатываться в шнур диаметром 2—3 мм).

 

Деформируемость сжимаемых грунтов определяется деформируемостью твердых частиц и изменением объема пор при сжатии, которое сопровождается отжатием из грунта поровой воды. В результате грунтовый массив уплотняется, и в нём наблюдаются деформации депрессионной осадки:

S = λ_н γ_в Н,(6.4)

где λ_н — коэффициент депрессионной осадки породы.

 

Характеристики деформируемости грунтов определяются в результате компрессионных испытаний в специальных приборах одометрах, обеспечивающих линейное деформирование образцов в условиях объемного сжатия, и построения соответствующих компрессионных кривых в системе координат «коэффициент пористости е — нормальное давление сжатия р» (рис. 6.14 ).

Рис. 6.14. Графическое представление результатов компрессионных испытаний грунтовых массивов.

Если в пределах сравнительно небольших изменений давления от природного р₁ (равного давлению столба вышележащего грунта) до значения давления р₂ (например, за счет пригрузки от веса сооружений), которое обозначим p= р₂ — р₁, компрессионная кривая близка к секущей прямой АВ, уравнение этой прямой имеет вид

е_i = e₀ – p_i tga, (6.5)

где e₀ – начальный коэффициент пористости, е_i и p_i -коэффициент пористости и нагрузка в рассматриваемой точке, tga = m₀ – характеристика деформируемости грунта, называемая коэффициентом сжимаемости (МПа^-1).

 

Другой характеристикой деформируемости грунта является коэффициент относительной сжимаемости:

M_v = m₀ / (1 + e₀). (6.6)

В качестве деформационной характеристики грунтов используется также модуль деформации

1 - 2n² / (1 - n)

Е₀ = --------------------(6.7)

M_v

где n — коэффициент Пуассона грунтового массива.

 

Прочность грунтов обычно нарушается в результате сдвига одной части грунта по другой. Сопротивление грунта сдвигу определяется на специальных сдвиговых приборах. Результаты эксперимента представляются в виде графика в системе координат «предельное сопротивление сдвигу τ_n — нормальное напряжение сжатия σ», который обычно представляет прямолинейную зависимость вида

τ_n = с + σ_i tgφ, (6.8)

где τ_n и σ_i,- — соответственно предельное касательное и нормальное напряжения, с и φ -удельное сцепление и угол внутреннего трения грунта.

Вечномерзлые грунты могут находиться в твердо-мерзлом, пластично-мерзлом и сыпуче-мерзлом состояниях.

Твердомерзлые грунты прочно сцементированы льдом, практически несжимаемые, имеют модуль деформации Е_о > 100 МПа и хрупко разрушаются при относительно высокой скорости приложения нагрузки. В зависимости от состава грунтов изменяется температура, ниже которой грунты находятся в твердомерзлом состоянии: для песков крупных и средней крупности эта температура равна -0,1 °С, для мелких и пылеватых песков -0,3 °С, для глин -1,5 °С. При температуре, выше указанной, но ниже температуры начала замерзания, грунты находятся в пластично-мерзлом состоянии, в котором грунты сцементированы льдом, но обладают вязкими свойствами. Такие грунты характеризуются достаточно большой сжимаемостью и имеют модуль деформации Е_о < 100 МПа. Сыпуче-мерзлые грунты имеют отрицательную температуру, но не сцементированы льдом.

Отличительной особенностью мерзлых и вечномерзлых грунтов по сравнению с немерзлыми грунтами является то, что они представляют четырехкомпонентную систему, состоящую из твердых частиц, незамерзшей воды, воздуха и льда. Их прочность и деформируемость в значительной степени зависят от количества, состава и свойств незамерзшей воды и льда. Поэтому помимо указанных выше основных параметров (плотности грунта ρ, плотности твердых частиц грунта ρ_s и весовой влажности грунта w) физическое состояние мерзлых грунтов характеризуется весовым содержанием незамерзшей воды w_w при температуре природного залегания грунта. Эту характеристику можно определить по формуле

w_w = k_w w_p,(6.9)

где k_w — коэффициент, зависящий от числа пластичности I_р и температуры грунта; w_p — влажность грунта, соответствующая границе раскатывания. (см. 6.3).

Производной от основных характеристик является суммарная льдистость мерзлого грунта

ρ (w_tot - w_w)

I_tot = ----------------,(6.10)

ρ_i (1 + w_w)

где р_г — плотность льда.

 

Искусственно замороженные грунты обычно образуются при сооружении противофильтрационных завес в плывунах. С понижением температуры искусственно замороженных пород их прочность увеличивается, а деформируемость снижается.

 

Механические свойства грунтовых массивов в большей степени, чем породных массивов, зависят от подземных вод, содержащихся в порах грунта, трещинах и полостях и способных перемещаться под действием силы тяжести.

При определенной скорости движения подземной воды вместе с ней могут перемещаться мелкие частицы грунта водоносного горизонта. Из водоносного горизонта или подстилающего его водоупорного слоя постепенно вымываются пылеватые, мелкопесчаные, а иногда и глинистые частицы, т. е. происходит механическая суффозия грунта. В результате увеличивается пористость грунта и в конечном итоге повышается сжимаемость и уменьшается сопротивление сдвигу грунта. Механическая суффозия может развиваться, если диаметр выносимых мелких частиц приблизительно в 8 раз меньше размера частиц грунта, через которые осуществляется механическая суффозия.

В засоленных мелкодисперсных грунтах фильтрующаяся вода вызывает растворение и вынос растворенного вещества — химическую суффозию грунта. При этом также увеличивается пористость грунта и соответственно его деформируемость, уменьшается сопротивление грунта сдвигу. В результате химической суффозии скальных пород развиваются карстовые процессы и образуются карстовые полости.