3. Механические свойства грунтов

3.1. Понятие о законах пористости

Главной особенностью грунтов является то, что их твердые минеральные частицы занимают не весь объем грунта, а только его часть, остальную же часть объема составляют поры. Связь между частицами грунта слабая или во­все отсутствует.

При действии внешней нагрузки в таких грунтах могут про­исходить взаим­ные сдвиги и перемещения частиц. С этим связаны особые закономерности, рассматриваемые в механике грунтов и называемые законами пористости. Та­ких законов три:

1) закон уплотнения, характеризующий уплотняемость грунта под действием внешней нагрузки (компрессионная зависимость);

2) закон трения, устанавливающий зависимость между давлением и сопро­тивлением грунтов сдвигу;

3) закон ламинарной фильтрации, выражаю­щей зависимость между напором и скоростью фильтрации воды в порах грунта.

Рассмотрим последовательно эти законы.

3.2. Процесс сжатия грунта. Компрессионные кривые. Давление в водона­сыщенных грунтах

Для расчета оснований под фундаментами технологических объектов транс­порта и хранения нефти и газа необходимо знать расчетные характеристики сжимаемости как сыпучих, так и связных грунтов.

Сжимаемость грунтов обусловливается следующими физиче­скими причи­нами: упругостью кристаллической решетки частиц; уплотнением грунтов - уменьшением их пористости; изменением физического состояния грунта, на­пример, при высыхании.

Сжимаемость основания в основном определяется уплотнением грунта и за­висит как от типа грунта, так и от характера нагрузки. Динамические нагрузки (вибрация) вызывают значительное уплот­нение в песчаных грунтах и слабое - в глинистых. Длительно действующие нагрузки, наоборот, сильно уплотняют глинистые грунты и слабо песчаные.

В водонасыщенных мелких песках вибрационная нагрузка может вызвать разжижение, и в таком грунте тонут металлические предметы. При определён­ной частоте вынужденных колебаний трение между частичками песчаного грунта настолько снижается, что грунт приобретает свойство вязкой жидкости с внутренним трением, близким к нулю и ничтожной несущей способностью. Это явление называется виброползучестью грунта.

Процессы сжатия грунта, связанные со временем, существенно влияют на характер работы основания и сооружения и должны учитываться при проекти­ровании газонефтепроводов и хранилищ.

Чтобы судить о размерах будущей осадки грунта под фундамен­том, надо знать зависимость изменения пористости от изменения давления. Эта зависи­мость изучается опытным путем двумя прие­мами - лабораторным и полевым. Наиболее близкие к действи­тельности результаты могут быть получены поле­вым методом, однако ввиду громоздкости и дороговизны полевого испытания грунтов в настоящее время наибольшее распространение получил лаборатор­ный метод. Он состоит в испытании грунта преимущест­венно на приборе од­ноосного сжатия. Схема такого прибора, на­зываемого компрессионным, или одометром, показана на рис. 3.1.

Полагают, что грунт в одометре испытывается в условиях не­возможности бокового расширения, а поэтому деформация сдвига в грунте исключается; ос­тается лишь деформация за счет уменьшения объема пор, и за меру деформа­ции можно принять величину измене­ния коэффициента пористости .

Исследуемый образец грунта, заключенный в жесткое кольцо, укладывается в цилиндр между двумя пористыми (дырчатыми) пластинами для удаления воды из пор грунта, выжимаемой при сжатии.

Увеличивая ступенями сжимающие напряжения  до полного затухания де­формаций от каждой ступе­ни нагрузки, можно, измеряя вертикальные смеще­ния (осадки) поршня индикаторами, определить зависимость  -.

1

2

3

4

5

6

Рис. 3.1.Схема компрессионного прибора: 1 – нагрузка; 2 – поршень; 3 – фильтр; 4 - дренаж; 5 – образец грунта; 6 – корпус прибора

Эта зависимость графически пред­ставляет собой кривую, которая называ­ется компрессион­ной кривой. Для ее построения откладывают по оси абсцисс давле­ния, а по оси ординат - соответствующие давлениям значе­ния коэффици­ента пористости (рис. 3.2).



_ост

1

2



0

Н/см²

_упр

_об

Рис. 3.2. Компрессионные кривые: 1 – уплотнение; 2 – набухание.

Если после обжатия грунта и стабили­зации осадки приступить к постепен­ному снятию нагрузки, то кривая разгрузки 2 (набухания) не совпадет с кривой нагрузки. Это объясняется тем, что в грунтах, кроме упругих, проявляются и остаточные деформации, которые зачас­тую преобладают над упругими. Оста­точные деформации обуслов­ливаются нарушением струк­турных связей и отно­сительным смещением частиц грунта, возникающими в процессе уплотнения. Такие деформации являются необратимыми.

Уплотняемость грунта оценивается коэффициентом уплотнения а. Он выра­жает отношение разности коэффи­циентов пористости и разности соответст­вующих им давлений и имеет размерность см²/Н.

Из рассмотрения участка кривой АВ (рис. 3.3) имеем



(3.1)

А

_А

В



_В



0

_А

_В

Рис. 3.3. Определение параметров отрезка компрессионной кривой

Криволинейная зависимость коэффициента пористости от дав­ления показы­вает, что коэффициент уплотнения в процессе сжатия изменяет свою величину.

Для целей реального проек­тирования величину а можно опреде­лить в преде­лах участка ком­прессионной кривой, соответ­ствующего давлению на грунт от сооружения (например, уча­стка АВ, где а = tg).

Зави­симость (3.1) выражает один из основных законов механики грунтов - закон уплот­нения. Ей принадлежит ведущее место в практических расчетах осадок оснований сооружений.

Закон уплотнения формулируется так: при небольших измене­ниях уплот­няющих давлений изменение коэффициента пористости прямо пропорцио­нально изменению давления.

Именно это условие (деформация прямо пропорциональна давле­нию) позво­ляет заменить в действительности криволинейную зави­симость  - линейной, что делает возможным применить законо­мерности теории упругости к рыхлым (дисперсным) грунтам.

Знание величины коэффициента уплотнения а дает возможность инженеру произвести и общую качественную оценку грунта как основания для сооруже­ния. Полезно запомнить, что в зависи­мости от величины коэффициента уплот­нения для давления 15 - 20 Н/см² грунты по степени сжимаемости прибли­женно делятся на три вида: 1) при а <. 0,001 см²/Н - грунт слабо сжимаемый; 2) при а = 0,001 - 0,006 см²/Н - грунт средне сжимаемый; 3) при а > 0,006 см²/Н -грунт сильно сжимаемый.