1.2. Основные задачи механики грунтов
Многообразие проблем, рассматриваемых в механике грунтов, можно свести к следующим основным задачам:
1. Исследование физико-механических свойств структурно-неустойчивых грунтов, т.е. просадочных, пучинистых, набухающих заторфованных и т.д.
2. Определение напряжений и деформаций грунтовых массивов от действия собственного веса и в процессе нагружения внешними силами.
3. Определение прочности грунтов и устойчивости оснований и сооружений.
4. Исследование реологических свойств грунтов и изменения напряженно-деформированного состояния во времени.
5. Исследование работы грунтовых массивов при динамических воздействиях.
Таким образом, механика грунтов занимается исследованием физико-механических свойств грунтов и разработкой математических методов описания поведения грунтов и связанных с ними явлений.
Характерной чертой современного строительства является появление и развитие новых геотехнических материалов и технологий, например, армирование грунтовых оснований вертикальными и горизонтальными элементами, закрепление слабых оснований твердеющими растворами и т.п., что требует разработки новых моделей грунта, новых подходов к рассмотрению таких нестандартных задач.
Глава 2. Физические свойства грунтов
2.1.Составные части грунтов и их свойства Грунт как многокомпанентная среда
Грунты состоят из отдельных минеральных частиц различной крупности и состава. однако минеральные зерна не занимают всего объёма грунта, между частицами остаются пустоты, которые в совокупности образуют поровое пространство. В общем случае часть порового пространства занято поровой жидкостью, а другая часть -поровым газом.
Таким образом, грунт представляет собой трехкомпонентную или трехфазную среду, состоящую из:
твердой фазы - минеральная часть или скелет грунта;
жидкой фазы - поровая жидкость, чаще всего вода;
газообразной фазы - газ в поровом пространстве, незаполненном водой.
В мерзлом грунте, кроме того, содержится лёд. Он придаёт грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Поскольку лёд выделяют как самостоятельную составляющую (фазу), то мерзлый грунт является четырёхкомпонентной или четырёхфазной системой.
Физико-механические свойства грунта в целом зависят не только от свойства каждой фазы в отдельности, но и от количественного соотношения между ними, а так же от их физико-химического взаимодействия. Соотношение между фазами во времени как при действии внешних нагрузок, так и при иных физических воздействиях не остаётся постоянным. В этой связи грунты рассматриваются как многокомпонентные динамические системы, а взаимодействие между ними определяют поведение грунтов.
2.1.1. Твердая фаза. Определение вида несвязных грунтов
Свойства твердой фазы (скелета грунта) зависят от гранулометрического, минералогического состава и формы частиц.
Гранулометрический состав в природных грунтах определяется размером зерен, который изменяется в очень широком диапазоне - от долей микрона до нескольких сантиметров. Совокупность частиц определенных размеров называют фракцией. Выделяют четыре основные фракции:
- крупнообломочную - размер частиц более 2 мм;
- песчаную - размер частиц 2... 0,05мм;
- пылеватую - размер частиц 0,05... 0,005мм;
- глинистую - размер частиц менее 0,005мм.
Дополнительно выделяют другие фракции, например каллоидную с размером частиц менее 0,001мм.
Процентное отношение выделенных фракций в данном объёме грунта к его общей массе называется гранулометрическим составом. Грансостав исследуется двумя методами.
Содержание крупных фракций определяют ситовым методом, т.е. путем просеивания грунта через стандартные сита с отверстиями определённых размеров.
Содержание мелких фракций, которые невозможно просеять, исследуется ареометрическим методом, основанном на изменении плотности водной суспензии по мере выпадения из неё минеральных частиц. Диаметры частиц и их процентное содержание можно получить по специальным номограммам, составленным на основе решения стокса о скорости выпадения частиц в жидкости.
В результате анализа - ситового и ареометрического, определяется количественное содержание в грунте всех фракций, выраженное в процентах по отношению к общей исследуемой массе. Результаты представляют либо в виде стандартной таблицы, либо графически в виде кривой гранулометрического состава грунта (рис.1)
100
90
80
70 А
60
50
40
30
20
10
0,001 0,01 0,1 1,0 10 lg d, мм абцисса
Рис.1.1. Общий вид кривой гранулометрического состава
По кривой грансостава можно определить однородность грунта. Чем круче кривая, тем однороднее грунт. Количественно это оценивается коэффициентом неоднородности (степенью неоднородности) Сu
Сu=d60/d10
При Сu<3 грунт однородный,при Сu≥3 – неоднородный.
Данные гранулометрического состава используют для определения разновидностей несвязных грунтов - крупнообломочных и песчаных . Для связных глинистых грунтов (супесей, суглинков и глин) характерен свой гранулометрический состав - определенное содержание частиц глинистой фракции. Однако, разновидности глинистых грунтов устанавливаются в первую очередь по числу пластичности.
Минералогический состав так же играет определённую роль, оказывая влияние на физико-механические свойства грунтов.
Особенно существенно минералогический состав влияет на мелкие частицы. Так, присутствие монтмориллонита в глинистых грунтах обеспечивает свойство набухания, т.е. увеличение объема грунта при замачивании. Грунты с большим содержанием каолинита практически не набухают.