ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
Механические свойства грунтов
Под механическими свойствами подразумеваются прочностные и деформационные свойства грунта.
Прочностные свойства грунта – характеризуют силы сопротивления грунта сдвигу при действии на него внешних силовых воздействий.
Деформационные свойства грунта характеризуют способность грунта изменять объем и форму по мере передачи на него давления.
Особенности механических свойств дисперсных тел
Фундаменты зданий и сооружений оказывают различное силовое воздействие на грунтовое основание. Это вызывает напряжения в грунтовом массиве под действием которых грунт деформируется. Характер деформирования грунта и величина деформаций зависит от направления и интенсивности внутренних усилий (напряжений) в грунте.
Основные закономерности механики грунтов
Расчет оснований и фундаментов выполняется с использованием законов механики грунтов, которые, как правило, формулируются на основании анализа результатов экспериментальных исследований. Законы механики грунтов устанавливают зависимость между различными параметрами механического состояния грунта. К примеру, между напряжениями и деформациями, между касательными и нормальными напряжениями, между скоростью фильтрации воды через грунт и градиентом напора.
Основные закономерности механики грунтов, свойства которые они описывают и характеризующие механические свойства показатели сведены в таблице 1
Таблица 1. Основные закономерности механики грунтов
Свойство |
Закон |
Показатели |
Применение |
1. Деформационные свойства |
Закон уплотнения |
mv - коэффициент относительной сжимаемости, Eo - модуль общих деформаций |
При расчёте оснований по второй группе предельных состояний или по деформациям |
2. Прочностные свойства |
Закон Кулона |
φ- угол внутреннего трения, с - удельное сцепление |
При расчёте устойчивости основания, 1-я группа пред. состояний |
3. Водопроницаемость |
Закон Дарси |
kf - коэффициент фильтрации, cv - коэффициент консолидации |
Расчёт осадок основания во времени, другие фильтрационные расчеты |
Сжимаемость грунтов
Сжимаемость грунтов – свойство грунтов изменять свой первоначальный объём за счёт перекомпоновки частиц и уменьшения пористости.
Исследование сжимаемости грунта в лабораторных условиях производится в компрессионных приборах - называемых одометрами. Схема одометра приведена на рис.1
а)
б)
Рис.1. Общий вид компрессионного прибора -а), принципиальная схема прибора -б)
Испытание грунта в компрессионном приборе характеризуется следующими условиями:
Кольцо, в которое помещается образец, имеет достаточную жесткость и поэтому грунт деформируется при невозможности боковых перемещений.
Деформации частиц очень малы и ими можно пренебречь.
Избыточная вода в грунте свободно выдавливается из пор и удаляется через отверстия в штампах.
Объём твёрдых частиц в объеме образца не изменяется(вынос мелкодисперсных частиц вместе с избыточной поровой водой не учитывается).
Изменение пористости грунта при уплотнении
Рассмотрим, как изменяется пористость грунта при его уплотнении в компрессионном приборе. Обозначим первоначальную высоту образца через h. При сжатии образца нагрузкой величиной Ni поверхность образца смещается на величину Si, рис.2.
Рис. 2. Схема деформирование образца грунта в компрессионном приборе
Уменьшение объема образца происходит за счет уменьшения объема пор.
,
(1)
где
-вертикальные
сжимающие напряжения в образце грунта;
А- площадь поперечного сечения образца.
Тоже через коэффициент пористости:
,
где
коэффициент
пористости;
начальный
коэффициент пористости грунта;
изменение
коэффициента пористости;
m` - объем твердых частиц в единице объема.
(2)
Учитывая, что
,
получим:
(3)
Формула (3) позволяет оценить изменение пористости грунта по мере его уплотнения
Компрессионная кривая
В результате испытаний грунта в одометре
при постепенном увеличении
можем построить компрессионную
кривую.
Компрессионная кривая – график изменения коэффициента пористости грунта с изменением уплотняющего давления.
Примерный вид компрессионной кривой приведен на рис.3.
Анализ характера изменения коэффициента пористости грунта при изменении уплотняющего давления позволяет сделать два важных вывода:
С увеличением уплотняющего давления (рi)коэффициент пористости (ei) уменьшается. При этом зависимость ei-pi имеет криволинейное очертание.
Остаточные деформации уплотнения значительно больше упругих.
Рис.3. Общий вид компрессионной кривой
Кроме того, многие грунты обладают так называемой структурной прочностью. В этом случае общий вид компрессионной кривой будет иметь вид, рис.4.
Рис.4. Компрессионная кривая с учетом структурной прочности грунта
Структурная прочность обуславливается наличием жестких кристаллических связей между частицами грунта. Уплотнение грунта в этом случае происходит лишь после разрушения этих связей.
Компрессионная кривая может быть так же построена в логарифмических координатах, рис.5.
Рис.5. Компрессионная кривая в логарифмических координатах
В этом случае она представляет собой практически прямую линию и уравнение данной кривой можно записать в виде:
(.4)
где
коэффициент
компрессии.
Однако применение в расчетах логарифмической зависимости процесса уплотнения грунта от нагрузки приводит к значительному усложнению расчетных моделей и по этому данное представление компрессионной кривой не нашло широкого практического применения.