II тарау. Грунттардың механикалық қасиеттері

2.1. Грунт механикасының негізгі заңдылықтар

Құрылыс ісінің жобалау және есептеу тәжірибесінде кең қолданылатын “серпімділік теориясы” негізінде тұтас серпімді изотропты денелерге (болат, бетон) арналған. Грунттар болса табиғи тау жыныстары ретінде мұндай заттардың өздерінің қасиеттерінің күрделілігімен , оның ішінде жоғары сығылғыштығымен, кеуектлігімен және нығыздалу барысында кеуектілігінің өзгеріп, азаюымен ерекшеленеді. Сондай-ақ грунттың дисперсиялы, кеуекті зат ретінде аталымыш изотропты денелерден басты өзгешелігі сол - оған жүк түскенде негізінен оның кеуектілігінің кеміп, өзгеруіне байланысты серпімді емес, яғни қайтымсыз, нығыздалу деформациясы дамиды. Әрине, осндай, қасиеттері күрделі зат болып танылатын грунттарды есептеу үшін “серпімділік теориясы” “таза күйде” қолдану мүмкін емес. Сондықтан түскен жүктердің әсерінен ғимараттардың грунтты негіздерінде туындайтын кернеулер мен деформацияларды есептеп, анықтау үшін “серпімділік теориясы” грунттардың қасиеттерінің ерекшеліктерін ескеретін грунт механикасының заңдылықтарымен (кеуектілік заңдарымен) толтырылады. Сөитіп грунт механикасы ғылымының теориясының негізі құрылды.

Грунт механикасының негізгі заңдылықтарына мыналар жатады:

1. Грунттардың сығылғыштығы немесе нығыздалу заңы.

Осы заңдылықтың көрсеткіштері грунттың деформациялық сипаттамаларына жатады: m₀- сығылғыштық коэфициенті; m_v- cалыстырмалы сығылғыштық коэфициенті; E₀- деформация модулі.

Бұл заңдылық іргетастартың шөгуін есептеу үшін қолданылады.

2. Ламинарлық сүзілу заңы немесе грунттардың су өткізгіштігі.

Сипаттамасы –сүзілу (фильтрация) коэффициенті-k_f. Бұл заңдылық суға шылқыған грунттарға орнатылған іргетастардың шөгу жылдамдығын есептеу үшін пайдаланады.

3. Грунттардың беріктігі немесе ығысу кедергісі. Кулон заңы. Осы заңдылықтың көрсеткіштері грунттың беріктік сипаттмаларына жатады:C – ілініс күші, φ – ішкі үикеліс бұрышы. Бұл заңдылықты грунттардың шекті беріктігін, орнықтылығын және олардың сүйеме қабырғаларға түсіретін қысымдарын есептеу үшін қолданады.

4. Сызықтық деформациялану принципі.

Сипаттамасы – модуль деформациясы . Бұл заңдылықты грунттарда сыртқы жүктердің әсерінен туындайтын кернеулер мен деформацияларды анықтау үшін пайдаланады.

2.2. Грунттардың сығылғыштығы. Нығыздалу заңы.

Грунттардың сығылғыштығы олардың басқа тұтас изотропты денелермен (тас,бетон,болат) салыстырғанда өте өзгеше қасиеттерінің бірі болып саналады. Өйткені сығылу құбылысы грунттың ішкі құрылымының күрт өзгеруімен, яғни табиғи құрылымдық байланыстарының бұзылып, оның бастапқы кеуектілігінің азаюына байланысты қатты түйіршіктерінің орын ауыстырып, неғұрлым тығыз күйге көшуімен түсіндіріледі.

Грунттардың тұтас тұраөты жүктің әсерінен сығылуын қарастырғанда оларға түсетін сыртқы қысымның мынадай (P) екі шамасына назар аудару қажет:

1. ; 2) P (2.1)

мұнда - грунттың құрылымдық беріктігі.

Бірінші жағдайда (егер сыртқы қысымның шамасы грунттың құрылымдық беріктігінен төмен болса немесе оған тең болса) зерттеулердің нәтижелері көрсеткендей, грунт тқтас квазиқатты денеге ұқсас толық серпімді (қайтымды) деформацияланады, өйткені оның ішкі табиғи құрылымдық байланыстары бұзылмайды.

Екінші жағдайда (егер сыртқы қысымның шамасы грунттың құрылымдық беріктігінен жоғары болса) , грунттың табиғи құрылымдық байланыстары сыртқы қысымның әсерінен бұзылып, оның қатты түйіршіктері орын ауыстырып және бір бірімен тығыз орналасқандықтан кеуектігі азайып, грунт нығыздалу деформациясына ұшырайды.

Грунттың сығылуын, яғни оның жалпы деформациясын ( ) мынадай үш түрге бөліп қарастыруға болады:

= + + (2.2)

Грунттың серпімді деформациясы ) өзін тудырушы сыртқы қысым әсерін жойғанда ешқандай із қалдырмайды, яғни сығылған грунт бастапқы пішініне қайтадан оралады. Сондықтан мұндай деформация кейде қайтымды деформация деп аталады. Бұл деформация грунт құрамындағы қатты түйіршіктер мен су көпіршіктерінің сығылуымен түсіндіріледі.

Грунттың нығыздалу деформациясы ) сыртқы қысымның әсетінен оның құрылымдық байланыстарының бұзылып, кейбір минералды бөліктерінің қирап, осының нәтижесінде қатты түйіршіктерінің орын ауыстырып, тығыз күйге көшуіне байланысты грунттың табиғи кеуктілігінің күрт азаюымен түсіндіріледі. Суға шылқыған грунттарда нығыздалу деформациясының дамуы тек қана олардың кеуектеріндегі бос судың сүзіліп, сығылып шыққан жағдайында ғана мүмкін болады.

Грунттердің жылжу деформациясы ( ) құрамындағы қатты түйіршіктердің және берік байланысқан су қабықтарының ұзақ уақыт бойында жылжып ығысцымен түсіндіріледі.

Эксперименттік зерттеулердің нәтижелеріне қарағанда грунттарды жалпы деформацияларының ішінде нығыздалу деформациясынан үлесі өте жоғары (90% шамасында). Сондықтан құрылыс ісінде іргетастардың грунтты негіздерінің шөгуін қарастырғанда шешілетін мәселелерді оңайлату үшін, инженерлік есептеулердің жуықтау шегіне сәйкес, грунттардың жалпы деформациясын, яғни сығылуын олардың нығыздалу деформациясына тең деп қабылдайды. Сөйтіп іргетастың негізігің шөгуін есептегенде грунттың кеуектілігінің азаюына байланысты туындайтын нығыздалу деформациясын анықтаумен шектеледі.

Грунттардың сығылғыштығының негізгі көрсеткіштерін анықтау үшін лабораториялық жағдайда компрессиялық сынақтар жүргізіп, нығыздалу деформациясының кеуектілік коэффицентерінен тәуелділігі анықталады.

Компрессиялық сынақ негізінде қалыңдығы h грунт қабатының тұтас тұрақты жүктің (P) әсерінен сығылуын сипаттайды.(2.1 - сурет).

Цилиндр пішінді грунт сынамасы 1 компрессиялық аспаптың сақинасында 2 жан - жаққа кеңи алмайтын жағдайда тек қана тік бағытта сығылады. (2.1.а - сурет).грунт сынамасының шөгуі тік бағытта өлшенеді. Компрессиялық тәуелділіктің графигін (кеуектілік коэффицентінің е нығыздаушы жүктің Р шамасына тәуелділігі) құру үшін кеуектілік коэффицентінің өзгеруін грунт сынамасының нығыздалу деформациясы (шөгуі) арқылы анықтайды. Әуелі мынадай белгілермен қабылдайды: - грунттың бастапқы табиғи күйіне сәйкес кеуектілік коэффиценті; h - грунт сынамасының нығыздалғанға дейінгі бастапқы биіктігі; нығыздаушы қысымның мәніне сәйкес келетін сынақ жүргізу басында табылған грунт сынамасының шөгу (нығыздалу) шамасы; - нығыздаушы қысымның грунт кеуектілігінің (кеуек көлемінің) өзгерту шамасы; - нығыздаушы қысымның мәндеріне сәйкес келетін нығыздалған грунт сынамасының кеуектілік коэффиценттерінің шамалары.

2.1 – сурет. Грунт қабатының компрессиялық приборда (а) және тұтас жүктің әсерінен сығылуы (ә)

Енді (1.6) формуласын ескерсек:

(2.3)

Грунт кеуектілігінің өзгеру шамасы мынаған тең:

(2.4)

Мұнда А – грунт сынамасының көлденең қимасының ауданы.

(1.8) формуласы арқылы грунт сынамасының бүкіл көлеміндегі қатты түйіршіктердің мөлшерін табамыз:

(2.5)

Енді (2.5) формуласына оралып, табылған шамаларды қоссақ:

(2.6)

Бұл теңдеу компрессиялық тәуелділіктің графигін сынақтардың нәтижелері бойынша құруға мүмкіндік береді. (2.2 - сурет)

Әдетте сынақта қолданылатын нығыздаушы қысымның мәндері : мұнда - грунт сынамасының табиғи күйіндегі кернеулік күйін қайтадан қалпына келтіруге арналған қысым, ғимарат іргетасының табанында әсер етуі ықтимал қысымныңнақты мәні.

2.2 – сурет. Компрессилық тәуелділіктің графигі.

Егер компрессияның графигін және шамаларының аралығындағы АВ қисық сызық жуықтап түзу сызыққа алмастырып АВС қарастырсақ, сынадай теңдеуді табуға болады:

tga= (2.7)

Сөйтіп компрессиялық график бойынша тікелей зерттеліп отырған грунттың сызылғыш коэффицентін ( ) есептеп табуға болады екен. Сондай – ақ деп қабылдасақ:

(2.8)

Енді АВ түзу сызығының теңдеуін жазуға болады:

(2.9)

Егер осы теңдеуді дифференциалдап қайта жазсақ:

(2.10)

Сонымен бұл тәуелділік грунттардың нығыздалу заңын көрсетеді; «грунттардың кеуектілік коэффиценттерінің өзгеруі нығыздаушы қысымның өзгеруіне тура тәуелді».

Грунттың салыстырмалы сығылғыштық коэффиценті:

(2.11)

Грунттың деформация модулі:

E₀ = (2.12)

мұнда β – грунттың жанжаққа кеңи алмайтын жағыдайда сығылуын ескеретіндіктен, оның Луассон коэффициентіне байланысты қабылданатын коэффициент (құмдар мен құмайттар үшін β=0.76, саздақтар үшін – 0.63 және балшықтар үшін – 0.42).