1. Сжимаемость грунтов. Закон уплотнения

Так как грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, теоретически при его сжатии должны уменьшаться объемы всех трех компонентов: твердых частиц, воздуха (газа) и воды. Поскольку напряжения сжатия, возникающие обычно в основаниях сооружений, срав­нительно небольшие, объемные деформации твердых частиц, со­стоящих из таких материалов, как кварц и полевой шпат и др., ничтожно малы и не учитываются. Следовательно, можно счи­тать, что изменение объема грунта при сжатии происходит только из-за изменения объема пор.

Вследствие упругих деформаций скелета (частиц) грунта, тонких пленок воды, расположенных между частицами, упруго­го сжатия пузырьков воздуха, а также сжатия поровой воды, содержащей растворенный воздух, могут происходить упругие изменения объема грунта. Такие деформации грунта, как пра­вило, во много раз меньше остаточных. Последние развиваются, когда возникающие в грунте напряжения превышают его струк­турную прочность. В конечном счете остаточные деформации приводят к уплотнению (уменьшению пористости) грунта.

Деформации уплотнения развиваются в результате сдвигов или смещений отдельных частиц грунта относительно друг дру­га, а также при разрушении частиц, особенно в точках их кон­тактов. Деформации уплотнения пылевато-глинистых грун­тов чаще всего протекают медленно во времени. Это объясня­ется прежде всего тем, что при уплотнении из пор водонасы-щенного грунта должна быть выдавлена вода, без этого грунт уплотняться не может, так как вода практически не сжимается. Процесс же выдавливания воды из водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов вследствие их малой водопроницаемости продолжается длительное время. Медленное развитие деформа­ций как уплотнения, так и сдвигов обусловливается, кроме того, ползучестью связанной воды, окружающей твердые частицы, и ползучестью самого скелета грунта.

Для большого диапазона изменения давления компрессионная кривая первичного сжатия описывается логарифмической зави­симостью

где et — коэффициент пористости при давлении рс, еа — начальный коэффи­циент пористости грунта; Сс — коэффициент компрессии (параметр кривой!; ро — давление, при котором начинается первичное сжатие грунта.

Продифференцировав выражение, получим

Где Ck — постоянная величина.

Следовательно, при первичном сжатии изменение коэффици­ента пористости грунта прямо пропорционально изменению дав­ления и обратно пропорционально суммарному давлению. Эту зависимость применяют либо при рассмотрении деформаций очень слабых грунтов, либо при изменении давления в значи­тельных пределах.

Давление в грунте основания промышленных и гражданских зданий и сооружений обычно изменяется в небольших пределах. Чаще всего оно повышается не более чем до 0,3 МПа и в ред­ких случаях до 0,6 МПа. При таких давлениях секущая АВ (см. рис. 2.2, б) близка к кривой, т. е. для расчетов можно пользо­ваться уравнением (2.3). Продифференцировав его, получим

_(2.3)

Поэтому закон компрессии грунта формулируется так: изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления.

Правая часть этого равенства является относительной деформацией грунта. Поскольку для определенного грунта и данного изменения давления величина mg постоянна, относительная деформация грунта прямо пропорциональна давлению. Следовательно, грунт можно считать линейно деформируемым телом.

Однако в ряде случаев это положение приводит к значитель­ным расхождениям между рассчитанными и наблюдаемыми в натуре деформациями. Поэтому в последнее время исследователи стремятся учесть нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями.