Ющубе_КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по МЕХАНИКИ ГРУНТОВ ТГАСУ

новится более пластичным. Более высокие прочностные показатели имеют глинистые грунты, находящиеся в твердом состоянии.

Контрольные вопросы

1.Назовите основные характеристики грунтов и способы их определения.

2.Какой показатель характеризует плотность сложения песчаного грунта?

3.Как в лабораторных условиях определяют природную плотность грунта?

4.Как в лабораторных условиях определяют природную влажность грунтов?

5.Дайте определение полной влагоемкости грунта.

6.Как подразделяются песчаные грунты по степени влаж-

ности?

7.Что такое число пластичности и показатель текучести глинистого грунта?

8.От чего зависит состояние глинистого грунта в природном залегании?

31

ЛЕКЦИЯ 3. ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ ГРУНТОВ

3.1. Особенности деформирования грунтов

Из предыдущих лекций мы знаем, что грунты являются в большинстве случаев многокомпонентными средами, состоящими из твердых частиц и пор, заполненных жидкостью или газом. Причем количественное соотношение этих компонентов в рассматриваемом объеме может существенно изменяться с течением времени или, например, при приложении внешних нагрузок. Напомним также, что грунты являются дискретными средами, обладающими определённой раздробленностью с размерами отдельных элементов (частиц, блоков) от нескольких метров в трещиноватых скальных грунтах до тысячных миллиметра в глинистых грунтах.

Такая неоднородность и многокомпонентность грунтов приводит к появлению у них ряда особенностей при деформировании, нехарактерных для других материалов, используемых в строительстве3. Рассмотрим основные из них.

3.1.1. Линейная и нелинейная зависимость изменения деформаций от нагрузки

Линейной называют такую зависимость между деформацией и нагрузкой, при которой увеличение деформаций происходит строго прямо пропорционально увеличению нагрузки, т. е. некоторому единичному увеличению нагрузки будет соответствовать единичное увеличение деформации.

Представим, что некий жесткий штамп (фундамент), установленный на грунт, нагружают постоянной возрастающей нагрузкой. Очевидно, что под действием увеличивающегося давления на грунт p штамп начнет перемещаться вниз, вдавливаясь

3 Здесь и далее под строительными материалами будут в основном подразумеваться такие материалы, как сталь, бетон, камень, дерево, используемые для изготовления несущих конструкций.

32

вгрунт. В механике грунтов и фундаментостроении такое перемещение принято называть осадкой s.

Экспериментальные исследования показывают, что для дисперсных грунтов с самого начала нагружения характерна нелинейная связь между деформациями и давлениями, причем с ростом последних нелинейность возрастает. Согласно многочисленным теоретическим и экспериментальным исследованиям, зависимость между давлением и деформацией можно выразить

ввиде графика, представленного на рис. 3.1. На данном графике можно выделить несколько характерных участков:

–от 0 до pн – участок, где нелинейный характер деформаций ещё явно не выражен, и график зависимости можно условно считать линейным;

–от pн до pк – участок с явной нелинейностью между деформациями и давлениями;

–pк – давление, при превышении которого происходит потеря грунтом несущей способности и провальный рост деформаций.

Рис. 3.1. График зависимости деформаций грунта (s) от нагрузки (p)

3.1.2. Упругие и пластические (остаточные) деформации

Упругими называют деформации, исчезающие после прекращения воздействий на тело внешних сил, при этом тело принимает первоначальные размеры и форму.

33

Пластическими называют деформации, которые сопровождаются изменением формы и размеров тела, при этом после прекращения воздействий на него оно не принимает исходную форму.

При любом значении давления, передаваемого на грунт, его общая осадка всегда будет равна сумме упругих (se) и пластических деформаций (spl).

Вернемся к уже рассмотренному нами ранее жесткому штампу и нагрузим его до некоторого значения давления p1, под воздействием которого произойдет осадка штампа (рис. 3.2). Если же мы снимем нагрузку p1, штамп в исходное положение не вернется, а лишь слегка переместится вверх (s1). Пересечение полученного графика разгрузки со шкалой осадки будет делить общую осадку на два участка, один из которых будет характеризовать упругие деформации, а второй – пластические (рис. 3.2). Повторное увеличение нагрузки до значения p1 приведет к осадке штампа до исходных значений, и опять же повторное разгружение приведет нас в точку s1 на шкале осадки. Такой характер поведения грунтов будет отмечаться и при других нагрузках, вплоть до значений, близких к разрушающим (pк).

Рис. 3.2. Соотношение упругих (sе) и пластических (spl) деформаций в грунтах

Из рис. 3.2 видно, что большая часть деформаций в грунтах является остаточной, т. е. пластической даже при далеких от раз-

34

рушающих нагрузок, что несвойственно для других строительных материалов.

Следует отметить, что при напряжениях в грунте ниже его структурной прочности (σstr) деформации будут носить строго упругий характер, но для дисперсных грунтов это значение является существенно меньше давления на грунт под реальными фундаментами.

3.1.3. Ползучесть грунтов

Ползучестью называют процесс деформирования грунта, развивающийся во времени при постоянных нагрузках.

Вотличие от приведенных выше видов деформаций, ползучесть грунтов нельзя рассматривать отдельно без учета времени. Ранее данный фактор нами никак не учитывался, а все деформации условно считались мгновенными. В реальных грунтах процесс деформирования всегда несколько запаздывает относительно скорости его нагружения, причем в общем случае с увеличением дисперсности грунтов процесс деформирования всё больше растягивается во времени.

Воснове явления ползучести лежат сложные физико-хими- ческие взаимодействия, происходящие в грунтах при приложении

кним нагрузок. Данные процессы подробно рассматриваются в спецкурсах по механике грунтов. Здесь же мы разберем только общие моменты, необходимые для понимания данного процесса.

Влюбой момент времени деформации грунта с учетом ползучести можно выразить уравнением

где 0 – условно мгновенная деформация, возникающая сразу после приложения нагрузки; (t) – деформация ползучести в момент времени t.

В зависимости от действующего уровня напряжений в грунте ползучесть может быть затухающей или незатухающей.

35

При затухающей ползучести скорость деформации со вре-

менем снижается и в некоторый момент времени tк полностью прекращается (рис. 3.3, а). В этом случае говорят о стабилизации деформаций или о стабилизации грунта.

При незатухающей ползучести скорость деформаций со временем нарастает, что в конечном итоге приводит к разрушению грунта (рис. 3.3, б).

Рис. 3.3. Графики изменения деформаций (γi) грунтов во времени (ti) при постоянной нагрузке вследствие их ползучести:

а – зависимость изменения деформаций во времени при затухающей ползучести; б – зависимость изменения деформаций во времени при незатухающей ползучести

Поэтому для грунтов, деформация которых растянута во времени, вместо прочности целесообразно использовать понятие

длительной прочности грунта, т. е. такого уровня напряжений в грунте, при котором не происходит его разрушение вне зависимости от выбранного интервала приложения нагрузки.

3.1.4. Фильтрационная консолидация грунтов

Ещё одной отличительной особенностью деформирования грунтов является фильтрационная консолидация – процесс уплотнения (консолидации) водонасыщенных глинистых грунтов (SR ≥ 0,8), сопровождающийся отжатием жидкости из пор грунта.

В водонасыщенных глинистых грунтах почти все поры заполнены водой, т. е. грунт состоит преимущественно из двух ком-

36

понентов – твердых минеральных частиц и поровой жидкости. При характерных для строительства нагрузках и минеральные частицы,

ипоровая жидкость являются практически несжимаемыми, поэтому процесс уплотнения таких грунтов может происходить только при перемещении поровой жидкости из областей с более высоким давлением, образовавшихся вследствие, например, приложенных к грунту нагрузок в области с более низким давлением. Таким образом, в процессе фильтрационной консолидации состав грунта, а следовательно, и характеристики прочности и деформируемости будут постоянно изменяться.

Консолидацию водонасыщенных грунтов можно хорошо проиллюстрировать с помощью простой механической модели Терцаги – Герсеванова. Но сначала давайте представим работу двухкомпонентного грунта, состоящего только из твердых частиц

игаза. Очевидно, что всю нагрузку в таком грунте будут воспринимать только твердые частицы, составляющие его скелет, а газ можно рассматривать как некую вмещающую эти частицы среду. Именно от свойств скелета грунта (плотности сложения, структуры и текстуры) будет зависеть общая величина деформаций, соотношение упругой и пластической частей и др. Условно процесс деформирования такого двухкомпонентного грунта можно смоделировать нагружением пружины, имеющей такие же параметры упругости и пластичности, что и рассматриваемый грунт.

Теперь усложним опыт и поместим наш двухкомпонентный грунт в жидкость (воду). Грунт по-прежнему останется двухкомпонентным, но теперь уже вмещающей средой будет жидкость, вытеснившая газ. При нагружения такого грунта и свободном отжатии (перемещении) жидкости из его пор вся нагрузка опять будет восприниматься только скелетом грунта или при использовании нашей модели – пружиной (рис. 3.4). Однако если поместить наш двухкомпонентный грунт в замкнутое пространство без возможности отжатия жидкости, то вся нагрузка будет восприниматься ею, а уплотнение грунта (в модели – сжатие пружины) происходить не будет.

37

формирования прекратится. Вся нагрузка будет восприниматься только пружиной (скелетом грунта) σs(tk) = σtot, а напряжения в поровой жидкости будут, наоборот, равны нулю U(tk) = 0.

Напряжения в скелете грунта принято называть эффективными напряжениями σs(t), а напряжения в поровой жидкости –

поровым давлением U(t).

3.1.5. Объемные и сдвиговые деформации

Объемными называют деформации, приводящие только к изменению объема образца грунта.

Сдвиговыми называют деформации, приводящие к изменению формы образца грунта.

Для более четкого понимания представим себе, что некоторый элементарный образец грунта в виде куба испытывает со всех сторон нормальные сжимающие напряжения (рис. 3.5, а).

Рис. 3.5. Объемные деформации грунта:

а – изменение объема грунта под действием сжимающих напряжений; б – график изменения объемных деформаций при возрастании напряжений

Данное загружение образца грунта приведет к его уменьшению в объеме, сопровождающемуся уменьшением пор между частицами грунта. При этом начальная форма образца останется неизменной. Очевидно, что при определённом значении сжимающих напряжений количество пор и их размер уменьшатся до максимально возможного, а т. к. в нашем эксперименте количество частиц грунта неизменно, то дальнейшее уменьшение объ-

39

ема образца будет невозможно. Таким образом, объемные деформации в грунтах всегда носят конечный характер и не могут развиваться неограниченное время. Данный вывод можно изобразить в виде графика, представленного на рис. 3.5, б.

Теперь рассмотрим тот же элементарный образец грунта в виде куба, но приложим к любым его двум параллельным граням касательные (сдвигающие) напряжения. Под их действием данные грани будут смещаться относительно друг друга. При этом форма образца грунта будет изменяться, а объем оставаться прежним. Очевидно, что смещение не может происходить бесконечно и в итоге приведет к разрушению образца грунта. Так же и в реальных условиях, именно рост касательных напряжений приводит к разрушению некоторого массива грунта (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Сдвиговые деформации в грунте:

а – изменение формы грунта под действием касательных напряжений; б – график изменения сдвиговых деформаций при возрастании касательных напряжений

3.2. Сжимаемость грунтов при статических воздействиях

Сжимаемость является характерным свойством грунтов. В отличие от массивных горных пород сжатие грунтов происходит в основном за счет уменьшения пористости в результате более плотной переупаковки твердых частиц.

В лабораторных условиях характеристики сжимаемости грунтов обычно определяют по результатам их испытаний в компресси-

40