6.3. Релаксация напряжений и длительная прочность связных грунтов

Опытами установлено, что в фазе ползучести деформации глинистых грунтов нарастают во времени и для поддержания некоторой определенной деформации требуется все меньшее с течением времени действующее напряжение. Процесс уменьшения во времени (расслабления) действующих напряжений при неизменной деформации называется релаксацией напряжений. Релаксация напряжений, обусловленная разрушением структурных связей в связных глинистых грунтах, в процессе ползучести всегда имеет место, однако напряжения падают не до нуля, а лишь до некоторого значения, которое в дальнейшем остается постоянным.

Различают характерные прочностные показатели грунтов, обладающих реологическими свойствами:

-мгновенная прочность₀ – практически мгновенное сопротивление грунта в самом начале загружения;

- временная прочность, то есть изменяющаяся во времени прочность _t, вызывающая разрушение грунта за определенный промежуток времени t;

- длительная прочность _ – наименьший предел прочности при релаксации напряжений, ниже которого сопротивление не снижается (рис.6.4).

Кривая релаксации напряжений может быть описана уравнением

_t = _ + (₀ - _)tⁿ, (6.9)

где _t – напряжение в данный момент времени t; _ – предельно допустимое напряжение после релаксации; ₀ – напряжение, возникающее в начале опыта при = 0;t – время начала приложения нагрузки; n – параметр, который характеризует скорость релаксации напряжений (n < 1). Снижение напряжений при неизменной деформации (релаксации) для грунтов различной структуры и консистенции различно, например, для твердых и полутвердых глин 10…20%, для пластичных 30…60%, а текучепластичных - до 80%.

Существуют различные методы определения релаксации напряжений и длительной прочности грунтов:

1. Метод прямого измерения релаксации напряжений (Э.В.Костерин).

2. Метод динамометрического определения изменения прочности (С.С.Вялов).

3. Метод шарикового штампа (Н.А.Цытович).

Метод шаровой пробы был изложен в разделе “Определение механических свойств грунтов”. Шаровой штамп нагружают некоторой постоянной нагрузкой, осадки замеряют до их стабилизации. Достигнутое при этом удельное давление и будет длительным сопротивлением грунта.

Среднее давление в грунте под шаровым штампом

, (6.10)

где P – внешняя нагрузка на шаровой штамп; D – диаметр шарового штампа; S_t – осадка шарового штампа в любое время.

Если вместо осадки S_t подставить S_дл (длительная установившаяся осадка) и учесть глубину заложения штампа h_ф, то получим

, (6.11)

где S_дл – длительная осадка, приблизительно равная удвоенной осадке за 30 мин.

Опыты показали, что формула (6.10) применима для оценки длительного сопротивления грунтов.

6.4. Учет ползучести грунтов при прогнозе осадок сооружений

1. Для квазиоднофазной системы полная осадка определяется по формуле (5.17)

S_n = hm_sP, (6.12)

где m_s - коэффициент относительной сжимаемости скелета грунта при ползучести,

, (6.13)

здесь и– коэффициенты первичной и вторичной консолидации грунта. Формулу (6.13) можно записать

. (6.14)

Из формулы (6.7) имеем

.

Тогда формулу для определения осадок во времени для квазиоднородного и однокомпонентного грунта можно записать в виде

. (6.15)

2. Для двухфазной системы грунтов общее решение совместной задачи теории ползучести и консолидации получено Ю.К.Зарецким:

, (6.16)

где функция ползучести с учетом взаимодействия фаз и принятого ядра ползучести определяется по формуле

, (6.17)

где c_v – коэффициент консолидации двухфазного грунта, ; 2h – толщина слоя грунта при двустороннем отжатии поровой воды;  и ₁ – параметры ползучести.

3. Для трехфазной системы при коэффициенте водонасыщенности, изменяющемся в пределах 1 > J_w >0,95, осадки во времени определяются по формуле

, (6.18)

где

, (6.19)

, (6.20)

, (6.21)

, (6.22)

_cтр – коэффициент влияния структурных связей на величину порового давления; В – коэффициент влияния сжимаемости поровой воды на величину порового давления, учитывающий разуплотняющее действие воды.

Рассмотренные реологические процессы, обусловленные ползучестью грунтов, имеют существенное практическое значение. При изучении напряженно-деформированного состояния грунтов учет ползучести скелета приводит к результатам, значительно ближе отвечающим действительности, чем это следует из решений, основанных только на теории фильтрационной консолидации.