1. Деформационные свойства

грунтов проявляются в изменении формы и объема при воздействии на грунт внешних усилий, не приводящих к разрушению. Как рыхлые, так и связанные грунты при приложении к ним нагрузок уплотняются, т.е. уменьшают свою пористость и изменяют форму. Деформации происходят под действием напряжений, возникающих в грунте после приложения внешней нагрузки. Они тем значительнее, чем больше величина прилагаемой нагрузки, и зависят от первоначального состояния грунта: его вида, структуры, пористости, влажности. В дисперсном грунте эти деформации имеют объемный характер, т.к. в первую очередь связаны с уменьшением объема грунта, находящегося в напряженном пространстве.

Деформации возникают, как правило, в результате воздействия на скелет породы нормальной составляющей нагрузки и характеризуют способность грунта к уплотнению, которая внешне выражается осадкой грунта под сооружением.

В зависимости от прилагаемых к грунтам нагрузок выделяется три фазы изменения состояния грунтов: уплотнение, сдвиг, выпирание. Из графика следует, что при некоторых значениях нагрузок от 0 до Р₁ происходит уплотнение грунта, в результате которого деформация носит линейный характер и осадка со временем затухает. При увеличении нагрузки от Р₁ до Р₂ в грунте помимо деформаций уплотнения начинаются деформации локальных сдвигов, что приводит к нарушению линейного характера деформации - она продолжает равномерно нарастать. Таким образом, в начале II стадии возникают предпосылки нарушения прочности грунта.

При дальнейшем нарастании нагрузки до Р₃ локальные сдвиги получают развитие во всей толще грунта основания, деформация нарастает без увеличения нагрузки и в конце этой фазы происходит выпирание грунта из-под сооружения под действием сдвигающих сил и его разрушение.

Это явление характеризует прочностные свойства дисперсных грунтов, и обусловлено сопротивлением грунтов сдвигу и выражается либо в потере прочности основания, либо в нарушении устойчивости откосов земляных сооружений.

Такое разделение деформаций достаточно условно, т.к. в любом массиве грунта под действием внешних сил возникают как сближение частиц, так и элементарные сдвиги. Однако, при преобладании процесса уплотнения происходит деформация сжатия (осадка), а при повсеместном развитии сдвигов – потеря прочности и разрушение грунта - см. рис.4

Сжимаемость. В процессе производственной деятельности грунты, как основания, материал или среда для сооружений могут подвергаться различным силовым воздействиям: давлению, уплотнению, скалыванию, растяжению, кручению, а чаще всего к их уплотнению и сжатию. Исследование деформационных свойств заключается в изучении характера сжимаемости, величины и скорости этого процесса, которые необходимы для расчетов осадок оснований сооружений и допускаемых давлений на основание.

Необходимый объем грунта, подвергающейся нормальному давлению ( например от сооружения), сжимается в направлениях большего из действующих напряжений и расширяется в перпендикулярном к нему направлении. Боковому расширению препятствует сопротивление окружающего грунта, поэтому сжатие протекает при ограниченной возможности бокового расширения.

Сжимаемость в условиях невозможности бокового расширения грунта называется компрессией. Компрессия может быть представлена в виде одной из трех математических зависимостей: между пористостью и давлением, сжатием и давлением, влажностью и давлением. Графически эти зависимости могут быть представлены в виде компрессионных кривых вида: е =f ( P )

Эта кривая, ( см рис 5,г ) характеризующая свойства исследуемого грунта, позволяет : а) классифицировать грунты по величине сжимаемости б) устанавливать величину структурной прочности грунта в) определять модуль общей деформации грунта

Рассматривая компрессионную кривую (см рис 7) нетрудно заметить, что каждому значению нормального давления Р соответствует определенное значение коэффициента пористости е. В том случае если изменение давления будет незначительным, это приведет к малому изменению коэффициента пористости , что позволяет нам принять участок кривой с ординатами е₁ и е₂ за прямую.

Тогда, как это видно треугольника КЛМ, отношение разности ординат е₁ - е₂ к разности абсцисс Р₂ - Р₁ будет соответствовать или

tgα==a

Чем больше а на данном участке исследуемой компрессионной кривой, тем, очевидно, более сжимаемым является грунт при тех же значениях удельного давления. Величина а называется коэффициентом сжимаемости.

Второй характеристикой дисперсных свойств грунтов является модуль деформации Е_0, который применяется при расчетах осадки оснований.

2. Е₀ = β

а-коэффицент сжимаемости для интервала соседних нагрузок Р₂ - Р₁

β-безразмерный коэффициент, зависящий от относительной поперечной деформации грунта, для суглинков 0.5; глин 0.4; супесей 0.7; песков 0.8 .

Ес- модуль сжимаемости, представляет собой величину относительного сжатия грунта под действием нагрузки Р и показывает величину сжатия образца или осадку слоя грунта Н ( мм ) мощностью 1м при приложении к нему внешней нагрузки Р

Ес=1000 ( ΔН / Н)

-высота образца или мощность слоя, м

Компрессионные свойства грунтов зависят от:

-- структуры грунта: раздельнозернистые грунты сжимаются быстрее, а конечные осадки их меньше, чем у глинистых грунтов; в последних процесс сжатия протекает часто очень медленно;

-- минерального состава и содержания тонкодисперсной фракции. Наличие минерала монтмориллонита понижает их сжимаемость за счет явления набухания, а наличие органических примесей и органно-минеральных соединений. Наоборот, резко увеличивает сжимаемость грунтов.

-- типа и характера внутренних связей: чем прочнее связи, тем меньше сжимаемость;

--физического состояния грунта – плотности сухого грунта и естественной влажности: чем выше степень влажности, тем длительнее протекает процесс сжатия глинистых грунтов

--темпа приложения нагрузок, который обуславливает полное или неполное завершение этапов сжатия

Как уже упоминалось деформация глинистых грунтов происходит в несколько этапов, а поэтому после приложения нагрузки на грунт проходит некоторое время, прежде чем наступит уплотнение грунта и еще больший промежуток времени потребуется на завершение процесса сжатия при данной ступени нагрузки. Процесс уплотнения глинистых грунтов во времени при постоянной нагрузке называется консолидацией

Длительность этого процесса зависит от: а) структурной прочности грунта б) водо-проницаемости в) вязкости и ползучести (реологических свойств грунта)

О скорости и характере консолидации дают представление кривые консолидации т. е. кривые зависимости осадки от нагрузки во времени, которые строят для каждой ступени нагрузки исследуемого грунта. Они бывают двух видов. Кривые первого вида (см. рис 12а) показывают зависимость величины сжатия ( ΔН) от времени при степенях нагрузки Р , Р ……Рп. Кривые второго вида показывают изменение степени консолидации во времени.

Степенью консолидацииU называют отношение величины сжатия в данный момент времени к полной величине сжатия при завершившейся консолидации

U= ΔHt \ ΔH

ΔHt - сжатие или осадка образца в данный момент времени

ΔН - полное сжатие при завершившейся консолидации

В глинистых грунта находящихся в двухфазном состоянии, т.е. водонасыщенных, консолидация протекает медленно: месяцами, годами, десятками лет. Скорость уплотнения определяется скоростью отжатия воды из пор грунта, а она обусловлена коэффициентом фильтрации и ее расчет обосновывается теорией фильтрационной консолидации.

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

При оценке свойств грунтов, следует помнить, что эти свойства могут изменяться во времени в силу воздействия процессов выветривания и многолетнего воздействия больших нагрузок. Это проводит к усталости грунтов их структура расслабляется. В грунтах возникают деформации в виде ползучести и даже текучести. Этот процесс называют реологическим. В результате грунт разрушается и деформируется. В последние десятилетия этот процесс наблюдается при строительстве сверх высоких зданий и крупных промышленных объектов.

Под реологическими свойствами грунтов понимают закономерности протекания деформаций и изменение прочности грунта во времени, В дисперсных грунтах эти свойства проявляются в виде релаксации, ползучести и длительной прочности.

Релаксация – процесс перехода упругой деформации в необратимую пластическую, причем процесс протекает длительно и сопровождается постепенным уменьшением напряжений.

Ползучестью называют способность грунтов длительно деформироваться при постоянной нагрузке, меньшей чем разрушающая.

Длительная прочность - это постепенно уменьшающаяся прочность грунта при длительном действии нагрузки.

Реологические свойства зависят от структуры грунта, неравномерности распределения напряжений на контактах частиц, неравнопрочности этих частиц и их агрегатов, а так же от величины прилагаемых нагрузок.

При сравнительно небольших нагрузках происходит уплотнение и упрочение грунта, деформации затухают через какой то промежуток времени. В случае значительных по величине нагрузок скорость деформации становится практически постоянной в течении длительного времени (пластическое течение). При больших, длительно действующих нагрузках прочность грунта постепенно уменьшается и будет меньше, чем его прочность при кратковременно действующих давлениях. Это падение прочности для различных грунтов может достигать 30-70 % по сравнению с мгновенной прочностью.