Механика грунтов / УМК по механике грунтов / Лекция 4 Механические свойства грунта

скальных пород в ходе физического и химического выветривания. Другими словами грунт это «останки» твердых пород, разрушенных природой. Это и обуславливает ряд существенных особенностей грунтовой среды, отличающей ее от сплошных твердых тел.

Исследуем особенности свойств дисперсной среды в сопоставлении со свойствами сплошных твердых тел. В таблице 4.1 приведен краткий сравнительный анализ свойств дисперсных сред и сплошных тел:

основании анализа результатов экспериментальных исследований. Законы

устанавливают зависимость между различными параметрами механического состояния грунта. К примеру, между напряжениями и деформациями, между касательными и нормальными напряжениями, между скоростью фильтрации воды через грунт и градиентом напора.

Первые такие зависимости были сформулированы на заре становления механики грунтов в 18, 19 веках. По мере развития этой области науки законы совершенствовались, полнее учитывались

особенности грунтов как дисперсных сред и соответственно точнее становились расчеты.

Тем не менее, основные положения, сформулированные основателями механики грунтов, остались справедливыми и в наше время

и фактически лежат в основе так называемой классической механики грунтов.

Основные законы и закономерности классической механики грунтов, свойства которые они описывают, показатели, характеризующие механические свойства сведены в таблице 4.2

Таблица 4.2.

Основные закономерности механики грунтов

4.4.Сжимаемость грунтов

Деформирование грунтов оснований в общем случае сопровождается сложными изменениями объема и формы грунтовой среды в результате упругих деформаций зерен грунта и смещение их относительно друг друга.

Упругие деформации минеральных частиц очень малы и существенного влияния на процесс деформирования грунта не оказывают.

Деформирование грунтов происходят в первую очередь за счет смещения (перекатывания) частиц относительно друг друга.

Сжимаемость грунтов – свойство грунтов изменять свой

первоначальный объём за счёт перекомпоновки частиц и уменьшения пористости.

4.4.1. Условия испытания грунта в компрессионном приборе

Исследование сжимаемости грунта производится в компрессионных приборах, называемых одометрами. Схема одометра приведена на рис.4.1

а)

б)

Рис.4.1. Компрессионный прибор: а) общий вид; б) принципиальная схема

прибора

Испытание грунта в компрессионном приборе характеризуется следующими условиями:

∙Кольцо, в которое помещается образец, имеет достаточную

жесткость и поэтому грунт деформируется при невозможности боковых перемещений.

∙Собственные деформации частиц очень малы и ими можно пренебречь.

∙Избыточная вода в грунте свободно выдавливается из пор и удаляется через отверстия в штампах.

∙Объём твёрдых частиц в объеме образца не изменяется (вынос

мелкодисперсных частиц вместе с избыточной поровой водой не учитывается).

4.4.2.Изменение пористости грунта при компрессионном уплотнении

Рассмотрим, как изменяется пористость грунта при его уплотнении в компрессионном приборе. Обозначим первоначальную высоту образца через h. При сжатии образца нагрузкой величиной Ni поверхность образца смещается на величину Si, рис.4.2.

Рис.4.2. Схема деформирование образца грунта

в компрессионном приборе

Уменьшение объема образца происходит за счет уменьшения объема

пор.

e0 − начальный коэффициент пористости грунта; Dei - изменение коэффициента пористости;

m` - объем твердых частиц в единице объема.

h

Формула (4.3) позволяет оценить изменение пористости грунта по мере его уплотнения.

4.4.3. Компрессионная кривая

В результате испытаний грунта в одометре при постепенном увеличении Ni можем построить компрессионную кривую.

Компрессионная кривая – график изменения коэффициента пористости грунта с изменением уплотняющего давления.

Примерный вид компрессионной кривой приведен на рис.4.3.

Рис.4.3. Общий вид компрессионной кривой

Анализ характера изменения коэффициента пористости грунта при изменении уплотняющего давления позволяет сделать два важных вывода:

∙С увеличением уплотняющего давления (рi) коэффициент пористости (ei) уменьшается. При этом зависимость ei-pi имеет криволинейное очертание.

∙Остаточные деформации уплотнения значительно больше упругих.

Кроме того, многие грунты обладаю так называемой структурной прочностью. В этом случае общий вид компрессионной кривой будет иметь вид, рис.4.4.

Рис.4.4. Компрессионная кривая

с учетом структурной прочности грунта

Структурная прочность обуславливается наличием жестких кристаллических связей между частицами грунта. Уплотнение грунта в этом случае происходит лишь после разрушения этих связей.

Компрессионная кривая может быть так же построена в логарифмических координатах, рис.4.5.

В этом случае она представляет собой практически прямую линию и уравнение данной кривой можно записать в виде:

где ak - коэффициент компрессии.

Однако применение в расчетах логарифмической зависимости процесса уплотнения грунта от нагрузки приводит к значительному усложнению расчетных моделей и по этому данное представление компрессионной кривой не нашло широкого практического применения.

4.4.4. Закон уплотнения

Как уже отмечалось выше, уплотнение грунта при увеличении нагрузки происходит по нелинейному закону. С целью упрощения расчетных моделей криволинейный характер зависимости ei-pi можно аппроксимировать прямой линией, рис.4.6. При определенном

ограничении сжимающих напряжений погрешность данного допущения не окажет существенного влияния на результаты расчета грунтовых оснований.

Математическое представление прямой будет иметь вид:

Обозначим m0 = tg(a). Тогда: