значення 0,5-2. З віддаленням від трамбівки, збірного елемента, пневмопробійника анізотропія ґрунту поступово набуває природного характеру.

Аналогічний ефект спостерігається й для ґрунту під підошвою завантаженого фундаменту. В процесі зведення ущільненої ґрунтової подушки з лесового ґрунту відбувається процес формування анізотропного середовища, за своєю природою аналогічного природному лесу чи лесовій основі під низом фундаментів ущільнення. У разі ж замокання лесового ґрунту його первинна анізотропія зменшується (коефіцієнти анізотропії наближаються до одиниці), але повністю не зникає.

Насипний суглинок, який спершу був ізотропним, за 10-40 років ущільнення під власною вагою теж отримує анізотропні властивості (в дослідах коефіцієнти анізотропії дорівнювали 0,65-0,95). Параметри анізотропії насипних ґрунтів певною мірою залежать від тривалості їх самоущільнення. А от при силікатизації цей ґрунт набував ізотропні властивості.

4.11. РЕОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТІВ

Реологія (від грецьких слів “рео” – текти та “логос” – вчення) ґрунтів – розділ механіки ґрунтів, у якому розглядається утворення і зміни в часі напружено-деформованого стану ґрунту. Сучасні положення цієї науки розроблені В. М. Броніним, А. Я. Будіним, С. С. Вяловим, О. Л. Гольдіним, М. Н. Гольдштейном, Л. В. Гореліком, С. Є. Гречищевим,

Реологічні явища в ґрунтах і гірських породах спостерігаються дуже часто. Соліфлюкція, сповзання укосів ґрунту, течія льодовиків – усе це реологічні процеси, що відбуваються впродовж від кількох годин до сторіч.

Найбільшу увагу реологічні процеси викликають, якщо вони відбуваються протягом експлуатації споруд. Таким прикладом є деформації глинистих мулів, що залягають в основі ґрунтових гребель Каховської ГЕС на Дніпрі. Шар мулу товщиною від 1 до 4 м осів на 970 мм при загальному осіданні основи 1120 мм. Ці осідання на окремих ділянках не припинилися навіть після 15 років експлуатації. Класичним прикладом реологічного процесу є тривале осідання відомої пам’ятки архітектури – Пізанської башти (Італія), будівництво якої було розпочато в 1174 р. і закінчено в 1350 р. Протягом наступних шести століть Пізанська башта продовжувала осідати з середньою швидкістю 2 мм/рік. До проведення наприкінці XX століття робіт з її стабілізації та часткового виправлення відхилення башти від вертикалі складало більше від п’яти метрів.

Як показують натурні спостереження, додаткові деформації глинистих ґрунтів можуть досягти 36-165% від деформації, яка має місце на кінець фільтраційної консолідації. Тому важливо їх ураховувати при проектуванні ґрунтових споруд, основ фундаментів тощо.

Згідно з класичною теорією пружності та пластичності, котра розглядає ідеалізовані тіла, закони деформування однакові для простих і складних видів навантаження. Насправді ж для багатьох реальних тіл зв’язок між напругами, деформаціями та їх швидкостями нелінійний і, крім того, залежить від виду напруженого стану й послідовності прикладання навантажень. Інакше кажучи, реологія прогнозує напруги та деформації, що виникають у ґрунті при будь-якій залежності між складовими напруг, деформацією і часом.

Залежно від підходу до розв’язання поставлених завдань розрізняють макрота мікрореологію. Макрореологія розглядає зовнішні прояви процесів, що виникають у реальних тілах, тобто ті явища (деформації, напруги), які можна спостерігати за допомогою вимірювальних приладів. Закономірності, що зв’язують поведінку тіла від зовнішнього впливу з його властивостями, визначають у макрореології на основі феноменологічного підходу. Цим шляхом можна, не враховуючи особливостей фізичних процесів, котрі виникають під час деформування, на основі макроексперименту (наприклад, лабораторних досліджень зразків чи польових випробувань ґрунтів статичними навантаженнями) скласти математичне відобра-

119

ження зовнішнього прояву цих процесів. Оскільки феноменологічні теорії базуються на дослідах, одержані за їх допомогою розв’язання при певних обмеженнях цілком ефективно вирішують інженерні задачі, зокрема прогноз деформацій основ будівель і споруд у часі, розвиток зсувних процесів тощо.

Макрореологія розглядає тіла як однорідне суцільне середовище, що має ті чи інші ідеалізовані властивості (деякі уявлення про реологічні моделі ґрунтів наведені у п. 6.4). Такими головними властивостями є пружність, пластичність, в’язкість та їх сполучення.

Мікрореологія розглядає процеси в реальних тілах, виходячи з особливостей їх будови, взаємозв’язків їх елементарних часток і т. ін.

Реологічні властивості ґрунтів проявляються у вигляді повзучості, релаксації та зниження міцності при тривалій дії навантажень.

Під повзучістю розуміють процес розвитку в часі деформацій ґрунту при постійних напругах. Вона характерна як для ущільнення ґрунтів під дією нормальних напруг, так і для їх зрушення при прикладанні дотичних напруг. Найбільш характерна повзучість для глинистих ґрунтів, але проявляються і в мерзлих, скельних, піщаних, органогенних ґрунтах. Її пояснюють руйнуванням ґрунтових, у т.ч. жорстких, зв’язків (а надалі й часток) при збільшенні в них напруг, через що утворюються мікротріщини між частками, але одночасно в цих же та сусідніх місцях через зближення окремих часток (при стисненні й зрушенні) виникають нові водно-колоїдні та молекулярно-контактні зв’язки. Тому ґрунт миттєво не руйнується, а лише помітно деформується.

Виділяють три стадії деформацій повзучості ґрунту: згасаючу, сталу, прогресуючу, –

як це показано на рис. 4.25. С. С. Вялов таким чином пояснює фізичну природу повзучості ґрунту. В межах першої із цих стадій швидкість розвитку деформацій у часі поступово зменшується. Це пояснюють тим, що кількість мікротріщин, які виникають у ґрунті на цій стадії, менша, ніж кількість новоутворених зв’язків, а отже, збільшується опір руйнуванню зразка. На стадії сталої повзучості мають місце так звані деформації пластичної течії, швидкість котрих практично постійна. При цьому спостерігається рівновага між втратою ґрунтом міцності через руйнування зв’язків і добутком міцності, внаслідок виникнення нових водноколоїдних і молекулярно-контактних зв’язків. Стала повзучість виникає лише при напругах, що перевищують певну межу. Ця повзучість завжди переходить у стадію прогресуючої течії, при якій швидкість розвитку деформацій із часом зростає, що (при незмінному напруженому стані) веде до руйнування зразка. При цьому кількість дефектів у структурі ґрунту збільшується, а нових зв’язків – зменшується.

Разом із цим, на думку В. А. Флоріна, на характер повзучості суттєво впливають процеси, пов’язані зі зміною орієнтування плоских глинистих часток. Спочатку після прикла-

120

ліду одержують криву зменшення напруг, аналогічну кривій тривалої міцності. При цьому напруги зменшуються до межі тривалої міцності (до речі, С. С. Вялов рекомендував визначати цю межу саме за напругами, до котрих доходить їх релаксація). Криву релаксацій можна описувати рівнянням

де σt – напруга в даний момент часу t ; σ∞ – гранична тривала напруга після релаксації; σ0 – напруга, яка виникає на початку досліду при t=0; t – час від початку прикладання навантаження; n – параметр, який характеризує швидкість релаксації напруг (звичайно n<1).

Через те, що час дослідів обмежений, часто виконують кілька тривалих експериментів при різних значеннях σ0 і розрахунком знаходять σ∞ та n.

4.12. ДИНАМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТІВ

Добре відомо, що між механічними властивостями незв’язних і зв’язних ґрунтів при статичних та динамічних навантаженнях є велика різниця. Зокрема, виявлено, що піщані ґрунти слабо ущільнюються під впливом статичних навантажень і разом з тим при динамічних навантаженнях (вібраційних, ударних тощо) вони значно ущільнюються, особливо якщо знаходяться в пухкому й незавантаженому стані. Навпаки, глинисті ґрунти в умовах динамічного впливу ущільнюються слабко, а при повному водонасиченні майже зовсім не ущільнюються, в той же час як від тривалого статичного навантаження вони можуть значно ущільнюватися.

Узагалі, м’які ґрунти відрізняються здатністю до накопичення остаточних деформацій при циклічних навантаженнях невисокої частоти. За досить великої кількості циклів навантаження – розвантаження деформації стають чисто пружними, що добре відомо з компресійних і штампових випробувань.

Специфічною властивістю водонасичених піщаних ґрунтів є здатність їх структури руйнуватися від динамічного впливу й переходити на певний час у розріджений стан із наступним ущільненням та утворенням нової структури.

При проектуванні основ і фундаментів під машини й обладнання з динамічними навантаженнями, вирішенні задач у галузі інженерної сейсмології та сейсмостійкого будівництва, прикладної геофізики, господарського використання вибухів, оцінюванні впливу динамічних процесів на прилеглі будівлі, крім характеристик стисливості й міцності ґрунтів, необхідно мати достовірні значення характеристик, які б відбивали пружні та демпфіруючі властивості основи, що використовують у розрахунках основ і фундаментів на коливання. Значний вне-

В. М. Сеймов, В. Л. Сєдін, Л. Р. Ставніцер, В. Г. Таранов, О. М. Трофимчук, Г. І. Чорний, В. Б. Швець, Н. С. Швець, О. Я. Шехтер та інші.

Значення пружних і демпфіруючих характеристик основ визначають, як правило, за результатами дослідження вільних чи вимушених коливань фундаментів діючих машин або спеціальних дослідних фундаментів-штампів. При польових дослідженнях вимушені коливання дослідних фундаментів або штампів збуджують спеціальними віброзбудниками переважно інерційної періодичної дії, в яких збурююча сила змінюється пропорційно квадрату частоти коливань; вільні коливання збуджують за допомогою ударів. Коливання записують вібровимірюючою апаратурою.

Як приклад розглянемо методику з використанням інвентарного штампа конструкції О. О. Савінова (рис. 4.28) для визначення узагальнених пружних характеристик ґрунту Сz,

Cφ, Cx – коефіцієнтів відповідно пружного рівномірного та нерівномірного стиснення, а та-

кож пружного рівномірного зрушення, що пов’язують напруги в основі фундаменту з пружними переміщеннями, котрі вони викликають. Метод базується на дослідженні вільних і

122

де zn / zn+1 – відношення двох послідовних амплітуд коливань дослідного штампа, яке ви-

значають за резонансною кривою, а коефіцієнт відносного демпфірування ξz при вільних коливаннях дослідного штампа – за формулою

де T – період вільних коливань, а ln zn / zn+1 = Д – логарифмічний декремент коливань.

За заміряним значенням різниці фаз розрахункове значення модуля затухання Фz можна знайти із залежностей

Лабораторні вібраційні методи дозволяють оцінити пружні та демпфіруючі властивості ґрунту за результатами вивчення власних або вимушених поздовжніх і крутильних коливань зразків ґрунту, які мають природну чи порушену структуру. Основними динамічними характеристиками пружних дисипативних властивостей ґрунтів у цьому випадку є модуль пружності, модуль зрушення, декремент коливань, коефіцієнт затухання та іноді коефіцієнт Пуассона. За цими характеристиками розраховують коефіцієнти жорсткості й демпфірування ґрунту основи, що входять у розрахунки фундаментів на коливання.

Як приклад таких досліджень розглянемо методику НДІОСП, котра дозволяє за час-

тотою власних поздовжніх і крутильних коливань навантаженого циліндричного зразка ви-

значати модулі пружності, зсування та коефіцієнт Пуассона. На рис. 4.29 показана схема установки для визначення власної частоти поздовжніх і крутильних коливань зразка ґрунту. При визначенні частоти власних вертикальних (поздовжніх) коливань (рис. 4.29, а) на циліндричний зразок ґрунту 1 насаджують вантаж 2, до якого жорстко кріплять магніт 3. До магніту згори прикріпляють насадку з латуні, по котрій наносять легкий удар, що збуджує вільні коливання зразка разом із вантажем і магнітом. При коливаннях у полі індукційної котушки 4, жорстко закріпленої на одному з бічних стояків установки, збуджується струм, який записується осцилографом.

Для збудження власних крутильних коливань (див. рис. 4.29, б) зразка 1 до бічних стояків установки жорстко кріплять два електромагніти 5, а для реєстрації коливань – індукційну котушку 4. На зразок розміщують плиту (вантаж) 2 з двома консолями, до однієї з котрих кріпиться магніт 3, а до другої врівноважуючий вантаж. Для забезпечення жорсткого зв’язку між зразком і привантажуючою плитою остання оснащена голками. На консолях є якорі 6, які при ввімкненні струму притягаються до електромагнітів, створюючи крутильний імпульс. При рухові магніту в полі котушки індукується струм, що реєструється осцилографом. Ця установка дає можливість шляхом послідовних випробувань одного зразка визначити частоту його власних вертикальних fв і крутильних fк коливань. Формули для визначення модуля пружності E й модуля зрушення G за вказаними частотами мають вигляд

1

Рис. 4. 29. Схема лабораторної установки для визначення власної частоти

поздовжніх (а) й крутильних (б) коливань зразка ґрунту

124