8.2. Реологические свойства грунтов

Практически все грунты испытывают во времени те или иные напряжения, под действием которых они уплотняются или разуплотняются, сдвигаются, разрушаются, меняют объем или форму.

Реология – наука о механическом поведении тел во времени при дей­ствии на них напряжений. Термин реология (от греческого слова «pew» – течь) в начале становления этой науки означал учение о течении вязкого вещества. Затем эффект медленного течения был обнаружен и в твердых телах (металлах, пластмассах и др.), и это явление стало называться ползу­честью. Теория ползучести вошла составной частью в ме­ханику твердого тела. По мере своего развития обе науки – реология и теория ползучести все ближе соединялись, и сейчас реологию следует рассматривать как науку об изменениях во времени напряженно-деформированного состояния любой сплошной среды [12].

Реология грунтов представляет собой раздел механики грунтов, изучающий механи­ческое поведение грунтов во времени при действии на них напряжений. Исследования реологических свойств грунтов следует проводить по специально разработанным программам с помощью длительных испытаний методом трехосного сжатия. В реологию немерзлых грунтов большой вклад внесли А. Бишоп, Р.Э. Дашко, Р.С. Зиангиров, М.Н. Гольлштейн, В.А. Королев. Н.Н. Маслов, С.Р. Месчян, Дж. Митчелл, А. Скемптон, Г.И. Тер-Степанян, Н.Н. Хархута и др., а в реологию мерзлых грунтов – С.С. Вялов, С.Е. Гречищев, Л.Т. Роман, Н.А. Цытович и др.

Реологические процессы в грунте проявляются в виде:

• ползучести, т. е. развития деформаций во времени;

• релаксации, т. е. уменьшения напряжений, необходимых для поддержания постоянной деформации;

• длительной прочности, т. е. снижения во времени сопротивления грунта разрушению.

Ползучестью называется процесс развития деформаций (осевых или продольных ε; сдвиговых γ или объемных ε_v) во времени (t) при действии постоянного напряжения (соответственно, нормального σ, касательного τ или всестороннего σ_v). В соответствии с указанными действующими напряжениями различают осевую или продольную ползучесть (при одноосном сжатии или растяжении вдоль оси z или x, y, ползучесть при сдвиге и объемную ползучесть.

Осевой ползучестью называется развитие в грунте осевых (продольных) деформаций во времени в условиях одноосного растяжения или сжатия, при этом объем грунта практически не меняется, а меняется лишь его форма. Осевая ползучесть является нелинейной и описывается нелинейными функциями вида ε=f(σ,t) или η=f(σ).

Объемной ползучестью называется развитие во времени объемных дефор­маций (ε_v) грунта, возникающих в общем случае под действием средних эффективных напряжений по главным осям.

Ползучесть при сдвиге представляет собой процесс деформации сдвига во времени, происходящий при постоянном объеме грунта. Общие закономерности и вид кривых ползучести при сдвиге во многом схожи с кривыми осевой ползучести и принципиально отличаются от развития объемных деформаций, развитие которых носит затухающий характер, а сдвиговых – прогрессирующий [50].

Рис. 8.8. Реологические кривые: а) и б) – идеальной жидкости, в) и г) – жидкообразных тел, д) и е) – твердообразных тел [50]

Основными параметрами ползучести являются скорость деформирования и вязкость.

Отношение изменения деформации ползучести ко времени называется скоростью ползучести (v), соответственно выделяют скорости осевой , сдвиговой или объемной ползучести. Для жидкостей характерна почти прямая зависимость между скоростью деформаций и напряжением, а у идеальной жидкости она прямая (рис. 8.8, а).

Развитие скорости деформаций при увеличении напряжения про­исходит у различных физических тел, включая и грунты, по-разному и опре­деляется особенностями их внутреннего трения – вязкостью. Вязкость грунта (или коэффициент динамической вязкости) в системе СИ измеряется в Н с/м², или П (пуаз) – 1 П = 0,1 Н с/м², а в системе СГС в г/см c. Величина, обратная вязкости, называется текучестью: j=1/η. Наряду с динамической вязкостью иногда рассматривается кинематическая вязкость ν = η/ρ, где ρ – плотность грунта. Единицами кинематической вязкости служат м²/с, ранее использовались стоксы (1 Стокс=1·10^–4 м²/с). У ньютоновских жидкостей вязкость (η) постоянна и определяется из соотноше­ния η=τ (dt/dγ).

Развитие ползучести грунта во времени происходит в одну или несколько стадий.

Затухающая, или ограниченная, ползучесть происходит с уменьшающейся скоростью деформирования, которая с тече­нием времени падает до нуля и включает только одну стадию (рис. 8.9, б, кривая 1).

Незатухающая ползучесть – процесс деформирования грунта с постоянной или увеличивающейся скоростью при постоянном напряжении, включает в себя три стадии (рис. 8.9, б, кривая 2) [12]:

I – стадия неустановившейся ползучести с уменьшающейся скоростью (участок 0'–n);

II – стадия установившегося вязкопластического те­чения с примерно постоянной скоростью деформирования (участок п–т);

III – стадия прогрессирующего течения с возрастаю­щей скоростью, приводящая к хрупкому или вязкому разрушению (участок m–f).

Условно-мгновенные деформации это деформации упругие или упругопластические, деформации первой неустановившейся стадии ползучести являются упругопластичновязкими, деформации второй установившейся стадии и третьей прогрессирующей стадии преимущественно пластично-вязкие.

Рис. 8.9. Стадии осевой ползучести [12]: а) изменение напряжений σ во времени t, б) кривая развития во времени деформаций ползучести, в) кривая изменения скорости деформаций ползучести грунта во времени

На кривых незатухающей ползучести и изменения ее скорости соответственно выделяют три характерные точки: точку п перехода из стадии I в стадию II и соответству­ющие ей значения t_n и v_n,, точку т перехода из стадии II в стадию III и соответствующие ей значения t_m и v_m; и точку f, определяющую момент разрушения грунта, и соответствующее ей значение t_f.

Точка t_m является критической по прочности, поскольку определяет начало III разрушающей стадии. Точка t_n соответствует началу пластичновязкого течения, определяя предел текучести. Точка t_f соответствует полному исчерпанию сопротивления грунта нагрузкам и разрушению.

Объемная ползучесть всегда имеет затухающий характер, осевая и сдвиговая ползучести могут иметь все три стадии в зависимости от условий деформирования грунта.

У жидкообразных тел (включая сильновлажные глины, илы и др.) зависимость скорости деформации от напряжения сдвига является нелинейной (рис. 8.8, в), а вязкость – непостоянной и поэтому называется аффективной или структурной. Для таких грунтов характерны два значения вязкости; наибольшее (η₀) и наименьшее (η_m), а также два предельных значения напряжения сдвига (рис. 8.8, г): τ₀ и τ_m, определяющие соответственно переход от неразрушенной к предельно разрушенной структуре данного тела.

У твердообразных тел, к которым относится большинство грунтов, включая скальные, зависимость скорости деформации от напряжения сдвига так же является нелинейной, а само течение начинается лишь при преодолении некоторого предельного напряжения сдвига, называемым условным статическим пределом текучести и совпадающего с пределом упругости (рис. 8.8, д). При τ < τ_к1 грунт деформируется упруго и имеет неограниченно большую вязкость, а при τ > τ_к1 начинается медленная ползучесть с уменьшающейся эффективной вязкостью; при τ > τ_к1 ползучесть переходит в течение с возрастающей скоростью и при τ_к1 процесс завершается разрушением структуры грунта с наименьшей структурной вязкостью η_m (рис. 8.8, е). Величина τ_к2 называется условным динамическим пределом текучести.

Релаксацией напряжений в грунте называется процесс изменения (уменьшения) напряжений во времени при сохранении постоянной дефор­мации, этот процесс является следствием перераспределения упругой и пластической деформации в грунте. Суть процесса заключается в том, что при испытании образца под постоянной нагрузкой происходит его деформация во времени. Чтобы в какой-либо момент времени деформация приостановилась и ее величина осталась постоянной, для этого нужно постепенно уменьшать приложенную нагрузку. Такой процесс моделирует явление релаксации напряжений.

Длительной прочностью называется предел прочности грунта при при соответствующей длительности действия нагрузки. Различают мгновенную (условно-мгновен­ную) прочность, соответствующую «мгновенному» разрушению при быстром нагружении, и предельно-длительную прочность, до превышения которой незатухающая ползучесть не развива­ется и разрушения не происходит. Длительная прочность существенно ниже «мгновенной прочности», определяемой при кратковременном воздей­ствии нагрузки. Это явление тесно связано с ползучестью и релаксацией на­пряжений. Как отмечалось выше, развитие прогрессирующей ползучести с возрастающей скоростью заканчивается хрупким или вязким разрушением грунта. Поэтому длительное разрушение грунта происходит при напряжении, величина которого может быть меньше значения прочности при кратковре­менном нагружении. При этом, чем меньше приложенное напряжение, тем за более длительный промежуток времени происходит разрушение грунта, и на­оборот. С длительной прочностью тесно связано и такое понятие, как долговечность грунта (I) – время от момента приложения нагруз­ки к грунту до момента его разрушения. Чем больше напряжение, тем меньше долговечность грунта, и наоборот [12].