3.1. Умови роботи грунтів у масиві. Основні закони та властивості,

механічні характеристики

Механічними називаються ті властивості грунтів, які характеризують їх поведінку

під навантаженням.

Під дією переданих спорудою вертикальних або похилих сил в масиві

підстави виникають нормальні і дотичні напруження, що призводять до деформації

грунтів. Крім того, грунт відчуває напруги від власної ваги. деформації від

власної ваги грунту завершуються, як правило, в процесі освіти і діагенеза

грунтів. Напруження, що виникають від зусиль, що передаються спорудою, призводять до до-

навченої деформації грунтів. Найбільш часто мають місце деформації ущільнення

грунтів під дією нормальних напружень, рідше - деформації зрушень грунтів, що викликається

дотичними напруженнями. Вплив нормальних напружень на суцільні тіла розглядають в механіці

деформівних тіл (опір матеріалів, теорія пружності). Оскільки грунти відно-

сятся до дисперсним тілам, крім закономірностей деформованості суцільних тіл, прихо-

диться враховувати зміну об'єму пор при стисненні, тобто розглядати додатково закон

ущільнення (закон компресії). Крім того, в грунтах, як і в суцільних тілах, при прийн-

вии нормальних напружень спостерігається бічне розширення, але за більш складною зако-

номірністю.

Деформуванням суцільних тіл під дією дотичних напружень характеризу-

ється модулем зсуву при пружних деформаціях, межею текучості при пластичних де-

формаціях і коефіцієнтом в'язкості, що обумовлює в'язке перебіг. У грунтах дефор-

мації зрушень розглядають порівняно рідко, зазвичай цікавляться опором

їх зрушенню при гранично напруженому стані. Цей опір залежить від кута внут-

ріннього тертя і питомого зчеплення грунтів, що визначаються відповідно до закону

супротиву грунтів зрушення.

Як деформованість грунтів у часі, так і їх опір зрушенню залежить від

часткою напруг, переданих на скелет грунту і на воду, яка знаходиться в порах. Парова

вода під дією виникає в ній тиску поступово віджимається і передає його на

скелет грунту, тому деформованість грунтів та їх опір зсуву залежать від

фільтраційних здібностей грунту. Крім того, фільтрація води в грунтах цікавить

будівельників щодо визначення припливу води в котлован і розрахунку водопонижающих

установок. Все це обумовлює необхідність вивчення закону фільтрації парової во-

ди.

Отже, до основних закономірностей відносяться закон фільтрації, що описує проникнення,

закон ущільнення, що визначає стисливість, і закон опору

зсуву, що характеризує опірність грунтів зрушенню.

Для визначення деформативних властивостей грунтів проводяться компресійні дослідження.

3.2. Закон ущільнення, стисливість грунту. Компресійна залежність,

компресійні випробування. Коефіцієнт стисливості,

модуль деформації грунту

Фізичні подання

Так як грунт складається з твердих частинок і пор, які частково або повністю за-

повнені водою, теоретично при його стисненні повинні зменшуватися обсяги всіх трьох компо-

нентів - твердих частинок, повітря (газу) і води. Оскільки напруження стискання, виникаючиє

зазвичай в підставах споруд, порівняно невеликі, об'ємні деформації

твердих частинок, які з таких матеріалів, як кварц і польовий шпат та ін, мізерно

малі і не враховуються. Отже, можна вважати, що зміна обсягу грунту при

стисненні відбувається тільки через зміну обсягу пір.

Внаслідок пружних деформацій скелета, (часток) грунту, тонких плівок води, распо-

лежання між частинками, пружного стиснення пухирців повітря, а також стиснення парової

води, що містить розчинений повітря, можуть відбуватися пружні зміни обсягу

грунту. Такі деформації грунту, як правило, у багато разів менше залишкових. Останні

розвиваються, коли виникають в грунті напруги перевищують його структурну ін-

ність. В кінцевому рахунку залишкові деформації призводять до ущільнення (зменшення по-

ристості) грунту.

Деформації ущільнення розвиваються в результаті зрушень або зсувів окремих

частинок грунту відносно один одного, а також при руйнуванні частинок, особливо в точках

їх контактів. Деформації ущільнення пилувато-глинистих грунтів найчастіше протікають

повільно в часі. Це пояснюється насамперед тим, що при ущільненні з пор водона-

сищенного грунту повинна бути видавлена ​​вода, без цього грунт ущільнюватися не може, так

як вода практично не стискається. Процес же видавлювання води з водонасичених

пилувато-глинистих грунтів внаслідок їх малої водопроникності триває тривалий

час. Повільний розвиток деформацій як ущільнення, так і зрушень обумовлю-

ється, крім того, повзучістю зв'язаної води, навколишнього тверді частки, і повзучо-

сті самого скелета грунту.

Усі механічні властивості грунтів зазвичай визначаються дослідним шляхом (досліджень

ня в польових і лабораторних умовах).

Стисливість грунтів обумовлюється зміною їх пористості внаслідок пере-

упаковки частинок, повзучістю водних оболонок, витісненням води з пор грунту. Стиснення

повністю водонасичених грунтів можливо тільки за умови витіснення води з пор

грунту.

Досліджуємо грунт непорушеною структури, поміщаючи його в одометр (рис. 3.1).

Докладаємо навантаження Р1 - відбудеться ущільнення грунту, і коефіцієнт пористості

стане е1. Навантаження Р2 - е2 і т. д. (4 - 5 ступенів).

Потім будемо знімати навантаження і спостерігати за результатами. За результатами випробувань

ний будуємо графік компресійної кривої (к. к.) (рис. 3.2).

З графіка видно, що відбувається необоротне ущільнення грунту. Нас цікавить в

основному тільки пряма гілка к. к., зворотна гілка к. к. - можливість підняття дна, при

глибоких котлованах (розглядається в основному в гідротехнічному будівництві).

Компресійна крива дозволяє судити про стисливості грунту.

Зобразимо знову компресійну криву (рис. 3.3):

На невеликій ділянці розглянемо прирощення навантаження Δ Р і отримаємо від-

ють Δ тобто Замінимо дугу прямий і розглянемо кут α.

Тангенс кута нахилу дотичної компресійної кривої називається коефіцієнтів

тому стисливості (mo), tg α = mо.

Якщо

mo <0,005 - грунт малосжимаемий,

mo = 0,005 ÷ 0,05 - грунт среднесжимаемий,

mo> 0,05 [МПа -1] - грунт сільносжимаемий.

Крім цього використовується коефіцієнт відносної стисливості

(-) Показує, що зі збільшенням навантаження α зменшується. α також може характеризу-

вать стисливість.

Для фундаментів більшості будівель і споруд характерно невелика зміна

тисків. Тому для них застосовують закон ущільнення грунту - зміна коефіцієнтів

та пористості прямо пропорційно зміні тиску.

Суттєвою особливістю природних

грунтів непорушеною (природною) структури є наявність так званої структурної міцності, яка проявляється при їх компресованих випробуваннях (рис. 3.4). Завдяки наявності структурних і, зокрема, цементаціонних (кристаллізаціонних) зв'язків між частинками при щодо малих навантаженнях на основний гілки компресійної кривої до напруг σстр наблюдаєтся практично горизонтальна ділянку, тобто відсутність ущільнення. При напругах, нескільки великих структурної міцності σстр. Внаслідок руйнування крихких зв'язків між частинками, відбувається різке наростання

деформацій (зменшення е). Величина σстр в деяких грунтах може бути дуже малою (0,01 ... 0,05 МПа), і тому для того, щоб її виявити, потрібно ретельно зберігати струк-

туру зразка грунту і прикладати навантаження малими ступенями дуже плавно.

Найбільш яскраво вплив структурної міцності проявляється в мулистих грунтах і деяких

дуже вологих глинах, наприклад, іольдіевих глинах та ін. Маючи дуже пухке додавання і, як слід-ствие, у водонасиченому стані значну вологість, ці грунти мають струк-

турний міцністю, після найменшого подолання якої починається «лавинне» руйнуючоих

зв'язків між частинками і значне, звичайно катастрофічне для зведених

на них споруд, прагнення до значного ущільнення водонасиченого грунту (див.

рис. 3.4, крива 3). У результаті цього раніше щодо міцний грунт переходить практи-

чно в стан рідини, тому такі грунти іноді відносять до категорії «структурно

нестійких ». Одним з можливих шляхів будівництва на таких грунтах є макси-

мальное збереження в них структурних зв'язків.

У всіх випадках, завдяки наявності структурних зв'язків, стисливість будь-якого грунту

непорушеною структури менше стисливості такого ж грунту порушеної структури

(Що мають однакові початкові коефіцієнти пористості) (див. рис. 3.4, криві 1 і 2).

Зіставляючи стисливість грунтів різних видів, слід зробити загальне практичних

скі важливий висновок про відносно малій стисливості незв'язних грунтів і великий

стисливості зв'язкових - глинистих грунтів при дії статичних навантажень. Пухкий пе-

сік у результаті дії можливих у будівельній практиці статичних стискаючих на-

напруги неможливо істотно ущільнити і тим більше домогтися щільного складання.

Ще менше ущільнюються при статичних навантаженнях окатанниє великоуламкові грунти.

Це пояснюється «жорсткістю» структури таких грунтів, наявністю безпосередніх кон-

тактів між частинками і їх формою. Ряд частинок великоуламкових грунтів при навантаженні

переміщається тільки після їх руйнування або відколу кутів. У глинистих грунтах, утримуючи-

щих пластинчасті частинки, оточені плівками зв'язаної води, властивості стисливості

при статичних впливах проявляються вельми яскраво.

Цими ж особливостями структури пояснюється істотна різниця в процесах

«Розбухання» незв'язних і зв'язкових грунтів при їх розвантаженні. У незв'язних грунтах «розбухаючих» мало і пояснюється в основному пружною деформацією часток. У глинистих грунтах, наоборот, явища розбухання яскраво проявляються в основному за рахунок збільшення плівок пов'язанної води (розклинювальний ефект).

Також однією з величин, які характеризують стисливість грунту, є модуль де-

формації грунту Е [МПа], який враховує як пружні, так і залишкові деформації

грунту.

(Аналогічний закону Гука, але там використовується модуль пружної деформації)

Модуль деформації грунту може визначатися трьома способами:

1. У лабораторних умовах за компресійної кривої.

Модуль деформації грунту обернено пропорційний коефіцієнту щодо відповідності стисливості грунту і прямо пропорційний деякої функції коефіцієнта

Пуассона, що враховує вид напруженого стану при компресійному стисненні.

- Коефіцієнт Пуассона (бічного розширення грунту), приймає-

ний для пісків і супісків - 0,3, суглинків - 0,35, глин - 0,42. Коефіцієнт Пуассона - одна

з фізичних характеристик матеріалу пружного тіла, що дорівнює відношенню абсолютних знань відносної поперечної деформації елемента тіла εx до його відносної про-

дольності деформації εz, взяте із зворотним знаком, у випадку, якщо діють тільки верти-

локальні напруги σz (напруги σx і σy в цьому випадку відсутні).

Коефіцієнт Пуассона змінюється теоретично від 1 до +0,5, а практично від 0 до

+0,5. Коефіцієнт Пуассона не може бути більше 0,5, так як в цьому випадку при всесторон-

ньому стисненні мав би збільшуватися обсяг грунту, що фізично неможливо. Таким

чином, при

2. У польових умовах за допомогою штампів.

Виконуючи відбір проб для випробування грунтів, ми порушуємо його структуру і, отже

, порушуємо його властивості. Тому виробляють польові випробування грунту штампами:

великого і малого діаметру.

Штампові випробування (рис. 3.5) полягають у тому, що штамп (кругла плита) уста-

новлюється на дно котловану на попередньо зачищену і разрівнену поверхню

грунту, після чого завантажується ступенями навантаження. Наступна ступінь навантаження прикл-

дивается після загасання опади від попереднього ступеня. За лінійним ділянці залежність опадів s, см, від навантаження p, МПа, встановлюється модуль деформації E0. основним

перевагою цього виду випробувань є те, що вони ведуться безпосередньо в грунто-

вом масиві. При випробуваннях жорсткими штампами потрібна ретельна їх установка на

грунт з приляганням по всій поверхні.

Штампові випробування проводяться також в свердловинах. У цьому випадку штамп уста-

новлюється в забої свердловини. Застосовуються також гвинтові штампи.

Стандартна площа штампа F = 5000 см2.

Навантаження збільшується ступенями = 0,05 МПа.

Вимірюємо осадку нашого штампа. Так як навантаження задаємо самі, то в будь-який момент

часу знаємо Р.

ω - коефіцієнт, що залежить від жорсткості штампа;

b - ширина штампа;

v - коефіцієнт бокового розширення грунту (коефіцієнт Пуассона);

Е0 - модуль загальної деформації.

переваги:

• випробування грунту непорушеною структури.

недоліки:

• трудомісткість;

• тривалість випробувань

Також для піщаних і пилувато-глинистих грунтів допускається визначати модуль

деформацій на основі результатів статичного і динамічного зондування грунтів.

Як показники зондування приймають: при статичному зондуванні – опору

грунту зануренню зонда конуса, а при динамічному зондуванні - умовне

динамічний опір грунту зануренню конуса.

3. За таблицями СНиП 2.02.01-83 «Підстави будівель і споруд» і регіональ-

ним нормативним документам, виходячи з найпростіших фізичних характеристик

грунту.

Для попередніх розрахунків підстав споруд I і II рівнів відповідальності,

а також для остаточних розрахунків підстав споруд III рівня відповідальності та

опор повітряних ліній електропередачі незалежно від їх рівня відповідальності допуска-

ється визначати нормативні і розрахункові значення міцності та деформаційних харак-

теристик грунтів за таблицями залежно від їх фізичних характеристик.

S

Відмітка подошви фундаменту. Навантаження V ≈ 1 м3 - об'єм деформованого грунту Р S

S = kP .

При відповідному обгрунтуванні допускається використовувати таблиці для остаточного

тільних розрахунків споруд II рівня відповідальності (технічно нескладні спорудження

ня, споруди, малочутливі до деформацій підстави, та ін.)

Як приклад можна привести нормативні значення модуля деформації E,

МПа, пісків четвертинних відкладень в залежності від виду і коефіцієнта пористості е,

таблиця 3.1.