Механика грунтов

1. Основные механические свойства грунтов

2. Сжимаемость грунтов

3. Сопротивление сдвигу. Прочность грунта

4. Водопроницаемость грунтов. Фильтрация Список литературы

1. Основные механические свойства грунтов Механическими называются те свойства грунтов, которые оказывают решающее влияние на деформацию и прочность грунта под нагрузкой.

Для расчетов деформаций, устойчивости грунта и оценки прочности оснований необходимо знать механические характеристики используемых грунтов. Такими свойствами определяется поведение грунтовых массивов под воздействием нагрузок и при изменении их физического состояния, сжатием твердых частиц, сжатием воды и воздуха, находящихся в порах грунта, разрушением связей между частицами и их взаимным смещением, изменением толщины пленок воды и отжатием свободной воды из пор грунта. Эти процессы приводят к деформациям, которые можно разделить на упругие, т. е. исчезающие после снятия нагрузки, и остаточные. На механические свойства оказывают влияние характер структурных связей частиц, гранулометрический и минеральный состав и влажность грунтов. Основными механическими свойствами грунтов считают: сжимаемость, сопротивление сдвигу, водопроницаемость.

Все механические характеристики грунта делятся на 3 группы:

I гр. — для оценки деформативных свойств грунта

mо — коэффициент сжимаемости основания см²/кг, МПа-1;

mvприведенный коэффициент сжимаемости основания;

Е0 — модуль общей деформации кг/см², МПа.

II гр. — для оценки фильтрационных свойств грунта

Kф — коэффициент фильтрации см/с; м/сут.;

Ј - гидравлический градиент.

III гр. — для оценки прочностных свойств грунтов ц — угол внутреннего трения (град.);

С — коэффициент сцепления кг/см², МПа.

Сжимаемость грунтов.

Способность грунта уменьшаться в объеме под воздействием уплотняющих нагрузок называют сжимаемостью, осадкой или деформацией. По физическому строению грунт состоит из отдельных частиц различной крупности и минерального состава (скелет грунта) и пор, заполненных жидкостью (вода) и газом (воздух). Частицы в грунте бывают связанные и несвязанные между собой, но независимо от этого, прочность связей всегда ниже прочности частиц. При возникновении напряжений сжатия изменение объемов происходит за счет уменьшения объемов, располагающихся внутри грунта пор, заполненных водой или воздухом и за счет сгущения связующих (коллоидов). Таким образом, сжимаемость зависит от многих факторов, основными из которых являются физический состав, вид структурных связей частиц и величина нагрузки.

По характеру усадки разделяют упругие и пластические деформации. Упругие деформации возникают в результате нагрузок, не превышающих структурную прочность грунтов, т. е. не разрушающих структурные связи между частицами и характеризуются способностью грунта возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузок. Пластические деформации разрушают скелет грунта, нарушая связи и перемещая частицы относительно друг друга. При этом объемные пластические деформации уплотняют грунт за счет изменения объема внутренних пор, а сдвиговые пластические деформации — за счет изменения его первоначальной формы и вплоть до разрушения. При расчетах сжимаемости грунта основные деформационные характеристики определяют в лабораторных условиях согласно коэффициенту относительной сжимаемости, коэффициенту бокового давления и коэффициенту поперечного расширения.

Предельным сопротивлением сдвигу (растяжению) называется способность грунта противостоять перемещению частей грунта относительно друг друга под воздействием касательных и прямых напряжений. Этот показатель характеризуется прочностными свойствами грунтов и используется в расчетах оснований зданий и сооружений. Способность грунта воспринимать нагрузки не разрушаясь, называют прочностью. В песчаных и крупнообломочных несвязных грунтах сопротивление достигается в основном за счет силы трения отдельных частиц, такие грунты называют сыпучими. Глинистые грунты обладают более высоким сопротивлением к растяжению (сдвигу), т.к. наряду с силой трения сдвигу противостоят силы сцепления: водно-коллоидные и цементационные связи (связные грунты). В строительстве этот показатель важен при расчете оснований фундаментов и изготовлении земляных сооружений с откосами.

Водопроницаемость характеризуется способностью грунта пропускать через себя воду под действием разности напоров и обуславливается физическим строением и составом грунта. При прочих равных условиях при физическом строении с меньшим содержанием пор, и при преобладании в составе частиц глины водопроницаемость будет меньшей, нежели у пористых и песчаных грунтов соответственно. Нельзя недооценивать данный показатель, т.к. в строительстве он влияет на устойчивость земляных сооружений и обуславливает скорость уплотнения грунтов оснований, суффозию грунта и оползневые явления (в т.ч. и на сопротивление растяжению). Фильтрацией называется движение свободно-гравитационной воды в грунтах в различных направлениях (горизонтально, вертикально вниз и вверх) под воздействием гидравлического градиента (уклона, равного потере напора на пути движения) напора. Коэффициентом фильтрации (Kf) принято считать скорость фильтрации при гидравлическом градиенте равном единице. При этом скорость фильтрации (V) прямо пропорциональна гидравлическому градиенту (J).

V = Kf * J

Скорость движения воды в глинистых грунтах невелика из-за внутреннего сопротивления, создающегося из-за малых размеров пор и водно-коллоидных пленок. В отличие от песчаных, в глинистых грунтах фильтрация возможна лишь при достижении определенного градиента напора, способствующего преодолению водой внутреннего сопротивления.

2. Сжимаемость грунтов Сжимаемостью грунтов называют способность их уменьшаться в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления.

Степень сжимаемости и явления, происходящие при сжатии, зависят от характера и структуры грунта.

Сжимаемость песчаных грунтов невелика и зависит от их гранулометрического, минералогического состава и плотности сложения. Сжатие песчаных грунтов связано с взаимным перемещением отдельных зерен, а при больших давлениях — и с их раздроблением. Сжатие этого типа грунтов протекает быстро и независимо от влажности.

Сжимаемость глинистых пород зависит от их минералогического состава, степени дисперсности, состава обменных катионов, пористости, а также от состояния породы и условий сжатия. Наиболее гидрофильные монтмориллонитовые глины характеризуются большей сжимаемостью по сравнению с каолинитовыми. При одинаковых условиях проведения опыта сжимаемость глинистых пород тем больше, чем выше их дисперсность. Глины, насыщенные Na, более сжимаемы, чем глины, насыщенные Са. Чем больше пористость, тем больше абсолютная величина сжатия.

При сжатии глинистых пород большую роль играют гидратные оболочки вокруг минеральных частичек, воспринимающие часть нагрузки и деформирующиеся при сжатии, а также непосредственное взаимодействие частиц, притягивающихся друг к другу молекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса); при ненарушенной структуре иногда имеют значение и цементационные связи.

Сжимаемость одной и той же глины может быть резко различной в зависимости от нарушенности структуры: при равной начальной пористости и влажности и одинаковом составе воды образцы с нарушенной структурой сжимаются больше.

Значительное влияние на сжимаемость оказывают скорость нарастания нагрузки и размеры ее ступеней. Опыты показывают, что увеличение ступеней и скорости нарастания нагрузки увеличивает сжатие глинистых пород.

Так как в лабораторных условиях нарастание нагрузок происходит значительно быстрее, чем в природных условиях и при строительстве, получаемые показатели сжатия оказываются завышенными; поэтому действительные осадки сооружений очень часто оказываются значительно меньше рассчитанных по данным компрессионных испытаний.

Скорость сжатия глинистых грунтов зависит от влажности грунта и от мощности сжимаемого слоя.

При полном насыщении образца водой скорость сжатия грунтов до известной степени определяется их водопроницаемостью. При малых значениях коэффициента фильтрации и большей мощности сжимаемого слоя процесс сжатия может длиться многие годы. При этом сжатие происходит до наступления состояния гидростатического равновесия, т. е. такого состояния, когда из грунта отжата часть воды, оказывавшая сопротивление сжатию, и внешняя нагрузка целиком воспринимается скелетом грунта.

В трехфазном состоянии, когда в порах глинистого грунта, кроме воды, находится воздух, имеющий возможность свободно выходить из грунта, сжатие происходит более быстро и не зависит от водопроницаемости. Гидратные оболочки при этом деформируются, но влажность породы в первый период опыта не меняется.

Следует отличить компрессию грунта от более общего понятия — сжимаемости. При компрессии исключена возможность бокового расширения грунта; в отличие от этого, при испытаниях на сжатие отсутствует жесткая обойма, сохраняющая неизменным поперечное сечение образца, причем боковая поверхность его либо свободна от нагрузки (одноосное сжатие), либо также подвергается давлению (трехосное сжатие).

Если первоначально нагруженный грунт постепенно разгружать, то его объем, и пористость будут увеличиваться. Это явление, обратное компрессии, носит название декомпрессии, или набухания. Однако объем (пористость) образца в процессе декомпрессии часто не достигает первоначальных размеров.

Увеличение объема грунта при снятии нагрузки характеризует упругие деформации, а разность между первоначальным объемом грунта и его объемом после декомпрессии — остаточные деформации. Остаточные деформации обусловлены перемещением частиц грунта и нарушением связей между ними. Упругие (обратимые) деформации пород связаны с упругими деформациями водно-коллоидных и кристаллизационных связей между частицами, а в породах, не полностью насыщенных водой, — с упругими деформациями пузырьков газов в поровом растворе.

Степень сжимаемости грунтов при невозможности бокового расширения грунта обычно выражают через так называемый коэффициент компрессии (иначе коэффициент уплотнения; коэффициент сжимаемости) а.

Для изучения сжимаемости грунтов в настоящее время пользуются несколькими типами приборов, которые могут быть объединены в две группы:

* одометры — приборы, типа прибора Терцаги, с жесткими металлическими стенками, препятствующие боковому расширению образца при сжатии его вертикальной нагрузкой;

1 — образец грунта; 2 — металлическое кольцо; 3 — поршень; 4 — индикатор; 5 — ванна; 6 — днище

* стабилометры — приборы с боковым гидростатическим или аэростатическим обжатием образца, заменяющим действие жестких стенок в приборах первого типа.

Схема стабилометра: 1 — образец грунта; 2 — резиновая оболочка; 3 — цилиндр; 4 — пространства, заполненное жидкостью; 5 — трубка от насоса; 6 — кран; 7 — манометр; 8 — поршень; 9 — бюретка для измерения объема образца; 10— уровень воды; 11 — кран для отвода воды, отжимаемой из образца грунта

3. Сопротивление сдвигу. Прочность грунта Грунты оснований зданий и сооружений испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, то происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.

Сопротивление грунта сдвигу характеризуется прочностными свойствами грунта и используется в расчетах оснований по первому предельному состоянию (по прочности).

Прочностью грунта называют способность его воспринимать силы внешнего воздействия не разрушаясь. Разрушение грунта, служащего основанием сооружения, слагающего берег (склон) водохранилища или же откос канала, происходит в виде перемещения-сдвига одной его части относительно другой тогда, когда силы внешнего воздействия превысят силы внутреннего сопротивления. Прочность грунта определяется его сопротивляемостью сдвигу и оценивается показателем, который называется предельным сопротивлением сдвигу ф.

В лабораторных условиях сопротивление грунта сдвигу устанавливается испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез) в сдвиговых приборах и приборах трехосного сжатия, в полевых — путем испытания крыльчаткой, методами раздавливания призмы грунта, сдвигом целика грунта в заданной плоскости и другими способами. На рис. 1. показан общий вид установки для испытания грунтов на одноплоскостной сдвиг.

Рис. 1. Общий вид прибора для испытания грунта на сдвиг

Сопротивление сдвигу песчаных и крупнообломочных грунтов возникает в основном в результате трения между перемещающимися частицами и зацепления их друг за друга. В этих грунтах сопротивление растяжению практически отсутствует, поэтому их называют сыпучими, или несвязными. Тогда сопротивление сдвигу в несвязных (сыпучих) грунтах зависит от сил трения между частицами.

Процесс разрушения глинистых грунтов значительно сложнее, чем песчаных или крупнообломочных. Водно-коллоидные и цементационные связи, которые имеют место в глинистых грунтах, обеспечивают некоторое сопротивление их растяжению.

Поэтому эти грунты часто называют связными. Тогда сопротивление сдвигу в связных грунтах складывается из сил трения частиц и сил сцепления между ними.

Сцепление — это сопротивление структурных связей глинистых грунтов всякому перемещению частиц.

Испытание глинистых грунтов на сдвиг производится по двум схемам:

I схема — закрытая (неконсолидированно-недренированные испытания), т. е. когда грунт не консолидирован. Испытания производятся сразу после приложения вертикальной нагрузки, при этом плотность и влажность грунта в процессе опыта не меняются. Такие опыты носят название «быстрого сдвига».

II схема — открытая (консолидированно-дренированная), т. е. когда грунт консолидирован. В этом случае испытания на сдвиг производятся после полной консолидации. Консолидация — процесс уплотнения грунта, сопровождающийся отжатием воды из пор грунта, т. е. это явление свойственно водонасыщенным грунтам.

Как было сказано выше, сопротивление грунтов сдвигу можно определить с помощью различных приборов. Наиболее простым из них является одноплоскостной сдвиговой (рис. 2.).

Рис. 2. Схема прибора для испытания грунта на сдвиг: 1 — неподвижная обойма; 2 — то же, подвижная; 3 — фильтрующая пластина с зубцами Если образец грунта поместить в сдвиговой прибор (в виде двух компрессионных колец), то приложив вертикальную силу F и постепенно увеличивая горизонтальную силу Т, происходит срез (сдвиг) одной части образца относительно другой по линии, показанной пунктиром (см. рис. 2.).

Опыты на сдвиг проводят при нескольких сжимающих напряжениях (о) для образцов грунта, находящихся в одинаковом состоянии и результаты оформляют в виде графиков. При этом, чем больше а, тем больше предельное сопротивление сдвигу фи.

Под действием возникающих в плоскости среза касательных напряжений ф = Т/А развиваются горизонтальные перемещения верхней части образца, а (см. рис. 3). По мере увеличения интенсивность горизонтальных перемещений, а возрастает, и при некотором предельном значении ф = фи дальнейшее перемещение части образца происходит без увеличения сдвигающего напряжения. Это свидетельствует о разрушении образца грунта.

Рис. 3. Кривые горизонтальных смещений части образца при различных значениях нормальных напряжений (а) и график сопротивления сдвигу образца песчаного грунта (б) Многочисленными экспериментами различных авторов установлено, что график зависимости сопротивления сдвигу от нормального напряжения для песчаных и крупнообломочных грунтов с достаточной точностью может быть представлен отрезком прямой, выходящей из начала координат (см. рис. 3, б). Тогда эта зависимость может быть выражена уравнением

(1)

где tgц — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трение грунта о грунт, tgц = ѓ;

ц — угол внутреннего трения.

Зависимость формулы 1 установлена французским ученым Ш. Кулоном еще в 1773 г. и формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется законом Кулона для несвязных фунтов.

Как известно, глинистые фунты (супесь, суглинок, глина) обладают связностью, интенсивность которой зависит от влажности и степени уплотненности грунта.

Испытание глинистых грунтов производится в таких же приборах, что и несвязных грунтов (см. рис. 2.), только фильтрующая пластина — без зубцов.

Так же проводятся несколько испытаний, и строится график (рис. 4.). Тогда зависимость ф = ѓ (у) для связных грунтов может быть представлена следующим образом:

(2)

где с — отрезок, отсекаемый от оси ф и прямой АВ (рис. 4), называется удельным сцеплением и характеризует связность грунта.

Параметры ц и с лишь условно можно назвать углом внутреннего трения и удельным сцеплением, так как физика процесса разрушения грунта намного сложнее.

Рис. 4. График сопротивления сдвигу образцов глинистого грунта На полученные величины параметров сопротивления грунта сдвигу (ц и с) оказывает влияние методика проведения опытов (табл. 1).

Уравнение (2) называют законом Кулона для связных грунтов и формулируют следующим образом: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершении их консолидации есть функция первой степени нормального напряжения.

Таблица 1. Прочностные показатели глинистых грунтов, определяемые различными методиками Исследования, проведенные во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, показывают, что метод определения сопротивления сдвигу оказывает довольно существенное влияние на конечные результаты.

Так, ц и с определенные в полевых условиях по результатам сдвига жестких бетонных штампов, довольно существенно отличаются от результатов, полученных на приборе одноплоскостного среза для грунтов с ненарушенной структурой (табл.2).

Таблица 2. Характеристики грунтов, полученные различными испытаниями (по П. Д. Евдокимову, 1966)

Применявшиеся бетонные штампы размером от 1,5×1,0 до 2,5×2,5 м позволили интегрирование учесть свойства грунта большого объема, в то время как испытания в лабораторных условиях на образцах объемом в несколько кубических сантиметров дают возможность определить лишь свойства грунта в той точке, в которой взята проба.

Таким образом, для расчета оснований зданий и сооружений необходимо определить вышеуказанные прочностные характеристики грунта, а именно: угол внутреннего трения и удельное сцепление грунта.

Для расчетов оснований зданий и сооружений II и III классов можно использовать нормативные значения прочностных и деформационных характеристик, приведенных в СНиП 2.02.01—83*.

4. Водопроницаемость грунтов. Фильтрация Способность грунтов пропускать через себя воду называется водопроницаемостью, а движение воды в грунтах под действием напора — фильтрацией.

Коэффициент фильтрации Кф является мерой водопроницаемости грунта и равен скорости движения воды при градиенте напора, равном единице. Кф измеряется в см/сек или м/сутки. Величина коэффициента фильтрации для различных грунтов изменяется в широких пределах.

Для большинства грунтов закон Дарси справедлив в довольно большом диапазоне скоростей фильтрации. Но в трещиноватых скальных и крупнообломочных грунтах в зависимости от градиента напора движение воды может происходить как в ламинарном, так и турбулентном режиме.

Водопроницаемость грунтов определяется многими факторами. Из них наиболее важными являются геометрия порового пространства (размер пор, их извилистость и др.) и характер раскрытия трещин, а также свойства фильтрующейся жидкости.

Размер пор и их форма, а также величина пористости в значительной степени определяются дисперсностью и минералогическим составом грунтов. Поэтому глинистые грунты обладают ничтожной водопроницаемостью по сравнению с гравелистыми и галечниковыми, а монтмориллонитовые глины имеют значительно меньшую водопроницаемость, чем каолинитовые. Низкую водопроницаемость глин и других глинистых грунтов используют в практических целях для создания из них водонепроницаемых экранов в плотинах, каналах и других сооружениях.

В неоднородных грунтах размер пор значительно меньше, чем в однородных и, следовательно, их водопроницаемость меньше.

Минералогический состав определяет форму частиц и их взаимодействие с водой. У крупных фракций (пылеватых, песчаных) на водопроницаемость он влияет главным образом через форму частиц, обусловливающих размер и конфигурацию пор. Размер пор грунта зависит не только от диаметра и формы частиц, но и от их упаковки: для рыхлой упаковки частиц размер пор выше, чем для плотной упаковки, поэтому водопроницаемость грунтов зависит от их пористости. Влияние изменения пористости на водопроницаемость возрастает по мере увеличения дисперсности грунта.

Существенное влияние на водопроницаемость грунтов оказывают текстурные особенности. Наличие слоистости обусловливает неодинаковую водопроницаемость грунтовых толщ в горизонтальном и вертикальном направлениях. Наиболее ярко фильтрационная анизотропия выражена у слоисто-ленточных глинистых пород, у которых водопроницаемость в горизонтальном направлении во много раз выше. Лёссовые грунты также обладают ярко выраженной фильтрационной анизотропией.

Водопроницаемость лёссовых грунтов в вертикальном направлении часто в 5—10 (до 20—30) раз выше, чем в горизонтальном. Это обусловлено наличием трубчатых вертикальных макропор.

Процессы, ведущие к изменению размера пор и их количества, влияют на водопроницаемость грунтов. Так, в результате нарушения структуры грунтов, особенно глинистых и лёссовых, и последующего их уплотнения происходит значительное уменьшение водопроницаемости, а также выравнивание ее в разных направлениях.

Водопроницаемость глин при прочих равных условиях (одинаковый минералогический состав, дисперсность, плотность) в значительной степени зависит от состава и концентрации электролитов в фильтрующейся воде и состава обменных катионов. Водопроницаемость глин по отношению к электролитам в сильной степени зависит от вида глинистого минерала. По степени влияния электролитов на изменение проницаемости минералы располагаются в следующем порядке (в порядке убывания влияния электролитов): монтмориллонит, гидрослюда, каолинит, палыгорскит. Влияние концентрации фильтрующегося через грунт электролита уменьшается по мере уменьшения количества глинистых частиц.

механический грунт деформация фильтрация

1. Г. Г. Болдырев, М. В. Малышев. Механика грунтов. Основания и фундаменты. Учеб. Пособие, 4-е изд., перераб. и доп. Пенза: ПГУАС, 2009 ISBN 987−5-9282−0575−1

2. С. Б. Ухов, В. В. Семенов, В. В. Знаменский, 3.Г. Тер-Мартиросян, С. Н. Чернышев. Механика грунтов, основания и фундаменты. Издательство АСВ Москва 1994 ISBN 5—87 829—003—0

3. Иванов П. Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. Учеб. для гидротехн. спец. Вузов 1985.— М.: Высш. шк., 1985.

4. М. Н. Гольдштейн. Механические свойства грунтов. Изд. Литературы по строительству. М. 1971.