Лекция 2.

2. Механические свойства грунтов

Под механическими свойствами грунтов понимают их способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых (поверхностных и массовых)  и физических (изменение влажности, температуры и т. п.) воздействий.

Характеристики механических свойств грунтов используются для расчетов деформаций, оценки прочности и устойчивости грунтовых массивов и оснований.

Механические свойства грунтов зависят от их состава (минерального и гранулометрического), физического состояния (плотности, влажности, температуры) и структурных особенностей.

2.1. Деформируемость грунтов

Под действием нагрузок, передаваемых сооружением, грунты основания могут испытывать большие деформации.

Рассмотрим зависимость осадки штампа  от возрастающего давления(рис. 2.1.а, б).

На рисунке (рис. 2.1. б) видно, что грунтам свойственна нелинейная деформируемость, причем в некотором начальном интервале изменения напряжений от 0 до Р₁ она достаточна близка к линейной.

При нагружении и последующей разгрузки штампа общая осадка грунта может быть разделена на восстанавливающуюся (упругую)  и остаточную (пластическую)  (рис.2.1.в).

Пластические деформации в грунтах можно разделить на объемные и сдвиговые. Объемные деформации приводят к изменению объема пор в грунте, т.е. к его уплотнению, сдвиговые – к изменению его первоначальной формы и могут вызвать разрушение грунта.

2.1.1. Компрессионные испытания, получение и анализ компрессионных кривых.

Рекомендуемые материалы

Компрессией называется одноосное сжатие образца грунта вертикальной нагрузкой при условии отсутствия его бокового расширения. Испытания проводят в компрессионном приборе – одометре (рис. 2.2.).

Под действием возрастающей нагрузки  происходит вертикальное перемещение штампа, вызывающее осадку образца. Деформации уплотнения образца грунта происходят вследствие уменьшения объема пор за счет более компактного размещения частиц, возникновения взаимных микросдвигов частиц, уменьшения толщины водно-коллоидных плёнок и сопровождаются отжатием воды из пор грунта.

По результатам испытаний строится компрессионная кривая - зависимость коэффициента пористости грунта от сжимающего напряжения (рис. 2.3.).

Форма компрессионной кривой определяется наличием или отсутствием структурной прочности, обусловленной связями между частицами грунта и придающие скелету грунта способность выдерживать некоторую нагрузку до начала разрушения его каркаса.

2.1.2. Деформационные характеристики грунтов.

При небольшом изменении сжимающих напряжений (порядка 0,1…0,3 МПа) уменьшение коэффициента пористости грунта пропорционально увеличению сжимающего напряжения.

Коэффициент сжимаемости, кПа^-1:

.                                                  (2.1.)

Относительный коэффициент сжимаемости , кПа^-1:

.                                                         (2.2.)

Модуль деформации грунта , кПа:

.                                                       (2.3.)

где  зависит от коэффициента бокового давления грунта :

,                                                        (2.4.)

, где  – коэффициент Пуассона.                                         (2.5.)

2.1.3. Принцип линейной деформируемости.

При небольших изменениях давлений (0,3-0,5 МПа) можно рассматривать грунты как линейно деформируемые тела, т. е. с достаточной для практических целей точностью можно принимать зависимость между общими деформациями и напряжениями для грунтов линейной.

2.2. Водопроницаемость грунтов.

Водопроницаемостью называется свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды.

Рассмотрим схему фильтрации воды в элементе грунта.

Напор в любой точке движущегося потока воды  определяется выражением:

,                                    (2.6.)

где  - пьезометрическая высота (з – давление в воде;  – удельный вес воды);  – высота рассматриваемой точки над некоторой горизонтальной плоскостью сравнения; /() – скоростной напор (– скорость движения воды в потоке; – ускорение свободного падения).

Скорость фильтрации, учитывая сложную неоднородную структуру порового пространства грунтов и наличие пленок связанной воды у частиц глинистых грунтов, не может быть определена через расход воды и площадь сечения элементарной трубки грунта.

2.2.1. Закон ламинарной фильтрации.

Экспериментально ученым Дарси было установлено, что скорость фильтрации прямо пропорционально разности напоров () и обратно пропорциональна длине пути фильтрации :

 ,                                                          (2.7.)

где  – гидравлический градиент (градиент напора);  – коэффициент фильтрации (основная фильтрационная характеристика грунта).

Закон ламинарной фильтрации Дарси: скорость движения воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.

2.2.2. Закономерности фильтрации воды в сыпучих и связных грунтах.

Закон Дарси справедлив для песчаных грунтов. В глинистых грунтах при относительно небольших значениях градиента напора фильтрация может не возникать. Постоянный режим фильтрации устанавливается после определенного значения , называемого начальным градиентом напора (рис. 2.5.).

Закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде:

,                                                                    (2.8.)

где - коэффициент фильтрации глинистого грунта, определяемый в интервале зависимости между точками а и б;

2.3. Прочность грунтов.

Под прочностью грунтов понимается их свойство в определенных условиях сопротивляться разрушению или развитию больших пластических деформаций.

2.3.1. Трение и сцепление в грунтах.

Ш. Кулоном экспериментально было установлено, что разрушение грунта происходит за счет сдвига одной его частицы по другой. Сопротивление сдвигу песчаных и крупнообломочных грунтов возникает в результате трения между перемещающими частицами и зацепления их друг за друга. В глинистых грунтах, за счет вводно-коллоидных связей помимо трения между частицами возникает сцепление, обуславливающее сопротивление растяжению при разрушении.

2.3.2. Сопротивление грунтов при одноплоскостном срезе.

Сдвиговой прибор  (рис. 2.6.) позволяет при различных заданных нормальных напряжениях определить предельные сдвигающие напряжения, возникающие в момент разрушения образца грунта. Сдвиг (разрушение) образца грунта производится по фиксированной плоскости среза.

Экспериментально установлено, что зависимость между предельными сдвигающими напряжениями и нормальными напряжениями в интервале от 0,3 до 0,5 МПа можно с достаточной точностью принять линейной (рис. 2.7. а, б, в).

Тогда эта зависимость может быть выражена уравнениями:

- для песчаных грунтов: ;                                                              (2.9)

- для глинистых грунтов:,                                                      (2.10)

где  - угол внутреннего трения и  - удельное сцепление являются параметрами прочности грунтов.

Уравнения (2.9) и (2.10) называют законом Кулона для сыпучих и связных грунтов: сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального давления.

2.3.3. Сопротивление сдвигу при сложном напряженном состоянии. Теория прочности Кулона-Мора.   

Теория Кулона-Мора рассматривает прочность грунта в условиях сложного напряженного состояния. Пусть к граням элементарного объема грунта приложены главные напряжения (рис. 2.8, а). При постепенном увеличении напряжения  и постоянной величине напряжения  произойдет сдвиг по некоторой площадке, наклоненной к горизонтальной плоскости, причем промежуточное главное напряжение  будет действовать параллельно этой площадке, никак не влияя на сопротивление грунта сдвигу.

В предельном состоянии в каждой точке грунта имеются две сопряженные площадки скольжения, наклоненные под углом  к линии действия максимального и  - минимального главного напряжения (рис. 2.8, б). Соотношение между главными напряжениями  и  в предельном состоянии, характеризуемым параметрами прочности  и , описываются уравнениями:

- для связных грунтов ;                                 (2.11)

- сыпучих грунтов .                                               (2.12)

Выражения (2.11) и (2.12) часто называют условием предельного равновесия грунтов.

2.3.4. Прочность грунтов в неконсолидированном состоянии

Изложенное выше соответствует проведению испытаний грунтов в стабилизированном состоянии, т. е. когда осадка образца от действия сжимающего напряжения прекратилась.

При незавершенной консолидации водонасышенного глинистого грунта эффективное напряжение в скелете , вызывающее уплотнение грунта, всегда меньше полного напряжения и закон Кулона будет иметь следующий вид:

 ,                                               (2.13)

где - избыточное (поровое) давление.

2.4. Полевые методы определения параметров механических свойств грунтов.

Обратите внимание на лекцию "Сегментация мирового рынка".

В тех случаях, когда сложно или невозможно отобрать образцы грунта ненарушенной структуры для определения деформационных и прочностных характеристик используют полевые методы испытаний.

Испытания пробной статической нагрузкой для определения модуля деформации грунтов проводятся в шурфах инвентарными жесткими штампами. Модуль деформации определяется по формуле:

, где                                                      (2.14)

 - коэффициент, зависящий от формы жесткого штампа; - ширина или диаметр штампа;  - коэффициент Пуассона; - давление и осадка штампа в пределах линейной зависимости кривой на рис. 2.1.б.

Статическое зондирование заключается в медленном задавливании в грунт стандартного зонда. Механические и прочностные характеристики определяются по величине удельного сопротивления погружению зонда .

Динамическое зондирование производится путем забивки в грунт зонда из колонки штанг с коническим наконечником. Основой для определения механических параметров грунта является показатель зондирования  - число ударов, необходимых для погружения зонда на 10 см.