Определение упруго деформационных свойств грунтов. Деформационные свойства дисперсных грунтов

План лекции:

1. Общие положения.

2. Деформационные свойства грунтов, обусловленные природными условиями.

3. Деформационные свойства грунтов, обусловленные внешней нагрузкой.

4. Упругие деформации.

5. Факторы, определяющие упругие свойства грунтов.

6. Механизм пластических деформаций.

7. Построение компрессионной кривой.

8. Показатели деформаций.

9. Консолидация грунтов.

10. Эффективное и нейтральное давление.

11. Методика определения деформационных свойств грунтов.

1. Общие положения

Механические свойства грунтов проявляются при воздействии на них внешних нагрузок.

Механические свойства подразделяются наследующие виды:

– деформационные;

– прочностные;

– реологические.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. То есть не приводящими к разрушению грунта.

Прочностные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта.

Реологические свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками во времени.

Деформацией называется перемещение частиц тела под действием механических напряжений.

В нормативных документах употребляется термин деформация грунтов, при этом данные деформации не связанны с внешними нагрузками, например деформации набухания и т. д.

Поэтому термин деформационные свойства грунтов в практике следует различать по виду воздействия на грунт:

1. Деформации, связанные с воздействием природных условий на грунт.

2. Деформации, связанные с внешним нагружением грунта.

2. Деформационные свойства грунтов, обусловленные природными условиями

Деформация набухания оценивается через показатель εSW (относительная деформация набухания). Рассчитывается следующим образом (рисунок 7.1):

ε SW = h h

где h – первоначальная высота образца;

∆h – увеличение высоты образца при его замачивании.

Рисунок 7.1 – Схема расчета относительной деформации набухания

Природа наб ухания – набухание происходит за счет раздвижки молекулам водного раствора структурной решетки кристаллов.

Деформация просадочности оценивается через показатель εS (относительная деформация просадочности) которая рассчитывается следующим образом (рисунок 7.2):

Рисунок 7.2 – Схема расчета относительной деформации просадочности

Природа пр осадочности – при замачивании грунта разрушаются структурные связи и грунт без нагрузки может деформироваться.

Морозное пучение оценивается через показатель относительной деформации морозного пучения εfn , который определяется по формуле (рисунок 7.3):

				h of − h o

где hof – высота мерзлого грунта;

ho – начальная высота грунта, до замерзания.

Рисунок 7.3 – Схема расчета относительной деформации морозного пучения грунтов

Природа мо розного пучения – при понижении температуры < 0 °С вода в порах грунта замерзает и расширяется, что вызывает деформацию грунта.

Вышеприведенные виды деформации грунтов связаны с природными факторами. Ниже рассмотрим деформации связанные с нагружением грунта.

3. Деформационные свойства грунтов, обусловленные внешней нагрузкой – общие положения

а). Понятие о напряжениях. б). Виды деформаций.

в). Связь между напряжением и деформацией.

а). Понятие о напряжениях

Для понимания данного материала рассмотрим понятия о напряжениях в грунтах.

Внешние нагрузки, передающиеся на грунт, представляют собой механические напряжения, которые являются мерой этих внешних сил (рисунок 7.4). Под механическим напряжением понимается сила, действующая на единицу площади грунта.

Рисунок 7.4 – Схема распределения внешних и внутренних сил, действующих в объеме грунта в точке М

Из рисунка 7.4 видно, что на любую точку в массиве грунта (М) воздействуют три силы (Р). Эти силы раскладываются на нормальные (σ ) и касательные (τ ) напряжения. Нормальные напряжения действуют по нормали к площадке, а касательные – вдоль нее (рисунок 7.5).

		τ yz	τ xz
					τ zx
				τ yx
		τ zy
			τ yx

Рисунок 7.5 – Компоненты касательных (τ ij ) и нормальных (σ i ) напряжений

Совокупность всех напряжений для всех площадок, проходящих через точку М, характеризует напряженное состояние в точке. Оно определяется тензором напряжений (Тσ ), компонентами которого являются три нормальных (σ х , σ у , σ z ) и шесть касательных (τ ху = τ ух , τ yz = τ zy , τ zx = τ xz ) напряжений.

б). Виды деформаций

По виду прилагаемой нагрузки на грунт выделяются следующие виды деформаций:

– линейные;

– касательные;

– объемные.

Линейные деформации обусловлены нормальными напряжениями (σ ). Ме-

рой линейных деформаций является относительная линейная деформация (e ), которая определяется по формуле:

e = h h0

∆h

где h 0 – первоначальная высота образца; h – высота образца при его нагружении;

∆h – прирощение (уменьшение) длины образца при его нагружении.

Касательные деформации обусловлены касательными напряжениями (τ ). Мерой касательных деформаций является относительная деформация сдвига (γ ), которая определяется по формуле:

γ =
l h 0 o

где h o – первоначальная высота образца;

s – величина сдвига под воздействием касательных напряжений.

Объемные деформации обусловлены всесторонней нагрузкой на тело. Мерой объемных деформаций является относительная объемная деформация (e v ), которая определяется по формуле:

e v = V V

где V – первоначальный объем тела;

V1 – объем тела, полученный при нагружении;

V – абсолютное изменение объема при нагружении.

V = V V − V1

в). Связь между напряжениями и деформациями грунта

Одним из главных вопросов в грунтоведении (механике грунтов) является установление связи между напряжениями и деформациями в грунтах.

В общем случае эта связь нелинейная и зависит от многих факторов. Все факторы учесть невозможно, поэтому до настоящего времени нет уравнения, описывающего эти взаимодействия.

В грунтоведении (механике грунтов) используют уравнения Гука.

Закон Гука записывается следующим образом:

– длялинейных деформаций σ = Е·e , гдеЕ– модуль Юнга(модуль упругости);

– для касательных деформаций τ = γ·G , где G – модуль упругости сдвига;

– для объемных деформаций σ v = K·e V , где К – модуль объемной упругости.

В практике при прогнозе устойчивости инженерных сооружений наибольшее распространение получили линейные деформации e . Касательные и объемные используются при решении частных задач. Поэтому ниже остановимся на линейных деформациях.

Линейные деформации

При приложении к грунту внешней нагрузки в нем первоначально возникают упругие деформации, затем пластические и разрушающие (рисунок 7.6).

еу

e n е р

Рисунок 7.6 – Схема формирования упругих (1), пластических (2) и разрушающих (3) деформаций

4. Упругие деформации

Под упругими (объемными) деформациями грунта понимаются деформа-

ции, которые восстанавливаются при устранении (снятии) сил, их вызывающих (рисунок 7.7).

а) Механизм упругого деформирования следующий: при нагружении грунта в нем возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения вызывают изменение расстояния между атомами кристаллической решетки. Снятие нагрузки устраняет причину, вызванную изменением межатомного расстояния, атомы становятся на прежнее место и деформация исчезает.

Если нормальные напряжения достигают значений сил межатомных связей (величины структурных связей в грунте), то происходит хрупкое разрушение грунта путем отрыва.

Структура

Рисунок 7.7 – Схема формирования упругих деформаций на уровне: 1 – кристалла; 2 – структурной связи; 3 – грунта

Графическая зависимость напряжения и деформаций грунта приведена на рисунок 7.8.

	е обр.

Рисунок 7.8 – Зависимость напряжений и деформаций грунта при нагрузке ОА и разгрузке АО

Из рисунка 7.8 видно, что при нагружении грунт деформируется на отрезке ОА по линейной зависимости. При разгрузке грунт полностью восстанавливает свою форму, о чем свидетельствует ветвь разгрузки АО, которая повторяет ветвь нагрузки ОА.

Отсюда деформация е обр. – есть упругая часть общей деформации.

б) Мерой упругих деформаций является модуль упругости (модуль Юнга), который определяется по зависимости (рисунок 7.9):

E = σ

e обр.

где σ – напряжение; е прод. – относительная деформация грунта.

e прод .

Рисунок 7.9 – Схема определения модуля Юнга

Мерой поперечных деформаций является коэффициент Пуассона, который определяется по формуле:

μ = e попер.

где e попер – относительные поперечные деформации.

e попер. = d d

e прод – относительные продольные деформации.

e прод. = h h

в) Методика определения упругих свойств пород включает в себя:

– изготовление образца в виде цилиндра с соотношением высоты (h ) к диаметру (d ) равным 2 ÷ 4;

– нагружение образца через пресс;

– измерение продольных и поперечных деформаций при каждой ступени нагружения;

– расчет показателей.

5. Факторы, определяющие упругие свойства грунтов

К основным факторам, определяющим упругие свойства пород, можно отнести:

– трещиноватость (пористость);

– структурные связи;

– минеральный состав.

Упругие деформации в значительной мере проявляются у скальных грунтов, в дисперсных они имеют подчиненное значение. Поэтому рассмотрим факторы, влияющие на упругие свойства грунтов, по группам.

Скальные грунты

У большинства скальных грунтов область упругости сохраняется до напряжений, составляющих 70–75 % от разрушающих.

Трещиноватость (пористость)

Влияние трещиноватости и пористости на упругие свойства грунтов значительно. На рисунке 7.10 приведены зависимость модуля упругости от пористости.

Рисунок 7.10 – Зависимость модуля упругости (Е) грунтов разного состава от пористости (n):

1 – мигматиты и гранитоиды;

2 – граниты;

3 – габбро и диабазы;

4 – лабрадориты;

5 – железистые кварциты;

6 – кварциты и песчаники;

7 – карбонатные грунты;

8, 9, 10 – основные, средние и кислые эффузивы; 11 – туфы и туфобречкии.

Из рисунка 7.10 видно, что с увеличением пористости от 1 до 20 % модуль упругости уменьшается в 8 раз. Подобная же закономерность характерна и для трещиноватых грунтов (рисунок 7.11). С увеличением трещиноватости модуль упругости Е уменьшается в 3 раза.

Рисунок 7.11 – Зависимость динамического модуля упругости (ЕD ) грунтов от степени тектонической нарушенности:

I – слаботрещиноватые;

II – среднетрещиноватые;

III – сильнотрещиноватые;

1 – габбро-долериты;

2 – базальты порфировые;

3 – известняки, доломиты, мергели;

4 – песчаники, алевролиты и аргиллиты;

5 – пирротин-халькопиритовые руды.

Минеральный состав

На упругие параметры влияет довольно сильно. При прочих равных условиях упругие константы грунта будут тем выше, чем выше эти константы у породообразующих минералов.

Структурные связи

Являются определяющим, после трещиноватости, фактором, влияющим на упругие свойства грунтов. Так, в магматических грунтах , где цементом является материнская порода магмы, модуль упругости изменится от Е = 40÷ 160 ГПа. В метаморфических , где цементом является перекристаллизационная материнская порода, значения модуля упругости ниже – Е = 40÷120 ГПа. В осадочных породах , где цементом являются соли, выпавшие из инфильтрационных растворов, значение модуля минимальное – Е = 0,5÷ 80 ГПа (рисунок 7.12).

Рисунок 7.12 – Взаимосвязь между материалом жестких структурных связей

и модулем упругостей скальных грунтов

У дисперсных грунтов модуль упругости определяется, в основном, типом структурных связей (рисунок 7.13). Так, в твердых глинах, с жесткими структур-

ными связями, Е = 100÷ 7600 МПа, в текучепластичных, где связи практически нет, модуль составляет Е = 2,7÷ 60 МПа, т. е. Е уменьшается в 30÷ 100 раз.

твердая (жесткая) текучепластичная (водно-калоидная)

Рисунок 7.13 – Взаимосвязь между типами структурных связей и модулем упругости для глины

Численные значения некоторых скальных и полускальных грунтов приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Значения характеристик упругих свойств скальных и полускальных горных пород

	Модуль упругости,	Коэффициент поперечной
	103 МПа (Юнга)	деформации (Пуассона)
Известняк слабый
Песчаник плотный
Песчаник слабый

1 мПА – 10 кгс/см2

6. Механизм пластических деформаций

Под пластическими деформациями понимаются деформации, которые не восстанавливаются при устранении (снятии) сил, вызывающих их (рисунок 7.14).

В классическом виде пластические деформации в упругих телах образуются следующим образом: при нагружении материала в нем возникают нормальные и касательные напряжения. Под действием касательных напряжений одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. При снятии нагрузки эти перемещения остаются, т. е. происходит пластическая деформация (см. рисунок 7.14). Нормальные напряжения формируют упругие деформации.

Рисунок 7.14 – Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием касательных напряжений:

а – ненапряженная решетка;

б – упругая деформация;

в – упругая и пластическая деформация; г – пластическая деформация;

д, е – пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

Под упругим телом понимается материал, в котором отсутствуют поры и трещины. В грунтах всегда есть поры и трещины. Поэтому механизм формирования пластических деформаций несколько отличается от классического.

При нагружении грунтов, особенно дисперсных, высокопористых, в них возникают нормальные и касательные напряжения. Под действием нормальных напряжений первоначально формируются упругие деформации (незначительные), затем за счет уменьшения пор в грунте происходит перемещение частиц грунта относительно друг друга. Эти перемещения под действием нормальных напряжений заканчиваются при заполнении порового пространства грунтовыми частицами. После чего, по классической схеме, в работу вступают касательные напряжения, которые и формируют классическую часть пластических деформаций.

	σ уплот.
	∆h1	∆h2
Рисунок 7.15 – Схема формирования пластических деформаций в грунтах:
а – первоначальное состояние грунта;
б – грунт под действием нормальных напряжений
	уплотнился (сжался) (σ уплот. )
в – грунт (частицы) под действием касательных напряжений
	сдвинулся (сдвинулись).
Отсюда полная (общая) относительная деформация грунта:

е полн. = е общ. =			h 1 + h 2
e сж. =			e с .п . =

Таким образом, в грунтах пластические деформации (е п . ) фактически складываются из деформаций сжатия (е сж. ) и собственно пластических е с.п . , т. е.

е п.=е сж. + е с.п. = е общая

При этом доля собственно пластических деформаций в составе общих незначительна. Поэтому в практике геологи работают с деформацией сжатия, которую называем сжимаемостью.

Под сжимаемостью понимается способность грунтов уменьшаться в объеме (давать осадку) под воздействием внешнего давления (нормальных напряжений).

7. Построение компрессионной кривой

Показатели сжимаемости определяются в лаборатории в условиях одномер-

ной (линейной) задачи. Такой вид испытаний грунта, без возможности бокового расширения, называется компрессией, а прибор – одометром (рисунок 7.16).

Рисунок 7.16 – Схема компрессионного прибора (одометра) 1 – одометр, 2 – грунт, 3 – поршень, P – нагрузка

При нагружении грунта в компрессионном приборе, диаметр образца не меняется. Поэтому относительная вертикальная деформация грунта равна относительному изменению объема, т. е.

где h 0 – первоначальная высота образца грунта;

h – изменение высоты образца под давлением; V 0 – первоначальный объем образца грунта;

V – изменение объема образца под давлением.

Так как уплотнение грунта происходит, главным образом, вследствие уменьшения объема пор, то деформацию сжатия грунта выражают через изменение величины коэффициента пористости (рисунок 7.17).

V = V0 − V1

h = h0

− h

V n = ε 0 V c

Во да

=ε 1 V c

Вод а

V 0 = V c (1 + ε 0 )

V c (1+ ε 1 )

Рисунок 7.17 – Изменение объема пор в грунте при компрессии:

а – первоначальное состояние;

б – после компрессии;

Vn – объем пор;

Vс – объем скелета грунта;

ε0 , ε1 – коэффициенты пористости начальный и после компрессии; h0 – первоначальная высота образца;

h – высота образца после компрессии;

h – изменение высоты образца под давлением.

Напомним, что коэффициент пористости – это показатель, характеризующий отношения объема пор (V n ) к объему минеральной части грунта (V с ).

По этой же схеме рассчитывается объем образца при нагружении (V1 ):

V 1 = V c (1 + ε 1 )

Подставив в выражение (1) значение объемов образцов до опыта и после опыта (4) и (5), получим:

	h = h	V = h		V c (1+ ε 0 ) − V c (1+ ε 1 )	H ε 0 − ε 1
				V c (1+ ε 0 )
	0 V 0				0 1 + ε 0

Из формулы (6) получим выражение для коэффициента пористости грунта, соответствующего данной ступени нагрузки (ε p ):

		εp = ε0			(1+ ε 0 ) = ε 0 − e (1+ ε 0 ),
где e =		– относительная вертикальная деформация грунта при данном

давлении P , ε 0 – коэффициент пористости начальной.

Зная коэффициенты пористости (или относительные деформации) грунта при соответствующих ступенях нагрузки, можно построить компрессионную кривую (рисунок 7.18).

ε = ρ s − ρ d

ρ d

где ρ s – плотность частиц;

ρ d – плотность сухого грунта.

ε 1 A

				P, кгс/см2

Рисунок 7.18 – Компрессионная кривая, построенная по данным коэффициента пористости и нагрузке

8. Показатели, характеризующие сжимаемость грунтов

Компрессионную сжимаемость грунтов можно характеризовать разными показателями: коэффициентом сжимаемости (a ), модулем осадки (e p ) и модулем общей деформации (E 0 ).

Коэффициент сжимаемости (компрессии) (a) определяется следующим образом. Для небольших диапазонов давлений (1–3 ктс/см 2 ) компрессионную кривую между точками А и В заменяем прямой, тогда:

		ε 1 − ε 2
			− P

где ε и P – интервалы измерений ε и P .

Как видно из уравнения, коэффициент компрессии характеризует уменьшение пористости при повышении давления на единицу.

Модуль общей деформации (E 0 ) характеризует также уменьшение пористости при нагружении грунта и определяется:

E 0 = β 1 + a ε 0 ,

где ε 0 – первоначальный коэффициент пористости; a – коэффициент сжимаемости;

β – коэффициент, зависящий от поперечного расширения грунта

и приблизительно равный для песков – 0,8; для супесей – 0,7; для суглинков – 0,5 и для глин – 0,4.

Модуль общей деформации можно получить, используя закон Гука:

E = σ e

Для этого строится компрессионная кривая по данным относительной деформации (e ) и нагрузки (напряжении) (рисунок 7.19).

e = h h

e 1 e 2

Рисунок 7.19 – Компрессионная кривая, построенная

по данным относительной вертикальной деформации (e) и нагрузки

Расчет E 0 , проводится по зависимости

E 0 =	P 2 − P 1
	e 1 − e 2

В таблице 7.1 приведены некоторые значения E общ. модуля общей деформации.

Таблица 7.1 – Модуль общей деформации различных типов горных пород по результатам полевых опытных испытаний

		Модуль деформации
		103 МПа	ктс/см2 *
	Красноярская ГЭС
Граниты среднетрещиноватые
Граниты сильнотрещиноватые
Граниты зоны выветривания	Днепродзержинская ГЭС
	Кабрил, Португалия
	Канисада, Португалия
	Каштелу-ду-Боди, Португалия
Граниты крупнозернистые	Саламонди, Португалия
	Братская ГЭС
Диабазы зоны выветривания
	Арджеш-Корбень, Румыния
Песчаники ордовикские	Братская ГЭС
Известняки верхнемеловые	Чиркейская ГЭС
Известняки битуминозные,	Кассеб, Тунис
среднепалеогеновые
Порфириты девонские	Талоресская ГЭС
Базальты	Булл-Ран, США
Туфолавы четвертичные	Зеландия
Глины мергелистые татарского яруса	Горьковская ГЭС

* – 1 МПа – 10 ктс/см2

Модуль осадки (сжимаемости)

В практике расчетов часто в качестве меры сжимаемости применяют непосредственно величину относительной вертикальной деформации:

e p = 1000 h h мм / м .

Величина e p называется модулем осадки и представляет величину сжатия в миллиметрах столба грунта высотой в 1 м при приложении к нему дополнительной нагрузки P .

h – уменьшение высоты образца при давлении P , мм . h 0 – начальная высота образца, мм .

На основании определений модуля осадки строится кривая зависимости модуля осадки от давления (рисунок 7.20), которая позволяет быстро находить величину осадки толщи грунта с мощностью 1 м при том или ином давлении.

Модуль осадки ep в мм/м

	ep = f (Pn )

Вертикальное давление Pn , в кГ/см2

Рисунок 7.20 – Кривая зависимости модуля осадки от давления

9. Консолидация грунтов

Уплотнение глинистого водонасыщенного грунта во времени под постоянной нагрузкой называется консолидацией. Знание процесса консолида-

ции глинистых грунтов необходимо для правильного прогноза скорости осадок сооружений.

Механизм консолидации

В общем случае при приложении внешней нагрузки к водонасыщенному грунту первоначально возникает мгновенное сжатие, обусловленное упругими деформациями поровой воды и скелета грунта, затем начинается процесс фильтрационной (первичной) консолидации, обусловленный выжиманием воды из пор грунта, по завершении которого идет процесс вторичной консолидации грунта, определяемый медленным смещением частиц относительно друг друга в условиях незначительного отжатия воды из пор грунта (рисунок 7.21).

Рисунок 7.22 – Общий вид кривой консолидации водонасыщенного глинистого грунта (σ z = const):

0-1 – мгновенное сжатие; 1-2 – фильтрационная (первичная) консолидация; 2-3 – вторичная консолидация.

На рисунке 7.22 приведен общий вид консолидации водонасыщенного глинистого грунта при σ = const.

Одним из параметров консолидации грунтов является коэффициент консолидации (Сv ), характеризующий скорость процесса уплотнения, определяемого по формуле:

с v = K ф (1+ е ) / aρ в

где Кф – коэффициент фильтрации;

е – коэффициент пористости;

а – коэффициент сжимаемости;

ρ в – плотность воды; сv измеряется в см2 /с.

Высокая скорость консолидации (большие значения сv – порядка 10-2 …10-3 см2 /с) характерна для грубодисперсных (крупно- и мелкообломочных) грунтов. Пески уплотняются намного быстрее, чем глины, так как обладают большими коэффициентами фильтрации. Консолидация высокодисперсных грунтов идет наиболее медленно (низкие значения сv ≈ 10-5 …10-6 см2 /с), так как глины обладают малыми коэффициентами фильтрации, отжатие связанной воды в них происходит медленно и с трудом, обуславливая так называемые длительные или «вековые» осадки сооружений (рисунок 7.23). Продолжительность таких осадок может составлять несколько лет.

Рисунок 7.23 – Длительная осадка толщи илов в основании Каховской ГЭС

1-6 – илы в разных частях плотины

10. Понятие об эффективном и нейтральном давлениях

При прогнозе осадок грунтового массива величина внешнего давления является одним из важнейших параметров.

В процессе уплотнения водонасыщения глинистых грунтов не вся внешняя нагрузка передается на скелет грунта, а только ее часть, которая называется эффективным давлением (Pz ).

Вторая часть нагрузок (Pw ) направлена на отжатие из грунта воды, которая называется нейтральным или поровым давлением. Отсюда общее давление:

P = Pz + Pw

Понятие об эффективном и нейтральном давлениях распространяют и на любые нормальные напряжения, действующие в водонасыщенных грунтах. В общем случае можно написать:

σ = σ + и

σ = σ − и

т. е. эффективное напряжение σ в любой точке водонасыщенного грунта равно разности между полным σ и нейтральным и напряжениями.

11. Методика определения

Для изучения сжимаемости грунтов в настоящее время пользуются прибором типа прибора Терцаги (рисунок 7.24), с жесткими металлическими стенками, препятствующими боковому расширению образца при сжатии его вертикальной нагрузкой. Это так называемые одометры.

Рисунок 7.24 – Кольца Терцаги

Изучение сопротивления грунтов сжатию производится в условиях, близких к условиям работы грунта в результате возведения сооружения.

Нагрузка на прибор для передачи давления на образец осуществляется ступенями. Первая нагрузка при стандартных испытаниях образцов с ненарушенной структурой должна быть равна природной, т. е. весу толщи пород, залегающих выше места отбора образца.

Природное давление однородной толщи, залегающей выше уровня грунтовых вод, подсчитывается по формуле:

ρ ир . = 0,1 Н кГ / см2 .

Максимальная нагрузка для грунтов с ненарушенной структурой должна быть на 1–2 кГ/см2 больше суммы проектной нагрузки от сооружения и давления вышележащей толщи пород.

Каждую сообщаемую образцу грунта ступень давления выдерживают до условной стабилизации деформации. За условную стабилизацию деформации принимают величину сжатия, не превышающую 0,01 мм за время:

– 30 мин. – для песчаных грунтов;

– 3 часа – для супесей;

– 12 часов – для суглинков и глин.

Осадка образца в процессе испытания определяется с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм, располагаемого на приборе.

Таким образом, деформационные свойства грунтов в целом можно характеризовать модулем деформации.

Основными показателями механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований, а также их деформацию, является угол внутреннего трения , удельное сцеплениеС , модуль деформации Е . Для определения механических свойств грунтов можно воспользоваться таблицами приложения 1 СНиП 2.02.01-83*. Для песчаных грунтов нормативные значении сцепления
(кПа), угла внутреннего трения(град.) и модуля деформацииЕ (МПа) (табл.1.2.1) определяют в зависимости от типа грунта и коэффициента пористости. Для пылевато-глинистых грунтов величины
,(табл.1.2.2) иЕ (табл.1.2.3) определяются в зависимости от типа грунта, показателя текучести и коэффициента пористости. Искомое нормативное значение показателя механических свойств грунта определяют, используя для этого в необходимых случаях линейную интерполяцию по коэффициенту пористости. Если значения е, грунтов выходят за пределы, предусмотренные в таблице, характеристики
,иЕ следует определять по данным непосредственных испытаний этих грунтов в полевых или лабораторных условиях. Допускается в запас надежности принимать характеристики
,иЕ по соответствующим нижним пределам е, , если грунты имеют значения величин е, меньше этих величин.

Таблица 1.2.1. – Извлечение из табл.1 прил.1 СНиП 2.02.01-83*. Нормативные значения удельного сцепления с n j n , град. и модуля деформацииЕ , МПа (кгс/см 2), песчаных грунтов четвертичных отложений

Песчаные грунты		Характеристика грунтов при коэффициенте пористости е , равном
Гравелистые и крупные	c n
	j n
Средней крупности	c n
	j n
	c n
	j n
Пылеватые	c n
	j n

Таблица 1.2.2. – Извлечение из табл.2 прил.1 СНиП 2.02.01-83*.Нормативные значения удельного сцепления с n , кПа (кгс/см 2), угла внутреннего тренияj n , град. пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений

		Обозначения характеристик грунтов	Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е , равном
	0 £ I L £ 0,25	c n j n
	0,25 < I L £ 0,75	c n j n
Суглинки	0 < I L £ 0,25	c n j n
	0,25 < I L £ 0,5	c n j n
	0,5 < I L £ 0,75	c n j n
	0 < I L £ 0,25	c n j n
	0,25 < I L £ 0,5	c n j n
	0,5 < I L £ 0,75	c n j n

Таблица 1.2.3. Извлечение из табл.3 прил.1 СНиП 2.02.01-83*.Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых

Происхождение и возраст грунтов

Наименование грунтов и пределы нормативных значений их показателя текучести

Модуль деформации грунтов Е , МПа (кг/см 2), при коэффициенте пористости е , равным

Четвертичные отложения

Аллювиальные, Делювиальные, Озерно-аллювиальные

0 £ I L £ 0,75

Суглинки

0 £ I L £ 0,75

0,25 < I L £ 0,5

0,5 < I L £ 0,75

0 £ I L £ 0,75

0,25 < I L £ 0,5

0,5 < I L £ 0,75

Флювиоглянциальные

0 £ I L £ 0,75

Суглинки

0 £ I L £ 0,75

0,25 < I L £ 0,5

0,5 < I L £ 0,75

Моренные

Суглинки

I L £ 0,5

Юрские отложения оксфордского яруса

0,25 £I L £ 0

0 < I L £ 0,25

0,25 < I L £ 0,5

Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики.

Сжимаемость грунтов характеризует их способность деформироваться без разрушения под влиянием внешней нагрузки. Деформационные свойства грунтов характеризуются модулем общей деформации Е , коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия. Сжимаемость дисперсных грунтов под нагрузкой обусловлена смещением минеральных частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор.

Прочность грунтов определяется их сопротивляемостью сдвигу , которое можно описать линейной зависимостью Кулона

τ = p tgφ + c ,

где τ – сопротивление сдвигу, МПа; р – нормальное давление,МПа; tg φ – коэффициент внутреннеготрения; φ – угол внутреннего трения, град; c – сцепление,МПа.

Величины φ и c необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости.

Прочность скальных грунтов определяется преимущественно их структурными связями, т.е. сцеплением, но в наибольшей меретрешиноватостью.

Временное сопротивление скального грунта одноосному сжатию (предел прочности на сжатие) является важной классификационной характеристикой, по которой проводится отнесение грунта к скальному (> 5 МПа) или нескальному (< 5 МПа).

Химико-минеральный состав, структуры и текстуры грунтов, содержание органического вещества определяют в геологических лабораториях, оснащенных необходимой аппаратурой (рентгеноэлектронный микроскоп и т. д.). Физико-механические свойства грунтов изучают в грунтоведческих лабораториях и в полевых условиях на будущих строительных площадках. Особое внимание при этом обращается на достоверность получаемых результатов .

По каждой характеристике грунтов выполняется несколько определений и проводится их статистический анализ. Для любого ИГЭ определений должно быть не менее трех.

Грунтоведческая лаборатория. Образцы грунтов для лабораторных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах и в буровых скважинах на объектах.

В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты - это образцы грунтов с ненарушенной структурой, которые должны иметь размеры 20 х 20 х 20 см. У пылевато-глинистых грунтов нужно сохранять природную влажность за счет водонепроницаемой парафиновой или восковой оболочки на их поверхности В рыхлых грунтах (песок, гравий и т. д.) образцы отбираются массой не менее 0,5 кг.

В лабораторных условиях можно определять все физико-механические характеристики, причем каждую согласно своему ГОСТ: природная влажность и плотность грунта – ГОСТ 5180-84, предел прочности – ГОСТ 17245-79, гранулометрический (зерновой) состав – ГОСТ 12536-79 и т. д. В лаборатории определяют влажность, плотность частиц грунта и некоторые другие.

Полевые работы. Исследование грунтов в полевых условиях дает преимущество перед лабораторным анализом, поскольку позволяет определять все значения физико-механических характеристик при естественном залегании грунтов без разрушения их структуры и текстуры, с сохранением режима влажности. При этом моделируется работа массивов грунтов в основаниях зданий и сооружений. Такие исследования грунтов в последние годы используют все больше.При этом совершенствуется техническая оснащенность, применяютсяЭВМ. Экспресс-методы позволяют быстрее получать свойства грунтов. Чтобы прогнозировать поведение массивов грунтов на период эксплуатации зданий и сооружений, целесообразно разумно сочетать лабораторные и полевые исследования.

Среди методов деформационных испытаний грунтов на сжимаемость следует считать эталонным метод полевых штамповых испытаний (ГОСТ 20278-85). Результаты других методов испытаний, как полевых (прессиометрия, динамическое и статическое лидирование), так и лабораторных (компрессионные и стабилометрические) обязательно должны сопоставляться с результатами штамповых испытаний.

При определении прочностных характеристик грунтов наиболее достоверные результаты дают полевые испытания на срез целиков грунта непосредственно на строительной площадке(ГОСТ 23741-79). Из-за высокой стоимости и трудоемкости эти работы проводят толькодля сооружений I уровня (класса) ответственности. К ним относятся здания и сооружения, имеющие большое хозяйственное значение, социальные объекты и требующие повышенную надежность (главные корпусы ТЭС. АЭС, телевизионные башни, промышленные трубы выше 200 м, здания театров, цирков, рынков, учебных заведений и т, д.).

Для других случаев строительства (II и III класс сооружений) достаточно надежные показатели с и φ получают в результате лабораторных испытаний грунтов в приборах плоского среза (ГОСТ 12248-78) и трехосного сжатия (ГОСТ 26518-85).

Прочностные характеристики можно также определять по методу лопастного зондирования, результаты которого при проектировании ответственных сооружений сопоставляют со сдвиговыми испытаниями для обеспечения достоверности результатов.

Деформационные испытания грунтов. Сжимаемость грунтов изучают методами штампов, прессиометрами, динамическим и статически зондированием.

Метод ш т а м п о в . В нескальных грунтах на дне шурфов или в забое буровых скважин устанавливают штампы, на которые передаются статические нагрузки (ГОСТ 20276-85). Штамп в шурфе – это стальная или железобетонная круглая плита площадью 5000 см 2 . Для создания под штампом заданного давления применяют домкраты или платформы с грузом (рис. 49).

Осадку штампов измеряют прогибомерами. В шурфе на отметке подошвы штампа и вне его отбирают образцы грунтов для параллельных лабораторных исследований. Штамп загружают ступенями в зависимости от вида грунта и его состояния, выдерживая до стабилизации деформаций. В итоге испытания строят графики зависимостей осадки штампа от давления и от времени по ступеням нагрузки.После этого по формуле вычисляют модуль деформации грунта Е , МПа.

Штамп в буровой скважин е. Испытание грунтов проводят в скважине диаметром более 320 мм глубиной до 20 м. На забой скважины опускают штамп площадью 600 см 2 . Нагрузка на штамп передается через штангу, на которой располагается платформа с грузом. Модуль деформации также определяют по формуле.

Прессиометрические исследования проводят в глинистых грунтах. Прессиометр представляет собой резиновую цилиндрическую камеру, опускаемую в скважину на заданную глубину и расширяемую давлением жидкости или газа. При создаваемых давлениях замеряют радиальные перемещения стенок скважины, что позволяет определять модуль деформации и прочностные характеристики грунта.

Рис. 49. Определение сжимаемости грунтов штампами:

а, б – шурфы; в – буровая скважина; 1 – штампы; 2 – домкрат;

3 – анкерные сваи; 4 – платформа с грузом; 5 - штанга

Зондирование (или пенетрация ) используется для изучения толщ грунтов до глубины 15 – 20 м. По сопротивлению проникновения в грунт металлического наконечника (зонда) определяют плотность и прочность грунтов и их изменчивость в вертикальном разрезе. Зондирование относится к экспресс-методам определения механических свойств песчаных, глинистых и органогенных грунтов, которые не содержат или имеют мало примесей щебня или гальки. По способу погружения наконечника различают зондирование динамическое и статическое . При статическом зондировании конус в грунт задавливается плавно, а при динамическом его забивают молотом.

Статическое и динамическое зондирования позволяют:

Расчленить толщу грунта на отдельныеслои;

Определить глубину залегания скальных и крупнообломочных грунтов;

Установить приблизительно плотность песков, консистенцию глинистых грунтов, определить модуль деформации;

Оценить качество искусственно уплотненных грунтов в насыпях и намывных образованиях;

Измерить мощность органогенных грунтов на болотах.

На рис. 50 показана пенетрационно-каротажная станция.

Рис. 50. Пенетрационно-каротажная станция:

1 – зонд-датчик; 2 – штанга; 3 – мачта; 4 – гидроцилиндр; 5 – канал связи; 6 – аппаратная станция; 7 – пульт управления

Прочностные испытания грунтов. Сопротивление грунтов сдвигу определяется предельными значениями напряжений при разрушении. Опыты проводят в котлованах, оставляя столбчатые целики ненарушенного грунта, к которым прикладывают сжимающие и сдвигающие усилия. Для правильного определения внутреннего трения и удельного сцепления опыт проводят не менее чем на трех целиках при различных сжимающих усилиях. Сдвиг производят также при вращении крыльчатки, которая представляет собой четырехлопастной прибор. Его вдавливают в грунт и поворачивают, измеряя при этом крутящий момент, по которому рассчитывают сопротивление сдвигу.

Опытные строительные работы . При строительстве объектов I уровня ответственности (класса) полевые исследования грунтов приобретают особо важное значение, поэтому прибегают к опытным работам.

Опытные сваи . На строительной площадке погружают инвентарную сваю и наблюдают за характером ее погружения и сопротивляемостью грунта. Прикладывая к свае нагрузки и измеряя осадки при каждой ступени определяют несущую способность грунта в условиях природной влажности и при замачивании . Результаты испытаний сравнивают с расчетными данными на базе лабораторных исследований грунта.

Опытные фундаменты . Устраивают фундаменты будущего здания в натуральную величину и на проектную глубину. На фундамент прикладывают нагрузку как от будущего здания и ведут наблюдения за сжатием грунта основания. Так определяют реальную несущую способность грунта и осадку будущего здания.

Опытные здания . Количественную оценку просадочных свойств лессов дают по данным лабораторных и полевых испытаний грунтов. В реальных условиях под возведенными зданиями в натуральную величину лессовое основание насыщают водой и проводят наблюдения за характером развития процесса, определяют значения просадок и оценивают состояние конструкций здания. Аналогичные опытные работы выполняют и при оценке динамических воздействий на конструкции зданий и основания.

Обработка результатов исследований грунтов . Оценку свойств массивов грунтов проводят на основе физико-механических характеристик в результате лабораторных исследований отдельных образцов грунтов и полевых работ на территории массива. Полученные в лаборатории и в поле характеристики отвечают только тем местам, где были отобраны образцы и проведены полевые испытания грунтов. В связи с этим разрозненные результаты исследований и нормативные показатели необходимо обобщить, т. е. статистически обработать с целью получения усредненных значений и последующего использования в расчетах оснований.

Стационарные наблюдения при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях проводят для оценки развития неблагоприятных геологических процессов (карста, оползней и др.), режима подземных вод и температурного режима На выбранных характерных участках для наблюдений устанавливают сеть реперов и ведут инструментальные наблюдения за их перемещением и т. д. Измерения выполняют в период эксплуатации зданий и сооружений, но они могут быть начаты и в периодих проектирования. Продолжительность работ – до 1 года и более.

Как известно, под действием давления грунт деформируется. Характер и величина деформации зависят от природы грунта, способа нагружения и граничных условий деформирования грунта. Деформационные свойства грунтов определяют следующие основные природные факторы: 1) структура и текстура; 2) состав и концентрация порового раствора; 3) химико-минералогический состав скелета грунта; 4) температура окружающей среды. Влияние тех или иных природных факторов на деформируемость грунтов зависит главным образом от структуры грунта, т.е. от дисперсности, плотности и расположения частиц в пространстве и связей между частицами. В зависимости от способа нагружения грунта различают деформации при статическом (ступенчатом), ударном и динамическом способах приложения давления. Наиболее часто деформационные свойства грунтов оснований сооружений определяют при статическом нагружении. В особых случаях деформационные свойства грунтов определяют при действии ударной нагрузки (трамбование, взрыв и т.п.), при вибрации, а также при воздействии гидростатического, главным образом отрицательного (капиллярного) давления, возникающего при водопонижении в дисперсных грунтах.

Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, обусловленной смещением частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор, вследствие деформации частиц породы, воды, газа. При определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой характеристике показателей относятся коэффициент уплотнения, коэффициент компрессии, модуль осадки, ко второй – коэффициент консолидации.

Деформационные свойства грунтов определяют как в лабораторных условиях на образцах с нарушенными или ненарушенными структурными связями, так и в полевых условиях. Лабораторные испытания до настоящего времени являются основным методом изучения свойств грунтов, так как позволяют сравнительно просто передавать различные давления на грунт, исследовать поведение грунта в широких диапазонах изменения физического состояния и условий окружающей среды, моделировать сложные случаи работы грунта в основании или теле сооружений. Полевые методы испытания позволяют более правильно отразить влияние текстурных особенностей грунта на его деформируемость.

Для исследования сжимаемости грунтов в полевых условиях применяют прессиометр - прибор, основанный на обжатии и измерении деформации грунта, находящегося в стенках необсаженной скважины, и определении модуля сжимаемости.

20. К основным характеристикам прочностных свойств грунтов относятся: сопротивление сдвигу грунта по грунту и по поверхностям смерзания; сопротивление сжатию, растяжению; сцепление и угол внутреннего трения, эквивалентное сцепление.

Различают простое и сложное напряжённые состояния в грунте.

Простое напряжённое состояние соответствует проявлению одного из видов напряжений: сжатия, растяжения, сдвига. Напряжённое состояние в массиве грунта, соответствует сложному напряжённому состоянию, когда проявляются одновременно при различном сочетании все виды простых напряжённых состояний.

Они позволяют прогн-ть осадки сооружений, определять устойчивость пород в их основании, а при конструировании фундаментов предельно использовать несущие способность грунтов. Показателями, выраж-щие сопротивление пород сдвигу, дают возможность проектировать заложение откосов плотин, насыпей, дамб, бортов карьеров с минимальным объемом земляных работ, определять устойчивость склонов и оползней, определять рац-е сечение и устойчивость различных сооружений в т.ч. бетонных плотин. Сжимаемостью породы называют ее способность к уменьшению объема под воздействием нагрузки. При сжатии породы вертикальной нагрузкой в условиях свободного бокового расширения при одноосном сжатии относительной деформацией (е) называют отношение величины абсолютного уменьшения нагруженного образца (Δh) к его начальной высоте (h 0) е=Δh/h 0 Зависимость между напряжением (δ) и величиной относ-й деформации (е) при нагрузках меньше предела пропор-сти определяется выражением: δ=Ее (Е – модуль упругости)..

Сопротивление сдвигу . Прочностные свойства пород определяются рядом показателей, относящихся к категории прямых расчетных показателей. Прочность пород характеризуется способностью сопротивляться сдвигающим усилиям (сопротивление к сдвигу). Сдвигом называется процесс деформации и разрушения породы вследствие смещения одной ее части относительно другой. Сдвиг по данной площадке вызывается касательным напряжением к ней. Сопротивление сдвигу зависит от величины вертикальной нагрузки, приложенной к образцу. Прочность пород оценивается в основном по теории Мора, согласно которой разрушение тела происходит при определенном предельном соотношении нормальных и касательных напряжений.

Определение прочностных и деформационных характеристик выполняются как в лабораторных, так и в полевых условиях, при простом и сложном напряжённом состояниях. Основными видами испытаний являются: одноосное сжатие; разрыв; сдвиг; кручение; компрессия; осесимметричное трёхосное сжатие вертикальной и радиальной нагрузкой; осесимметричное трёхосное сжатие с кручением; осесимметричное сжатие полого цилиндра с кручением; трёхосное сжатие с независимым заданием всех трёх главных направлений; динамометрическое испытание в релаксационно-ползучем режиме.

21. Реол. св-ва грунтов. При инженерно-геологической оценке пород эти свойства имеют весьма важное значение. Однако роль каждого из них при этом неодинакова, что зависит от состава пород.1) Водоустойчивость . Определение водоустойчивости наиболее важно при оценке глинистых пород, которые под воздействием воды теряют связность и изменяют консистенцию или размокают и распадаются. Скорость и характер размокания характеризуют водоустойчивость.Некоторые разности глинистых пород при увлажнении сильно набухают, причем объем их увеличивается на 25-30%. Изменение свойств глинистых пород происходит не только при увлажнении. Высыхание влажных глинистых пород иногда сопровождается их растрескиванием, изменением монолитности, уменьшением объема (усадкой). Вода, воздействуя на породы, может также растворять, выщелачивать водорастворимые части и тем самым изменять их свойства. 2) Влагоемкость . Под влагоемкостью породы понимается ее способность в вмещать и удерживать определенное количество воды. В соответствии с этим различают породы: влагоемкие (глины, суглинки), среденевлагоемкие (скпеси, пески м/з,с/з, пылеватые) и невлагоемкие (пески с/з, к/з, гравий и т.д.). Применительно к породам невлагоемким следует говорить об их водоемкости. У влагоемких пород различают полную, капиллярную и молекулярную Влагоемкость. Полной влагоемкости полное насыщение породы водой, т.е. заполнение всех ее пор. Сравнивая естественную влажность породы с влажностью, соответствующей полной влагоемкости судят о степени ее водонасыщения. Капиллярной влагоемкости соответствует не полное насыщение породы водой, а такое, когда водой заполнены только капиллярные поры. Под молекулярной влагоемкостью понимается способность пород удерживать определенное количество физически связанной воды. Максимальное количество физически связанной воды, которое может удержать порода на поверхности своих частиц называется максимальной молекулярной влагоемкостью. Из песчаных пород насыщенных водой не вся вода может вытекать свободно, а только та часть, которая подчиняется силе тяжести. Способность песчаных и других обломочных пород, насыщенных водой, отдавать ее путем свободного стекания, характеризует их водоотдачу. Такой способностью обладают невлагоемкие породы. Водоотдача пород примерно равна разности между полной их влагоемкостью (W п) и максимальной молекулярной: W отд =W п -W м Характеристика водоотдачи пород имеет важное значение при решении многих практических вопросов, например при проектировании дренажей, притоков воды в котлован и т.д. 3) Капиллярность . При значительном повышении влажности песчаных и особенно глинистых пород понижаются их строительные качества. Увлажнение воды может быть обусловлено инфильтрацией воды с поверхности земли или поступлением ее снизу из какого-либо водоносного горизонта под влиянием напора капиллярных сил. Капиллярные силы образуют капиллярную зону над уровнем грунтовых вод, в пределах которой наблюдается повышенное увлажнение или насыщение пород. При интенсивном испарении капиллярных вод происходит засоление почв, образование солончаков. Известно, что максимальная высота капиллярного поднятия в т/з и м/з песках может достигать 1,5-2,0 м, в глинистых породах 3-4 м. В грубозернистых породах она мала и практического значения не имеет. 4) Водопроницаемость . К числу основных водных свойств пород относится водопроницаемость, т.е. способность пропускать через себя воду под действием напора. Данные, характеризующие водопроницаемость рыхлых обломочных и глинистых пород, имеет широкое применение в практике для определения притоков в строительные котлованы, подземные выработки, способов осушения и т.д. Водопроницаемость песков, галечников и др. рыхлых отложений зависит от их пористости и скважности. Глинистые породы при небольших напорах очень слабопроницаемы, т.к. размер пор в них мал. Движение воды и других жидкостей через пористые среды (породы) называется фильтрацией. Следовательно, водопроницаемость песчаных и глинистых пород – это их фильтрационная способность. Мерой водопроводимости горных пород служит коэффициент фильтрации. В инженерно-геологической практике пользуются главным образом скоростным выражением коэффициента фильтрации, исходя из уравнения v=K ф I (k) . Если I=1, то v=K ф м/сут, см/сут.

В глинистых породах эффективная пористость всегда значительно меньше общей пористости и часто равна нулю, т.к. поровое пространство в значительной мере занято физически связной водой.

22. Релаксация. При нагружении постоянной силой F возникают деформации,

развивающиеся во времени. Для прекращения развития этих деформаций необходимо уменьшать силу по некоторому закону F(t).Уменьшение во времени напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации называется релаксацией(расслаблением) напряжений. С позиции статистической физики релаксацию можно рассматривать как процесс установления статистического равновесия в физической системе, когда микроскопические величины, характеризующие состояние системы (напряжения), асимптотически приближаются к своим равновесным значениям. Характеристикой явления расслабления напряжений является время релаксации , равное времени за которое напряжение уменьшается в e раз, которое характеризует продолжительность «осёдлой жизни» молекул, т. е. определяет подвижность материала. Время релаксации различно у разных тел. Для скальных грунтов время релаксации изменяется сотнями и тысячами лет, ДЛЯ стекла - ОКОЛО ста лет, а для воды - 10-11 с. Например, горные породы, формирующие земную кору, обладают временем релаксации измерямым тысячелетиями, у воздуха 10-10, у воды 10-11, у льда сотни секунд. Если продолжительность действия сил на грунт меньше периода релаксации, то будут развиваться в основном упругие деформации.

Таким образом, в пределах 100-1000 секунд лёд ведёт себя как упругое тело (например, хрупко разрушается при ударе в условия большой нагрузки). При уменьшении нагрузки лёд течёт как вязкая жидкость. Аналогичное поведение - хрупкое разрушение при быстром приложении нагрузки и вязкое течение при длительном воздействии нагрузки–отчётливо проявляется у мёрзлых грунтов.

Если же время действия силы на грунт превышает время релаксации, то в грунте возникают необратимые деформации ползучести и течения. Иными словами, в зависимости от отношения времени действия силы ко времени релаксации тело будет вести себя как твердое или как жидкое. Период релаксации является" основной константой, объединяющей свойства твердых и жидких тел. Величина времени релаксации может быть определена из отношения вязкости г| к модулю упругости (сдвига): Для твердообразных тел, к которым относятся дисперсные и скальные грунты, характерно наличие предельного напряжения сдвига Хк, называемого пределом текучести и совпадающего с пределом упругости.

23-24. Основные физико-химические свойства грунтов . К этим свойствам относятся свойства, которые проявляются в результате физико – химического взаимодействия между компонентами грунтов. К ним относятся коррозионные свойства грунтов, диффузионные, осмотические, адсорбционные, а также липкость, пластичность, набухание, размокание, усадка и другие свойства пород. Коррозионные свойства: коррозией называется процесс разрушения материалов в следствие их химических, электро – химических или био – химических взаимодействий с окружающей средой. Подземная коррозия выражается в разрушении строительных металлических материалов, сооружений и трубопроводов при их взаимодействии с грунтами. Основными причинами подземной коррозии являются: 1) воздействие грунтовой влаги на металлическую конструкцию; 2) явление электролиза. Эти явления возникают вокруг трубопровода, а также на участках, где используют трамвайное и железно – дорожное движение. Подобное разрушение возникает в грунтах, в результате воздействия блуждающих электрических токов на воду – солевой раствор в порах грунта, который в следствии такого взаимодействия станет агрессивным электролитом CISO4; 3) действия находящихся в грунтах микроорганизмов, вызывающие биокоррозию. В целом коррозия грунтов зависит от многих факторов. К основным относятся химический состав грунтов и в первую очередь состав и количество растворенных солей, а также влажность грунтов, содержание в них газов, структуры грунтов, их электропроводность и наличие бактерий. Диффузия (от лат. Diffusion - распространение, растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения концентраций частиц данного сорта в среде. Осмос (от греч. Osmos – толчок, давление), односторонний перенос растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации. Диффузия и осмос ведет к перераспределению ионов вещества и молекул воды и наиболее вещественно проявляются в глинистых грунтах. Осмос в глинах может может вызвать деформации набухания или усадки. Например, если поместить засоленный глинистый грунт в пресную воду, то произойдет осмотическое всасывание воды и как результат набухание грунта. На практике такое набухание может происходить в различных каналах, проложенных в засоленных грунтах после их затопления пресной водой. Если будет иметь место обратное соотношение концентраций, то есть раствор в грунтах будет более пресный, чем в канале, то произойдет осмотический отсос воды из грунтов в результате их усадки. Адсорбция грунтов называется их способность поглощать из проходящих растворов определенные частицы или элементы вещества. Существуют несколько видов адсорбций: механическая (задерживание частицы за счет конфигурации пор); физическая (за счет молекул взаимодействующих между частицами из раствора и поверхностных пор); химическая (за счет химических взаимодействий); биологическая (за счет действия растений и различных микроорганизмов). Отдельные виды адсорбции могут проявляться совместно (физико – химическая адсорбция).

25. Усадка грунта . Усадкой грунта называется уменьшение его объема в результате удаления воды при высыхании или под влиянием физико-химических процессов (осмос и др.). В результате усадки грунт становится плотнее и после высыхания - даже твердым. Уплотнение глинистого грунта при усадке увеличивает его сопротивление деформациям, но наличие трещин, обычно сопровождающих усадку, повышает водопроницаемость и уменьшает устойчивость поверхностного слоя грунта в откосах. В условиях сухого и жаркого климата усадочные трещины разбивают массив глинистого грунта на глубину до 7-8 м и больше.В максимальной степени усадка проявляется в глинах; другим связным породам она свойственна меньше.

Липкость грунта проявляется при влажности, большей, чем Wm; наибольшего значения она достигает у глинистых грунтов. Липкость глин растет с увеличением внешнего давления и уменьшением влажности, ее максимальное значение в большинстве случаев достигается при максимальной молекулярной влагоемкости. Липкость грунта зависит от категорий воды, содержащейся в грунте, особенностей его химико-минеральной части, площади контакта грунта с предметом и др. Величина липкости глинистых грунтов при определенном соотношении их особенностей с внешними факторами может достигать 0,02-0,05 МПа. Поэтому липкость грунта является одним из факторов, определяющих условия работы ковшов, дорожных и почвообрабатывающих машин. Прилипание грунта к поверхности землеройных и транспортных машин и механизмов вызывает снижение их производительности при выполнении вскрышных работ на карьерах, при разработке котлованов и т.д.

Водопрочность - это способность грунтов сохранять механическую прочность и устойчивость при взаимодействии с водой. Взаимодействие пород с водой может быть статическим и динамическим: воздействие спокойной воды вызывает явления набухания и размокания, гидродинамическое воздействие - процесс размыва.

Размокаемость - это способность глинистых пород при впитывании воды терять связность и превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Интенсивность процесса размокания зависит от характера структурных связей, состава и состояния грунтов. Скорость и интенсивность размыва зависят как от характера водного воздействия, так и от реакции породы на данное воздействие - размываемости. Резкое изменение водопрочности (например, в результате выветривания) может привести к значительному снижению несущей способности грунтов оснований сооружений и к возникновению обвальных и оползневых явлений в бортах строительных котлованов и глубоких карьеров.

Размываемость чаще всего оценивается коэффициентом сопротивляемости горных пород размыву.

Пластичностью грунтов называется способность их изменять свою форму (деформироваться) без разрыва сплошности в результате внешнего воздействия и сохранять полученную при деформации новую форму после того, как внешнее воздействие прекращается. Пластичные свойства грунтов тесно связаны с влажностью и изменяются в зависимости от количества и качества находящейся в грунте воды. Переход глинистой породы из одной формы консистенции в другую совершается при определенных значениях влажности, которые получили название характерных влажностей или пределов. В инженерно-геологической практике наибольшее распространение получили верхний и нижний пределы пластичности. Пределы пластичности и число пластичности широко используются при классификации глинистых грунтов, определении расчетных сопротивлений грунтов и приблизительной оценке устойчивости грунтов в котлованах, выемках и т. д.

Набуханием грунта называется увеличение его объема при взаимодействии с водой. Набухание грунтов часто наблюдается при проходке котлованов и выемок и приводит к деформации крепи, полотна дорог, фундаментов и пр. Для определения набухания предложено несколько способов, которые могут быть объединены в пять групп, основанных на оценке набухания: 1) по теплоте набухания; 2) по давлению набухания; 3) по объему осадка, седиментированного в жид кости; 4) по количеству (объему или весу) воды, вызвавшей набухание; 5) по приросту объема грунта при набухании.

Наибольшее распространение в практике инженерно-геологических работ получил способ изучения набухания по приросту объема грунта в процессе насыщения его водой (в том виде, как он разработан А. М. Васильевым).

26. Движение воды и других жидкостей через пористые среды (породы) называется фильтрацией . Следовательно, водопроницаемость песчаных и глинистых пород – это их фильтрационная способность. Мерой водопроводимости горных пород служит коэффициент фильтрации. В инженерно-геологической практике пользуются главным образом скоростным выражением коэффициента фильтрации, исходя из уравнения v=K ф I (k) . Если I=1, то v=K ф м/сут, см/сут. Скорость движения воды через пористые среды (горные породы) прямо пропорциональна гидравлическому градиенту, т.е. отношению действующего напора к длине пути фильтрации. Это важнейший закон водопроницаемости песчаных и глинистых пород – закон ламинарной фильтрации.

Скорость движения воды определяется также уравнением: v=Q/F (Q – количество фильтрующейся через породу воды, м 3 ; F – площадь поперечного сечения, м 2 , через которое фильтруется вода). Так как движение воды происходит только по порам, то действительная скорость фильтрации (исходя меньшей площади действительного сечения породы) больше. Действительный коэффициент фильтрации: K фд =K ф /n (n – пористость). Действительный коэфф-нт фильтр-и иногда называется коэф-том скорости фильтрации. В песчаных породах К фд всегда больше коэффициента фильтрации, опред-го непосредственно в лаб-ых усл-ях. В глинистых породах эффективная пористость всегда значительно меньше общей пористости и часто равна нулю, т.к. поровое пространство в значительной мере занято физически связной водой. В строительстве фильтрационные свойства грунта (его водопроницаемость) связаны: 1. С инженерными задачами (фильтрация берегов в результате строительства плотин). 2. С вопросами временного понижения уровня грунтовых вод (У.Г.В.) для осушения котлованов. Лабораторный прибор для определения фильтрационных свойств грунтов представляет собой сосуд с пористым днищем (см. схему), в который помещается песок. Сверху заливается вода и измеряется ее расход (фильтрация через образец песка) с различными интервалами времени. Если в глинистом грунте создается гидравлический градиент меньше начальной величины, фильтрации в грунте нет и такой грунт является водоупором. Фил-ные хар-ки грунтов используются при: 1.Расчёте дренажа. 2.Определении дебита источника подземного водоснабжения. 3.Расчёте осадок сооружений (оснований) во времени. 4.Искусственном понижение У.Г.В. 5.Расчёте шпунтового ограждения при откопке котлованов, траншей.

Отметим ряд особенностей, хар-х для вечномерзлых грунтов после их оттаивания:

Максимальные значения водопроницаемости отмечены в зонах тектонического дробления, причем затухания с глубиной не наблюдается, что объясняется большим содержанием льда, вызванного распучиванием дисперсного заполнителя. После вытаивания льда образуются мощные фильтрационные ходы.

Водопрониц-ть вечномерзлых грунтов после их оттаивания обычно переменна во времени, поскольку находится под воздействием двух противоборств-х факторов. С одн стороны, пустоты, только что образовавшиеся в распученном массиве после вытаивания льда, стремятся к закрытию под действием веса вышележащих грунтов или нагрузок от сооружений, вследствие чего водопрон-ть должна уменьшаться. С другой стороны, тонкодисперсный заполнитель, который после вытаивания льда не обладает структурой, обеспеч-й его фильтр-ю прочность, способен размываться фил-ным потоком. Это влечет за собой увеличение водопр-сти пород. Фильтр-ю способность вечномерзлых пород оценивают по рез-там опытных работ на предварительно оттаянных участках или косвенными методами. К косв-м методам оценки водопр-сти вечномерзлых грунтов относятся: расчетные; сравнения зависимостей показателей водопрон-сти от трещиноватости для талых и мерзлых грунтов; воздушного опробования скважин; геофизические. Все эти методы носят оценочный характер.

Основными характеристиками сжимаемости грунтов являются модуль общей деформации Е или коэффициент относительной сжимаемости , коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона) и коэффициент бокового давления .

1. Коэффициент относительной сжимаемости . При расчете осадок часто используется коэффициент относительной сжимаемости , который определяется по формуле:

Выразим выражение из формул и . Приравниваем правые части этих выражений, решаем их относительно m v , получим:

Или m v *p i =s i /h

Т.о. коэффициент относительной сжимаемости равен относительной осадкеs i /h , приходящейся на единицу действующего давления.

2. Модуль общей деформации Е является коэффициентом пропорциональности между напряжениями и относительными деформациями. Определяется он в полевых и лабораторных условиях. Наиболее распространенный способ – проведение компрессионных испытаний с последующей их обработкой. В этом случае модуль общей деформации будет равен:

;

где β – коэффициент, учитывающий невозможность бокового расширения грунта (для песков и супесей β = 0,76, суглинков β = 0,63, глин β = 0,42.

При испытании грунта диаметром d штампом по результатам лабораторных испытаний, Е определяется расчетом по формуле

Е=(1-ν 2)*w*d*∆p/∆S

3. Коэффициент бокового давления ξ рассматривается как отношение приращения бокового давления (или ) к приращению действующего вертикального давления при обязательном отсутствии боковых деформаций :

По экспериментальным данным значения коэффициентов бокового давления изменяются в следующих пределах: для песчаных грунтов ξ = 0,25-0,37, глинистых ξ = 0,11-0,82. Величина ξ определяется в приборах трехосного сжатия.

4. Коэффициент поперечного расширения ν грунта (коэффициент Пуассона) равен отношению относительных горизонтальных деформаций образца ε х к относительным вертикальным ε z , т.е..