Механические свойства грунтов

Большое внимание при определении качества грунтов отводится изучению их механических свойств. Эти свойства проявляются при действии на грунты внешней нагрузки, в частности давления от сооружения. При этом могут происходить процессы упругого и пластического деформирования, а также разрушения грунта.

У грунтов с водно-коллоидными связями эти процессы развиваются последовательно - от упругого деформирования к пластическому, а затем - к разрушению. У грунтов с химическими связями и у рыхлых грунтов без связей упругое деформирование сменяется разрушением.

Механические свойства грунтов подразделяются на:

· деформационные;

· прочностные;

· реологические.

Деформационные свойства горных пород отражают способность их к формоизменению и объемным изменениям под действием внешних и внутренних сил, не приводящих к разрушению породы. Деформацией называется изменение формы сложения или объема пород под нагрузками, не превышающими критические, а, следовательно, не вызывающими разрушение горных пород.

В общем виде различают три основных вида деформаций горных пород: упругие, пластические и разрывные. Для количественной характеристики деформационных свойств горных пород используют следующие показатели:

· модули линейной деформации (модуль упругости и модуль общей деформации);

· коэффициент поперечной деформации;

· коэффициент бокового давления;

· модуль объемного сжатия;

· модуль сдвига;

· коэффициент упругого отпора; коэффициент сжимаемости;

· модуль осадка;

· коэффициент консолидации.

Первые пять показателей используются для характеристики деформационных свойств всех горных пород; коэффициент упругого отпора используется при изучении деформации скальных и полускальных пород; последние показатели характеризуют деформационные свойства дисперсных пород.

Прочностные свойства горных пород отражают способность их сопротивляться разрушению и образованию больших остаточных деформаций при действии нагрузок различных видов. Прочность - это свойство горных пород сопротивляться разрушению от механического (силового) воздействия при нагрузках, равных или превышающих критические для данной породы.

Разрушение грунта может проявляться в виде:

· разрыва (при растяжении);

· раздавливания (при сжатии);

· среза (сдвига) при пластическом разрушении;

· скольжения при хрупком разрушении.

Скалывание происходит при сдвиге грунтов с жесткими связями, а срез - при сдвиге грунтов с водно-коллоидными связями. Пластические деформации последних происходят очень медленно, поэтому могут развиваться длительные осадки и наклоны сооружения, перемещения подпорных сооружений, оползни и др.

Реологическими свойствами называется способность горных пород к развитию длительных во времени остаточных деформаций.

К реологическим свойствам относятся:

· релаксация – процесс уменьшения во времени действующих напряжений в породе при неизменной величине их деформаций;

· ползучесть отражает свойство горных пород испытывать длительно протекающие во времени остаточные деформации при постоянной величине действующей нагрузке;

· длительная прочность – это прочность породы, приобретаемая ею в результате длительного воздействия нагрузки.

Сопротивление грунтов сжатию. При одноосном сжатии в скальных грунтах возникают упругие деформации, которые восстанавливаются после окончания сжатия, и остаточные, связанные с наличием в грунтах микротрещин и не очень плотным примыканием частиц друг к другу. Для характеристики деформационных свойств скальных грунтов используют модуль общей деформации Е_общ и модуль упругости Е_у.

Модуль упругостиравен отношению напряжения при одноосном сжатии к относительной обратимой деформации I_обр:

Модуль общей деформации представляет собой отношение того же напряжения к общей относительной деформации 1_общ,:

Так как 1_общ >1_обр, то Е_обш,<Е_у. Для большей части скальных грунтов Е_у и Е_общ зависят от величины и продолжительности действия нагрузки, т.е. являются величинами переменными.

Сжимаемость дисперсных (глинистых) грунтов зависит от гранулометрического и минерального состава, структурных связей и степени увлажнения. В глинистых грунтах сжатие под действием нагрузки происходит медленно и нередко неравномерно.

Неравномерные сжатия грунтов и, следовательно, осадка сооружения наиболее опасны. Сжимаемость мягкого связного или рыхлого несвязного грунта можно охарактеризовать зависимостью коэффициента пористости от давления при сжатии образца в компрессионных приборах, т.е. компрессионной кривой и двумя показателями: коэффициентом уплотнения а и модулем осадки 1_Р.

По величине коэффициента уплотнения а (в МПа^-1) грунты делятся на:

· практически несжимаемые < 0,001;

· слабо сжимаемые 0,001-0,01;

· средне сжимаемые 0,01-0,1;

· сильно сжимаемые > 0,1.

Компрессионная кривая может иметь две ветви: нагрузки и разгрузки. С увеличением давления грунт сжимается, и коэффициент пористости уменьшается (ветвь нагрузки).

При снятии давления некоторые грунты частично (при упругой деформации) восстанавливают свою пористость, поэтому ветвь разгрузки, располагаясь ниже ветви нагрузки, поднимается по оси ординат при давлении от максимального до 0.

Коэффициент уплотнения представляет собой отношение уменьшения коэффициента пористости к величине приращения давления:

.

Коэффициент определяется по компрессионной кривой для определенного интервала давлений:

где и - коэффициент пористости при давлениях р₁ и р₂ - величина, обратная коэффициенту уплотнения, называется модулем сжатия:

Модуль осадки 1_Р показывает величину сжатия грунта (в миллиметрах), приходящуюся на 1 м толщи грунта при определенном давлении р.

Если I₂ = 25 мм/м, то это значит, что слой грунта 1 м при давлении 2-10⁵Па сжимается на 25 мм. Зная мощность грунта в активной зоне h, можно определить сжатие всего слоя h:

.

По величине модуля осадки Н.Н. Маслов выделил пять категорий грунтов (табл. 1.5).

Таблица 1.5. Классификация грунтов по сжимаемости (Н.Н. Маслов)

Категория грунтов по сжимаемости	Модуль осадки, мм/м	Характеристика грунтов
I II II IV	< 1 1-5 5-20 20-60 > 60	Практически не сжимаемые Слабосжимаемые Среднесжимаемые Повышенной сжимаемости Сильносжимаемые

Сжатие рыхлых несвязных грунтов протекает быстро, по абсолютной величине невелико и происходит в результате взаимного перемещения обломков (зерен).

При значительных давлениях (2…3 МПа) частицы могут раскалываться, в результате чего образуется мелкозернистый грунт.

Сопротивление грунта сдвигу. Сопротивление пород сдвигающим нагрузкам в общем случае зависит от сцепления и трения. Сцепление проявляется в основном в грунтах связных, причем в скальных грунтах оно наибольшее и обусловлено химическими связями.

В мягких связных грунтах (глина, суглинок, лёсс, супесь) связность обусловлена цементирующим, склеивающим действием коллоидов и молекулярным сцеплением при непосредственном контакте частиц, слагающих грунт.

Сопротивление сдвигу в этих грунтах оказывают вначале силы сцепления, а затем, когда сдвигающие нагрузки превысят их, силы трения между частицами. В рыхлых несвязных грунтах сопротивление сдвигающим усилиям оказывают только силы трения.

Сопротивление грунтов сдвигу определяется обычно в лабораторных и полевых приборах и установках различной конструкции с двумя или одной фиксированными поверхностями сдвига (рис. 1.3).

Рис. 1.3.Схема испытания образца грунта на срез (по Н.В. Лалетину):

А - образец грунта; в - пористые диски для отвода воды; n - сжимающее усилие; 00 - плоскость среза; т – сдвиг

Сдвиг производится при разных вертикальных давлениях, каждому из которых соответствует свое сдвигающее усилие. По результатам опытов строится график зависимости сдвигающих усилий Т от вертикального давления р.

Для рыхлых грунтов на графике получается прямая линия, проходящая через начало координат:

где - сопротивление сдвигу; р - нормальное давление; f - коэффициент внутреннего трения; - угол внутреннего трения.

Важное практическое значение для рыхлых пород имеет угол естественного откоса а - максимальный угол наклона откоса к горизонту, при котором грунты в откосе не смещаются к подножию откоса:

tg =h/l

где h и l - высота и длина основания откоса. Угол откоса определяется как для сухих пород, так и для находящихся под водой.

Сопротивление связных грунтов сдвигу выражается зависимостью:

,

где С - сцепление грунта.

В табл. 1.6 приведены усредненные величины углов трения и сцепления С для некоторых водонасыщенных грунтов.

Таблица 1.6. Усредненные величины углов трения и