Представление о механических свойствах грунтов

Механическими называют свойства, которые оказывают решающее влияние на деформацию и прочность грунта под нагрузкой.

Деформации грунтов под нагрузкой сопровождаются сложными процессами: 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. Между деформациями грунта и давлением на него существует криволинейная зависимость, однако для упрощения ее рассматривают как линейную, что позволяет использовать для расчета деформаций грунтов формулы сопротивления материалов и теории упругости. При расчете по этим формулам вместо модуля упругости материала используют модуль общей деформации грунта £, характеризующий сжимаемость грунта и учитывающий не только упругую, но и остаточную часть деформации.

Нагрузку на грунтовое основание можно увеличивать до тех пор, пока не наступает резкого увеличения деформаций основания, связанного с развитием в нем сдвигов. Чем выше сопротивляемость грунта сдвигу, тем большую нагрузку он может воспринять.

Сопротивление грунта сдвигу. Прочность грунтов в основании зависит главным образом от сопротивления сдвигу частиц относительно друг друга вследствие наличия между ними сил трения и сцепления. Сопротивление взаимному сдвигу двух частиц или двух групп частиц можно схематически проиллюстрировать на примере сдвига двух тел.

Сжимаемость грунтов и их компрессионные испытания. Модуль деформации грунтов. Характерные свойства грунтов изменять под воздействием нагрузки свой, объем вследствие упругого обжатия или обжатия со взаимным перемещением частиц без нарушения сплошности называют их деформативными свойствами. Основными характеристиками деформативных свойств грунтов являются модуль общей деформации и коэффициент бокового расширения.

Модуль общей деформации грунта Е аналогичен модулю упругости в законе Гука, но в отличие от последнего учитывает как упругие, так и остаточные деформации. Он определяется испытанием образца ненарушенной структуры в компрессионном приборе или испытанием грунта штампом в полевых условиях. В настоящее время для оценки механических свойств грунта в основном применяют лабораторные методы.

Компрессионные испытания грунтов проводят с использованием специальных приборов — одометров и стабилометров. При работе с одометром (рис. 1.5) образец грунта ненарушенной структуры помещают в жесткое металлическое кольцо, которое вместе с образцом устанавливают на пористое днище. Нагрузка N передается на образец грунта поршнем. Конструкция поршня (как и днища) допускает фильтрование через него отжимаемой из образца воды. Деформацию образца измеряют индикатором. Одометр находится в ванне, в которую при испытаниях водонасыщенных грунтов наливают воду. Образец грунта имеет форму цилиндра высотой h более 20 мм и диаметром основания более 71 мм с отношением высоты к диаметру 1:3,5. Относительно малая высота образца позволяет уменьшить влияние сил трения грунта о кольцо на деформацию грунта.

Рис. 1.5. Схема одометра
1 — образец грунта; 2 — металлическое кольцо; 3 — поршень; 4 — индикатор; 5 — ванна; 6 — днище

Однако одометры имеют два существенных недостатка: 1) наличие трения между боковой поверхностью образца грунта и жесткими стенками корпуса искажает результаты опыта; 2) неточность пригонки горизонтальных поверхностей грунтового образца к пористым дискам и его боковой поверхности к стенкам корпуса одометра приводит к значительному завышению деформаций образца. Этих недостатков лишены приборы трехосного сжатия, называемые стабилометрами.

В стабилометре (рис. 1.6) образец грунта находится в резиновой оболочке, герметически закрытое пространство между которой и жесткими стенками металлического цилиндра заполняется жидкостью, например водой.

Герметичность пространства, в котором находится вода, окружающая образец с боков, и ее малая сжимаемость (по сравнению с грунтом) позволяют считать, что образец испытывает сжатие без бокового расширения. Достоинством стабилометра является то, что в нем устраняются силы трения по боковой поверхности образца и появляется возможность измерения сил бокового давления манометром (см. рис. 1.6).

Рис. 1.6. 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

При испытании образца грунта давление σ, кПа, определяемое по формуле σ = N/A (здесь N — вертикальная нагрузка на образец, кН; А — площадь поперечного сечения образца, м²), повышают ступенями от 12,5 до 50 кПа, выдерживая каждую ступень до прекращения деформации образца, т. е. до стабилизации осадки. В песчаных грунтах стабилизация осадки происходит в течение нескольких минут, а в глинистых грунтах она может длиться несколько суток. В результате испытания устанавливают значения осадки образца s, мм, соответствующие каждой ступени нагрузки, и строят график зависимости относительного вертикального укорочения образца е, определяемого по формуле e=s/h (здесь h — высота образца, мм), от передаваемого на него давления а (рис. 1.7), а также кривую зависимости коэффициента пористости е от а (рис. 1.8), которая называется компрессионной кривой.