Механические характеристики грунтов

Важной механической характеристикой глинистых грунтов является консистенция, под которой понимают густоту и в известной мере вязкость грунтов, обуславливающие их способность сопротивляться пластическому изменению формы. Пустота и вязкость грунтов зависит от количественного соотношения твердых частиц и воды в единице объема грунта, а также от сил взаимодействия между частицами грунта.

Показатель консистенции или индекс текучести J ₁ грунтов определяется из выражения

(7.15)

По СНиП различают следующие виды консистенции глинистых грунтов в зависимости от величины показателя консистенции J ₁:

Супеси: твердые	J 1 < 0
пластичные	0 < J 1 < 1
текучие	J 1 > 1
Суглинки и глины: твердые	JL < 0
полутвердые	0 < JL < 0,25
тугопластичные	0,25 < JL < 0,5
мягкопластичные	0,5 < JL < 0,75
текучепластичные	0,75 < JL < 1
текучие	JL > 1

Данные о консистенции глинистых грунтовых массивов имеют исключительно важное значение для ведения в них горно-строительных, горных и строительных работ.

Сжимаемость грунтов заключается в способности грунтов изменять свое строение (упаковку твердых частей) под влиянием внешних воздействий (сжимающей нагрузки, высыхания и др.) на более компактные, за счет уменьшения пористости грунта.

Следует различать уплотняемость грунтов при кратковременном действии динамических нагрузок (механическую) и уплотнение при длительном действии постоянной статической нагрузки (компрессию, консолидацию пр.). Наибольшей сжимаемостью, кроме торфяных, обладают глинистые грунты.

При сжатии трехфазного грунта уменьшение объема происходит вначале за счет вытеснения из грунта газовой фазы, после чего начинается вытеснение воды. Нагрузка постепенно передается на твердые частицы.

Степень сжатия глинистых грунтов можно охарактеризовать их пористостью. Кривая, выражающая зависимость между коэффициентом пористости и давлением на грунт , называется кривой сжимаемости или компрессионной кривой

(7.16)

Кривая, показывающая уменьшение коэффициента пористости грунта во времени при постоянной нагрузке, называется кривой сжатия или кривой консолидации при .

Рис. 7.8. Компрессионная Рис. 7.9. Кривая

кривая (кривая сжимаемости) консолидации глинистых

глинистых грунтов грунтов

Мерой величины сжимаемости глинистых грунтов является коэффициент уплотнения или коэффициент сжимаемости , характеризующий изменение коэффициента пористости под действием приложенной нагрузки. В частности, в интервале давления от и и изменения коэффициента пористости от до (рис. 7.8) коэффициент сжимаемости грунта определяется из выражения

(7.17)

По величине этого коэффициента в интервале нагрузок от 0,1 до 0,2 МПа глинистые грунты подразделяются на сильносжимаемые > 0,1 см²/кг, среднесжимаемые = 0,1-0,005 см²/кг и слабосжимаемые < 0,005 см²/кг.

Сопротивление грунтов сдвигу. Под действием внешней нагрузки в отдельных точках или областях грунта напряжения могут превзойти внутренние связи между частицами грунта. При этом возникают скольжения (сдвиги) одних частиц или агрегатов по другим, что приводит к нарушению сплошности грунта в некоторой области.

Сопротивление сдвигу С несвязанных твердых минеральных частиц (например, песков) есть только сопротивление их трению. Сдвиг произойдет при условии

, (7.18)

где - нормальное давление, - коэффициент трения.

Сопротивление С _сд агрегатов частиц с водно-коллоидными связями складывается как из вязкого сопротивления С _в.к скольжению и нарастания сдвигающих усилий, так и сил С _сц сцепления, которые в свою очередь зависят от уплотняющих давлений возникающих в точках и на площадках контактов частиц, т.е.

, (7.19)

Показатели сопротивления сдвигу – это основные прочностные показатели сопротивления грунтов внешним силам. Для грунтов их важнейшая особенность в том, что они переменны, зависят от величины давления и условий в точках контакта частиц, сопротивляющихся сдвижению.

Ш. Кулоном в 1773 г. установлено, что предельное сопротивление сыпучих грунтов (песков, галечников, других крупнообломочных грунтов) сдвигу есть сопротивление их трению, прямопропорциональное нормальному давлению , т.е.

, (7.20)

или обозначив

(7.21)

где – угол внутреннего трения грунта; – коэффициент внутреннего трения грунта.

Соотношение (7.20) является основной прочностной зависимостью для сыпучих грунтов и носит название закон Кулона. Графически эта зависимость может быть представлена таким образом.

Рис. 7.10. Зависимость между нормальным и сдвигающим напряжением

Связные грунты (глины, суглинки, супеси) отличаются от грунтов несвязных (сыпучих) тем, что частицы и агрегаты частиц этих грунтов связаны между собой пластичными (водно-коллоидными) и частично жесткими (цементно-кристаллическими) связями. Сопротивление их сдвигу будет зависеть в значительной степени от их связности (от сил сцепления).

Для этих грунтов Кулоном получена зависимость между предельным сопротивлением их сдвигу и нормальным давлением (напряжением сжатия).

, (7.22)

или

, (7.23)

где – коэффициент сцепления грунта.

График зависимости (7.22) или (7.23) имеет вид

Сцепление и угол внутреннего трения в значительной степени зависят от влажности и пористости грунтов. Так, например, для мягкопластических грунтов: = 0,1-0,2 и = 5-10°, для тугопластических глин – = 0,4-0,5 и = 15-35°. Величина сцепления С глинистых пород в большинстве случаев колеблется от 0,005 до 0,15 МПа.

Наиболее опасными геомеханическими процессами в грунтах являются: оползнеселевые потоки, просадки грунтов.

Оползни – широко распространенный тип разрушения природных склонов, а иногда и бортов открытых горных выработок. Причины оползней – ослабление прочности массива пород в результате выветривания, увлажнения и насыщения водой, подрезки основания склона, массовые взрывы вблизи склонов.

Сели – грязекаменные и водокаменные потоки. Они делятся на связные (структурные) и турбулентные (неструктурные) потоки. Связные происходят без перемещения оползающих масс в ядре потока, турбулентные – с перемещением масс.

Просадка – свойства грунтов уменьшать свой объем и деформироваться при увлажнении.

Дата добавления: 2014-01-07