Механічні властивості грунтів. Експериментально-теоретичні передумови механіки грунтів

Інженерно-геологічна характеристика техногенних ґрунтів.

Інженерно-геологічна характеристика природних мерзлих ґрунтів.

При температурі нижче від 0°С, як правило, ґрунти різко змінюють властивості через перехід частини порової води в тверду фазу - лід. ґрунти відносять до мерзлих, якщо вони мають негативну температуру й уміщують у своєму складі лід. У класі виділяють групи скельних, напівскельних, зв'язних і льодяних ґрунтів.

Природно мерзлі ґрунти поділяють також за температурно-міцнісними властивостями натвердомерзлі, пластично-мерзлі та сипучо-мерзлі.

Через наявність льодово-цементних зв'язків при негативних температурах ці ґрунти - міцні й малодеформаційні. Та при відтаванні порового льоду такі зв'язки стрімко руйнуються і можуть виникати деформації.

Техногенні ґрунти бувають як природного походження із зруйнованою первинною структурою, так і мінеральними відходами промислового виробництва, твердими побутовими відходами, що утворені їх відсипкою чи гідронамивом.

У цих ґрунтах поступово відбуваються різноманітні фізичні, фізико-хімічні. біологічні та інші процеси, що веде, з одного боку, до їх самоущільнення, зміцнення, а з другого - до розпаду, розкладання, а отже, знеміцнення. Тому таким ґрунтам більш властиві особливості дисперсних ґрунтів.

Лекція №7

1)Загальна характеристика механіки ґрунтів

Для розрахунків деформацій, оцінки міцності та стійкості ґрунтових масивів і основ необхідно знати характеристики механічних властивостей ґрунтів. Під механічними властивостями ґрунту розуміють ті властивості, що визначають його поведінку як механічної системи, отже, зумовлюють механічні переміщення ґрунтового масиву й окремих його частин у просторі і часі під дією тих чи інших зовнішніх чинників. До показників цих властивостей відносять ті, які безпосередньо визначають величину деформації та міцності ґрунтів. Окремо їх прийнято називати характеристиками деформативності (стисливості) й міцності.

Міцністні властивості ґрунтів визначають їх можливість витримувати навантаження без руйнування. Деформативні властивості ґрунтів визначають їх здатність деформуватися під навантаженням. Реологічні властивості визначають утворення і зміну в часі напружено-деформованого стану ґрунтів.

Стисливість - найбільш характерна властивість, що відрізняє ґрунти від твердих тіл. Вона зумовлюється, головним чином, трьома причинами: 1) ущільненням унаслідок переупаковування часток під дією навантаження, що зменшує коефіцієнт пористості; 2) пружністю кристалічної решітки мінеральних часток; 3) зміною фізичного стану (висихання, коагуляція тощо). Вплив нормальних напружень на дисперсні ґрунти викликає деформування їх і зміни об'ємів пор при цьому. Ці процеси описує закон ущільнення (компресії). Закон ущільнення характеризує залежність між напруженнями і деформаціями і використовується для розрахунку осідань будівель і споруд.

Під міцністю ґрунтів, за визначенням професора М. В. Малишева, розуміють їх властивість у певних умовах сприймати вплив зовнішніх зусиль без повного руйнування.

Границя міцності - це така межа, при перевищенні якої наступає практично повне руйнування ґрунту і він не може вже сприймати додаткових зусиль, що до нього прикладають. ґрунт перебуває у міцному стані, якщо зусилля, котрі впливають на нього, менші від границі його міцності.

Вплив дотичних напружень викликає в ґрунтах деформації зрушення. Проектувальників звичайно цікавить опір ґрунтів зрушенню при граничному напруженому стані (що характеризує міцність ґрунту, його несучу здатність), який визначають згідно із законом опору ґрунтів зрушенню (закон Кулона). Закон характеризує залежність між нормальними напруженнями і опором зрушенню і застосовується при розрахунку міцності та стійкості основ.

Деформації ґрунту протягом часу та опір їх зрушенню залежать від того, як перерозподілятимуться напруження між скелетом ґрунту і поровою водою. Ця вода під дією тиску, що виникає в ній, поступово відтискується й передає його па скелет ґрунту. Отже, деформативність ґрунтів та їх опір зсуву залежать і від фільтраційної здатності ґрунту. Крім того, в багатьох випадках необхідно розраховувати приплив підземних вод до водозабірних споруд, котловану, дренажу тощо. Це й зумовлює необхідність використання закону фільтрації порової води (закон Дарсі), який характеризує водопроникність ґрунтів і використовується для розрахунку осідання будівель і споруд в часі.

Для ґрунтів, структура яких порушується при зволоженні, відтаванні, динамічних навантаженнях тощо, так званих структурно-нестійких ґрунтів, необхідно розглядати закономірності руйнування їх структури, який використовується для розрахунку деформацій особливих ґрунтів.

Для визначення механічних характеристик ґрунтів звичайно проводять лабораторні та польові випробування. У лабораторних умовах характеристики міцності й деформативності визначають згідно з ДСТУ Б В.2.1-4-96 (ГОСТ 12248-96). Для цього використовують зразки ґрунту відносно невеликих розмірів, відібрані на майданчику з шурфів і свердловин. Вони повинні відповідати умовам природного залягання й називаються зразками непорушеної структури. Для дослідження основ із наведеними (штучно зміненими) властивостями, наприклад у результаті ущільнення чи закріплення, зразки ґрунту спеціально готують, зокрема із заданою щільністю сухого ґрунту, вологістю, вмістом реагенту тощо. їх називають зразками порушеної структури.

Польові дослідження механічних характеристик ґрунтів звичайно значно дорожчі та трудомісткі порівняно з лабораторними, але забезпечують повну відповідність ґрунту умовам його природного залягання, іноді (за неможливості відбору зразків без істотного порушення природного стану, наприклад для водонасичених пісків, текучих глинистих ґрунтів; випробуваннях тріщинуватих скельних порід у масиві тощо) вони є єдиним способом отримання характеристик механічних властивостей.

І нарешті, необхідною вимогою таких випробувань є відповідність напружено-деформованого стану та умов деформування ґрунту в них тим, що мають місце в основі фундаментів чи тілі ґрунтових споруд. Це досягають вибором відповідних схем випробувань і режимів проведення дослідів.

2) Характеристики стисливості ґрунтів. Закон ущільнення ґрунту.

Ущільнення ґрунтів поєднує в собі кілька фізичних процесів, зокрема зміну об'єму пор, стиснення твердих часток, води газів, що містяться в порах, деформації плівок зв'язної води, розчинення газів у поровій воді, взаємне зміщення та руйнування структурних агрегатів. Деформації твердих часток ґрунту, плівок зв'язної води, газів і води, якщо вони не мають вільного виходу на поверхню, при звичайних напруженнях в основах фундаментів незначні й практично миттєво відновлюються після зняття навантаження, тобто вважаються пружними. Таким чином, можна вважати, що деформації стиснення виникають тільки за рахунок зменшення об 'ему пор ґрунту.

У лабораторних умовах показники стисливості ґрунтів звичайно визначають шляхом їх ущільнення під статичним навантаженням без можливості бічного розширення (в жорсткому кільці). При такому завантаженні деформації розвиваються тільки в одному напрямі і такий напружений стан називається компресійним стиском. Дослідження виконують у компресійному приладі {одометрі). Схема одометра показана на рис. 4.4. Зразок ґрунту 1, розміщений у металевому кільці 2, встановлюється на днище 3. Зверху на зразок через штамп 5 ступенями передають навантаження F, яке викликає напруження σ = F/A, де А - площа поперечного перерізу зразка. В днищі та штампі є тонкі отвори 4, що забезпечують відтік порової води при стисненні зразка ґрунту чи, навпаки, постачання її в ґрунт за необхідності, наприклад при дослідженні просадкових властивостей ґрунту тощо. Під дією сили штамп отримує вертикальні переміщення - осідання, величину яких фіксують індикаторами годинникового типу 6, установленими на штампі приладу. Щоб зменшити вплив сил тертя зразка ґрунту об стінки металеве днище кільця, діаметр його повинен не менше ніж у три рази перевищувати його висоту.

Рис. 4.4. Схема одометра для компресійних випробувань ґрунтів: 1 - зразок ґрунту: 2 — металеве кільце: 3 — днище; 4 — тонкі отвори; 5 — штамп; 6 — індикатори годинникового типу.

Випробування виконуються шляхом прикладення навантаження ступенями і вимірювання одержаних деформацій. Ступінь навантаження приймається 0,01—0,1МПа (залежно від природного стану ґрунту). Навантаження на кожному ступені витримуються до стабілізації деформації, наприклад за ДСТУ Б В.2.1-4-96: 0,01 мм за останні 4 го­дини спостережень для пісків, 16 годин - для глинистих і 24 години для органо-мінеральних та органічних ґрунтів. Після чого прикладається додаткове навантаження. Зростання навантаження приводить до зменшення коефіцієнта пористості ґрунту.

Оскільки зразок ґрунту в кільці не має можливості бічного розширення. зміну його пористості Dn_i під тиском p_i „ розподіленимпо площі А, знайдемо з виразу

Dn_i = Dh_i A/ hA = Dh_i / h

де h— висота зразка; Dh —деформація від тиску p (див. рис 4.4а).

Об'єм твердих частинок у зразку ґрунту до і після деформації буде незмінним, тому об'єм твердих частинок в одиниці об’єму зразка дорівнюватиме

m=1/(1+e₀),

де e₀ — початковий коефіцієнт пористості ґрунту.

Поділивши вирази одержимо вираз для визначення зміни коефіцієнта пористості ґрунту Δе під дією тиску р_і:

De_і = (1+e₀)Dh_i / h

Урахувавши De_i для, одержимо остаточні значення коефіцієнта пористості e_i при тискові р_і:

e_i = e₀ – (1 + e₀)Dh_i/ h

За цією формулою можна розрахувати значення коефіцієнта пористості для будь-якого прикладеного тиску. Після одержання значень при різних тисках можна побудувати графічну залежність e_i=f(р_і), що має назву компресійної кривої. Загальний вигляд компресійних кривих показаний на рис. 4.5, а. При зростанні тиску коефіцієнт пористості зменшується (лінія навантаження, або компресії – крива 1 на рис 4.5,а). Якщо навантаження поступово зменшувати, то зразок частково відновить деформацію і коефіцієнт пористості зросте (лінія розвантаження, або декомпресії – крива 2 на рис. 4.5,а). Первинна висота зразка після розвантаження не буде повністю відновлена, тому що при декомпресії відновлюються тільки пружні деформації ε^е (рис. 4,5, а), а остаточні деформації ε^р необоротні.

Рис. 5.2. Компресійні криві: а — загальний вигляд; б — розрахункова схема для визначення коефіцієнта відносної стисливості; 1 - навантаження; 2 — розвантаження;

На рис. 4.5, а можна спостерігати ділянку компресійної кривої, в межах якої залежність між коефіцієнтом пористості і навантаженням близька до лінійної. Межа цієї ділянки відповідає так званій структурній міцності ґрунту р_str, що зумовлена зв'язками між частками й надає скелету ґрунту здатність витримувати певне навантаження до початку руйнування його каркасу. При навантаженнях, менших за р_str, у ґрунті розвиваються лише пружні деформації, а за досягнення навантаження структурної міцності починається руйнування скелета, що супроводжується перекомпонуванням часток, ущільненням ґрунту та зменшенням його коефіцієнта пористості. Значення структурної міцності ґрунту можна отримати з компресійної кривої, якщо вести навантаження малими ступенями (0,002-0,01 МПа). Різкий перелом лінії компресії буде відповідати структурній міцності ґрунту.

Якщо обмежитися незначною зміною тиску (0,1—0,3 МПа), що звичайно має місце в основах споруд, то криву можна замінити прямою лінією (рис. 4.5, б). Тангенс кута нахилу відрізка компресійної кривої до осі тисків є кількісною мірою стисливості ґрунтуі має назву коефіцієнта стисливості m₀:

m₀ = tga = (e₁ – e₂)/(p₂ – p₁),

або e₁ – e₂ = m₀(p₂ – p₁)

Продиференціювавши рівняння, одержимо

de= - m₀dp

Одержане співвідношення має важливе значення в механіці ґрунтів і є основою таких фундаментальних положень,як принцип лінійної деформованості та консолідація ґрунту.

Рівняння відображає закон ущільнення ґрунту, який формулюється так: нескінченно мала зміна об'єму пор ґрунту прямо пропорційна нескінченно малій зміні тиску.

При розрахунках осідань ґрунтів часто використовують так званий коефіцієнт відносного ущільнення (відносної стисливості):

m_ν = m₀(1 + e)

Одержані показники відповідають стисненню ґрунтів без можливості бічного розширення. Насправді ґрунт основи має можливість для горизонтального переміщення та випирання.

Для врахування цієї невідповідності використовують компресійний модуль деформації

E = b/ m_ν

де b — коефіцієнт, що враховує бічне розширення і залежить від виду ґрунту в компресійному приладі і який визначають за формулою:

,

де ν - - коефіцієнт поперечної деформації ґрунту (коефіцієнт Пуассона), що за своєю фізичною природою являє собою відношення абсолютних величин поперечних і поздовжніх деформацій зразка при одноосьовому стисненні без обмежень бічного розширення і який визначають за результатами його випробувань у приладах трьохосьового стиснення. У разі відсутності експериментальних даних ДСТУ Б В.2.1-4-96 допускає приймати ν рівним: 0,30-0,35 - для пісків і супісків; 0,35-0,37 - для суглинків; 0,2-0,3 при I_L<0; 0,3-0,38 при 0< I_L <0,25; 0,38-0,45 при 0,25< I_L <1,0 - для глин. При цьому менші значення ν приймають при більшій щільності ґрунту. Для звичайних грунтів E =5...50 МПа.

Найбільше реальному напружено-деформованому станові зразка в масиві відповідають випробування у приладах трьохосьового стиснення (стабілометрах). При цьому зразки ґрунту мають циліндричну чи іноді кубічну форму. Принципова схема стабілометра зображена на рис.4.9, а, а напруженого стану зразка ґрунту у ньому - на рис. 4.9, б. Циліндричний зразок ґрунту 1 висотою h у гумовій оболонці 2 спершу піддають бічному стисненню від рідини 3, що заповнює робочу камеру приладу, створюючи в ґрунті бічне напруження σ₂ = σ₃. Потім через шток 4 до поршня 5 ступенями прикладають вертикальне навантаження F, створюючи в зразку нормальне напруження σ₁. Виміри тиску в камері стабілометра виконують манометром, а абсолютні вертикальні деформації зразка Ah, — індикаторами. Напруження σ₁ називають максимальною головною, а σ₂ та σ₃ - мінімальними головними. Збільшуючи σ₁ можна досягти руйнування зразка або у вигляді зсування за нахиленою поверхнею, або шляхом суттєвого розширення в боки зі зменшенням висоти. За результатами випробувань ґрунтів у стабілометрі визначають як їх характеристики деформативності, так і міцності.

За результатами випробувань будують рафік залежності відносної вертикальної деформації зразка ε₁ від напружень σ₁, приклад котрого подано на рис. 4.9, в, графік має лінійну ОА та нелінійну АВ ділянки. Координати точки А при цьому: Δε₁ і Δσ₁.

Модуль деформації ґрунту за результатами випробувань його зразка в умовах трьохосьового стиснення дорівнює Е = Δσ₁ / Δε₁. За даними випробувань ґрунту в умовах трьохосьового стиснення можуть бути визначені і його інші деформаційні характеристики: модуль зру шення G та модуль об'ємної деформації К. Ці величини функціонально пов'язані з модулем деформації й коефіцієнтом Пуассона:

; .

Рис. 4.9. Схеми приладу трьохосьового стиснення (стабілометра) (а) та напруженого стану зразка ґрунту в ньому (б) і графік залежності відносної вертикальної деформації зразка ґрунту ε₁ від напруги σ₁ зa результатами випробувань ґрунту в стабілометрі.

Найбільш достовірними і водночас високовартісними методами визначення деформаційних характеристик нескельних ґрунтів є польові випробування їх статичними навантаженнями в шурфах чи котлованах горизонтальними штампами площею 2500-5000 см², а також у свердловинах гвинтовими штампами площею 600 см².

Випробування у шурфах га свердловинах здійснюють за допомогою установок різної конструкції. На рис.4.10а показана установка для проведення статичних випробувань ґрунтів штампами в шурфах розпірної конструкції.

Випробування ґрунту статичними навантаженнями проводять шляхом створення тиску на ґрунт кількома (7-10) ступенями. Величина ступенів тиску залежно від виду ґрунту та його стану приймається від 0,025 до 0,1 МПа. На початку випробування ґрунт попередньо ущільнюють тиском, що дорівнює тиску від власної ваги ґрунту σ_zg на даній глибині, але не меншим 0,05 МПа. Тиск попереднього ущільнення також прикладають ступенями. Кожен ступінь тиску витримують до стабілізації осідання штампа. Стабілізація вважається досягнутою, якщо прирощення осідання за 1 год для великоуламкових і піщаних ґрунтів та за 2 год для глинистих не перевищує 0,1 мм. У процесі досліду величину осідання штампа заміряють за допомогою двох прогиномірів. їх з'єднують із штампами сталевим дротом діаметром близько 0,3 мм. Для розрахунку беруть середнє арифметичне з двох замірів.

За наслідками випробувань складають графік, що відображає залежність осідання від тиску (рис. 4.10, б). Цей графік потрібний для визначення модуля деформації. Модуль деформації визначають у межах тієї ділянки графіка, де мас місце лінійна залежність осі дання від тиску. Для виділення цієї ділянки через дослідні точки графіка проводять осереднюючу пряму. При цьому розкид точок відносно прямої повинен бути рівномірним. За початкові значення тиску й осідання приймають тиск р₁, що дорівнює σ_zg, і відповідне йому значення осідання S₁. За кінцеві значення тиску й осідання беруть значення, що відповідають останній точці лінійної залежності. Якщо ж виявиться, що при тиску р_n прирощення осідання штампа вдвічі більше за прирощення осідання в попередньому ступені, то за кінцеві значення тиску та осідання приймають значення, котрі відповідають попередній точці. Для обчислення модуля деформації, МПа. використовують формулу:

,

де ω - безрозмірний коефіцієнт, прийнятий для круглого жорсткого штампа 0,8; ν - коефіцієнт бічного розширення (коефіцієнт Пуассона); b -діаметр штампа, см²; Δр -прирощення тиску, МПа, Δр = р_n- p₁; ΔS - прирощення осідання штампа, см, ΔS = S_n – S₁. Модуль деформації визначається з точністю до 0,1 МПа.

Рис. 4.10 Схема установки для випробування фунту штампом розпірної конструкції у шурфі: а – загальний вигляд установки; б – графік залежності осідання штампу від тиску; 1 - штамп; 2 - домкрат для навантаження штампа; 3 - гвинтові упори; 4 - домкрат для горизонтального розпору; 5 - вінцеве кріплення; 6 - реперна система; 7 - прогиномір; 8 – дріт;

3) Характеристики міцності ґрунтів. Закон Кулона.

Дата добавления: 2014-01-04