Грунт как объект исследования и его свойства

В соответствии со строительной классификацией грунты подразделяются на скальные, крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые. Скальные грунты детально изучаются в связи со строительством подземных горных выработок в курсе «Механика горных пород». В механике грунтов предметом исследований являются последние три вида грунтов. При этом крупнообломочные и песчаные грунты объединяются в группу несвязных или сыпучих грунтов, а пылевато-глинистые грунты рассматриваются как связные. С позиций общей механики грунт (рис. 1.1) представляет собой сложную термодинамическую систему, которая по принятой классификации является многофазной и неоднородной. В составе объема грунта присутствуют вещества в трех фазовых состояниях: минеральные частицы (твердая фаза); грунтовая вода (жидкая фаза); газ и пар (газообразная фаза). Минеральные частицы могут иметь размеры от десятков миллиметров до долей микрона. Это порождает большое разнообразие видов грунта, существенно отличающихся своими свойствами. Пространство между минеральными частицами, заполненное водой, газом или паром, называют порами. Давление в порах называют поровым давлением. Оно может относиться исключительно к воде, если все поры заполнены водой, исключительно к газу при отсутствии воды в порах или к поверхности раздела фаз «вода – газ (пар)». Газ и пар могут также содержаться в пузырьках или в растворенном (газ) в воде виде. Систему минеральных частиц, составляющих грунт, называют его скелетом. Между минеральными частицами грунта могут существовать цементационные или коллоидные связи, прочность которых определяет степень связности грунта. Природа этих связей, называемых структурными, как и любых связей в твердом теле, электрическая. Микроскопические свойства грунта, включая взаимодействия составляющих его компонентов на молекулярном уровне, изучаются в курсе «Грунтоведение». Если напряжения в скелете грунта не превышают прочности связей между минеральными частицами (эта прочность называется структурной), скелет деформируется упруго. Напряжения в скелете в общем случае не совпадают с поровым давлением. Сопротивление грунта нагружению определяется суммой напряжений в скелете и порового давления.

В зависимости от температуры и давления компоненты, составляющие грунт, могут претерпевать процессы фазовых переходов. Например, при низких температурах грунтовая вода может частично переходить в лед (твердая фаза). При извлечении образца грунта с большой глубины происходит его упругое расширение в связи с уменьшением напряжений на поверхности выделенного объема до нуля. Расширение грунта может привести к отрицательному (по сравнению с атмосферным) значению порового давления. В результате этого могут протекать процессы газовыделения из поровой воды и превращения части поровой воды в пар (парообразование). Наоборот, при повышении порового давления могут наблюдаться процессы газорастворения и конденсации пара. Эти процессы существенно зависят от температуры и учитываются при расчетах гидротехнических сооружений.

Грунт является открытой термодинамической системой в отношении процессов массопереноса (воды или минеральных частиц). Явление массопереноса в форме движения поровой воды учитывается в теории фильтрационной консолидации грунтов (выдавливание воды из пор при уменьшении их объема под действием нагрузки). Явление массопереноса в форме перемещения минеральных частиц грунта учитывается при изучении суффозионных процессов в грунтах (вымыв из грунта компонентов скелета под воздействием фильтрационного потока). Минеральные частицы специфических грунтов, а также связи между ними могут состоять из растворимых солей. В этом случае миграция поровой воды может приводить к химической суффозии (растворение и перенос вещества в растворенном виде). Присутствие в поровой воде растворов солей, кислот и щелочей делает ее агрессивной по отношению к конструкциям фундаментов.

Отмеченные здесь особенности поведения грунтов при изменении давлений и температуры изучаются в специальных разделах механики грунтов. Классическая механика грунтов основана на ряде следующих допущений:

а) грунт деформируется как квазиоднородное упругое тело, если напряжения в скелете грунта не превышают его структурную прочность;

б) поровая вода является несжимаемой;

в) присутствие в порах газа и пара не оказывает существенного влияния на процесс деформирования грунта;

г) сжимаемость минеральных частиц грунта пренебрежимо мала;

д) деформируемость грунта под нагрузкой обусловлена, в основном, переупаковкой скелета после разрушения структурных связей, приводящей к изменению объема пор.

Дата добавления: 2014-01-07