Деформационные свойства дисперсных грунтов

Как известно, под действием давления грунт деформируется. Характер и величина деформации зависят от природы грунта, способа нагружения и граничных условий деформирования грунта. Деформационные свойства грунтов определяют следующие основные природные факторы: 1) структура и текстура; 2) состав и концентрация порового раствора; 3) химико-минералогический состав скелета грунта; 4) температура окружающей среды. Влияние тех или иных природных факторов на деформируемость грунтов зависит главным образом от структуры грунта, т.е. от дисперсности, плотности и расположения частиц в пространстве и связей между частицами. В зависимости от способа нагружения грунта различают деформации при статическом (ступенчатом), ударном и динамическом способах приложения давления. Наиболее часто деформационные свойства грунтов оснований сооружений определяют при статическом нагружении. В особых случаях деформационные свойства грунтов определяют при действии ударной нагрузки (трамбование, взрыв и т.п.), при вибрации, а также при воздействии гидростатического, главным образом отрицательного (капиллярного) давления, возникающего при водопонижении в дисперсных грунтах.

Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, обусловленной смещением частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор, вследствие деформации частиц породы, воды, газа. При определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой характеристике показателей относятся коэффициент уплотнения, коэффициент компрессии, модуль осадки, ко второй – коэффициент консолидации.

Деформационные свойства грунтов определяют как в лабораторных условиях на образцах с нарушенными или ненарушенными структурными связями, так и в полевых условиях. Лабораторные испытания до настоящего времени являются основным методом изучения свойств грунтов, так как позволяют сравнительно просто передавать различные давления на грунт, исследовать поведение грунта в широких диапазонах изменения физического состояния и условий окружающей среды, моделировать сложные случаи работы грунта в основании или теле сооружений. Полевые методы испытания позволяют более правильно отразить влияние текстурных особенностей грунта на его деформируемость.

Для исследования сжимаемости грунтов в полевых условиях применяют прессиометр — прибор, основанный на обжатии и измерении деформации грунта, находящегося в стенках необсаженной скважины, и определении модуля сжимаемости.

20. К основным характеристикам прочностных свойств грунтов относятся: сопротивление сдвигу грунта по грунту и по поверхностям смерзания; сопротивление сжатию, растяжению; сцепление и угол внутреннего трения, эквивалентное сцепление.

Различают простое и сложное напряжённые состояния в грунте.

Простое напряжённое состояние соответствует проявлению одного из видов напряжений: сжатия, растяжения, сдвига. Напряжённое состояние в массиве грунта, соответствует сложному напряжённому состоянию, когда проявляются одновременно при различном сочетании все виды простых напряжённых состояний.

Они позволяют прогн-ть осадки сооружений, определять устойчивость пород в их основании, а при конструировании фундаментов предельно использовать несущие способность грунтов. Показателями, выраж-щие сопротивление пород сдвигу, дают возможность проектировать заложение откосов плотин, насыпей, дамб, бортов карьеров с минимальным объемом земляных работ, определять устойчивость склонов и оползней, определять рац-е сечение и устойчивость различных сооружений в т.ч. бетонных плотин. Сжимаемостью породы называют ее способность к уменьшению объема под воздействием нагрузки. При сжатии породы вертикальной нагрузкой в условиях свободного бокового расширения при одноосном сжатии относительной деформацией (е) называют отношение величины абсолютного уменьшения нагруженного образца (Δh) к его начальной высоте (h₀) е=Δh/h₀ Зависимость между напряжением (δ) и величиной относ-й деформации (е) при нагрузках меньше предела пропор-сти определяется выражением: δ=Ее (Е – модуль упругости)..

Сопротивление сдвигу. Прочностные свойства пород определяются рядом показателей, относящихся к категории прямых расчетных показателей. Прочность пород характеризуется способностью сопротивляться сдвигающим усилиям (сопротивление к сдвигу). Сдвигом называется процесс деформации и разрушения породы вследствие смещения одной ее части относительно другой. Сдвиг по данной площадке вызывается касательным напряжением к ней. Сопротивление сдвигу зависит от величины вертикальной нагрузки, приложенной к образцу. Прочность пород оценивается в основном по теории Мора, согласно которой разрушение тела происходит при определенном предельном соотношении нормальных и касательных напряжений.

Определение прочностных и деформационных характеристик выполняются как в лабораторных, так и в полевых условиях, при простом и сложном напряжённом состояниях. Основными видами испытаний являются: одноосное сжатие; разрыв; сдвиг; кручение; компрессия; осесимметричное трёхосное сжатие вертикальной и радиальной нагрузкой; осесимметричное трёхосное сжатие с кручением; осесимметричное сжатие полого цилиндра с кручением; трёхосное сжатие с независимым заданием всех трёх главных направлений; динамометрическое испытание в релаксационно-ползучем режиме.

21. Реол. св-ва грунтов. При инженерно-геологической оценке пород эти свойства имеют весьма важное значение. Однако роль каждого из них при этом неодинакова, что зависит от состава пород.1) Водоустойчивость. Определение водоустойчивости наиболее важно при оценке глинистых пород, которые под воздействием воды теряют связность и изменяют консистенцию или размокают и распадаются. Скорость и характер размокания характеризуют водоустойчивость.Некоторые разности глинистых пород при увлажнении сильно набухают, причем объем их увеличивается на 25-30%. Изменение свойств глинистых пород происходит не только при увлажнении. Высыхание влажных глинистых пород иногда сопровождается их растрескиванием, изменением монолитности, уменьшением объема (усадкой). Вода, воздействуя на породы, может также растворять, выщелачивать водорастворимые части и тем самым изменять их свойства. 2) Влагоемкость. Под влагоемкостью породы понимается ее способность в вмещать и удерживать определенное количество воды. В соответствии с этим различают породы: влагоемкие (глины, суглинки), среденевлагоемкие (скпеси, пески м/з,с/з, пылеватые) и невлагоемкие (пески с/з, к/з, гравий и т.д.). Применительно к породам невлагоемким следует говорить об их водоемкости. У влагоемких пород различают полную, капиллярную и молекулярную Влагоемкость. Полной влагоемкости полное насыщение породы водой, т.е. заполнение всех ее пор. Сравнивая естественную влажность породы с влажностью, соответствующей полной влагоемкости судят о степени ее водонасыщения. Капиллярной влагоемкости соответствует не полное насыщение породы водой, а такое, когда водой заполнены только капиллярные поры. Под молекулярной влагоемкостью понимается способность пород удерживать определенное количество физически связанной воды. Максимальное количество физически связанной воды, которое может удержать порода на поверхности своих частиц называется максимальной молекулярной влагоемкостью. Из песчаных пород насыщенных водой не вся вода может вытекать свободно, а только та часть, которая подчиняется силе тяжести. Способность песчаных и других обломочных пород, насыщенных водой, отдавать ее путем свободного стекания, характеризует их водоотдачу. Такой способностью обладают невлагоемкие породы. Водоотдача пород примерно равна разности между полной их влагоемкостью (W_п) и максимальной молекулярной: W_отд=W_п -W _м Характеристика водоотдачи пород имеет важное значение при решении многих практических вопросов, например при проектировании дренажей, притоков воды в котлован и т.д. 3) Капиллярность. При значительном повышении влажности песчаных и особенно глинистых пород понижаются их строительные качества. Увлажнение воды может быть обусловлено инфильтрацией воды с поверхности земли или поступлением ее снизу из какого-либо водоносного горизонта под влиянием напора капиллярных сил. Капиллярные силы образуют капиллярную зону над уровнем грунтовых вод, в пределах которой наблюдается повышенное увлажнение или насыщение пород. При интенсивном испарении капиллярных вод происходит засоление почв, образование солончаков. Известно, что максимальная высота капиллярного поднятия в т/з и м/з песках может достигать 1,5-2,0 м, в глинистых породах 3-4 м. В грубозернистых породах она мала и практического значения не имеет. 4) Водопроницаемость. К числу основных водных свойств пород относится водопроницаемость, т.е. способность пропускать через себя воду под действием напора. Данные, характеризующие водопроницаемость рыхлых обломочных и глинистых пород, имеет широкое применение в практике для определения притоков в строительные котлованы, подземные выработки, способов осушения и т.д. Водопроницаемость песков, галечников и др. рыхлых отложений зависит от их пористости и скважности. Глинистые породы при небольших напорах очень слабопроницаемы, т.к. размер пор в них мал. Движение воды и других жидкостей через пористые среды (породы) называется фильтрацией. Следовательно, водопроницаемость песчаных и глинистых пород – это их фильтрационная способность. Мерой водопроводимости горных пород служит коэффициент фильтрации. В инженерно-геологической практике пользуются главным образом скоростным выражением коэффициента фильтрации, исходя из уравнения v=K_фI_(k). Если I=1, то v=K_ф м/сут, см/сут.

В глинистых породах эффективная пористость всегда значительно меньше общей пористости и часто равна нулю, т.к. поровое пространство в значительной мере занято физически связной водой.

22. Релаксация. При нагружении постоянной силой F возникают деформации,

развивающиеся во времени. Для прекращения развития этих деформаций необходимо уменьшать силу по некоторому закону F(t).Уменьшение во времени напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации называется релаксацией(расслаблением) напряжений. С позиции статистической физики релаксацию можно рассматривать как процесс установления статистического равновесия в физической системе, когда микроскопические величины, характеризующие состояние системы (напряжения), асимптотически приближаются к своим равновесным значениям. Характеристикой явления расслабления напряжений является время релаксации, равное времени за которое напряжение уменьшается в e раз, которое характеризует продолжительность «осёдлой жизни» молекул, т. е. определяет подвижность материала. Время релаксации различно у разных тел. Для скальных грунтов время релаксации изменяется сотнями и тысячами лет, ДЛЯ стекла — ОКОЛО ста лет, а для воды — 10-11 с. Например, горные породы, формирующие земную кору, обладают временем релаксации измерямым тысячелетиями, у воздуха 10-10, у воды 10-11, у льда сотни секунд. Если продолжительность действия сил на грунт меньше периода релаксации, то будут развиваться в основном упругие деформации.

Таким образом, в пределах 100-1000 секунд лёд ведёт себя как упругое тело (например, хрупко разрушается при ударе в условия большой нагрузки). При уменьшении нагрузки лёд течёт как вязкая жидкость. Аналогичное поведение - хрупкое разрушение при быстром приложении нагрузки и вязкое течение при длительном воздействии нагрузки–отчётливо проявляется у мёрзлых грунтов.

Если же время действия силы на грунт превышает время релаксации, то в грунте возникают необратимые деформации ползучести и течения. Иными словами, в зависимости от отношения времени действия силы ко времени релаксации тело будет вести себя как твердое или как жидкое. Период релаксации является" основной константой, объединяющей свойства твердых и жидких тел. Величина времени релаксации может быть определена из отношения вязкости г| к модулю упругости (сдвига): Для твердообразных тел, к которым относятся дисперсные и скальные грунты, характерно наличие предельного напряжения сдвига Хк, называемого пределом текучести и совпадающего с пределом упругости.

23-24. Основные физико-химические свойства грунтов. К этим свойствам относятся свойства, которые проявляются в результате физико – химического взаимодействия между компонентами грунтов. К ним относятся коррозионные свойства грунтов, диффузионные, осмотические, адсорбционные, а также липкость, пластичность, набухание, размокание, усадка и другие свойства пород. Коррозионные свойства: коррозией называется процесс разрушения материалов в следствие их химических, электро – химических или био – химических взаимодействий с окружающей средой. Подземная коррозия выражается в разрушении строительных металлических материалов, сооружений и трубопроводов при их взаимодействии с грунтами. Основными причинами подземной коррозии являются: 1) воздействие грунтовой влаги на металлическую конструкцию; 2) явление электролиза. Эти явления возникают вокруг трубопровода, а также на участках, где используют трамвайное и железно – дорожное движение. Подобное разрушение возникает в грунтах, в результате воздействия блуждающих электрических токов на воду – солевой раствор в порах грунта, который в следствии такого взаимодействия станет агрессивным электролитом CISO4; 3) действия находящихся в грунтах микроорганизмов, вызывающие биокоррозию. В целом коррозия грунтов зависит от многих факторов. К основным относятся химический состав грунтов и в первую очередь состав и количество растворенных солей, а также влажность грунтов, содержание в них газов, структуры грунтов, их электропроводность и наличие бактерий. Диффузия (от лат. Diffusion - распространение, растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения концентраций частиц данного сорта в среде. Осмос (от греч. Osmos – толчок, давление), односторонний перенос растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации. Диффузия и осмос ведет к перераспределению ионов вещества и молекул воды и наиболее вещественно проявляются в глинистых грунтах. Осмос в глинах может может вызвать деформации набухания или усадки. Например, если поместить засоленный глинистый грунт в пресную воду, то произойдет осмотическое всасывание воды и как результат набухание грунта. На практике такое набухание может происходить в различных каналах, проложенных в засоленных грунтах после их затопления пресной водой. Если будет иметь место обратное соотношение концентраций, то есть раствор в грунтах будет более пресный, чем в канале, то произойдет осмотический отсос воды из грунтов в результате их усадки. Адсорбция грунтов называется их способность поглощать из проходящих растворов определенные частицы или элементы вещества. Существуют несколько видов адсорбций: механическая (задерживание частицы за счет конфигурации пор); физическая (за счет молекул взаимодействующих между частицами из раствора и поверхностных пор); химическая (за счет химических взаимодействий); биологическая (за счет действия растений и различных микроорганизмов). Отдельные виды адсорбции могут проявляться совместно (физико – химическая адсорбция).

25. Усадка грунта. Усадкой грунта называется уменьшение его объема в результате удаления воды при высыхании или под влиянием физико-химических процессов (осмос и др.). В результате усадки грунт становится плотнее и после высыхания — даже твердым. Уплотнение глинистого грунта при усадке увеличивает его сопротивление деформациям, но наличие трещин, обычно сопровождающих усадку, повышает водопроницаемость и уменьшает устойчивость поверхностного слоя грунта в откосах. В условиях сухого и жаркого климата усадочные трещины разбивают массив глинистого грунта на глубину до 7—8 м и больше.В максимальной степени усадка проявляется в глинах; другим связным породам она свойственна меньше.

Липкость грунта проявляется при влажности, большей, чем Wm; наибольшего значения она достигает у глинистых грунтов. Липкость глин растет с увеличением внешнего давления и уменьшением влажности, ее максимальное значение в большинстве случаев достигается при максимальной молекулярной влагоемкости. Липкость грунта зависит от категорий воды, содержащейся в грунте, особенностей его химико-минеральной части, площади контакта грунта с предметом и др. Величина липкости глинистых грунтов при определенном соотношении их особенностей с внешними факторами может достигать 0,02—0,05 МПа. Поэтому липкость грунта является одним из факторов, определяющих условия работы ковшов, дорожных и почвообрабатывающих машин. Прилипание грунта к поверхности землеройных и транспортных машин и механизмов вызывает снижение их производительности при выполнении вскрышных работ на карьерах, при разработке котлованов и т.д.

Водопрочность — это способность грунтов сохранять механическую прочность и устойчивость при взаимодействии с водой. Взаимодействие пород с водой может быть статическим и динамическим: воздействие спокойной воды вызывает явления набухания и размокания, гидродинамическое воздействие — процесс размыва.

Размокаемость — это способность глинистых пород при впитывании воды терять связность и превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Интенсивность процесса размокания зависит от характера структурных связей, состава и состояния грунтов. Скорость и интенсивность размыва зависят как от характера водного воздействия, так и от реакции породы на данное воздействие — размываемости. Резкое изменение водопрочности (например, в результате выветривания) может привести к значительному снижению несущей способности грунтов оснований сооружений и к возникновению обвальных и оползневых явлений в бортах строительных котлованов и глубоких карьеров.

Размываемость чаще всего оценивается коэффициентом сопротивляемости горных пород размыву.

Пластичностью грунтов называется способность их изменять свою форму (деформироваться) без разрыва сплошности в результате внешнего воздействия и сохранять полученную при деформации новую форму после того, как внешнее воздействие прекращается. Пластичные свойства грунтов тесно связаны с влажностью и изменяются в зависимости от количества и качества находящейся в грунте воды. Переход глинистой породы из одной формы консистенции в другую совершается при определенных значениях влажности, которые получили название характерных влажностей или пределов. В инженерно-геологической практике наибольшее распространение получили верхний и нижний пределы пластичности. Пределы пластичности и число пластичности широко используются при классификации глинистых грунтов, определении расчетных сопротивлений грунтов и приблизительной оценке устойчивости грунтов в котлованах, выемках и т. д.

Набуханием грунта называется увеличение его объема при взаимодействии с водой. Набухание грунтов часто наблюдается при проходке котлованов и выемок и приводит к деформации крепи, полотна дорог, фундаментов и пр. Для определения набухания предложено несколько способов, которые могут быть объединены в пять групп, основанных на оценке набухания: 1) по теплоте набухания; 2) по давлению набухания; 3) по объему осадка, седиментированного в жид кости; 4) по количеству (объему или весу) воды, вызвавшей набухание; 5) по приросту объема грунта при набухании.

Наибольшее распространение в практике инженерно-геологических работ получил способ изучения набухания по приросту объема грунта в процессе насыщения его водой (в том виде, как он разработан А. М. Васильевым).

26. Движение воды и других жидкостей через пористые среды (породы) называется фильтрацией. Следовательно, водопроницаемость песчаных и глинистых пород – это их фильтрационная способность. Мерой водопроводимости горных пород служит коэффициент фильтрации. В инженерно-геологической практике пользуются главным образом скоростным выражением коэффициента фильтрации, исходя из уравнения v=K_фI_(k). Если I=1, то v=K_ф м/сут, см/сут. Скорость движения воды через пористые среды (горные породы) прямо пропорциональна гидравлическому градиенту, т.е. отношению действующего напора к длине пути фильтрации. Это важнейший закон водопроницаемости песчаных и глинистых пород – закон ламинарной фильтрации.

Скорость движения воды определяется также уравнением: v=Q/F (Q – количество фильтрующейся через породу воды, м³; F – площадь поперечного сечения, м², через которое фильтруется вода). Так как движение воды происходит только по порам, то действительная скорость фильтрации (исходя меньшей площади действительного сечения породы) больше. Действительный коэффициент фильтрации: K_фд=K_ф/n (n – пористость). Действительный коэфф-нт фильтр-и иногда называется коэф-том скорости фильтрации. В песчаных породах К_фд всегда больше коэффициента фильтрации, опред-го непосредственно в лаб-ых усл-ях. В глинистых породах эффективная пористость всегда значительно меньше общей пористости и часто равна нулю, т.к. поровое пространство в значительной мере занято физически связной водой. В строительстве фильтрационные свойства грунта (его водопроницаемость) связаны: 1. С инженерными задачами (фильтрация берегов в результате строительства плотин). 2. С вопросами временного понижения уровня грунтовых вод (У.Г.В.) для осушения котлованов. Лабораторный прибор для определения фильтрационных свойств грунтов представляет собой сосуд с пористым днищем (см. схему), в который помещается песок. Сверху заливается вода и измеряется ее расход (фильтрация через образец песка) с различными интервалами времени. Если в глинистом грунте создается гидравлический градиент меньше начальной величины, фильтрации в грунте нет и такой грунт является водоупором. Фил-ные хар-ки грунтов используются при: 1.Расчёте дренажа. 2.Определении дебита источника подземного водоснабжения. 3.Расчёте осадок сооружений (оснований) во времени. 4.Искусственном понижение У.Г.В. 5.Расчёте шпунтового ограждения при откопке котлованов, траншей.

Отметим ряд особенностей, хар-х для вечномерзлых грунтов после их оттаивания:

- Максимальные значения водопроницаемости отмечены в зонах тектонического дробления, причем затухания с глубиной не наблюдается, что объясняется большим содержанием льда, вызванного распучиванием дисперсного заполнителя. После вытаивания льда образуются мощные фильтрационные ходы.

- Водопрониц-ть вечномерзлых грунтов после их оттаивания обычно переменна во времени, поскольку находится под воздействием двух противоборств-х факторов. С одн стороны, пустоты, только что образовавшиеся в распученном массиве после вытаивания льда, стремятся к закрытию под действием веса вышележащих грунтов или нагрузок от сооружений, вследствие чего водопрон-ть должна уменьшаться. С другой стороны, тонкодисперсный заполнитель, который после вытаивания льда не обладает структурой, обеспеч-й его фильтр-ю прочность, способен размываться фил-ным потоком. Это влечет за собой увеличение водопр-сти пород. Фильтр-ю способность вечномерзлых пород оценивают по рез-там опытных работ на предварительно оттаянных участках или косвенными методами. К косв-м методам оценки водопр-сти вечномерзлых грунтов относятся: расчетные; сравнения зависимостей показателей водопрон-сти от трещиноватости для талых и мерзлых грунтов; воздушного опробования скважин; геофизические. Все эти методы носят оценочный характер.