28

2.1.2. Составные элементы грунтов В состав природных грунтов входят разнообразные элементы, которые

можно объединить в следующие три группы: 1) твёрдые минеральные частицы; 2) вода в различных видах и состояниях; 3) газообразные включения. Кроме того, в состав некоторых грунтов входят органические и органо-

минеральные соединения, также влияющие на физические свойства грунтов. Свойства этих компонентов, их количественные соотношения, а также

электромолекулярные, физико-химические, механические и прочие взаимодей-ствия между компонентами и агрегатами определяют природу грунтов.

Если грунт состоит из твёрдых частиц, все поры между которыми запол-нены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда его называют грунтовой массой.

В большинстве же случаев в грунте кроме твёрдых частиц и воды имеется воздух или иной газ, растворённый в поровой воде или находящийся в виде пу-зырьков, окружённых поровой водой, или свободно сообщающийся с атмосфе-рой. Такой грунт является трёхкомпонентной (трёхфазной) системой.

В мёрзлом грунте, содержится лёд (пластичное тело). Лёд придаёт грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строи-тельстве в районах распространения вечномёрзлых грунтов. Мёрзлый грунт яв-ляется четырёхкомпонентной (четырёхфазной) системой.

В некоторых грунтах содержатся органические вещества в виде расти-тельных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого количе-ства органических веществ в грунте (свыше 3% в песках и 5% в глинистых грунтах) существенно отражается на его свойствах.

2.1.2.1. Твёрдые минеральные частицы Твёрдые частицы представляют систему разнообразных по форме, соста-

ву и размерам (от нескольких сантиметров до мельчайших частиц коллоидного порядка, т. е. менее 1 мкм) минеральных зёрен.

Минералогический состав твёрдых частиц зависит от состава материн-ской породы грунтов. Так, одни минералы (кварц, полевой шпат) менее активно взаимодействуют с водой, окружающей минеральные частицы, другие (мон-тмориллонит) – значительно сильнее, причём и характер взаимодействия их бу-дет иным. На свойства минералов существенно влияют поверхностные явления, интенсивность которых для различных минералов неодинакова.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный технический университет

(УГТУ)

Е. Э. Девальтовский

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Часть 1 Природа, состав и физико-механические свойства грунтов

Курс лекций

Ухта 2010

Учебное издание

Евгений Эдуардович Девальтовский

МЕХАНИКА ГРУНТОВ Часть 1

Природа, состав и физико-механические свойства грунтов: курс лекций

Курс лекций УДК 624.15

Д 25

Девальтовский, Е. Э. Механика грунтов [Текст]. В 3 ч. Ч. 1. Природа, состав и физико-механические свой-

ства грунтов: курс лекций / Е. Э. Девальтовский. – Ухта: УГТУ, 2010. – 132 с.

ISBN 978-5-88179-581-8

В курсе лекций обобщены основные сведения о природе грунтов и показателях их фи-зических свойств. Рассмотрены основные механические свойства грунтов. Представлены фи-зико-механические свойства особых грунтов.

Курс лекций рассчитан для самостоятельной работы студентов всех форм обучения по направлению 550100 «Строительство».

Содержание учебного пособия отвечает требованиям рабочей программы по механике грунтов и рекомендуется к использованию в учебном процессе.

Курс лекций рекомендован к изданию Редакционно-издательским советом

Ухтинского государственного технического университета.

Рецензенты: В. Л. Попов, генеральный директор ОАО «КомиНИПИстрой», к.т.н.; М. Н. Петровская, начальник проектного отдела ООО «Комистройпроект».

Редактор Л. А. Кокшарова Технический редактор Л. П. Коровкина

© Ухтинский государственный технический университет, 2010 © Девальтовский Е. Э., 2010

ISBN 978-5-88179-581-8

План 2009 г., позиция 39. Подписано в печать 27.02.2010 г. Компьютерный набор. Гарнитура Times New Roman.

Формат 60х84 1/6. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 7,7. Уч.-изд. л. 7,3. Тираж 120 экз. Заказ № 239.

Ухтинский государственный технический университет.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13. Отдел оперативной полиграфии УГТУ.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.

27

Другое дело, например, ленточные глины, возраст которых около 10000 лет. Тонкие слои ленточных глин откладывались в широких спокойных озёрах в период отступления ледников и в последующее время почти никаким нагрузкам (кроме собственного веса) не подвергались. Эти глины малоуплот-нённые и находятся в пластичном и частично в текучем состоянии с незначи-тельной несущей способностью.

Валунные глины и суглинки донной морены того же возраста, что и лен-точные, но значительно уплотнённые в период своего формирования весом мощного ледникового покрова, обладают значительной плотностью и могут служить прекрасным основанием для сооружений.

Современные морские, лагунные и озёрные глинистые отложения, ещё менее уплотнённые даже по сравнению с ленточными глинами, зачастую находятся в на-бухше-текучем состоянии, обладая ничтожной несущей способностью.

В такой же резкой зависимости от условий происхождения находятся и пески. Одни пески могут быть чрезвычайно уплотнены, другие – находятся в рыхлом и плывунном состоянии.

Таким образом, при изучении природных грунтов с учётом их взаимодей-ствия с окружающей средой и непрерывной изменяемости свойств, большое внимание следует уделять их генезису, т. е. происхождению и условиям обра-зования, а также фациальности, т. е. физико-географической обстановке обра-зования грунтов. Существенное значение при формировании определённых свойств грунта имеет процесс диагенеза, т. е. многовекового воздействия окру-жающей среды (уплотнение, цементация, выщелачивание и пр.). Явления диа-генеза совместно с тектоническими явлениями (главным образом, опускание участков земной коры) могут создать условия, способствующие изменению структуры и состава грунтов, а при соответствующих давлениях и температуре приводит к явлениям метаморфизма, т. е. к полному видоизменению рыхлых горных пород путём цементации и перекристаллизации их минеральной части до состояния массивных горных пород.

Зависимость свойств грунтов от воздействий окружающей среды, их ин-тенсивности, характера и продолжительности показывает, что выбор расчётных схем в механике грунтов должен происходить в соответствии с природной об-становкой, в которой находятся грунты, а определение расчётных характери-стик грунтов, находящихся в условиях естественного залегания, – только на ос-новании опытов с соответствующими образцами грунтов естественного сложе-ния при минимальном нарушении их природной структуры.

26

ятных для их возникновения) в соседние области. (В США за год на расстояние 1500 миль переносится более 850 млн тонн пыли.) Особенностью эоловых (преимущественно лёссовых) отложений является однородность их состава, не-доуплотнённость и значительное содержание пылеватых частиц.

Кроме перечисленных континентальных образований, большую группу грунтов составляют морские отложения. Они накапливаются на дне морей за счёт материала, приносимого водными потоками, и образуются за счёт перера-ботки морских берегов волновым прибоем. На состав и свойства этих образова-ний большое влияние оказывают растительные и животные организмы, насе-ляющие моря, останки которых способствуют накоплению известковых, мерге-листых и кремнистых образований. Морские отложения (толщи дисперсных глин, органогенных грунтов – ракушечников и др., органоминеральных образо-ваний – илы, заторфованные грунты и т. п., различные пески, галечники) рас-пространены на огромных площадях и характеризуются весьма различными свойствами в зависимости от возраста и всей истории их формирования.

Из-за различий в условиях образования и последующих процессов диагенеза, свойства грунтов весьма разнообразны. В ряде случаев разнообразие свойств на-блюдается и у грунтов одного и того же происхождения. В связи с этим грунты яв-ляются телами неоднородными как по глубине, так и по простиранию.

2.1.1.2. Значение физико-географической среды Физико-географическая среда оказывает огромное влияние на формиро-

вание грунтов, которые нельзя рассматривать в отрыве от естественноистори-ческих условий их существования. Так свойства природных глин могут быть весьма различны в зависимости от возраста и всей предыдущей истории их су-ществования.

Например, кембрийские глины, возраст которых около 500 млн лет, за столь длительный период, несомненно, подвергались воздействию переменного давления большой величины, частичному высыханию и пр. Химические и фи-зико-химические процессы, протекающие даже с ничтожно малыми скоростями и совершенно неуловимыми в относительно малые промежутки времени, могли сказаться в полной мере; чрезвычайно медленные вязкие течения за столь дли-тельное время также могли существенно повлиять на структуру и текстуру этих глин. Все эти процессы обусловили совершенно особые свойства кембрийских глин, отличающихся от других видов глин. Как правило, эти глины представ-ляют твёрдый упруго-вязкий материал со значительной величиной несущей способности.

3

Оглавление Глава 1. Современное состояние фундаментостроения. Проблемы механики грунтов и основные направления совершенствования подземных конструкций. ..................................................................................... 6

1.1. Основные понятия и определения........................................................ 6 1.1.1. Основания сооружений. Грунт ......................................................... 6 1.1.2. Фундаменты ........................................................................................ 7 1.1.3. Деформации оснований и перемещения сооружений...................... 8 1.1.4. Назначение и роль фундаментов....................................................... 8 1.1.5. Взаимодействие между сооружением и, фундаментом и

основанием ............................................................................................................... 9 1.2. Состав курса и его связь с другими дисциплинами. Основные

задачи курса ........................................................................................................... 10 1.3. Становление и развитие механики грунтов и

фундаментостроения ............................................................................................ 13 1.4. Перспективы развития механики грунтов ......................................... 19

Глава 2. Физические свойства грунтов .......................................................... 22 2.1. Происхождение, состав грунтов и свойства их составных частей . 22 2.1.1. Происхождение и состав грунтов .................................................. 22 2.1.2. Составные элементы грунтов ........................................................ 28 2.1.3. Взаимодействия в дисперсной части грунтов .............................. 38 2.1.4. Структура, текстура и связность грунтов ................................. 43 2.2. Физические свойства грунтов и классификационные показатели.. 50 2.2.1. Удельный вес грунта, удельный вес твёрдых частиц грунта,

влажность грунта ................................................................................................ 50 2.2.2. Вычисляемые характеристики грунта.......................................... 52 2.2.3. Классификационные показатели грунтов...................................... 54

Глава 3. Механические свойства грунтов ...................................................... 59 3.1. Основные закономерности механики грунтов .................................. 59 3.2. Сжимаемость грунтов .......................................................................... 61 3.2.1. Физические представления .............................................................. 61 3.2.2. Компрессионная зависимость ......................................................... 64 3.2.3. Коэффициент относительной сжимаемости. ............................. 65 3.2.4. Структурная прочность.................................................................. 66 3.2.5. Закон уплотнения .............................................................................. 67

4

3.2.6. Общий случай компрессионной зависимости ................................ 68 3.2.7. Модуль деформации грунта............................................................. 71 3.2.8. Модуль объёмной деформации грунта и модуль сдвига ............... 72 3.2.9. Принцип гидроёмкости грунта. ...................................................... 73 3.3. Водопроницаемость грунтов............................................................... 74 3.3.1. Закон ламинарной фильтрации ....................................................... 74 3.3.2. Понятие о начальном градиенте .................................................... 76 3.3.3. Модель водонасыщенного грунта ................................................... 76 3.4. Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона................................. 78 3.4.1. Понятие о прочности грунта.......................................................... 78 3.4.2. Предельное сопротивление грунтов сдвигу при прямом

плоскостном срезе................................................................................................. 79 3.4.3. Сопротивление грунта сдвигу при сложном напряжённом

состоянии. Теория прочности Кулона-Мора ..................................................... 86 3.4.4. Сопротивление грунта сдвигу при трёхосном сжатии............... 90 3.5. Полевые методы определения характеристик деформируемости и

прочности грунтов................................................................................................. 92 3.5.1. Полевые испытания пробной статической нагрузкой ................. 92 3.5.2. Испытания шариковым штампом.................................................. 95 3.5.3. Полевые испытания методом зондирования................................. 96 3.5.4. Прессиометрические испытания. ................................................... 98 3.5.5. Полевые испытания методом вращательного среза. .................. 99 3.6. Вычисление характеристик грунтов ................................................ 101 3.6.1. Определение физических и деформационных характеристик

грунта .................................................................................................................. 101 3.6.2. Определение нормативных и расчётных значений прочностных

характеристик грунта ...................................................................................... 103 3.6.3. Корреляционные зависимости характеристик грунта.............. 105

Глава 4. Основные физико-механические свойства особых грунтов..... 106 4.1. Общие положения .............................................................................. 106 4.2. Лёссовые грунты ................................................................................ 107 4.2.1. Состав лёссовых грунтов .............................................................. 108 4.2.2. Физико-механические свойства лёссовых грунтов. .................... 108 4.3. Мёрзлые и вечномёрзлые грунты..................................................... 110 4.3.1. Основные понятия. ......................................................................... 110 4.3.2. Формы залегания вечномёрзлых грунтов ..................................... 111 4.3.3. Явления, происходящие при замерзании грунта .......................... 113

25

Делювиальные отложения представляют собой рыхлые неустойчивые, часто подвергающиеся оползанию образования, неоднородные по составу и за-легающие на склонах слоем разной мощности, увеличивающейся к подножию склона.

Аллювиальные отложения – это отложения древних и современных до-лин, образующие значительные толщи грунтов, измеряемые часто десятками и сотнями метров. Этим отложениям свойственны слоистость: чередование пес-чаных и глинистых слоёв с частым их выклиниванием и наличием галечных от-ложений. Свойства аллювиальных отложений в высшей степени зависят от скорости осаждения, режима грунтовых вод, частоты спадов воды и других об-стоятельств их формирования.

Дельтовые и лагунные отложения характеризуются наличием большого количества тонких пылеватых частиц в мягких глинистых и илистых малоуп-лотнённых слоях, с большим содержанием воды, обусловленным набухае-мостью их коллоидной части. Как правило, грунты дельтовых отложений, часто залегающие очень мощными толщами, представляют сильно сжимаемые пла-стичные массы, требующие принятия особых искусственных мер для уплотне-ния при возведении на них капитальных сооружений.

Особый комплекс своеобразных грунтовых образований представляют ледниковые отложения. Они широко распространены в Европейской части Рос-сии. Возникли в результате действия ледникового покрова четвертичного оле-денения. Мощный ледяной покров, медленно перемещаясь в пониженные места рельефа, а также в процессе своего отступления, проделал огромную работу по разрушению массивных горных пород, по переносу продуктов выветривания, по их сортировке, уплотнению и территориальному размещению.

Основными видами грунтов ледникового происхождения, широко рас-пространённых в местах оледенения, являются: моренные (валунные) глины и суглинки, скапливающиеся, в придонной части ледника и уплотнённые под его весом; водно-ледниковые (флювиогляциальные) отложения, приносимые лед-ником в окаймляющие его области и перемываемые талыми водами (это разно-образные пески, а также галечники); озёрно-ледниковые отложения (ленточные глины, суглинки, супеси) характеризуются ясно выраженной слоистостью, обу-словленной сезонным выпадением переносимых талыми водами осадков, кото-рые в зимнее время отстаиваются в обширных ледниковых озёрах.

Эоловые отложения обязаны своим происхождением действию ветра, пе-реносящего часто на весьма значительные расстояния мельчайшие продукты выветривания горных пород из пустынных областей (мест, наиболее благопри-

24

2.1.1.1. Виды грунтовых отложений В зависимости от условий образования различают грунты континенталь-

ные и морские. (Они подразделяются на различные генетические типы). К континентальным отложениям относятся следующие виды отложений: − элювиальные; − делювиальные; − аллювиальные; − пролювиальные; − дельтовые; − лагунные; − гляциальные (ледниковые); − флювиогляциальные (водно-ледниковые); − озёрно-ледниковые; − эоловые. Элювиальные отложения или отложения продуктов выветривания горных

пород залегают на месте своего первоначального образования. Отличаются уг-ловатой неокатанной формой частиц, неотсортированностью их по размерам, разнообразным минеральным составом и различной мощностью залегания на материнской породе. По своему петрографическому составу элювиальные от-ложения весьма близки к исходной материнской породе. Элювий представляет собой выветрелый „разборный” слой скальных пород, иногда сильно измель-чённый, обладающий неравномерной сжимаемостью.

Продукты выветривания не остаются на месте своего первоначального образования, а переносятся водными потоками, ветром и ледниками как по склонам той же возвышенности, где они образовались, так и на значительные расстояния от неё. При переносе продуктов выветривания водными потоками происходит сортировка материала по крупности, изменяется как химический состав перемываемых отложений, так и размеры, форма отдельных частиц, ко-торые измельчаются и приобретают окатанную форму.

Отложения водных потоков разделяются на делювиальные, перемещае-мые вне постоянных русел под действием силы тяжести, и дождевыми, снего-выми водами по склонам той же возвышенности; пролювиальные (отложения бурных дождевых потоков); аллювиальные, переносимые постоянными водны-ми потоками (реками, ручьями и пр.) на значительные расстояния от места их первоначального залегания; дельтовые, откладываемые при впадении постоян-ных потоков в водные бассейны.

5

4.3.4. Состояние вечномёрзлых грунтов ................................................ 115 4.3.5. Процессы, происходящие в деятельном слое и вечномёрзлой

толще грунтов..................................................................................................... 116 4.3.6. Состав и физические свойства вечномёрзлых грунтов.............. 119 4.3.7. Механические свойства мёрзлых грунтов.................................... 122 4.4. Рыхлые пески...................................................................................... 125 4.5. Илы и чувствительные глины. .......................................................... 126 4.6. Набухающие грунты .......................................................................... 128 4.7. Торф и заторфованные грунты. ........................................................ 129 4.8. Техногенные отложения (насыпные грунты).................................. 130

Библиографический список ............................................................................ 132

6

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ. ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ [1, 3 – 6]

1.1. Основные понятия и определения 1.1.1. Основания сооружений. Грунт

Все сооружения опираются на верхние слои горных пород, образующих толщу земной коры. Часть массива горных пород, которая непосредственно воспринимает нагрузку от сооружения и деформируется под её воздействием, называется основанием сооружения.

Основание из естественных пород в их природном залегании называют естественным. Если свойства пород искусственно улучшают, то основание на-зывают искусственным.

Слово грунт происходит от немецкого ground и в прямом переводе на русский язык имеет совершенно определённое значение – основа.

По ГОСТ 25100-95. „Грунты, классификация” различают грунты скаль-ные, крупнообломочные, песчаные, глинистые и органогенные.

В механике грунтов грунтами называются все рыхлые горные породы ко-ры выветривания Земли (литосферы) несвязные (сыпучие) или связные, проч-ность связей которых во много раз меньше прочности самих минеральных час-тиц. Объясняется это, по-видимому, тем, что как раз эти слои чаще всего слу-жат основанием (основой) сооружений.

Главнейшей отличительной особенностью грунтов от массива горных по-род, имеющей существенное значение при построении механики грунтов, являет-ся их раздробленность. Грунты принадлежат не к сплошным телам, а к телам, со-стоящим из отдельных твёрдых частиц, не связанных между собой или связанных так, что прочность связей между ними во много раз меньше прочности материала самих частиц. Эта раздробленность создаёт пористость грунтов, изменяющуюся под влиянием внешних воздействий (особенно при увеличении или уменьшении давления, а также при изменении условий отложения, наличия электролитов, влажности и т. д.), что обуславливает свойство сжимаемости грунтов.

Раздробленность (дисперсность) грунтов также увеличивает (часто в сот-ни и тысячи раз) удельную поверхность минеральной их части, а следователь-но, и её поверхностную энергию, вызывая целый ряд физических и физико-химических явлений, которые существенно сказываются на механические свой-ства грунтов. Кроме того, рыхлые горные породы (природные грунты) облада-ют водопроницаемостью (фильтрационной способностью), а прочность и ус-

23

− биогенные; − почвы. Главным фактором физического (механического) выветривания являются

резкие колебания температуры и действие мороза. Физическое выветривание разрушает породу на более мелкие отдельности, не нарушая её минералогиче-ского состава. Результатом физического выветривания являются крупнообло-мочные и песчаные грунты.

При химическом выветривании, происходящим с отдельными минера-лами, и обусловленным, новыми условиями давления, воздействием газов, деятельностью воды (связной и свободной), основная порода распадается на чрезвычайно мелкие частицы, часто коллоидного размера (менее 1 мК). Из-мельчённость продуктов химического выветривания является их характерным свойством.

Результатом химического и частично биологического выветривания яв-ляются минералы, составляющие мелкодисперсную часть глинистого грунта.

В процессе образования грунтов и в последующих условиях существова-ния в зависимости от внешних условий формировались их свойства.

Возраст природных грунтов в большинстве случаев (за исключением со-временных отложений) значителен и измеряется тысячелетиями, миллионами и сотнями миллионов лет (например, возраст кембрийских глин около 500 млн лет).

За длительное время существования грунтов происходило многократ-ное изменение природной обстановки, неоднократное переотложение, уплот-нение под действием веса новых покровных отложений, разуплотнение при эрозии этих отложений, иногда затопление водой, а при тектонических под-нятиях – новое осушение и т. п. Некоторые грунты подвергались давлению мощных слоёв континентальных льдов, переносу льдом, водой, воздушными течениями и т. п.

Всё это создаёт искусственно невоспроизводимые условия формирования природных грунтов, определяющие особенности физических свойств отдель-ных их видов. За длительное время существования пород могут иметь значение и весьма медленные физико-химические процессы, протекающие в грунтах да-же с ничтожно малой скоростью.

Всё изложенное обуславливает необходимость рассматривать природные грунты в тесном взаимодействии их с окружающей физико-геологической сре-дой и с учётом непрерывности изменений их свойств, часто весьма медленных, но иногда и быстро протекающих.

22

Глава 2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ [1 – 7, 11, 13 – 15]

2.1. Происхождение, состав грунтов. Свойства их составных частей

2.1.1. Происхождение и состав грунтов Согласно ГОСТ 25100-95 „Грунты. Классификация”, классификация

грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по груп-пам признаков:

− класс – по характеру структурных связей; − группа – по происхождению; − подгруппа – по условиям образования; − тип – по петрографическому, гранулометрическому составу и степени

его неоднородности, по числу пластичности; − вид – по структуре, текстуре, составу цемента, плотности сложения,

относительному содержанию и степени органических веществ, по способу пре-образования грунтов и степени уплотнения от собственного веса;

− разновидность – по физическим, физико-механическим, химическим свойствам и состоянию.

Различают следующие классы грунтов: − с жёсткими (кристаллизационными и цементационными) структурны-

ми связями (класс скальных грунтов); − без жёстких структурных связей (класс нескальных грунтов). В дальнейшем будем рассматривать класс нескальных грунтов. Этот класс грунтов образовался в результате накопления продуктов фи-

зического и химического выветривания. Некоторые грунты образовались вследствие отложения органических веществ (торф), а также при искусствен-ной отсыпке или намыве различных материалов (техногенные отложения).

Различают группы: − осадочные несцементированные грунты; − искусственные грунты. Осадочные несцементированные грунты по условиям образования под-

разделяются на следующие подгруппы: − обломочные – крупнообломочные; − песчаные; − пылеватые и глинистые;

7

тойчивость грунтов есть функция связности и внутреннего трения между твёр-дыми частицами, присущего раздробленным телам и возникающего между час-тицами в процессе деформирования. Зависимость между деформациями и на-пряжениями для грунтов также имеет характерную особенность, которая за-ключается в том, что эти породы при нагрузке и разгрузке всегда имеют кроме восстанавливающихся ещё и остаточные деформации.

Грунты как рыхлые горные породы необходимо рассматривать в нераз-рывной связи с условиями их формирования, учитывая взаимодействие их с ок-ружающей средой, т. е. как продукт коры выветривания каменной оболочки земли (литосферы).

1.1.2. Фундаменты Чтобы передать и распределить заданным образом нагрузку от сооруже-

ния на основание, между ними вводят специальную заглубленную в грунт кон-струкцию – фундамент (рис. 1.1).

Рис. 1.1 – Схема основания фундамента:

1 – фундамент; 2 – поверхность земли; 3 – надземная конструкция; 4 – обрез фундамента; 5 – подошва фундамента; 6 – несущий слой грунта;

7 – подстилающие слои грунта; hf – высота фундамента; d – глубина заложения фундамента

Фундамент (1) чаще располагают ниже поверхности земли (2). Надземные конструкции (3) опираются на верхнюю плоскость фундамента – его обрез (4). Нижнюю плоскость фундамента называют его подошвой (5). В основании раз-личают несущий слой грунта (6), на который передаётся давление от фундамен-та, и подстилающие слои (7). Вертикальное расстояние от поверхности земли до подошвы фундамента – глубина заложения фундамента (d). Вертикальное расстояние от обреза до подошвы фундамента – высота фундамента (hf).

При небольшом заглублении фундаментов в грунт их называют фундамента-ми мелкого заложения. Выемка в грунте для закладки фундамента называется кот-лованом. Фундаменты, которые закладываются на слоях грунта, залегающих глу-боко от поверхности земли, называют фундаментами глубокого заложения.

8

1.1.3. Деформации оснований и перемещения сооружений Все грунты под давлением сооружения сжимаются, поверхность основа-

ния оседает, и сооружение испытывает: вертикальные перемещения – осадки; наклоны – крены; горизонтальные перемещения – сдвиги.

Эти перемещения обычно ничтожно малы при слабо сжимаемых скаль-ных грунтах оснований, но могут оказаться весьма значительными при сильно сжимаемых нескальных грунтах.

Перемещения сооружений, зависящие от свойств грунтов основания, в ряде случаев заканчиваются не сразу после приложения нагрузки, а нарастают более или менее длительное время.

Конечные перемещения, деформации и скорость их нарастания должны находиться в пределах значений, допустимых для сооружения по условиям его эксплуатации. Кроме того, максимальная нагрузка на основание ограничивает-ся его сопротивлением разрушению, которое происходит в виде выпора грунта из-под сооружения, либо сдвига грунта вместе с сооружением.

Разрушение основания называют потерей устойчивости, распространяя этот термин на основание и сооружение, для которых выпор и сдвиг грунта обычно связаны с катастрофическими последствиями. Фактическая нагрузка всегда должна быть меньше нагрузки, разрушающей основание (несущей спо-собности основания). Очевидно, несущая способность основания тем больше, чем выше прочность грунта и его сопротивление разрушению.

1.1.4. Назначение и роль фундаментов Назначение фундамента состоит в том, чтобы должным образом воспри-

нять и распределить воздействующие на него силы, на грунт, на котором он по-коится. При этом выдвигается требование: исключить возможность возникно-вения в грунте на любой глубине под фундаментом чрезмерных напряжений.

Очевидно, что под чрезмерными напряжениями в данном случае надле-жит понимать такие напряжения, которые могут вызвать нарушение устойчиво-сти грунтов в основании сооружения и связанные с этим резкие перекосы и просадку сооружения в целом. Такое не часто случается, однако, подобные случаи в строительной практике не исключение. Мы нередко сталкиваемся с повреждениями дорожного полотна и земляных плотин в связи с нарушением в них устойчивости грунта и оползневыми явлениями. Примером катастрофиче-ского нарушения устойчивости бортов водохранилища может служить произо-шедший в 1963 году грандиозный оползень-обвал объёмом 360 млн м3 породы в водохранилище арочной плотины Вайонт (Италия) высотой 265 м. Образо-

21

ментов – из каменных плит или кирпичей) и применялись в различных грунто-вых условиях, в развитии этих конструкций есть много общего. На основе ана-лиза установлено, что для фундаментов характерны некоторые общие принци-пы развития, частично являющиеся общими принципами развития конструкций в технике:

− стремление к минимизации веса фундамента или расхода материалов на единицу несущей способности;

− непрерывное повышение прочностных свойств конструкционных ма-териалов;

− стремление максимально использовать совместную работу фундамента с остальными частями системы „сооружение-фундамент-основание” (учёт жёсткости надфундаментных конструкций, использование пластических свойств арматуры и основания);

− повышение технологичности фундаментов (особенно в работах непосред-ственно на строительной площадке);

− применение принципа „сфероидальности”; − вовлечение в работу максимального объёма грунта; − создание форм, позволяющих снизить изгибающие моменты и растяги-

вающие усилия; − использование принципов бионики; − расширение области применения каждого типа фундамента и в связи с

этим – конкуренция различных типов фундаментов в одинаковых грунто-вых условиях;

− создание конструкций, позволяющих получить более равномерное на-пряжённое состояние массива грунта и снизить концентрацию напряже-ний на контакте с грунтом;

− унификация размеров; − возможность регулирования осадки; − возможность работы фундамента на различные сочетания нагрузок;

создание конструкций с увеличенной удельной и общей несущей спо-собностью;

− использование подъёмной силы грунтовых вод в районах с их постоян-ным высоким уровнем.

20

На основе решения конкретных задач и проверки их на практике оказа-лось возможным разработать весьма прогрессивный метод проектирования ос-нований по предельным состояниям, дающий значительную экономию средств.

Дальнейшее развитие исследований в области механики грунтов, основа-ний и фундаментов направлено как на разработку математически строгих мето-дов расчёта совместной работы фундаментов, надфундаментных конструкций и сжимаемой толщи с учётом деформативных свойств грунтов, так и на усовер-шенствование методов возведения фундаментов.

Главной проблемой современной механики грунтов остаётся выбор адек-ватных теоретических моделей грунта с учётом его реологических свойств.

Главный путь развития механики грунтов в настоящее время связан с ка-чественными исследованиями основных задач в рамках упругопластической дилатансионной модели, совершенствованием и видоизменением этой модели на основе сравнения решений с экспериментом.

В настоящее время наметились следующие пути снижения стоимости и расхода материалов на конструкции фундаментов:

− уточнение расчётных схем грунтового основания и конструкций фунда-ментов традиционных форм;

− разработка новых облегчённых конструкций фундаментов и методов их расчёта. Одним из наиболее важнейших резервов снижения стоимости строитель-

ства фундаментов является, с одной стороны, применение достаточно надёж-ных методов расчёта, не приводящих к излишним запасам прочности, а с дру-гой – проработанность конструктивных решений. Создание (синтез) оптималь-ных конструктивных форм и разработка методов расчёта, адекватно описы-вающих поведение фундаментов под нагрузкой, позволяют значительно сни-зить затраты материалов и общую стоимость строительства.

Критерий оптимальности конструкций состоит из минимизации полной стоимости изготовления конструкций и её обслуживания за период эксплуата-ции. Для оценки развития оптимизации конструкций фундаментов представля-ет интерес ретроспективный и перспективный анализ техники фундаменто-строения. Ниже рассматривается развитие конструкций фундаментов, в том числе свайных фундаментов из забивных и набивных свай, столбчатых фунда-ментов, фундаментов в виде сплошных плит, подпорных стенок, фундаментов сооружений башенного типа, анкерных фундаментов.

Несмотря на то, что первые типы свай и фундаментов мелкого заложения выполнялись из разных материалов (сваи – из дерева, остальные виды фунда-

9

вавшаяся в результате этого волна достигла огромной высоты над гребнем пло-тины. Перелившаяся волна смыла служебные помещения гидроузла и ряд насе-лённых пунктов, расположенных в долине ниже плотины. Погибло более 3 тыс. человек и был нанесён большой материальный ущерб.

Напряжения будут считаться также чрезмерными, если их действие приве-дёт к столь неравномерной осадке поверхности грунтовой толщи, что возведённое на ней сооружение окажется так или иначе повреждённым с появлением в нём трещин в процессе его приспособления к этой неравномерной осадке.

Важная роль фундаментов очевидна, так как никакое сооружение не мо-жет возводиться без соответствующих фундаментов.

В тех случаях, когда грунт в поверхностных горизонтах оказывается не-достаточно прочным, возникает необходимость в заглублении фундаментов до более надёжных слоёв. В зависимости от обстоятельств такое заглубление мо-жет быть выполнено в открытом котловане, или при помощи свай наконец, при помощи кессонов, опускных колодцев и т. д. Однако во всех случаях вне зави-симости от типа фундамента или величины его заглубления, усилия, которые он передаёт на грунт, будут всегда вызывать напряжения в грунтовой толще и, следовательно, её деформацию.

Как и во всех других материалах, размер этой деформации будет зависеть от величины воздействующих на грунт напряжений, а также упругих и пласти-ческих свойств грунта, воспринимающего нагрузку. Такие деформации в толще грунта всегда имеют место, и их суммарное воздействие вызывает некоторую деформацию и осадку поверхности грунта вместе с фундаментом.

1.1.5. Взаимодействие между сооружением, фундаментом и основанием

Фундамент естественно стремится следовать за осадкой поверхности грунта, на котором он покоится.

В свою очередь сооружение следует за осадкой фундамента, который поддерживает его.

Как фундамент, так и сооружение, будут стремиться выровнять неравную осадку грунта под подошвой, оказывая сопротивление деформации за счёт сво-ей жёсткости.

Следовательно, в этом случае на участок поверхности грунта, испыты-вающем меньшую осадку, будут передаваться большие усилия.

Не может быть никакой деформации поверхности грунта под сооружени-ем без соответствующей деформации как фундамента, так и самого сооруже-

10

ния. Это положение справедливо для любого сооружения, будь то здание, мост, дорога или плотина.

Несущая толща грунта, фундамент и сооружение образуют единую сис-тему и должны рассматриваться как единое целое. Взаимодействие между ними всегда сложно, более подробно о нём будет говориться далее. Однако о сущест-вовании такого взаимодействия важно помнить уже с самого начала изучения данной области науки. Это положение очень часто игнорировалось в прошлом, главным образом из-за сложности самой проблемы, анализ которой в условиях ограниченных знаний, накопленных в более ранние периоды истории строи-тельного искусства, даже не пытались выполнять.

1.2. Состав курса и его связь с другими дисциплинами. Основные задачи курса

В дисциплине „Механика грунтов” рассматриваются физико-механи-ческие свойства грунтов (ряд вопросов этого раздела освещается в разделе „Грунтоведение” дисциплины „Инженерная геология”), распределение в них напряжений, деформации грунтов оснований сооружений и условия устойчиво-сти массивов грунтов.

Изложение дисциплины построено с учётом необходимости знаний сле-дующих дисциплин: инженерной геологии, сопротивления материалов, теории упругости и гидравлики.

Механика грунтов есть механика природных дисперсных тел, она состав-ляет часть общей геомеханики.

Механика грунтов в то же время является одним из разделов строительной механики. В её основу положены как законы теоретической механики (механики твёрдых, абсолютно несжимаемых тел), так и закономерности деформируемых тел (законы упругости, пластичности, ползучести), которые для построения механики грунтов как науки будут лишь необходимыми, но недостаточными условиями. Ес-ли же к зависимостям теоретической механики и строительной механики сплош-ных деформируемых тел добавить закономерности, описывающие свойства, обу-словленные раздробленностью грунтов (сжимаемость, водопроницаемость, сопро-тивляемость сдвигу и структурно-фазовую деформируемость), то, рассматривая грунты как природные дисперсные тела в неразрывной связи с условиями их фор-мирования и полном взаимодействии с окружающей физико-геологической средой, можно построить механику грунтов как науку.

Механика грунтов является теоретической базой расчёта фундаментов.

19

Механика грунтов это одновременно и один из разделов строительной механики, в которую положены основы теоретической механики.

Грунтами называются все рыхлые горные породы коры выветривания Земли: несвязные (сыпучие) или связные, прочность связей которых во много раз меньше прочности самих минеральных частиц.

Верхний слой природных грунтов, изменённый совместным действием климата, воды, газов, растительных и животных остатков, представляет собой почву.

Расчётные методы механики грунтов основаны на теоретических положе-ниях механики твёрдого тела, теории упругости, теории пластичности, реоло-гии и некоторых других специальных наук. Поскольку свойства реальных грун-тов сложны и многообразны, эти методы разработаны применительно к некото-рым идеализированным моделям, которые могут быть распространены на большие группы грунтов одного типа.

Механические модели описываются с помощью математических уравне-ний (математических моделей).

Наиболее общей моделью, используемой в настоящее время в механике грунтов, является модель сплошной среды, предполагающая, что деформации материала происходят без нарушения сплошности и могут быть описаны не-прерывными функциями.

Сплошная среда описывается, в основном, как квазиоднородная и квазии-зотропная.

Квазиоднородной называется дисперсная среда, в которой размеры диспергированных элементов много меньше, чем размеры самого малого объёма рассматриваемого элемента, деформации которого являются пред-метом исследований.

Квазиизотропной считается такая дисперсная среда, в которой самый ма-ленький элемент объёма содержит анизотропные диспергированные элементы всевозможных ориентаций. В квазиизотропной среде изменение свойств по лю-бым направлениям может рассматриваться как одинаковое.

Модели сплошной среды подразделяются в свою очередь на три само-стоятельные модели: твёрдое тело Гука, пластическое тело Сен-Венана и вязкая жидкость Ньютона, которые отвечают трём фундаментальным свойствам грун-тов: упругости, пластичности и вязкости.

1.4. Перспективы развития механики грунтов Использование механики грунтов в инженерной практике с каждым го-

дом становится всё более широким.

18

Вследствие многообразия грунтовых условий в основаниях большое ко-личество вопросов в области механики грунтов и фундаментостроения ещё не решено или требует дальнейшего решения с учётом законов диалектики.

Современное фундаментостроение характеризуется: во-первых, расширяющимся строительством крупных и тяжёлых соору-

жений, передающих на фундаменты огромные нагрузки, доходящие в высот-ных зданиях и опорах мостов больших пролётов до нескольких тысяч тонн на один фундамент;

во-вторых, широким использованием под застройку территорий со слож-ными инженерно-геологическими условиями, в особенности с вечномёрзлыми грунтами и мощными толщами слабых грунтов;

в-третьих, интенсивно развивающейся механизацией и индустриализаци-ей строительства.

В дальнейшем роль механики грунтов в инженерном деле будет возрас-тать, позволяя всё больше и лучше использовать научные достижения теории механики грунтов и фундаментостроения в строительной практике.

Стоимость фундаментов и подготовки оснований (в зависимости от строительного объекта и от условий осуществления строительства) колеблется в широких пределах от 5 до 35% общей стоимости строительства.

В связи с тем, что в период бурного развития строительства затраты в об-ласти фундаментостроения огромны, экономический эффект от усилий, на-правленных на усовершенствование методов проектирования и способов про-изводства работ в области возведения фундаментов и подземных сооружений будет весьма существенным.

Попытки построения единой модели грунта, дающей ответ на все возни-кающие при проектировании и строительстве вопросы, заведомо невозможны. Одновременно для приемлемого упрощения расчётных схем взаимодействия сооружения и основания приходится абстрагироваться от второстепенных фак-торов, влияющих на работу основания.

Следует отметить, что закономерности деформирования различных типов грунтов (песчаных, глинистых, мёрзлых) совершенно различны. Напластования различных грунтов в составе основания сооружения бывают самые разнообразные. Решением совокупности всех этих вопросов занимается наука механика грунтов.

Механика грунтов – механика природных дисперсных (мелкораздроблен-ных) тел составляет часть общей геомеханики, в которую как составные части входят: механика массивных горных пород (скальных), механика органических и органоминеральных масс и механика рыхлых горных пород (грунтов).

11

Основным направлением задач, стоящих перед механикой грунтов явля-ется теоретический прогноз поведения грунтовых толщ (их деформируемости, прочности, устойчивости и пр.) под влиянием внешних и внутренних воздейст-вий: разнообразных нагрузок от сооружений, изменений условий равновесия (под действием природных факторов и деятельности человека), например, при размывах, колебаниях уровня грунтовых вод, разгрузки глубоких слоёв грунта при откопке котлованов и др.

Основная трудность заключается здесь в том, что свойства грунтов более сложны по сравнению с другими строительными материалами. Большинство грун-тов представляют собой трёхфазные системы: в их состав входят твёрдые частицы, вода и газы. Поведение грунтов под нагрузкой сильно зависит от их плотности и относительного содержания воды и газа, заполняющих поры. Свойства грунтов мо-гут изменяться во времени и в некоторой степени зависят от ряда других факторов. Элемент времени в этих условиях становится весьма важным при изучении зависи-мости между напряжениями и деформациями грунтов.

Другие факторы, которые имеют относительно малое значение при изу-чении этих зависимостей, применительно к другим строительным материалам, такие, например, как способ и интенсивность приложения нагрузки во времени, могут приобрести решающее значение при рассмотрении поведения некоторых грунтов. Изменение влажности большинства грунтов может существенно вли-ять на их многие важные инженерные свойства. Эти свойства могут находиться также в зависимости от вибрации и изменения условий боковой деформации грунта. Все перечисленные обстоятельства справедливы как для естественной, ненарушенной толщи грунтов, несущей фундаменты, так и для искусственно подобранных уплотнённых масс грунта, используемых в качестве материала для возведения земляных сооружений, подобных плотинам и насыпям.

Трудности оценки грунтов как оснований сооружений в условиях их ес-тественного ненарушенного залегания ещё более увеличиваются из-за часто наблюдаемой их неоднородности в связи с изменением условий их формирова-ния. Поэтому далеко не всегда возможно при оценке свойств грунтов действо-вать тем же способом, который часто используется при оценке других строи-тельных материалов, и получить надёжные средние показатели инженерных свойств грунтов в мощной их толще на основании испытания лишь нескольких образцов. Кроме того, крайне трудно отобрать с большой глубины из естест-венной толщи грунтов маленькие образцы без изменения их свойств.

Во второй дисциплине „Основания и фундаменты” освещаются вопросы проектирования фундаментов в различных грунтовых условиях. Для их усвое-

12

ния необходимо знать следующие дисциплины: инженерную геологию, меха-нику грунтов, строительную механику, строительные конструкции, технологию строительного производства, технику безопасности и экономику. Надземные конструкции невозможно рационально спроектировать без оценки деформаций грунтов основания, так как от этих деформаций зависят усилия, возникающие в конструкциях, а иногда и их сохранность.

При проектировании оснований и фундаментов приходится иметь дело с грунтом в естественном залегании, выполняющем инженерную функцию – не-сти фундамент и сооружение, расположенное на нём. Большинство грунтовых отложений отличаются большой неоднородностью и бесконечным множест-вом комбинаций факторов, влияющих на выбор и способ устройства фунда-ментов. В большинстве случаев фундаментостроители не имеют возможности выбора наиболее подходящего по природным условиям участка для сооруже-ния. Им приходится проектировать и строить на участках, уже выбранных, ис-ходя из географических, транспортных, хозяйственных, архитектурных и дру-гих соображений.

Большинство современных методов исследований и испытания грунтов не может ещё обеспечить строителя полной и точной информацией, касающей-ся действительных осреднённых показателей, характеризующих инженерные свойства всей толщи грунтов в их естественных (ненарушенных) условиях за-легания под проектируемыми сооружениями. Вероятно, на это никогда не при-дётся рассчитывать. Современные методы исследования могут дать лишь пред-ставление о том, какими, свойствами будут обладать интересующие нас грунты. Однако это уже большой шаг вперёд в рассматриваемой области по сравнению с предшествующим периодом и прогнозами, построенными исключительно на догадках.

Фундаментостроитель обязан оценить эти данные в свете накопленного опыта возведения таких же сооружений в подобных природных условиях, и уже затем действовать на основе принятого им суждения.

Таким образом, фиксация в удобной форме опыта фундаментостроения играет весьма важную роль. Фундаментостроение, вероятно, навсегда сохранит черты искусства, поставив механику грунтов в положение наиболее важной вспомогательной науки. Решения механики грунтов необходимо относить к идеализированным условиям. Эти идеализированные расчётные схемы должны быть подобраны так, чтобы обеспечить получение надёжных решений для пре-дельных условий, которые, возможно, будут встречены в действительности. Назначение таких предельных условий является весьма важной операцией, так

17

Большая роль во внедрении механики грунтов в практику отечественного гидростроительства принадлежит профессорам Н. Н. Иванову и Н. Н. Маслову.

Значителен вклад отечественных учёных в механику региональных видов грунтов: просадочных – Н. Я. Денисову, Ю. М. Абелеву, В. Г. Булычёву, А. К. Ларионову, Р. А. Токарю;

мёрзлых и вечномёрзлых – Н. А. Цытовичу, М. И. Сумгину, М. Н. Гольдштейну, С. С. Вялову;

неравномерно сжимаемых слабых глинистых грунтов – Б. Д. Васильеву, Б. И. Далматову, Н. А. Цытовичу, М. Ю. Абелеву, Н. Н. Маслову;

торфяных грунтов – Л. С. Аморяну, Н. Н. Морарескулу. Большое значение в формировании российской школы фундаментостроения

имели выдающиеся работы Н. М. Герсеванова, Н. А. Цытовича, В. А. Флорина, Н. П. Пузыревского, В. К. Дмоховского, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, К. Е. Егорова, Б. И. Далматова и др. по совершенствованию конструкций фун-даментов и оснований и методов их расчёта. Исследования ползучести грунтов освещены в работах С. С. Вялова, С. Р. Месчана, Ю. К. Зарецкого.

Деформируемость грунтов при динамических воздействиях исследовали Д. Д. Баркан, П. Л. Иванов, Н. Н. Маслов, О. А. Савинов.

В области расчёта фундаментных балок и плит на упругом основании за-служивают внимание работы М. И. Горбунова-Посадова, И. А. Симвулиди, Б. Н. Жемочкина, А. П. Синицына.

Многочисленные исследования посвящены оценке совместной работы несу-щих конструкций сооружений с деформируемым основанием (А. Н. Крылов, Г. Э. Проктор, Б. Д. Васильев, С. Н. Клепиков, Д. Е. Польшин, П. П. Шагин).

Исследования, выполненные российскими учёными, послужили основой для создания теории расчёта и норм проектирования оснований по предельным состояниям.

Важнейшими достижениями современной отечественной техники фунда-ментостроения является применение индустриальных методов монтажа фунда-ментов из сборных элементов заводского изготовления и механизации фунда-ментостроительных работ, создание новых эффективных конструкций свай и методов их расчёта, создание оборудования для бурения скважин большого диаметра и устройства свай с высокой несущей способностью, появление но-вых эффективных методов защиты котлованов от грунтовых вод, открытие на-дёжных методов искусственного закрепления грунтов в основаниях и стенах котлованов, разработка и внедрение новых рациональных конструкций и спо-собов устройства массивных фундаментов глубокого заложения (метод „стена в грунте”, опускной колодец, погружение оболочек).

16

Профессором П. А. Миняевым в 1915 г. опубликована работа о примене-нии теории упругости к расчёту напряжений в сыпучих грунтах.

В 1923 г. профессор Н. П. Пузыревский предложил „Общую теорию напря-жённости землистых грунтов”, применив теорию упругости к расчёту оснований.

Особенно значительный прогресс в рассматриваемой области был дос-тигнут благодаря работам доктора К. Терцаги, который в 1923 г. опубликовал математически строгое решение об условиях консолидации глин во времени под воздействием приложенной к ним нагрузки. Эта теория была подтвержде-на экспериментально и объясняет длительный во времени ход осадки соору-жений, возведённых на полностью насыщенных водой глинистых грунтах. К. Терцаги являл собой редкий пример инженера-строителя с практическим уклоном, сочетающего огромный производственный опыт с высокой научной подготовкой и духом настойчивого искателя. Помимо теории консолидации и других оригинальных исследований инженеры-строители обязаны К. Терцаги также и первыми попытками координировать и систематически применять в практике фундаментостроения результаты инженерного изучения грунтов, увязывая их полевые свойства со множеством установленных для них показа-телей. Термин „механика грунтов” был предложен им в 1925 г., когда одна из его книг появилась под эквивалентным этому термину заголовком – „Строи-тельная механика грунта на основе его физических свойств”. Вплоть до своей смерти в 1963 г. К. Терцаги оставался всемирно известным и уважаемым во всём мире специалистом.

На базе этих исследований в 30-х годах XX века создана наука механика грунтов, включающая в себя расчётно-теоретические основы фундаменто-строения.

Важным вкладом в развитие отечественного фундаментостроения явля-ются работы Н. М. Герсеванова. В монографии „Основы динамики грунтовой массы” в 1931 г. он сформулировал дифференциальные уравнения плоской и пространственной задач теории консолидации грунтов и разработал некоторые частные их решения.

Особо важными являются работы В. А. Флорина. Их результаты обобще-ны в монографии „Основы механики грунтов” (1 и 2 том) 1959, 1961 гг. Особое внимание В. А. Флориным уделялось вопросам теории фильтрационной консо-лидации с учётом сжимаемости поровой воды.

Продолжение работ Ш. Кулона нашло в работах отечественных исследо-вателей: В. В. Соколовского („Статика сыпучих тел” 1942 г.), С. С. Голушке-вича и В. Г. Березанцева.

13

как при последующем проектировании сооружения должны быть учтены все возможные вариации таких пределов.

Глубокое изучение курса позволит будущим инженерам-строителям: 1) правильно оценивать свойства различных грунтов, возможность их де-

формации под действием нагрузок и степень устойчивости грунтов в массивах;

2) улучшать в случае необходимости строительные качества грунтов для возможности использования их в основании;

3) выбирать основные размеры фундаментов и надземные конструкции со-оружений, при которых обеспечивалась бы надлежащая их устойчивость;

4) выбирать методы устройства фундаментов, при которых не нарушалась бы природная структура грунтов в основании в период строительства.

1.3. Становление и развитие механики грунтов и фундаментостроения

Гражданское строительство зародилось вместе с первыми крупными по-селениями человека. Оно имеет, по крайней мере, 4000-летнюю историю и по своим целям, а иногда и по своим масштабам, сопоставимо с современным строительством.

Около 2400 г. до н. э. был прорыт канал между Тигром и Евфратом для улучшения работы оросительной системы, так как сезонный подъём воды в Тигре происходит раньше, чем в Евфрате. Около 1900 г. до н. э. в Палестине (Гезер) был построен подземный тоннель от водоисточника к фортификаци-онным сооружениям. Примерно в это же время армяне научились строить „ка-наты” (подземные водохранилища); к VI в. до н. э. эта техника получила ши-рокое распространение на Среднем Востоке и сложная система таких „кана-тов” была построена в Персии. Греки строили длинные акведуки, в том числе 1000-метровый тоннель на Самосее.

Водохранилища, ограждённые высокими дамбами, были построены в древ-ние времена в Южной Индии и на Цейлоне. „Гигантская цистерна” на Цейлоне, да-тируемая 494 г. до н. э., имела площадь 223 квадратные мили (равную Женевскому озеру). Все эти и многие другие древние постройки были предназначены для улуч-шения водоснабжения сельского хозяйства и населённых пунктов. В наше время они бы значились под рубрикой «общественные работы».

Оборонительное строительство послужило стимулом для возведения многих важных сооружений. В этом отношении наибольшее впечатление производит Ве-ликая китайская стена длиной 1500 миль, воздвигнутая в III в. до н. э.

14

Другими стимулами служили соображения престижного характера. Еги-петские пирамиды были выстроены в основном между 2700 и 2300 г г. до н. э. В этот же период был воздвигнут и Великий Сфинкс Гизы. Сооружение этих монументов потребовало добычи и транспортировки огромного количества хо-рошо обработанного камня и применения совершенной строительной техники.

Римляне, развивая достижения греков, стали искусными инженерами. Бу-дучи по существу практичными в своих взглядах, они строили сооружения, предназначенные для удовлетворения своих потребностей, передвижения и развлечений. Водоснабжение городов обеспечивалось длинными и сложными системами трубопроводов, проложенными частично под землёй, частично через акведуки, пересекающие долины. Наиболее грандиозным является трёхъярус-ный акведук Понт-дю-Гард в Провансале (Франция). Он был построен в 1 в. до н. э. и имел 275 м в длину и 49 м в высоту. В Риме существовала тща-тельно спланированная канализационная система, ведущая в так называемую «клоака максима» с 3,6-метровым арочным сводом. Эта система функциониру-ет до сих пор. Зрелища отвлекали римский народ от политики. С этой целью были построены арены, например в Помпеях, Колоссеум в Риме, открытый в 80 г. н. э., вмещавший 50 тыс. зрителей.

В Европе гражданское строительство большей частью заметно уступало римскому по качеству и размаху примерно до конца XVIII столетия. Исключе-ние составляют средневековые соборы и замки, представляющие значительные явления, как в истории инженерного дела, так и архитектуры, а также некото-рые мосты, портовые и береговые сооружения средних веков.

В противоположность инженерному делу, которое имеет уже 4000-летнию историю, геологическая наука едва насчитывает 200 лет, а меха-ника грунтов – 80 лет. Тем не мене строители и горняки античного периода и средних веков должны были изучать слои горных пород, с которыми они имели дело. Геологическая информация накапливалась древними инженерами мето-дом проб и ошибок и была достоянием отдельных специалистов.

Ещё в I веке до нашей эры римский архитектор и инженер Витрувий в трактате „Десять книг об архитектуре” подчёркивал важность устройства на-дёжных фундаментов, включая свайные. Например, по свидетельству древне-римского историка Корнелия Тацита (55-120 г г.): „Некто Отилий, вольноотпу-щенник, решившись выстроить в Фиденах амфитеатр для гладиаторских пред-ставлений, с одной стороны, не положил фундамента на прочном грунте, с дру-гой – не скрепил прочными союзами деревянных стропил… Переполненное здание пришло в сотрясение и, обрушиваясь внутри или рассыпаясь наружу,

15

стремглав увлекло с собой и накрыло огромную массу смертных, как смотрев-ших на зрелище, так и стоящих кругом амфитеатра…”. В данном случае грунты под зданием пришли в движение, что и привело к катастрофе.

Задумывались ли вы над тем, сколько весят наши здания? Оказывается, что масса даже сравнительно небольших жилых зданий высотой 3-5 этажей оценивается довольно внушительной цифрой в 4-15 тысяч тонн. Масса высот-ных зданий Москвы достигает 200-300 тысяч тонн. Вот какой груз должна дер-жать на себе земля на участке застройки. Теперь посмотрим, что представляет собой поверхность Земли. Она сложена самыми различными горными порода-ми (грунтами). Свойства этих грунтов зависят от происхождения и природных условий, в которых им приходится существовать. Так прочность увлажнённой глины оказывается в 1000 раз меньше железобетона.

Без знаний свойств грунтов и их поведения под нагрузкой невозможно осуществить строительство зданий и сооружений.

Частые случаи деформаций и повреждений зданий и сооружений, осно-ванных на нескальных грунтах, побуждали к поискам более эффективных ме-тодов обеспечения их долговечности и надёжности. Сначала строители пришли к выводу, что размеры фундаментов и нагрузки на них должны определяться в зависимости от прочности грунтов основания, полагая, что значительные осад-ки, представляющие опасность для сооружения, являются нарушением прочно-сти грунтов. На основе опыта строительства и наблюдений за поведением со-оружений в большинстве стран были составлены таблицы так называемых «до-пустимых давлений» на основания, сложенные различными грунтами.

Ещё в конце XYIII века прочность грунтов стали рассматривать как их сопротивление сдвигу, и на этой основе Ш. Кулон в 1773 г. разработал способ расчёта давления сползающего грунта на подпирающую его стену. Затем ос-новные положения расчёта были использованы для определения сопротивления оснований разрушению при действии нагрузки от сооружения и для расчёта ус-тойчивости откосов и склонов.

Однако уже в первой половине XIX века было установлено, что ещё до наступления разрушения основание испытывает осадки за счёт уплотнения грунта под давлением сооружения. Во второй половине XIX века была решена задача о распределении напряжений в основании. В 1885 г. был опубликован труд профессора Ж. Буссинеска „О распределении напряжений в упругой почве от сосредоточенной силы”, рассматриваемом как упругий массив. Эта работа была использована учёными для определения напряжения в грунтах при раз-личном их загружении.

56

Таблица 2.4. Гранулометрическая классификация грунтов

Вид глинистых грунтов Число пластичности Ip Супесь 0,01 ≤ Ip ≤ 0,07 Суглинок 0,07 ≤ Ip ≤ 0,17 Глина Ip > 0,17

2.2.3.2. Консистенция глинистых грунтов Если взять образец глинистого грунта, находящийся в пластичном со-

стоянии и высушить его, то глина превратится в твёрдое тело. Если же, наобо-рот, к образцу добавлять воду, то можно достигнуть такого состояния глины, когда она по свойствам будет соответствовать вязкой жидкости. Таким обра-зом, глинистые грунты могут менять консистенцию (густоту теста) от твёрдой до текучей.

Сравнение естественной влажности грунта с влажностью на границе пла-стичности и текучести позволяет устанавливать состояние его консистенции.

Для этого определяют показатель текучести IL :

.pL

L p

W WI

W W−

=− (2.24)

По ГОСТ различают следующие виды консистенции глинистых грунтов в зависимости от величины IL :

Таблица 2.5 Классификация грунтов

Консистенция глинистых грунтов по показателю текучести

Показатель текучести IL

Супеси: твёрдая IL < 0 пластичная 0 ≤ IL ≤ 1 текучая IL > 1

Суглинки и глины: твёрдая IL < 0 полутвёрдая 0 ≤ IL ≤ 0.25 тугопластичная 0.25 < IL ≤ 0.50 мягкопластичная 0.26 < IL ≤ 0.75 текучепластичная 0.27 < IL ≤ 1 текучая IL > 1

29

Кору выветривания верхней оболочки Земли образуют, следующие элементы:

− кислород O – 49,3%; − кремний Si – 25,7%; − алюминий Al – 7,5%; − железо Fe – 4,7%; − кальций Ca, натрий Na, калий K, магний Mg – около 10,4%.

Из них большинство находится в форме окислов, из которых 58,2% – окиси кремния SiO2 и 16% – окиси алюминия Al2O3.

Можно выделить четыре основные группы минеральных образований: − первичные минералы (кварц, полевые шпаты, слюда и др.); − глинистые (вторичные) минералы (монтмориллонит, каолинит, иллит и

др.), образовавшиеся в процессе выветривания магматических и мета-морфических пород;

− соли – сульфаты (гипс, ангидрит и др.), карбонаты (кальцит, доломит и др.), галоиды;

− органические вещества. Форма твёрдых частиц грунтов весьма разнообразна от компактной ша-

рообразной до пластинчатой листообразной и тонкоигольчатой. Крупные фрак-ции (диаметром более 0,05 мм) имеют округлую или остроугольную компакт-ную форму, а мелкие и мельчайшие частицы глинистых грунтов – пластинча-тую и реже игольчатую форму.

Большинство тонких фракций глин содержит много мономинеральных частиц, относящихся к трём группам минералов: монтмориллониты, иллиты и каолиниты. Все они имеют ярко выраженное пластинчатое строение и пла-стинчатую молекулярную структуру, но обладают разной поверхностной энергией. Наиболее активными являются монтмориллониты, наименее – као-линиты. Кристаллы группы монтмориллонита не только имеют наибольшую удельную поверхность (каолинит ~ 10 м2/г, монтмориллонит ~ 800 м2/г), но и наибольшую адсорбционную способность и свойство сильно набухать в воде, втягивая молекулы воды внутрь кристаллической решётки, особенно, если они насыщены натрием Na (связь между пакетами атомов монтмориллонита ослаблена, так как слои атомов двух соседних пакетов обращены друг к дру-гу одноимённо заряженными атомами кислорода с наличием отталкивающих сил между ними, куда и проникают молекулы воды, раздвигая кристалличе-скую решётку монтмориллонита).

30

Самые мелкие фракции глин (менее 1 мкм) обладают свойствами коллои-дов. Для кварца коллоидная активность близка к нулю, для каолинита составля-ет около 0,4; для иллита – 0,9; монтмориллонита – от 1,5 до 7,2 (в зависимости от насыщения кальцием или натрием).

Различие не только в удельной поверхности, но и в молекулярной струк-туре глинистых минералов создаёт различия в их взаимодействии с водой, вто-рой составной частью любых природных грунтов.

Модуль объёмного сжатия частиц минералов, слагающих грунты (в МПа): 410 ,vK A= ⋅

где A – некоторое число в пределах от 1 до 9. Частицы многих минералов обладают ярко выраженной анизотропией

сжимаемости (неодинаковой сжимаемостью по разным направлениям), разли-чающейся до 10 раз. Поэтому, если все частицы ориентированы более или ме-нее одинаково, модуль сжимаемости будет неодинаков по направлениям вдоль ориентации и поперёк неё. Если же частицы скелета расположены беспорядоч-но, то грунт практически изотропен по сжимаемости. За счёт смятия в точках контакта и вследствие сдвига частиц объёмный модуль сжимаемости скелета на два-четыре порядка меньше, чем модуль сжимаемости отдельной частицы, и находится у разных грунтов в зависимости от их влажности и сложения в пре-делах от A до A·102 МПа.

Относительное содержание в скелете частиц различных размеров (обычно в процентах) называют зерновым, гранулометрическим или механическим со-ставом грунта.

Гранулометрический состав весьма разнообразен. Размер частиц меняется от 10-6 до 1000 мм. Это можно хорошо представить, если сравнить относитель-ные размеры воздушного шарика и нашей планеты. Определение грануломет-рического состава заключается в разделении частиц, образующих грунт на от-дельные группы (фракции).

Методы гранулометрического анализа: − ситовой (для крупных и средних фракций); для мелких фракций (диамет-

ром менее 0,05 мм): − седиментационный (основан на разделении фракций грунта в искусст-

венно приготовленных суспензиях вследствие разной скорости осажде-ния частиц различной крупности);

− ареометрический (основан на использовании свойства уменьшения плот-ности грунтовой суспензии по мере выпадения из неё в осадок различных фракций);

55

консистенция – для глинистых грунтов). Последние характеристики являются в известной мере условиями, позволяющими косвенным путём определить при-ближённо некоторые расчётные показатели механических свойств грунтов, ис-пользуя, например, нормативные данные (СНиП) и другие материалы.

2.2.3.1. Характерные влажности и число пластичности Классификация грунтов по гранулометрическому составу приведена ранее. Для глинистых грунтов большое значение имеет диапазон влажности, в

котором грунт будет пластичен. Он определяется содержанием мелких и мель-чайших частиц, но может быть найден весьма простым испытанием, предло-женным в Швеции профессором Аттербергом.

Этот диапазон характеризуется числом пластичности Jp и равен разно-сти между двумя весовыми влажностями, характерными для глинистых грун-тов – влажностью на границе текучести WL и влажностью на границе рас-катывания Wp: .p L pJ W W= − (2.23)

Влажность на границе текучести WL соответствует такой влажности, при которой грунт переходит в текучее состояние. Эта влажность определяется стандартным испытанием, путём нахождения влажности такой густоты грун-товой пасты (искусственно замешанного с водой грунта), при которой стан-дартный балансирный конус Васильева (по ГОСТ 5184-76, массой 76 г с углом при вершине 30º) погружается в грунт от собственного веса на глубину 10 мм (до риски).

Влажность на границе раскатывания Wр соответствует влажности, при кото-рой грунт теряет свою пластичность. Она приблизительно равна влажности жгута, сделанного из грунта и раскатываемого на бумаге до потери им пластичности, т. е. когда жгут диаметром 3 мм, подсыхая во время раскатывания, начинает крошиться до размеров ~ 3 см, тогда кусочки грунта, потерявшие пластичность, собирают, взвешивают, высушивают, вновь взвешивают и вычисляют влажность Wp.

Несмотря на весьма элементарное и условное определение границ текуче-сти и раскатывания, эти границы в сопоставлении их с природной влажностью грунтов хорошо характеризуют физическое состояние глинистых грунтов и ре-комендуются ГОСТ 25100 -95 „Грунты. Классификация”.

На основании многочисленных исследований можно рекомендовать для строительных целей упрощённую гранулометрическую классификацию грун-тов (табл. 2.4).

54

Крупнообломочные и песчаные грунты по степени влажности различают-ся на следующие группы: маловлажные 0,0 < Sr 0,5; влажные 0,5 < Sr 0,8; насыщенные водой 0,8 < Sr 1,0.

Такое распределение грунтов по степени насыщения водой имеет значе-ние при выборе расчётного сопротивления в основаниях сооружений. Так, на-пример, для маловлажных пылеватых песков расчётное сопротивление Ro при-нимается 0,25 МПа, для насыщенных водой – только 0,15 МПа, и то при усло-вии, что грунт не разрыхляется восходящими потоками грунтовых вод.

При неполном водонасыщении (Sr<1) грунт будет представлять трёхфаз-ную систему; при полном же водонасыщении (Sr=1) неуплотнённые грунты (в большинстве случаев залегающие ниже уровня грунтовых вод) – пески, супеси, илы, слабые суглинки и глины при наличии в порах свободной гидравлически непрерывной воды представляют класс двухфазных грунтов, так называемую грунтовую массу, для которой применима специальная теория фильтрационной консолидации (уплотнения) грунтов.

Следует отметить, что для грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод и находящихся в состоянии грунтовой массы, скелет грунта будет испыты-вать взвешивающее действие воды.

Учитывая для единицы объёма грунта вес твёрдых частиц в воде (γs-γw) и их объём [1/(1+е)], получим для удельного веса грунта, облегчённого весом вы-

тесненной им воды, выражение: ,1s w

sb eγ γγ −

=+ (2.21)

или: ( ) ( )1 .sb s w nγ γ γ= − ⋅ − (2.22)

2.2.3. Классификационные показатели грунтов Применяются для отнесения грунтов к той или иной категории, чтобы

предусмотреть в самых общих чертах поведение грунтов при возведении на них сооружений и выбрать нормативные давления на грунтовые основания (для на-значения предварительных размеров фундаментов), а в отдельных случаях и установить возможность применения в расчётах тех или иных теоретических решений механики грунтов (теории сыпучих тел, теории фильтрационной кон-солидации, теории ползучести и пр.).

К классификационным показателям грунтов относятся вещественный со-став грунтов (гранулометрический и минеральный, влажность и газосодержание) и характеристики физического состояния (плотность сложения – для песчаных и

31

− центрифугирование (основан на разделении фракций на центрифуге); − комбинированные методы.

На основании изучения физических свойств отдельных фракций предло-жено их классифицировать по размерам (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Классификация частиц грунтов

Наименование частиц Размеры частиц, d мм Валунные d > 200 Галечниковые (щебенистые) 200 ≥ d > 10 Гравийные (дресвяные) 10 ≥ d > 2 Песчаные: крупные 2 ≥ d > 0,5 средние 0,5 ≥ d > 0,25 мелкие 0,25 ≥ d > 0,05 Пылеватые: крупные 0,05 ≥ d > 0,01 мелкие 0,01 ≥ d > 0,005 Глинистые d ≤ 0,005

Деление частиц грунтов на фракции обусловлено тем, что грунты, со-

стоящие из частиц одной фракции, обладают специфическими особенностями и свойствами.

Грунт, состоящий только из галечниковых частиц (щебня), весьма водо-проницаем, имеет жёсткий скелет и высокую несущую способность. Такой грунт встречается редко.

Грунт, состоящий только из гравелистых частиц, также обладает боль-шой водопроницаемостью, сравнительно жёстким скелетом и достаточно высо-кой несущей способностью. В некоторых случаях при динамических воздейст-виях он может уплотняться. Оба эти грунта не обладают связностью (сыпучи); капиллярное поднятие в них отсутствует.

Песчаные частицы слагают различные по крупности пески, которые об-ладают водопроницаемостью, не пластичны, имеют сравнительно жёсткий, ма-ло сжимаемый при действии статической нагрузки скелет. В зависимости от плотности сложения частиц пески способны существенно уплотняться при ди-намических воздействиях. Они характеризуются небольшой высотой капилляр-ного поднятия (до 0,5 м) и в сухом состоянии являются сыпучими телами.

32

Грунт, состоящий только из глинистых частиц, практически водонепро-ницаем, во влажном состоянии характеризуется высокой пластичностью, может обладать большой сжимаемостью при действии статической нагрузки, при ди-намических воздействиях не уплотняется, но может терять свою прочность. После прекращения динамических воздействий прочность глинистого грунта частично или полностью постепенно восстанавливается, т. е. он обладает спе-цифическими тиксотропными свойствами. Такой грунт при изменении содер-жания в нём воды изменяет объём – набухает при увлажнении и получает усад-ку при высыхании. Все эти свойства, характерные для глины, особенно ярко проявляются, когда она содержит некоторое количество весьма мелких колло-идных частиц и состоит из минерала монтмориллонита.

Пылеватые частицы составляют пылеватый грунт, который имеет в строительном отношении все недостатки песка и глины. Пылеватый грунт сла-бо водопроницаем, плохо отдаёт воду и обладает свойством плывунности – пе-ремещается вместе с водой даже при малой скорости её движения. Капиллярное поднятие в нём развивается быстро, высота его обычно достигает 2-3,5 м.

Большинство естественных грунтов представляет собой смеси различных фракций.

В настоящее время принято изображать гранулометрический состав грун-тов в виде кривой однородности, которая строится по результатам грануломет-рического анализа (рис. 2.1).

Рис. 2.1 – Интегральная кривая гранулометрического состава

По горизонтальной оси откладывают логарифмы диаметров зёрен в мК

(что вызвано желанием оттенить в составе грунта содержание мелких, наиболее активных фракций), а по вертикальной оси – суммарное содержание в грунте

53

Подставляя уравнения (2.10) и (2.11) в уравнение (2.13), получим выражение:

( )1 1.se Wγγ

= ⋅ + − (2.14)

Величина коэффициента пористости е для грунтов меняется в довольно широких пределах (примерно от е=0,20 до е=1,5 и для органо-минеральных грунтов – до е=2÷12). Для достаточно уплотнённых грунтов e < 1, если же e > 1, то это показывает, что грунт весьма рыхлого, неуплотнённого сложения.

Зная величину е, учитывая выражения (2.9) и (2.13), можно определить n и m по формулам:

,1

ene

=+ (2.15)

1 .

1m

e=

+ (2.16)

Степенью влажности грунта Sr называют отношение природной влаж-ности грунта W к его полной влагоёмкости Wsat, т. е. влажности, соответствую-щей полному заполнению пор водой:

.rsat

WSW

= (2.17)

Согласно определению w

sats

nWmγγ⋅

=⋅ , или, учитывая выражения (2.15) и (21.16):

,wsat

s

eW γγ⋅

= (2.18)

где γw – удельный вес воды. Подставляя выражение (2.18) в уравнение (2.17), получим:

.sr

w

WSe

γγ⋅

=⋅

(2.19)

Из выражения (2.18) можно получить уравнение для коэффициента по-ристости полностью водонасыщенного грунта:

.sat s

w

We γγ⋅

= (2.20)

Удельный вес воды обычно принимают равной γw=0,01 МН/м3. Степень влажности природных глинистых грунтов близка к единице. Од-

нако во многих случаях вследствие наличия в грунтовой воде пузырьков газа она несколько меньше единицы, что в высокой степени сказывается на сжи-маемости поровой воды. При учёте сжимаемости поровой воды степень влаж-ности должна определяться с достаточной точностью (до 0,1%).

52

2.2.2. Вычисляемые характеристики грунта Введём понятие удельного веса скелета грунта γd, равного отношению

веса твёрдых частиц грунта к объёму грунта ненарушенной структуры:

1

1 2

.dq

V Vγ =

+ (2.5)

Его можно определить, учитывая, что влажность грунта W равна отношению веса воды dγ γ− к весу скелета грунта γd, т. е:

,d

d

W γ γγ−

=

откуда:

.

1d Wγγ =+

(2.6)

Отношение объёма пор в образце к объёму самого образца обозначают буквой n и называют пористостью грунта. Отношение же объёма твёрдых час-тиц к объёму образца называют относительным объёмом твёрдых частиц и обозначают буквой m:

2

1 2

,VnV V

=+

(2.7)

1

1 2

,VmV V

=+ (2.8)

1.n m+ = (2.9) Учитывая выражения (2.3), (2.6) и (2.9), можно записать:

,d

s

m γγ

= (2.10)

1 .d

s

n γγ

= − (2.11)

Коэффициентом пористости грунта e называют отношение объёма пор к объёму твёрдых частиц:

2

1

.VeV

= . (2.12)

Можно записать: .nem

= (2.13)

Коэффициент пористости является важнейшей характеристикой природ-ной плотности сложения грунтов и играет важную роль в механике грунтов (при расчёте осадок оснований сооружений и др.).

33

частиц диаметром более данного. Отношение диаметров частиц 60

10

dd

, соответст-

вующих 60% и 10% содержания частиц, характеризует неоднородность состава грунта и называется коэффициентом неоднородности. Чем больше этот коэф-фициент, тем грунт будет неоднороднее по составу; при коэффициенте неодно-родности меньше 3 грунт считается однородным.

Согласно ГОСТ 25100-95, грунты классифицируются следующим образом:

Таблица 2.2 Классификация песчаных и крупнообломочных грунтов по

гранулометрическому составу

Грунты Размер частиц, d мм

Масса частиц, % от массы воздушно-сухого грунта

Крупнообломочные: валунный (глыбовый) d > 200 > 50 галечниковый (щебенистый) d > 10 > 50 гравийный (дресвяный) d > 2 > 50

Песок: гравелистый d > 2 > 25 крупный d > 0,5 > 50 средней крупности d > 0,25 > 50 мелкий d > 0,1 ≥ 75 пылеватый d > 0,1 < 75 Примечание. Для установления наименования грунта последовательно сум-

мируются проценты частиц исследуемого грунта: сначала крупнее 200 мм, затем крупнее 10 мм, далее крупнее 2 и т. д. Наименование грунта принимается по пер-вому показателю в порядке расположения наименований в таблице сверху вниз.

Таблица 2.3 Классификация глинистых грунтов по гранулометрическому составу

Наименование грунта Содержание глинистых частиц

по массе, % Глина > 30 Суглинок 30 - 10 Супесь 10 -3

2.1.2.2. Вода в грунте, её виды и свойства В природных грунтах всегда содержится некоторое количество воды. Во-

да находится в различных состояниях, при этом, чем дисперснее грунт, тем влияние воды на его свойства будет больше.

34

Профессор А. Ф. Лебедев разделяет воду, находящуюся в грунте на семь видов:

1. Вода, химически связанная с грунтом, то есть такая, которую при обыч-ной температуре сушки грунта (105ºC) нельзя отделить от грунта.

2. Вода в виде пара, способная передвигаться из пор с большим давлением в поры с меньшим давлением.

3. Вода гигроскопическая, то есть конденсирующаяся на поверхности твёр-дых частиц. Если сухой грунт поместить во влажный воздух, то вес его будет увеличиваться, пока не достигнет некоторой величины, соответст-вующей максимальной гигроскопичности. Максимальная гигроскопич-ность для различных грунтов имеет следующие значения: для песков – около 1%; для пыли – до 7%; для глины – до 17% от массы сухого веще-ства грунта.

4. Плёночная вода – слой, окутывающий частицы грунта и удерживающийся силами молекулярного притяжения. Плёночная вода обволакивает части-цы грунта и не может быть от них отделена ни давлением порядка десят-ков бар, ни дренажём. Плёночная вода удаляется путём испарения лишь при высушивании грунта. Влажность грунта, соответствующая макси-мальной толщине молекулярных плёнок воды, по Лебедеву, называется максимальной молекулярной влажностью грунта. Количество молекуляр-но-связанной воды, содержащейся в данном грунте, и её свойства суще-ственно сказываются на физико-механических свойствах грунта.

5. Гравитационная вода, которая, не заполняя полностью пор грунта, имеет возможность свободно передвигаться под влиянием собственного веса.

6. Грунтовая вода, попавшая тем или иным путём в грунт, просочившаяся в глубь его и скопившаяся на водонепроницаемых слоях пород. В отличии от гравитационной, грунтовая вода обычно полностью насыщает все по-ры грунта.

7. Вода твёрдая, находящаяся в порах грунта в виде льда или инея. Важно отметить, что количественное содержание воды в грунте обуслав-

ливает различные её свойства. Молекулы воды в первую очередь располагают-ся на поверхности минеральных частиц, а затем уже постепенно заполняют промежутки между частицами. При малом количестве воды будем иметь только гигроскопическую и плёночную воду, т. е. воду, связанную (адсорбированную) поверхностью минеральных частиц. При большем количестве – капиллярно-разобщённую, а ещё при большем – капиллярно-подвижную (собственно капил-лярную) воду, если она соединяется с уровнем грунтовых вод, и капиллярно-

51

Тогда:

1 2

1 2

.q qV V

γ +=

+ (2.2)

Рис. 2.9 – Схема распределения отдельных фаз в единице объёма грунта

Удельный вес твёрдых частиц грунта γs является показателем, минерало-

гического состава грунта, его определяют с помощью пикнометра. Колеблется в пределах 0,0260 ÷ 0,0285 МН/м3. Следует отметить, что плотность скелета грунта практически всегда одна и та же. Это объясняется тем, что грунты, в ос-новном, состоят из оксидов, среди которых более 70% приходится на долю SiO2 и Al2O3, а на долю химических элементов Al и Si приходится 75%; эти элемен-ты занимают соседние места (13 и 14) в таблице Менделеева и имеют близкие атомные массы (26,98 и 28,09). Поэтому большая часть минералов, составляю-щих грунты, имеют плотность между 2,4 и 2,9 г/см3. Плотность кварца – 2,66 г/см3; плотность кальцита – 2,72 г/см3. Что касается аргиллитов, то мон-тмориллонит имеет плотность 2,4 г/см3, а каолинит – 2,6 г/см3:

1

1

.sqV

γ = (2.3)

Влажность грунта W определяют по результатам взвешивания образца естественной влажности перед высушиванием и после высушивания до посто-янной массы при температуры 105ºC:

2

1

.qWq

= (2.4)

Вследствие неоднородности любого рассматриваемого слоя грунта и ошибок при измерениях во время экспериментального определения γ, γs и W, эти величины находят многократно, а полученные данные обрабатывают мето-дами математической статистики.

50

Ячеистая текстура (рис. 2.8,в) характерна для некоторых видов засолён-ных, а также для дисперсных мёрзлых грунтов, промерзание которых происхо-дило в условиях неодностороннего охлаждения. Грунты ячеистой текстуры в различных направлениях, часто во взаимно-перпендикулярных, разделены на ряд отдельностей, промежутки между которыми заполнены одним из компо-нентов, составляющих грунт, например, прослойками солей, льда и т. п., обра-зуя подобие ячеек.

2.2. Физические свойства грунтов и классификационные показатели

2.2.1. Удельный вес грунта, удельный вес твёрдых частиц грунта, влажность грунта

Для определения физических свойств грунтов (пористости, водонасы-щенности и пр.) необходимо знать три простейших показателя: γ – удельный вес грунта естественной структуры (природного грунта); γs – удельный вес твёрдых частиц грунта; W – влажность грунта.

Поскольку при нарушении структурных связей грунта его свойства изме-няются, необходимо определять эти свойства или в условиях естественного за-легания, или по образцам ненарушенной структуры.

Образцы грунтов ненарушенной структуры берут в шурфах с помощью стального тонкостенного режущего кольца, а в скважинах – с помощью специ-ального прибора (грунтоноса).

Удельным весом грунта γ называют вес единицы объёма природного грунта. Он обусловливается геологической историей формирования и после-дующего существования грунта и равен отношению веса грунта, включая вес воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объёму, включая поры. Его оп-ределяют особенно тщательно по образцам с ненарушенной структурой. Удельный вес грунта следует вычислять с достаточной точностью (до 0,1 Н/см3), так как он является важнейшей исходной характеристикой грун-тов, без знания которой невозможно определить целый ряд показателей, вхо-дящих в уравнения механики грунтов.

Для уяснения применяемых в дальнейшем терминов обозначим для неко-торого объёма грунта V:

V1 – объём твёрдых частиц; V2 – объём пустот (пор); q1 – вес твёрдых частиц; q2 – вес воды в порах грунта (вес воздуха по незначительности не учи-

тывается). 35

подвешенную, если не соединяется. И, наконец, при насыщении грунта водой – подвижные грунтовые воды полностью подчиняются гидравлическим законам движения в пористой среде (фильтрации).

Капиллярной водой называют воду, заполняющую капилляры грунта и имеющую связь с грунтовой водой; подвешенная – это тоже капиллярная вода, но не имеющая связи с грунтовой водой. В то время как капиллярная вода при испарении не снижает своего уровня, подвешенная вода, будучи оторванной от грунтовой, при испарении резко снижает свой уровень.

Капиллярная вода, двигаясь против силы тяжести, испытывает под её действием растягивающие напряжения, равные в каждом сечении весу столба воды ниже этого сечения (рис. 2.2).

Рис. 2.2 – Зависимость высоты капиллярного поднятия hк от диаметра капилляров (а)

и эпюры гидростатического давления (б): 1 – отрицательное давление в капиллярной воде (растяжение); 2 – положительное

давление в свободной воде (сжатие); стрелками показаны сжимающие силы в стеках трубки

Таким образом, эти напряжения убывают книзу и равны нулю у основа-

ния столба. Капилляры испытывают в уровне менисков сжимающее давление (рис. 2.2, б) показано условными стрелками, равное весу поднятого столба воды и называемого капиллярным давлением. Сопротивление сдвигу частиц, созда-ваемое этим давлением, называют капиллярным сцеплением.

У маловлажных песчано-пылеватых грунтов капиллярное сцепление (рис. 2.3, б) достигает при малой влажности довольно большого значения, так как создаётся менисками малого радиуса R2, окружающими точки контакта час-тиц, наподобие кольцевых манжет радиусом R1 (рис. 2.3, а). Однако при насы-щении грунта водой, так же как и при полном высыхании, капиллярное сцепле-ние исчезает.

36

Рис. 2.3 – Схема капиллярного сцепления, увеличенный вид:

а) двух контактируемых частиц; б) блок частиц. 1 – частицы песчаного грунта (стрелки – силы поверхностного натяжения частиц);

2 –кольцевые мениски воды

Давление от внешней нагрузки на воду, от её собственного веса (по как угодно проведённой в покоящейся поровой воде площадке) всегда действует только нормально к этой площадке. В любой точке свободной воды нормаль-ные давления равны по всем направлениям. Такое распределение давлений на-зывают гидростатическим.

По закону Архимеда свободная поровая вода оказывает на находящуюся в ней твёрдую частицу скелета выталкивающее действие. Значение выталки-вающей силы равно весу жидкости в объёме частицы. Одновременно сама вода испытывает действие силы, равной выталкивающей, но противоположно на-правленной. Поэтому давление в свободной поровой воде в водонасыщенном грунте на любой глубине такое же, как если бы вода одна занимала весь объём, заполненный грунтом. Следовательно, в насыщенном водой грунте на глубине h от его поверхности гидростатическое давление:

.ã w g hρ ρ= ⋅ ⋅ . (2.1) В отличие от твёрдых тел, у которых упругая деформация сдвига всегда

конечна, у жидкости всякое касательное напряжение, как бы мало оно ни было, вызывает течение со скоростью, пропорциональной этому напряжению, и про-должающееся, пока оно действует. Следовательно, в покоящейся жидкости от-сутствуют касательные напряжения.

На свойствах жидкости не отражаются прошлые деформации, и как толь-ко действовавшие в ней касательные напряжения исчезают, она приходит в со-стояние покоя. Модуль объёмного сжатия поровой воды на порядок больше, чем у частиц скелета (несколько более 2·103 МПа).

При анализе перемещений поровой воды её деформациями можно пре-небрегать и считать её несжимаемой.

49

отложениях с перемежающимися тонкими глинистыми и песчаными слоями), косослойное сложение, наблюдаемое в некоторых видах мелководных морских отложений, и сланцеватое в глинистых и илистых грунтах, подвергавшихся в геологическом прошлом значительным давлениям с частичной цементацией. Ярко выраженная слоистая текстура грунтов и все её разновидности делают грунты анизотропными, т. е. свойства таких грунтов (например, водопрони-цаемость, сопротивление сдвигу, упругость и пр.) будут резко различны в раз-личных направлениях.

Рис. 2.8 – Основные типы текстуры грунтов:

а) слоистая (ленточная); б) порфировая; в) ячеистая; г) слитная

Наиболее распространены слоистые текстуры грунтов. Среди них можно различать ленточные сложение (например, в тонкослойных озёрно-ледниковых отложениях с перемежающимися тонкими глинистыми и песчаными слоями), косослойное сложение, наблюдаемое в некоторых видах мелководных морских отложений, и сланцеватое в глинистых и илистых грунтах, подвергавшихся в геологическом прошлом значительным давлениям с частичной цементацией. Ярко выраженная слоистая текстура грунтов и все её разновидности делают грунты анизотропными, т. е. свойства таких грунтов (например, водопрони-цаемость, сопротивление сдвигу, упругость и пр.) будут резко различны в раз-личных направлениях.

На рис. 2.8, а изображён тип ленточной (слоистой) текстуры глинистых ледниковых отложений. Слоистой текстурой обладают некоторые древние гли-ны и илы, подвергшиеся в геологическом прошлом значительным давлениям, а также некоторые разновидности песков и лёссовидных суглинков, недоуплот-нённых, но сцементированных солями.

На рис. 2.8,б показана порфировая текстура обломочных отложений. В грунтах порфировой текстуры обе составляющие (грубозернистый материал и дисперсный – глинистый) участвуют в общем сопротивлении грунта действиям внешних сил, но такие свойства, как сжимаемость, водопроницаемость, сопро-тивление сдвигу и упругость грунтов, будут зависеть, от свойств мелкодис-персного материала, в который включены крупные обломки горных пород.

48

Различают коагуляционные водно-коллоидные связи (возникающие при выпадении частиц в воде и свёртывании коллоидов при наличии электролитов) и конденсационные водно-коллоидные связи (возникающие при уплотнении коагуляционных структур до прямого соприкосновения друг с другом мине-ральных частиц и путём образования студней при полимеризации гелей).

Величина этих сил зависит от толщины плёнок и оболочек. Чем тоньше водно-коллоидные оболочки, т. е., чем меньше будет влажность водонасыщен-ных грунтов, тем водно-коллоидные связи будут больше, так как с уменьшени-ем толщины оболочки увеличивается молекулярное притяжение диполей свя-занной воды и склеивающее действие веществ, обусловленное и некоторым растворением в воде глинистых частиц.

Водно-коллоидные связи пластичны и обратимы: при увеличении влаж-ности быстро уменьшаются до величин, близких к нулю.

Кристаллизационные связи образуются в процессе последующего диаге-неза глинистых грунтов путём возникновения зародышей твёрдых кристалли-ческих тел, их роста и взаимного срастания под действием междуатомных хи-мических сил.

Прочность этих связей зависит от состава минералов. Так, менее прочны и водостойки связи, образуемые гипсом и кальцитом, в то время как опал, окислы железа и кремния дают более прочные и водостойкие кристаллизацион-ные связи.

Грунты с кристаллизационными неводостойкими связями обладают про-межуточными свойствами между грунтами с коллоидными и кристаллизацион-ными связями. Эти связи образуются независимо от величины поверхности ми-неральных частиц путём возникновения спаек из аморфных веществ, природ-ных цементов, гуминовых соединений и клеев, прочность которых зависит от содержания в них воды.

2.1.4.3. Текстура грунтов Текстурой грунтов называется их сложение, зависящее от условий накоп-

ления осадков. Текстура грунтов обязана своим происхождением как условиям образо-

вания грунтовых отложений, например, периодичности осаждения частиц в те-кучей и спокойной воде, так и последующим изменениям в величине и направ-лении внешнего давления.

Различают слоистую, слитную и сложную текстуры (рис. 2.8, а). Наиболее распространены слоистые текстуры грунтов. Среди них можно

различать ленточные сложение (например, в тонкослойных озёрно-ледниковых

37

2.1.2.3. Газообразные включения В грунтах следует рассматривать два основных вида газов: свободные и

растворённые в грунтовой воде. Свободные газы в свою очередь разделяются на: сообщающиеся с атмо-

сферой и не сообщающиеся (так называемые замкнутые или защемлённые газы). Состав газообразной фазы в грунтах может значительно отличаться от со-

става атмосферного воздуха: так, в нём важную роль могут играть газы биоло-гического происхождения (метан и др.), а также большое содержание углеки-слоты, присутствие сернистых и других газов, наличие которых в атмосферном воздухе может быть ничтожным.

Газы, сообщающиеся с атмосферой, принимают температуру и давление ближайших к данной точке частей атмосферы. При повышении температуры или при понижении давления атмосферы, а также под действием нагрузки на грунт, такие газы легко удаляются из грунта. Этот вид газообразной фазы встречается в большинстве случаев в песчаных грунтах и особого значения при решении задач механики грунтов не имеет.

Газы замкнутые (защемлённые) наблюдаются в связных грунтах, главным образом в глинах. Возникновение замкнутых (защемлённых) газов в глинах мож-но себе представить следующим образом. Чешуйки глины отделены одна от дру-гой узкими щелеобразными порами. При заполнении более широких щелей водой, которая движется под напором, находящиеся в крупных порах газы будут выхо-дить, соединяясь с атмосферой, а пузырьки газов в узких горловинах или мелких замкнутых порах могут оставаться в грунте, так как в крупных порах движение воды и газов происходит с большей скоростью, чем в узких.

Наличие в дискретных грунтах, особенно в глинах, замкнутых пузырьков газов, имеет известное значение в механике грунтов. Присутствие замкнутых га-зов обуславливает существование свободных поверхностей между частицами грунта, водой и пузырьками газов, вследствие чего возникают силы поверхност-ного натяжения или капиллярные силы. Наличие в грунте пузырьков газов уменьшает водопроницаемость грунта; кроме того, замкнутые газы увеличивают его упругость, так как при повышении давления (атмосферного, гидравлического или под действием нагрузки) газы претерпевают чисто упругие деформации.

Газы, растворённые в воде, в зависимости от химического состава по-разному могут оказывать влияние на минеральную часть грунтов. Одни газы обуславливают процессы окисления, другие – карбонизацию грунтов и т. п. При повышении температуры грунта и при уменьшении внешнего давления га-зы, растворённые в поровой воде, будут выделяться с тем большей интенсивно-

38

стью, чем выше температура грунта или большее уменьшение давления. При выделении газов происходит взрыхление (разбухание) грунтов, что существен-но может сказаться, например, на удельном весе и степени насыщения водой образцов грунта, взятых из буровых скважин. Последнее необходимо учиты-вать при инженерно-геологических изысканиях и оценке механических свойств грунтов ненарушенной структуры.

Наличие в поровой воде растворённых и защемлённых пузырьков газа может понизить модуль в 10 раз – до ~ 1,5·102 МПа.

Окисление и карбонизация грунтов, а также растворение поровой водой тех или иных солей и минералов, выпадение их при изменении физических ус-ловий вызывает в грунтах формирование новых внутренних цементационных связей, которые могут существенно изменять и прочностные свойства грунтов.

Соотношение твёрдых, жидких и газообразных составляющих грунтов не остаётся постоянным, а претерпевает изменения под влиянием внешних воз-действий (давления, температуры и пр.), что и необходимо учитывать при оценке состава и свойств грунтов.

2.1.3. Взаимодействия в дисперсной части грунтов 2.1.3.1. Электромолекулярные силы в грунтах

При весьма малых размерах частиц и огромной их удельной поверхности существенное значение имеют молекулярные силы, определяющие природу взаимодействия как минеральных частиц между собой, так и минеральных час-тиц с водой.

Кристаллическая решётка минеральных частиц грунтов образуется ато-мами составляющих её химических элементов. Большинство атомов внутри кристаллической решётки минеральных частиц являются нейтральными, т. е. положительно заряженные ядра в них уравновешиваются отрицательно заря-женными электронами. Потеря или присоединение к нейтральному атому одно-го или нескольких электронов делает атом заряженным положительно или от-рицательно. Такие атомы носят название ионы: с положительным зарядом – катионы, с отрицательным зарядом – анионы. Внутри минеральных частиц ио-ны с различными зарядами уравновешены, а на поверхности наблюдается не-полное их уравновешивание, так как внешние электрические заряды у поверх-ности минеральных частиц остаются неиспользованными – свободными. По-этому минеральные частицы ведут себя как заряженные тела, причём опыты показывают, что грунтовые частицы (глинистые) заряжены отрицательно. Ин-тенсивность поверхностного заряда частиц зависит от их минералогического

47

2.1.4.3. Структурные связи в грунтах В дисперсных материалах, к которым принадлежат глинистые грунты,

представляющие сложнейшие минерально-дисперсные образования, прочност-ные свойства зависят не столько от прочности (очень большой) отдельных ми-неральных зёрен, сколько от структурных особенностей глинистых грунтов. Среди них одно из важнейших мест занимают структурные связи между от-дельными минеральными частицами и их агрегатами.

Природа этих связей весьма сложна и определяется комплексом дейст-вующих в грунте внешних и внутренних энергетических полей, в основе кото-рых лежат молекулярные силы электромагнитной природы.

Характер их действия зависит от поверхности раздела фаз, химической природы твёрдых минеральных частиц, структуры и свойств веществ, запол-няющих межчастичные пространства.

Молекулярные силы, непосредственно взаимодействующие между твёр-дыми частицами (силы Ван-Дер-Ваальса), могут возникать лишь при очень тес-ных контактах между твёрдыми частицами и расстояниях между ними порядка нескольких рядов молекул (но не более десятков). Такие расстояния могут иметь место в грунтах, состоящих из твёрдых частиц и подвергнутых значительной ве-личине внешнего давления, трансформируемого в точках контакта в огромные силы, или же в грунтах влажных, но очень плотных, в которых под влиянием внешнего давления плёнки связанной воды и коллоидные оболочки частиц про-давлены. Силы Ван-Дер-Ваальса огромны, но суммарное их действие зависит от непосредственных точек контакта, которых в грунтах вообще мало.

В зависимости от свойств минеральных частиц и заполняющих поры грунтов водных растворов, а также условий первичного накопления минераль-ных осадков и последующего их литогенеза (превращения их в горную породу) путём прохождения стадии седиментации (образования осадков), диагенеза (превращения осадков в твёрдые породы) и метаморфизма (преобразования пород), структурные связи грунтов могут быть весьма различными.

По своей природе структурные связи разделяются на: 1) водно-коллоидные (коагуляционные и конденсационные) – вязкопла-

стичные, мягкие, обратимые; 2) кристаллизационные – хрупкие (жёсткие), необратимые – водостойкие и

неводостойкие. Водно-коллоидные связи обуславливаются электромолекулярными силами

взаимодействия между минеральными частицами, с одной стороны, и плёнками воды и коллоидными оболочками – с другой.

46

При полном диспергировании глинистого осадка, когда минеральные час-тицы не слипаются в агрегаты, в зависимости от насыщения теми или иными ионами, образуются следующие два вида весьма рыхлой структуры глинистых осадков: флоккулентная карточная для CA-каолинита (рис. 2.6, а) и палочно-соломенная для полностью диспергированного Na-каолинита (рис. 2.6, б).

Эти данные показывают влияние на структуру осадков насыщения теми или иными ионами.

Структура природных грунтов, особенно глинистых, весьма сложна. На-ряду с разнообразием частиц, участвующих в строении грунта, имеет сущест-венное значение и наличие в воде электролитов, коллоидов, органических склеивающих частиц и др. На рис. 2.7. изображена структура глины из естест-венных морских отложений, исследованная А. Казагранде.

Рис. 2.6 – Структура полностью диспергированных глинистых осадков:

а) Ca-каолинита; б) Na-каолинита

Рис. 2.7 – Структура глины морских отложений:

1 – частицы глины; 2 – уплотнённые коллоиды; 3 – зёрна песка

Между относительно крупными частицами песка расположены частицы глины и хлопьевидные скопления коллоидных частиц, образующих губчатую структуру. В местах сближения частиц песка хлопьевидные скопления колло-идных частиц значительно уплотнены.

39

состава. Физические и химические проявления поверхностного заряда опреде-ляют поверхностную активность минеральных частиц.

Если частицы любого вещества настолько малы, что поверхностная ак-тивность существенно влияет на их свойства, то говорят, что вещество нахо-дится в коллоидном состоянии. Размер грунтовых коллоидов колеблется от 2 до 0,1 мК. Типичные коллоидные свойства проявляется в способности частиц ис-пытывать броуновское движение (обусловленное толчками молекул) и коагу-лироваться (слипаться) в воде при наличие электролитов.

Особенно поверхностная активность минеральных частиц проявляется во взаимодействии их с молекулами воды. Как известно, вода состоит из полярных молекул с ионами водорода, заряженными положительно, и ионом кислорода (H+, OH−), заряженным отрицательно. При действии внешнего электрического поля происходит поляризация молекул, которая для диполей воды выражается в ориентации их в электрическом поле.

Известно далее, что диэлектрическая постоянная минеральных частиц зна-чительно больше диэлектрической постоянной воды, поэтому при соприкоснове-нии минеральных частиц с водой возникает электрическое поле с избыточной энергией на поверхности минеральных частиц, что и обуславливает притяжение ориентированных диполей воды к поверхности минеральных частиц.

Электромолекулярные силы притяжения действуют на весьма близких расстояниях от поверхности грунтовых частиц. Величина этих сил у поверхно-сти минеральных частиц огромна (до нескольких тысяч Н), но по мере удаления от грунтовой частицы быстро падает до нуля. Сфера действия молекулярных сил зависит также от состава грунтовой воды и распространяется от нескольких молекулярных слоёв воды до десятков (при общей толщине слоя до 0,5 мК).

Молекулы воды адсорбируются поверхностью минеральных частиц и притягивают другие слои воды, образуя гидратные оболочки вокруг минераль-ных частиц.

2.1.3.2. Гидратные оболочки частиц На рис. 2.4 представлена схема взаимодействия молекулярных сил на

границе раздела твёрдой частицы и воды в электрическом поле грунтовой частицы.

Наибольшие силы притяжения испытывают ряды молекул, непосредст-венно соприкасающихся с поверхностью минеральной частицы. По мере удале-ния от неё электромолекулярные силы значительно уменьшаются, и на некото-ром расстоянии молекулы воды будут уже неориентированными, находящими-ся в свободном от поверхностных сил состоянии.

40

На рис. 2.4 схематически изображена эпюра изменения электромолеку-лярных сил в зависимости от расстояния до поверхности грунтовой частицы.

Рис. 2.4 – Схема электромолекулярного взаимодействия поверхности

минеральной частицы с водой. 1 – минеральная частица; 2 – вода прочносвязная; 3 – вода рыхлосвязная

(осмотическая); 4 – вода свободная

Величина электромолекулярных сил быстро понижается по мере увели-чения расстояния от поверхности минеральной частицы, а на расстоянии по-рядка десятых долей микрона приобретает ничтожно малую величину, не пре-восходящую силы тяжести элементарных частиц.

Электромолекулярные силы взаимодействия между поверхностью твёр-дой частицы и молекулами воды весьма велика и составляет около 1000 МПа.

Самые близкие к минеральной частице слои в 1-3 ряда молекул воды, со-прикасающиеся с твёрдой поверхностью, настолько связаны электромолеку-лярными силами притяжения с поверхностью, что их не удаётся удалить ни внешним давлением в несколько атмосфер, ни действием напора воды. Эти слои образуют плёнки прочносвязанной (адсорбированной) воды.

Следующие слои молекул воды, окружающей минеральные частицы, будут связываться и ориентироваться посредством ориентированных моле-кул воды по мере удаления от поверхности грунтовых частиц всё меньшими силами. Они образуют слои рыхлосвязанной (лиосорбированной) воды, ко-

45

ческими) силами, в результате чего наблюдается наибольшее число контактов твёрдых частиц с твёрдыми частицами (рис. 1.5, а). Размер контактных площа-док зависит от формы минеральных частиц, а возникающие в контактах элек-тромолекулярные силы зависят от соотношения поверхности частиц и минера-логического их состава. Так как силы взаимодействия между твёрдыми части-цами намного меньше по сравнению с их весом, то частицы падают свободно, скатываясь в углубления и образуя зернистую структуру. Взаимное расположе-ние отдельных частиц в грунте зависит от условий отложения и может варьиро-ваться от рыхлого до плотного.

Рис. 2.5 – Основные виды структуры грунтов осадочного происхождения:

а) зернистая; б) сотообразная (губчатая); в) хлопьевидная

Сотообразная (губчатая) структура свойственна глинистым грунтам (рис. 2.5, б). При свободном падении частиц в воде в точках соприкасания они будут соединены адсорбированными плёнками воды. Если силы сцепления в точках соприкасания падающей частицы с ранее осевшими настолько значи-тельны, что превзойдут силу веса частицы (при очень малых частицах), то осе-дающие частицы остаются там, где они вначале коснулись осадка. В результате этого структура становится сотообразной или губчатой.

Хлопьевидная структура (рис. 2.5,в) образуется при осаждении в воде коллоидных частиц. Если размеры минеральных частиц менее 1 мК, то они уже будут обладать свойствами коллоидных частиц, и при погружении в воду дол-гое время будут находиться во взвешенном состоянии. Если в суспензию при-бавить несколько капель электролита (CaCl2 или др.), то силы отталкивания между частицами уменьшатся, и частицы получают возможность сближаться. При столкновении частиц возникает начальное трение, частицы слипаются и выпадают хлопьевидной массой. Подобным путём образуются сложные хлопь-евидные структуры.

44

так как она, определяет сопротивляемость и деформируемость грунтов под дей-ствием внешних сил.

При формировании структуры грунтов важное значение имеют электро-молекулярные силы взаимодействия между минеральными частицами (часто зависит от химического состава частиц, их удельной поверхности и т. п.) и си-лы взаимодействия между частицами и водой, а также их соотношение с весом частиц. Свойства среды, в которой осаждаются частицы (пусть это воздух или вода, её засоленность), существенно влияют на структуру образующихся мине-ральных осадков.

При осаждении минеральных частиц в воде к ним присоединяется значи-тельное количество молекул вод. Для минеральных частиц коллоидных размеров с большой активностью часто объём адсорбированной воды будет во много раз больше объёма минеральной частицы, что обуславливает чрезвычайную рых-лость некоторых глинистых осадков, когда из всего объёма грунта до 90% со-ставляют поры, заполненные водой, и лишь около 10% – минеральные частицы.

Существенное значение при этом имеют как размеры, так и форма и со-став минеральных осадков коллоидных размеров.

В формировании микроструктуры глинистых осадков большое значение имеет осмотический эффект, который обуславливает рыхлость осадков, так как при сближении гидратных оболочек на расстояние, меньшее, чем двойная толщина диффузного слоя, возникают силы отталкивания, уравновешивающие внешнее давление. Причём, чем больше будет сближение, тем силы отталкива-ния будут больше. Когда же сближение достигнет нескольких молекулярных слоёв, начинают преобладать силы непосредственного молекулярного взаимо-действия между частицами, что способствует возникновению новых более зна-чительных связей. Кроме того, частицы, осевшие под углом друг к другу, при незначительном расстоянии между ними под расклинивающим действием осмо-тических сил стремятся быть параллельными между собой, для чего при вязком сопротивлении требуется известный промежуток времени.

В формировании структуры глинистых коллоидов существенное значение имеет эффект седиментации, т. е. выпадение частиц в виде агрегатов со скоро-стью, зависящей от концентрации в воде электролитов.

2.1.4.2. Виды структуры Различают три основных вида структуры грунтов осадочного происхож-

дения: зернистую, сотообразную (губчатую) и хлопьевидную. Зернистая структура характерна для несвязных грунтов, в которых пре-

обладают силы тяжести твёрдых частиц по сравнению с коллоидными (осмоти-

41

торые поддаются выдавливанию из пор грунта внешним давлением до не-скольких бар (иногда МПа).

Наконец, молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромоле-кулярных сил взаимодействия с поверхностью минеральных частиц, будут об-разовывать свободную воду (гравитационную, капиллярную, грунтовую).

Слои прочносвязанной и рыхлосвязанной воды образуют диффузную оболочку.

Расположенные в пределах диффузной оболочки катионы совместно с от-рицательно заряженной поверхностью грунтовой частицы (рис. 2.4) образуют так называемый двойной электрический слой. Наибольший потенциал (термо-динамический ψ) будет у неподвижных анионов твёрдой частицы, снижение электрического потенциала по толщине диффузного слоя до уровня потенциала в свободном водном растворе соответствует электрокинетическому потенциалу (или, ξ-потенциалу). Чем больше ξ-потенциал, тем больше толщина диффузной водной оболочки частицы.

Прочносвязанная вода обладает свойствами, существенно отличающими-ся от свойств свободной воды. Свойства её скорее соответствуют твёрдому, а не жидкому телу. Прочносвязанная вода не отделяется от твёрдых частиц даже при воздействии сил, в десятки раз превышающих силы земного притяжения, замерзает при температуре значительно ниже 0ºC, имеет большую, чем свобод-ная вода плотность, обладает ползучестью. Такую воду можно отделить от твёрдой частицы лишь выпариванием при tº выше 100ºC.

Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, но эти свойства выражены слабее.

Рассмотренные аномальные свойства связанной воды обуславливают не-подвижность адсорбированных у поверхности минеральных частиц слоёв воды, мешая их свободной текучести, свойственной жидкостям, и тем самым, блоки-руя наиболее узкие и сужая более широкие поры между частицами грунта. В результате наблюдается значительное уменьшение водопроницаемости особен-но глинистых грунтов, а при небольших гидравлических градиентах – даже полная водонепроницаемость.

Перемещение связанной воды наблюдается при увеличении внешнего давления, когда часть воды диффузных оболочек будет выжиматься из облас-тей контактов минеральных частиц. При сжатии полностью гидратированных частиц уменьшается расстояние между катионами диффузного слоя, возникают электростатические силы отталкивания, которые уравновесят внешнее давле-

42

ние. При дальнейшем увеличении давления диффузные оболочки вновь сжи-маются, выдавливается новая порция воды, на более близком расстоянии воз-никают увеличенные силы отталкивания, которые вновь уравновешивают внешнее увеличенное давление. При разгрузке, вследствие преобладания сил отталкивания и электроосмотических явлений, твёрдые частицы раздвинутся, и будет наблюдаться „расклинивающий эффект” тонких слоёв воды.

2.1.3.3. Значение ионного обмена в грунтах Вода, наполняющая поры грунта, представляет собой слабый раствор тех

или иных солей, в котором при соприкасании с минеральными частицами воз-никает ионный обмен, или обменная адсорбция – ионы из раствора заменяются ионами из минеральных частиц. Поэтому при ионном обмене поверхность ми-неральных частиц резко изменяется, что в свою очередь оказывает влияние на водопроницаемость грунта, его пластичность и т. п.

Состав обменных ионов в гидратных оболочках частиц сильно влияет на свойства и поведение глинистых грунтов. При ионном обмене натяжение воды изменяется, что обуславливает изменение капиллярных сил в грунтах: положи-тельно адсорбирующиеся вещества понижают поверхностное натяжение, а от-рицательно адсорбирующиеся – повышают, увеличивая концентрацию остав-шейся части раствора.

На ионный обмен в дисперсных грунтах влияют: минералогический со-став твёрдых частиц и их дисперсность, строение частиц, концентрация элек-тролитов в растворе (чем больше концентрация, тем больше и ионный об-мен), природа обменных ионов, их валентность (наибольшей активностью обладают трёхвалентные ионы железа F, затем двухвалентные Mg, Ca и т. д.), а также концентрация водородных ионов pH. Вода всегда диссоциирует (рас-падается), хотя и в небольшом количестве, на ионы водорода (H+) и гидро-окисные ионы OH-.

В химически чистой воде концентрация водородных ионов pH = 7, в кис-лых водах pH < 7, а в щелочных, наоборот, pH > 7. Чем больше pH, тем адсор-бируется большее количество вещества.

Ионный обмен в дисперсных грунтах является областью, действуя на ко-торую даже очень малым количеством химических веществ (электролитов) можно весьма существенно изменить свойства грунтов, их пластичность, проч-ность и пр., что открывает широкие возможности преобразования грунтов в нужном для практики направлении.

43

2.1.3.4. Влияние электролитов Одним из свойств грунтовых коллоидов является способность их коагу-

лировать, т. е. слипаться в хлопья при наличии в воде электролитов. Электролитная коагуляция происходит под влиянием увеличения в рас-

творе количества солей (электролитов), что также может быть в грунтах при испарении влаги, при замораживании и пр., снижая ξ-потенциал до некоторой критической величины.

Коагулируют ионы, обеспечивающие дегидратацию зарядом противопо-ложным заряду коллоидных частиц, например, в глинистых коллоидах – катио-ны. Ионы же, заряженные одноимённо, являются пептизаторами, увеличи-вающими дисперсность системы частиц.

Для возникновения процесса коагуляции необходима некоторая мини-мальная концентрация электролита (для различных условий разная), называе-мая порогом коагуляции.

Существенную роль в формировании связности глинистых пород могут играть и коллоидные плёнки кремнекислоты, образующиеся на поверхности силикатных минералов (кварца, полевых шпатов, стёкол и пр.), особенно нахо-дящихся в высокодисперсном состоянии.

Экспериментальные исследования по физикохимии грунтов подтвержда-ют наличие цементационного сцепления между коллоидными частицами, обу-словленного плёнками тел кремневой кислоты, образовавшегося в результате гидролиза поверхностного слоя грунтовых частиц. Эти плёнки имеют важное значение, обуславливая начальную прочность скоагулированных частиц, нару-шение которой (возникновение трещин в плёнках геля кремневой кислоты) де-лает возможным вторичное проявление адсорбционного эффекта Ребиндера, сопровождающегося расклинивающим действием тонких плёнок воды.

Рассмотренные явления играют существенную роль в формировании структуры и текстуры природных грунтов.

2.1.4. Структура, текстура и связность грунтов 2.1.4.1. Основные понятия

Под структурой грунтов подразумевают обусловленное характером внутренних связей закономерное расположение различных по крупности и форме минеральных частиц или отдельных агрегатов частиц, на которые грун-ты могут распадаться.

Структура природных грунтов является важнейшим фактором, опреде-ляющим свойства грунтов как оснований и среды для возведения сооружений,

84

го трения. Однако в механике грунтов параметр с принято называть удельным сцеплением, а φ – углом внутреннего трения. Консолидированно-недренированный сдвиг. Несколько образцов грунта в одинаковом начальном состоянии обжима-ют равными давлениями с тем, чтобы получить одну и ту же пористость, а за-тем быстро срезают под различными нормальными давлениями без дополни-тельной консолидации. Затем испытывают серию образцов, обжатых другим начальным давлением (рис. 3.14).

Рис. 3.14 – Зависимость предельного сопротивления сдвигу: а) от влажности; б) от давления; в) зависимость параметров φω сω от влажности

Три-четыре серии таких испытаний при различных давлениях позволяют построить семейство кривых предельного сопротивления сдвигу как функции коэффициента пористости и влажности (рис. 3.14,а). Роль поровой воды в со-противлении сдвигу (рис.3.15).

Рис. 3.15 – Иллюстрация роли поровой воды в сопротивлении сдвигу После приложения нормальной нагрузки на водонасыщенный грунт в первый момент вся нагрузка передаётся на поровую воду. Если имеются пути для оттока поровой воды (дренированные условия), происходит отток поровой воды, падение порового давления, передача нагрузки на скелет, консолидация грунта.

Для неконсолидированного состояния полностью водонасыщенных грун-тов, т. е. когда полного уплотнения от данной нагрузки ещё не достигнуто, часть сопротивления сдвигу грунта, зависящая от величины нормального дав-

57

Консистенцию глинистых грунтов устанавливают для грунтов нарушен-ной структуры.

Учитывая, что при определении границ консистенции структура образцов нарушается, то для структурных грунтов эти границы не будут в достаточной мере характеризовать их физическое состояние. Консистенция глинистых грун-тов может быть оценена также по результатам статического зондирования (по сопротивлению вдавливанию), что даёт более точные данные по сравнению с определением по границам текучести и раскатывания.

2.2.3.3. Плотность сыпучих грунтов Естественная плотность сыпучих грунтов (песчаных и гравелистых раз-

личного состава, а также пылеватых песков) имеет первостепенное значение при оценке их свойств как оснований для сооружений, но определить её в есте-ственных условиях визуально не представляется возможным. Поэтому её опре-деляют специальными испытаниями:

− лабораторными – по коэффициенту пористости е и по индексу плотно-сти Id, определяемым по образцам грунта, взятым из буровых скважин или шурфов;

− полевыми – зондированием (динамическим и статическим) в месте непо-средственного залегания грунтов. Для чистых (не слюдистых) песков достаточно определить их природный

коэффициент пористости и сравнить его (для отнесения к той или иной катего-рии плотности) с нормативными данными, приведёнными в ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».

Таблица 2.6 Плотность сложения песчаных грунтов

Плотность сложения песков Вид песков плотные средней плотно-

сти рыхлые

Пески гравелистые, крупные и средней крупности

e < 0,55 0,55 ≤ e ≤ 0,70 e > 0,70

Пески мелкие e < 0,60 0,60 ≤ e ≤ 0,75 e > 0,75 Пески пылеватые e < 0,60 0,60 ≤ e ≤ 0,80 e > 0,80

Более общей характеристикой плотности песчаных грунтов любого мине-

ралогического состава является индекс плотности Id, определяемый по формуле:

max

max min

,de eI

e e−

=− (2.25)

58

где еmax – коэффициент пористости песчаного грунта в самом рыхлом его состоя-нии, определяемом при осторожном насыпании сухого песка в мерный сосуд; е – коэффициент пористости грунта в естественном состоянии; еmin – коэффициент пористости в плотном состоянии (определяется для пробы грунта, уплотнённого до постоянного минимального объёма в колбе пу-тём вибрирования или многократного постукивания. В зависимости от значения Id различают три состояния сыпучего грунта: 1) рыхлое 0 ≤ Id ≤ 0,33; 2) средней плотности 0,33 < Id ≤ 0,67; 3) плотное 0,67 < Id ≤ 1. Определение характеристик плотности для некоторых песков, залегаю-щих ниже уровня грунтовых вод, по пробам естественной структуры затрудни-тельно ввиду сложности, а иногда и невозможности отбора проб естественной ненарушенной структуры. В последнем случае применяется метод зондирова-ния в условиях естественного залегания грунтов.

83

Если первая кривая (рис. 3.12,а) показывает весьма существенное влияние плотности-влажности грунта на его сопротивление сдвигу, то вторые (рис. 3.12.б) – констатируют, что при быстром сдвиге τпр практически не зави-сит от величины внешнего давления, изменяясь лишь при изменении плотно-сти-влажности грунта. Консолидировано-дренированный сдвиг. После полной консолидации от обжимающей нагрузки очень медленно прикладывают возрастающие сдвигаю-щие усилия, чтобы обеспечить консолидацию при сдвиге и от этой нагрузки. При этом испытании поровое давление полностью отсутствует, так как выжидают окончания консолидации от каждой ступени загружения как нор-мальными, так и касательными силами.

Рис. 3.13 – Кривые предельных сопротивлений сдвигу связных глинистых грунтов

в условиях открытой системы (консолидировано-дренированных): а) уплотнения (kl) и разуплотнения (lm); б) кривая сдвига

Как показывают многочисленные испытания, кривая консолидированного

сдвига связных грунтов при давлениях в диапазоне 0,05-0,5 МПа также хорошо описывается уравнением прямой линии:

пр c tgτ σ ϕ= + ⋅ , (3.40) где с – сцепление грунта; φ – угол внутреннего трения грунта. Закон сопротивления сдвигу формулируется так: предельное сопротивле-ние связных грунтов сдвигу при завершённой их консолидации есть функция первой степени от нормального давления. Следует обратить внимание, что это уравнение получено для образцов грунта, находящихся в различном состоянии по плотности, так как перед сдви-гом образцы подвергались уплотнению различным давлением. Очевидно, что при этом каждый образец будет обладать своим значением сцепления. Значит, сцепление образцов одного и того же грунта будет различным. По этой причине угол наклона прямой (рис. 3.13,б), строго говоря, не является углом внутренне-

82

циента критической пористости при сдвиге для данного песчаного грунта, так как пористость плотных грунтов при сдвиге увеличивается, а более рыхлых – уменьшается.

Связные грунты Связные грунты отличаются от грунтов несвязных тем, что частицы и аг-регаты частиц связаны между собой пластичными (водно-коллоидными) и час-тично жёсткими (цементационно-кристаллизационными) связями. При этом со-противление их сдвигу будет в высокой степени зависеть от их связности (сил сцепления). Всякое внешнее давление на водонасыщенные связные глинистые грун-ты, при условии свободного оттока воды, выжимаемой внешним давлением, вызывает значительное изменение плотности-влажности, что и сказывается на общем сопротивлении грунтов сдвигу, так как прочность и количество водно-коллоидных связей пропорциональны плотности-влажности глинистого грунта. Существуют три метода испытаний:

1) неконсолидированно-недренированный (быстрый) сдвиг; 2) консолидированно-дренированный (медленный) сдвиг; 3) консолидированно-недренированный сдвиг. Неконсолидиронно-недренированный сдвиг – водонасыщенный грунт за-

гружают быстро, чтобы исключить возможность его консолидации за счёт вы-хода воды из образца; пористые плиты в приборе заменяют сплошными, опыт выполняют за 2-3 минуты (быстрый сдвиг).

Грунт испытывают с неизменной пористостью и влажностью, так как бы-стро приложенная нагрузка не уплотняет его. При любом давлении сопротив-ление сдвигу почти не изменяется, и его можно считать постоянным (рис. 3.12).

Рис. 3.12 – Кривые предельных сопротивлений сдвигу связных глинистых грунтов

в условиях закрытой системы (неконсолидированно-недренированных): а) зависимость сопротивления сдвигу от влажности;

б) кривая сдвига при быстром (недренированном) срезе

59

Глава 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 13, 14, 15]

3.1. Основные закономерности механики грунтов

В механике сплошных тел, в том числе в механике массивных горных пород, рассматриваются тела сплошные, которые нередко состоят из ясно выраженных отдельных кристаллов и зёрен различных минералов, но на-столько взаимно связанных и спаянных между собой, что прочность связей между ними не отличается от прочности отдельных минеральных зёрен. Деформация таких тел описывается в строительной механике и общей ме-ханике сплошных тел.

Основной особенностью грунтов как рыхлых горных пород является то, что в них твёрдые минеральные частицы занимают не весь объём, а только его часть, т. е. грунты не являются сплошными телами и всегда обладают той или иной пористостью, причём прочность связей между минеральными частицами во много раз меньше прочности самих частиц.

В грунтах (природных дискретных минерально-дисперсных образова-ниях) при действии внешних сил возникают как общие деформации, прису-щие всем сплошным телам, так и деформации, обусловленные взаимным перемещением отдельных зёрен грунтов и их твёрдых минеральных частиц. Если при действии внешних сил прочность структурных связей между ми-неральными частицами грунтов не нарушается, то грунты будут деформи-роваться как сплошные тела. В случае же их нарушения деформации будут определяться, главным образом, перемещениями отдельных зёрен грунтов. Поэтому кроме общих закономерностей, которым подчиняются деформации сплошных тел, здесь будет ещё ряд особенностей и закономерностей, обу-словленных природой грунтов.

К таким закономерностям относят: 1. Сжимаемость грунтов, обусловленную изменением их пористости, а,

следовательно, и общего объёма под действием внешних сил вследствие пере-упаковки частиц. Процесс уплотнения в общих чертах заключается в том, что под действием внешних сил расстояния между твёрдыми частицами уменьша-ются, вследствие чего уменьшается объём пор и увеличивается удельный вес грунта, т. е. грунт приобретает более плотное сложение. Если поры грунта за-полнены водой, то процесс уплотнения под действием сжимающих сил может произойти только при условии выдавливания воды из пор. Внешняя нагрузка,

60

приложенная к грунту, создаёт в грунтовой воде добавочный напор, вследствие чего и происходит фильтрация воды из пор, обуславливающая уменьшение влажности грунта и увеличение его плотности.

2. Водопроницаемость, которая, представляя общее свойство всех по-ристых тел, имеет для грунтов особенность, так как является для них пере-менной величиной, изменяющейся в процессе уплотнения их под нагрузкой. Как деформируемость грунтов во времени, так и их сопротивление сдвигу зависят от долей напряжений, передаваемых на скелет грунта и на воду, на-ходящуюся в порах грунта. Поровая вода под действием возникающего в ней давления постоянно отжимается, передавая давление на скелет грунта, поэтому деформируемость грунтов и их сопротивление сдвигу зависят от фильтрационных способностей грунта. Кроме того, фильтрация воды в грунтах интересует строителей при определения притока воды в котлованы и расчёте водопонижающих установок.

3. Контактную сопротивляемость сдвигу, обусловленную лишь внутрен-ним трением в сыпучих грунтах и трением со сцеплением в грунтах связных.

4. Деформируемость грунтов как дисперсных тел и частный случай – принцип линейной деформируемости. Деформируемость грунтов зависит как от сопротивляемости и податливости их структурных связей (будут ли связи сплошные или только в точках контакта минеральных частиц; являются ли они пластичными – водно-коллоидными, или хрупкими – кристаллизационными и т. д.), так и от деформируемости отдельных компонентов, образующих грунты. При этом при однократном загружении и давлении, большем прочности жёст-ких структурных связей, грунты всегда будут иметь кроме восстанавливаю-щихся и остаточные деформации, во много раз превосходящие по величине де-формации восстанавливающиеся.

Знание указанных закономерностей позволяет составлять прогнозы ожи-даемой осадки и предотвращать возможность потери устойчивости массивов грунтов.

81

(рис. 3.10,а) и произойдёт срез (скольжение) одной части образца грунта по другой. Величину максимального предельного сопротивления сдвигу при дан-ной ступени нагрузки относят к единице площади поперечного сечения образ-ца, принимая распределение сдвигающих напряжений равномерным (уравнение (3.38). Затем идентичный образец того же грунта нагружают большим давлени-ем и вновь определяют максимальное сопротивление сдвигу (срезу). Опыт по-вторяют при нескольких уплотняющих давлениях σ1, σ2, σ3 и по результатам их строят диаграмму предельного сопротивления сдвигу (рис. 3.10,б).

Как показывают результаты многочисленных испытаний, диаграмма пре-дельных сопротивлений сдвигу для сыпучих грунтов может быть принята за прямую, исходящую из начала координат и наклонённую под углом φ к оси давлений (рис 3.10.б).

Согласно диаграмме сдвига для сыпучих грунтов можно записать:

пр tgτ σ ϕ= ⋅ , (3.39) где tgφ – площадь поперечного сечения грунта в срезывателе; φ – угол внутреннего трения. Это отношение является основной прочностной зависимостью для сыпу-чих грунтов, установленной ещё в 1773 г. Ш. Кулоном. Её суть может быть сформулирована следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грун-тов сдвигу есть сопротивление трения, прямо пропорциональное нормальному давлению. Эта зависимость в механике грунтов носит название закона Кулона.

Рис. 3.11 – Влияние начальной плотности сыпучего грунта

на его деформации при сдвиге а) схемы деформирования рыхлого и плотного песка; б) кривые зависимости горизонтальной деформации песка при постоянной скорости деформирования:

1 – для плотного песка; 2 – для рыхлого песка

Данный рисунок 3.11 иллюстрирует влияние начальной плотности сыпу-чего грунта на его деформации при сдвиге при постоянной скорости деформи-рования. Как показывают опыты, сыпучий грунт при сдвиге достигает опреде-лённого коэффициента пористости независимо от того, имел ли он вначале плотное или рыхлое состояние. Этот коэффициент получил название коэффи-

80

NA

σ = и TA

τ = , (3.38)

где А – площадь поперечного сечения грунта в срезывателе.

Рис. 3.9 – Срезыватель для испытания грунтов на сдвиг:

а) при неподвижной нижней части; б) при неподвижной верхней части; 1 – фильтры; 2 – образец грунта; 3 – фильтрующие камни

3.4.2.1. Закон Кулона

Сыпучие грунты Сыпучие грунты при увеличении на них внешнего давления (на величину порядка нескольких бар) незначительно изменяют свою плотность. Практиче-ски этими изменениями при испытании сыпучих грунтов на предельное сопро-тивление сдвигу можно пренебречь.

Рис. 3.10 – Кривые горизонтальных перемещений образцов:

а) при разных значениях σ; б) график сопротивления сдвигу образцов песчаного грунта

После нагружения образца грунта некоторой сжимающей (вертикальной) нагрузкой прикладывают сдвигающую (горизонтальную) нагрузку, увеличивая её до тех пор, пока не возникнут без дальнейшего увеличения сдвигающей на-грузки незатухающие, прогрессивно возрастающие деформации сдвига

61

Физические свойства

Классификация песчаных грунтов Классификация глинистых грунтов

механические свойства

сжимаемость (закон уплотнения)

сопротивление сдвигу (закон Кулона)

водопроницаемоть (закон Дарси)

деформации уплотнения (осадки)

условия предельного равновесия

фильтрационная консолидация

распределение напряжений

(задачи Буссинеска, Фламана, Митчелла,

Миндлина)

давление грунта на ограждения (Кулон, Соколовский)

вторичная консолидация (реология, ползучесть)

расчёт конечных осадок S

критическая нагрузка (расчётное сопротивление

грунта R)

расчёт осадки во времени

II группа предельных состояний

RP срII ≤

uSS ≤

итог

предельная нагрузка Расчёт оснований по несущей

способности

I группа предельных состояний

n

uc FFγ

γ ⋅≤

итог

итог

прогнозирование

Рис. 3.1 – Логическая схема взаимосвязи основных закономерностей механики грунтов

3.2. Сжимаемость грунтов 3.2.1. Физические представления

Сжимаемость грунтов является характернейшим их свойством, сущест-венно отличающим грунты от массивных горных пород и других твёрдых тел. Она заключается в способности грунтов изменять (иногда значительно) своё строение (упаковку твёрдых частиц) под влиянием внешних воздействий (сжи-мающей нагрузки, высыхания, коагуляции коллоидов и пр.) на более компакт-ное за счёт уменьшения пористости грунта.

62

Уменьшение пористости происходит как вследствие возникновения не-которых местных сдвигов частиц и проскальзывания более мелких в поры грунта, так (особенно у дисперсных водонасыщенных глинистых грунтов) и вследствие изменения толщины водно-коллоидных оболочек минеральных час-тиц под влиянием увеличения давления, высыхания, коагуляции и пр.

Кроме того, на переупаковку частиц влияет ползучесть скелета грунта и оболочек прочносвязанной воды (которые также можно относить к скелету грунта), обусловленная искажением формы кристаллических решёток мине-ральных частиц и медленным вязким течением молекулярных слоёв прочносвя-занной воды.

Следует отметить, что для грунтов полностью водонасыщенных измене-ние пористости возможно лишь при изменении их влажности (выдавливании или всасывании воды) и некоторого внутреннего сжатия газовых включений. Для грунтов же неводонасыщенных оно может происходить и при сохранении их влажности.

Изменение объёма пор дисперсных грунтов при высыхании (в процес-се обезвоживания диффузных оболочек и увеличения капиллярного сжа-тия), а также в результате медленных физико-химических процессов (на-пример, старения коллоидов) учитывают лишь в отдельных исключитель-ных случаях, и основным процессом изменения объёма грунтов будет уп-лотнение их под нагрузкой.

Различают механическое уплотнение грунтов – при кратковременных ди-намических нагрузках и уплотнение (компрессию, консолидацию и пр.) – при длительном действии постоянных нагрузок.

Динамические нагрузки (вибрационные, ударные), вызывают значитель-ное уплотнение песчаных грунтов, особенно мелкозернистых. Глинистые же грунты от динамических нагрузок уплотняются очень мало. Однако при дли-тельно действующих нагрузках наблюдается обратное явление: песчаные грун-ты уплотняются мало, тогда как глинистые – очень сильно, причём уплотнение их протекает медленно и зависит от скорости выдавливания воды из пор грун-та. Эта разница объясняется различной природой структурных связей этих двух основных видов грунтов.

Песчаные грунты имеют жёсткие контакты между твёрдыми мине-ральными частицами, непосредственное сжатие которых под действием внешней нагрузки нереально. Если же грунты подвергаются динамическим нагрузкам, то трение в точках контактов жёстких зёрен нарушается, проис-ходит скольжение одних зёрен по другим, более мелкие зёрна попадают в

79

какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, происходит сдвиг одной части массива грунта по другой. Внутренним сопротивлением сдвигу несвязанных твёрдых минеральных частиц будет лишь трение, возникающее в точках контакта частиц. Сопротивление сдвигу связных грунтов будет складываться из сопротив-ления их трению и сцепления. Под силами сцепления подразумевают сопротив-ление структурных связей всякому перемещению связываемых ими частиц, не-зависимо от внешнего давления. Показатели сопротивления сдвигу – это основные прочностные показате-ли сопротивления тел внешним силам. Для грунтов их важнейшая особенность в том, что они переменны, зависят от давления и условий в точках контакта частиц, сопротивляющихся сдвижению. Правильный выбор показателей сопротивления сдвигу грунтов имеет первостепенное значение для практики, так как обуславливает точность инже-нерных расчётов по определению предельной нагрузки на грунт, устойчивости массивов грунта и давления грунтов на ограждения.

Опытное определение сопротивления сдвигу может производиться раз-личными методами:

− по результатам прямого плоскостного среза; − по результатам простого одноосного сжатия; − по результатам трёхосного сжатия; − вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью; − по результатам среза грунта крыльчаткой по цилиндрической поверхно-

сти и др.

3.4.2. Предельное сопротивление грунтов сдвигу при прямом плоскостном срезе

Предельное сопротивление определяется при испытании грунта на одно-срезных приборах (рис. 3.9). Цилиндрический образец помещают в срезыватель так, чтобы одна его половина оставалась неподвижной, а другая – могла пере-мещаться горизонтально под действием прикладываемой к ней горизонтальной сдвигающей нагрузки. К образцу грунта прикладывают нормальную к поверхности среза сжи-мающую нагрузку N. Сдвигающую касательную к поверхности среза нагрузку Т прикладывают к срезывателю ступенями или непрерывно возрастающей до тех пор, пока не произойдёт срез и скольжение одной части грунта по другой. При обработке результатов испытаний оперируют средними сжимающи-ми σ и сдвигающими τ напряжениями:

78

Чем большей сжимаемостью обладает поровая вода, тем большая часть усилия в начальный момент времени передаётся на скелет. Во все последующие отрезки времени после загружения давление в воде уменьшается вследствие выдавливания её из грунта. Этот процесс развивается до тех пор, пока всё дав-ление не будет передано на пружину (скелет грунта). В водонасыщенном грунте, обладающем ползучестью, деформации раз-виваются во времени как в результате постепенного выдавливания воды из пор грунта, так и вследствие ползучести самого скелета. Модель наглядно демонстрирует, что в процессе уплотнения грунта в нём одновременно действуют две системы давлений: давление в скелете грунта, на-зываемое эффективным, и давление в поровой воде, называемое нейтральным. Эффективное давление характеризует напряжённое состояние скелета грунта. Под этим давлением грунт уже деформировался, т. е. уплотнился и уп-рочнился. Следовательно, такое давление эффективно сказывается на состоя-нии грунта. Нейтральное же давление не влияет на напряжённое состояние скелета полностью водонасыщенного грунта, т. е. оно нейтрально по отношению к ске-лету грунта.

3.4. Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона 3.4.1. Понятие о прочности грунта

Когда говорят о нарушении прочности какой-либо строительной конст-рукции, то подразумевают появление в ней трещин и вслед за этим – распад конструкции на отдельные не связанные друг с другом обломки. Однако дис-персный грунт с самого начала представляет собой скопление обломков горных пород, образовавшихся в результате их разрушения, поэтому понятие о прочно-сти грунта должно отличаться от общепринятой трактовки этого термина. Про-стейшее предположения, принимавшиеся в классической механике грунтов, за-ключалось в том, что скопление обломков горной породы или минеральных частиц грунта сохраняет прочность, пока не наступает безостановочный сдвиг одной части грунта относительно другой под действием приложенных сил, ко-торые должны преодолеть контактное взаимодействие частиц. Таким образом, прочность грунта должна количественно характеризоваться сопротивлением сдвигу, представляющим собой среднюю сумму контактных сопротивлений, отнесённую к единице площади того сечения, по которому происходит сдвиг. Грунты в основаниях сооружений испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по

63

поры между более крупными зёрнами, что вызывает переупаковку частиц в более плотное сложение, в результате уменьшается пористость грунта, уве-личивается его плотность.

В водонасыщенных же песках динамические нагрузки вызывают значи-тельные напоры в воде, нарушается опирание отдельных песчинок в точках их контакта и рыхлый песчаный грунт внезапно может превратиться в тяжёлую жид-кость, в которой тонут все предметы, ранее нёсшие даже значительную нагрузку.

В глинистых грунтах, которые вследствие их связности при динамиче-ских нагрузках уплотняются мало, возникающие в воде напоры при незначи-тельной водопроницаемости этих грунтов погашаются на весьма малом рас-стоянии и разжижения не происходит.

При уплотнении грунтов постоянной нагрузкой следует различать, по крайней мере, два диапазона давлений:

1) когда внешнее давление меньше прочности структурных связей; 2) когда эти связи преодолены. В первом случае уплотнение грунтов не происходит, так как возникаю-

щие под действием внешней нагрузки деформации в этом случае будут упру-гими деформациями структурных связей, и грунт будет деформироваться как сплошное квазитвёрдое тело.

Во втором случае, т. е. когда жёсткие структурные связи преодолены, грунты будут уплотняться значительно, причём для грунтов с водно-коллоидными связями уплотнение будет происходить за счёт сжатия водно-коллоидных оболочек минеральных частиц с выдавливанием некоторого коли-чества воды, а также и за счёт ползучести скелета грунта. Выдавливание же во-ды для данных глинистых грунтов возможно лишь при напоре, вызываемом действием внешних нагрузок, большем некоторой начальной величины.

Для грунтов, обладающих одновременно и мягкими водно-коллоидными и жёсткими кристаллизационными связями, процесс уплотнения будет значи-тельно сложнее.

Процесс уплотнения грунта в реальных условиях работы сооружений протекает по одной из следующих схем:

1. Сжатие слоя грунта равномерно распределённой сплошной нагрузкой без возможности его бокового расширения (рис. 3.1). 2. Сжатие грунта нагрузкой, передаваемой на ограниченную часть по-верхности грунта, при ограниченном боковом расширении (рис. 3.2).

64

Рис. 3.1 – Схема компрессионного сжатия грунта при сплошной нагрузке (а) и

в жёстком кольце (б) а) б)

Рис. 3.2 – Схема сжатия грунта нагрузкой

а) передаваемой на ограниченную часть поверхности грунта при ограниченном боковом расширении; б) испытание в стабилометре

3.2.2. Компрессионная зависимость Уплотнение грунта сплошной постоянной нагрузкой называется компрес-

сией грунтов (рис. 3.1). При этом деформации грунта могут развиваться только в одном направлении и никакие силы, кроме внешней нагрузки, не действуют (одномерная задача).

Для испытания грунта на сжимаемость применяют приборы с жёсткими стенками (одометры) для обеспечения сжатия грунта только в одном направ-лении (без возможности его бокового расширения). Компрессионное сжатие грунта оценивается изменением коэффициента пористости при изменении сжимающих напряжений в скелете грунта. Поскольку образец грунта в коль-це не может получить бокового расширения, изменение его коэффициента пористости ei под давлением pi, распределённым по площади A, найдём по выражению:

,ni o i o

s

Ve e e eV∆

= −∆ = − (3.1)

где eo – начальный коэффициент пористости; ∆ei – изменение коэффициента пористости; ∆Vп – изменение объёма пор; Vs – объём твёрдых частиц.

77

Рис. 3.8 – Модель деформации во времени полностью водонасыщенного грунта:

1 – стакан; 2 – поршень; 3 – груз (гиря); 4 – вода; 5 – пружина

В первый момент времени после загружения (при t=0), пока несжи-маемая вода не успела выйти из отверстия, поршень ещё не переместился по вертикали. Следовательно, пружина не получила деформацию, и усилие в ней, отнесённое к единице площади поршня pz, будет равно нулю (pz = 0). В воде же возникает давление pω = p. Таким образом, в первый момент време-ни давление полностью передаётся на воду.

По мере выдавливания воды из стакана через отверстие в поршне послед-ний будет опускаться. В течение этого процесса значение pω уменьшается, а значение pz увеличивается. В результате будет сохраняться равенство: zp p pω+ = . (3.37)

После выдавливания определённого количества воды из-под поршня дав-ление p будет полностью передано на пружину, т. е. при t = ∞ давление pω = 0 и pz = p.

Эта модель в известной степени иллюстрирует деформацию полностью насыщенного водой грунта, не обладающего структурной прочностью и ползу-честью скелета.

При сжатии образца водонасыщенного грунта, помещённого в одометр, в поровой воде возникает давление pω. По мере выдавливания воды из образца давление в поровой воде падает, а давление pz в деформирующемся скелете грунта увеличивается. Таким образом, давление в пружине моделирует давле-ние в скелете, а давление в воде соответствует давлению в поровой воде.

Если в поровой воде содержится воздух в растворённом виде или в виде пузырьков, то она мгновенно деформируется сразу после приложения нагрузки. Это можно исследовать с помощью той же модели (рис. 3.8). В данном случае, вследствие сжатия воды после приложения нагрузки, часть давления будет пе-редаваться на воду, а часть – на скелет, т. е. справедливо выражение (3.37).

76

3.3.2. Понятие о начальном градиенте На рис. 3.7 показаны экспериментально найденные зависимости скорости фильтрации от гидравлического градиента: для песков – кривая I, для глин– кривая II (масштаб для глин увеличен на несколько порядков).

Рис. 3.7 – Зависимость скорости фильтрации vф от гидравлического градиента i:

I – для песка; II – для глины (в разных масштабах) Фильтрация воды в вязких глинистых грунтах имеет свои особенности, вы-званные малыми размерами пор и вязким сопротивлением водно-коллоидных свя-зей. Она начинается лишь при градиенте, большем некоторого значения io. На кривой II можно различить три участка: начальный 0-1, когда скорость фильтрации практически равна нулю (vф = 0); переходный 1-2 криволинейный и, 2-3 – прямолинейный – установившейся фильтрации, когда скорость фильт-рации пропорциональна действующему градиенту. Ввиду неопределённости в очертании и незначительности по величине переходного участка 1-2 можно принимать пересечение продолженной наклонной прямой 2-3 с осью i за значе-ние начального градиента напора. Следовательно, можно записать: при '

0i i< 0фv = ,

при oi i≥ ( )ф ф ov k i i= ⋅ − . (3.36)

3.3.3. Модель водонасыщенного грунта Для лучшего понимания процесса уплотнения грунта во времени рас-смотрим механическую модель уплотнения грунтовой массы (модель К. Терцаги). В стакан 1 поставим пружину 5 и до её верха нальём практически несжи-маемую (не содержащую воздуха) воду 4. На поверхность воды и верх пружи-ны поставим поршень 2 с отверстием малого диаметра и приложим к поршню нагрузку 3, создающую давление р.

65

,n iV s A∆ = ⋅ (3.2) где А – площадь кольца одометра; si – осадка от давления pi. Объём твёрдых частиц в единице объёма образца грунта m остаётся практиче-

ски неизменным и составляет: 1 .

1 o

me

=+

(3.3)

Объём твёрдых частиц в единице объёма образца грунта m остаётся практиче-

ски неизменным и составляет: oe

m+

=1

1, (3.3)

тогда: .1s

o

A hV m A he⋅

= ⋅ ⋅ =+ (3.4)

Подставляя уравнения (3.2) и (3.4) в уравнение (3.1), получим выражение:

( )1 .ii o o

se e eh

= − + ⋅ (3.5)

Эта формула позволяет определять коэффициент пористости грунта для любого приложенного давления. По значениям ei для различных давлений pi можно построить кривую зависимости коэффициента пористости от давлений, которую называют компрессионной кривой.

Закономерность изменения коэффициента пористости, установленная К. Терцаги, развита многими отечественными учёными (Н. М. Герсевановым, Н. А. Цытовичем, Н. Н. Масловым, М. Н. Гольдштейном и др.).

Рис. 3.3 – Компрессионные кривые:

а) общая закономерность: 1 – нагружение; 2 – разгрузка; б) расчётная схема для определения коэффициента относительной сжимаемости

3.2.3. Коэффициент относительной сжимаемости Во многих случаях в пределах сравнительно небольших изменений дав-

лений от природного давления p1 до значения p2, возникающего в грунте после

66

возведения сооружения, компрессионная кривая грунта ненарушенной структу-ры сравнительно близка к секущей прямой AB (рис. 3.3,б.). Уравнение этой прямой:

.i o ie e p tgα= − ⋅ (3.6) Величина tgα характеризует сжимаемость грунта в пределах изменения

давления от p1 до p2, поэтому её называют коэффициентом сжимаемости и обозначают otg mϕ = :

1 2 1 2

2 1

,oe e e emp p p− −

= =−

МПа-1, (3.7)

где р – дополнительное давление (сверх природного). Уравнение (3.6) можно записать в виде: .i o o ie e m p= − ⋅ (3.8) Учитывая уравнение (3.5), получим:

( )1 ,o i osm p eh

⋅ = + ⋅ (3.9)

откуда: 1o i

vo i

m sme h p

= =+ ⋅ МПа-1, (3.10)

где mv – коэффициент относительной сжимаемости грунта,

так как i

i

sh p

−⋅

относительная деформация грунта (отнесённая к единице давления).

3.2.4. Структурная прочность Выше была рассмотрена деформация грунта, не обладающего структур-

ной прочностью, т. е. уплотняющегося под действием даже небольшого давле-ния. Такое явление обычно свойственно очень слабым грунтам.

В большинстве случаев грунты природного сложения уплотнены давле-нием вышележащих слоёв. В результате уплотнения частицы грунта сближа-лись и между ними образовывались водно-коллоидные связи. В процессе дли-тельного существования грунтов при определённых условиях в них дополни-тельно могли возникнуть хрупкие кристаллизационные связи. Суммарно эти связи придали грунту некоторую прочность, которую называют структурной прочностью грунта pstr.

При давлении меньшем структурной прочности (p < pstr), когда оно вос-принимается водно-коллоидными и кристаллизационными связями, уплотнение практически не развивается. Лишь при p > pstr происходит уплотнение грунта. Установить точно значение структурной прочности затруднительно, так как

75

i – гидравлический градиент, равный потерям напора H2 – H1 =H на от-

резке пути фильтрации L: 2 1H HiL−

= . (3.33)

Закон ламинарной фильтрации формулируется так: скорость фильтрации vф прямо пропорциональна гидравлическому градиенту i. Поскольку давление в поровой воде pω изменяется в килопаскалях, тогда

напор выражается высотой столба воды: pH ω

ωγ= , (3.34)

где γω – удельный вес воды.

Рис. 3.6 – Схема установки для определения коэффициента фильтрации

песка (трубка К. Терцаги)

Для хорошо фильтрующих грунтов kf можно определить с помощью при-бора (рис. 3.6), состоящего из трубки длиной L, заполненной грунтом и двух трубок – подводящей и отводящей воду. При разности напоров H2 – H1 вода бу-дет фильтроваться под действием градиента i, вычисляемого по формуле (3.33). Определив объём воды V , профильтровавшейся за время t, можно найти:

фVk

A i t=

⋅ ⋅, (3.35)

где А – площадь поперечного сечения образца грунта. Для определения коэффициента фильтрации в пылевато-глинистых грун-тах необходимо создавать большой напор. Значение коэффициента фильтрации может находиться в больших преде-лах в зависимости от гранулометрического состава и плотности грунтов: 1 410 10фk r r− −= ⋅ ÷ ⋅ см/сек – пески;

3 610 10фk r r− −= ⋅ ÷ ⋅ см/сек – супесь;

5 810 10фk r r− −= ⋅ ÷ ⋅ см/сек – суглинок;

3 1010 10фk r r− −= ⋅ ÷ ⋅ см/сек – глина.

74

Так как x y zσ σ ξ σ= = ⋅ , ( )1 2zσ ξΘ= ⋅ + ⋅ , то, переходя к приращениям, по-

лучим ( )1 2zd dσ ξΘ= ⋅ + ⋅ . Поскольку zd dpσ = , то, подставив это выражение в

формулу (3.12), окончательно имеем:

1 2odde m

ξΘ

= ⋅+ . (3.31)

В случае компрессионного нагружения уменьшение коэффициента по-ристости грунта в данной точке может произойти только при соответст-вующем увеличении суммы нормальных напряжений в этой точке. Это допу-щение используется для расчёта скорости уплотнения (консолидации) полно-стью водонасыщенного грунта. Так как в этом случае (при полном заполнении пор водой) пористость грунта связана с его влажностью, условие (3.30) называ-ется принципом гидроёмкости Н. М. Герсеванова. В случае плоской и объёмной задачи процесс консолидации, для плотных глин, развивается сложнее, однако использование принципа гидроёмкости су-щественно упрощает математический аппарат теории фильтрационной консо-лидации грунтов.

3.3. Водопроницаемость грунтов Уплотнение грунта, в том числе водонасыщенного, происходит путём уменьшения его пористости и, следовательно, влажности. Значит, во время уп-лотнения грунта выдавливается вода. Эта вода должна пройти некоторый путь в толще грунта, т. е. профильтроваться через грунт. Скорость процесса уплот-нения, очевидно, будет зависеть от скорости отжатия воды из пор. Кроме того, строителей часто интересуют и другие вопросы, связанные с фильтрацией воды через грунт (приток воды в котлован, размеры воронки депрессии поверхности грунтовых вод и т. п.). Для решения этих вопросов необходимо знать законы фильтрации воды в грунте.

3.3.1. Закон ламинарной фильтрации Как показывают опыты, движение воды в порах грунта происходит в со-ответствии с законом ламинарной фильтрации, который предложил Дарси:

ф фv k i= ⋅ , (3.32)

где vф – скорость фильтрации – объём воды, проходящий через единицу площади поперечного сечения грунта в единицу времени; kф – коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации vф при i=1;

67

частичное нарушение структуры грунтов происходит уже при отборе образцов, кроме того, при сжатии образца разрушение структуры происходит сначала в отдельных наиболее напряжённых точках контактов частиц даже при незначи-тельных давлениях. По мере увеличения давления разрушение в точках контак-тов быстро возрастает, и процесс переходит в стадию уплотнения грунта во всём объёме образца (рис. 3.4,а).

Рис. 3.4 – Компрессионные кривые грунта, обладающего структурной прочностью:

а) в простой; б) полулогарифмической системе координат

Более чётко выявляется начало первичного сжатия грунта при использо-вании компрессионной кривой, построенной в полулогарифмических коорди-натах (рис. 3.4,б). В этом случае компрессионной кривой первичного сжатия будет прямая СД. Продолжение этой прямой вверх до пересечения с горизон-тальной (пунктирной) линией ЕС', соответствующей значению начального ко-эффициента пористости ео, позволяет найти величину ро, которую можно рас-сматривать как значение структурной прочности.

Структурную прочность грунта можно также определить по результатам изменения бокового давления грунта при испытании его в приборе трёхосного сжатия (по Е.И. Медкову) или по моменту возникновения давления в поровой воде.

Уравнение компрессионной кривой с определённым приближением мо-жет быть представлено, как показал К. Терцаги, в виде логарифмической зави-симости: ( ) ,oe A m p p c= ⋅ + + (3.11)

где А, ро, с – параметры, определяемые по трём точкам экспериментальной кривой, т. е. из решения трёх уравнений (2.11) с тремя неизвестными.

3.2.5. Закон уплотнения Уравнение (3.8) описывает изменение коэффициента пористости лишь

для спрямлённого участка компрессионной кривой и поэтому является уравне-

68

нием приближённым. Если же изменения давлений бесконечно малы, то изме-нения коэффициента пористости будут строго пропорциональны изменению давления. Дифференцируя уравнение (3.8), получим: .ode m dp= − ⋅ (3.12)

Полученное соотношение имеет особо важное значение в механике грун-тов и положено в основу установления ряда её фундаментальных положений: принципа линейной деформируемости, принципа гидроёмкости, дифференци-ального уравнения консолидации и т. д. Это соотношение называется законом уплотнения, которое формулируется так: бесконечно малое изменение относи-тельного объёма пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изме-нению давления.

Линейная деформируемость грунта в пределах небольших изменений давления вытекает из выражения (3.10). Действительно, из этого выражения следует:

.iv i

sm ph

⋅ = (3.13)

Правая часть этого выражения является относительной деформацией грунта. Поскольку для данного грунта и данного изменения давления величина mv постоянна, относительная деформация грунта прямо пропорциональна дав-лению. Следовательно, грунт можно считать линейно деформируемым телом.

Однако в ряде случаев это положение приводит к значительным расхож-дением между рассчитанными и наблюдаемыми в натуре деформациями, по-этому в последнее время исследователи стремятся учесть нелинейную зависи-мость между напряжениями и деформациями. Однако такие решения ещё не вошли в инженерную практику и требуют дополнительных разработок.

3.2.6. Общий случай компрессионной зависимости Выше рассматривалось уплотнение образца грунта только под действием

вертикального сжимающего напряжения zσ σ= . Остальные компоненты сжи-мающих напряжений σх и σy во внимание не принимались. Однако в общем слу-чае они также будут оказывать влияние на деформируемость элементарного объёма грунта, находящегося в массиве (рис. 3.5).

Действительно, чем большие значения реактивных напряжений σх и σy возникнут в элементе грунта от приложенных вертикальных нагрузок, тем меньшей сжимаемостью будет обладать этот грунт.

73

Здесь первые члены правой части уравнений характеризуют деформации сдвига (формоизменения грунта), а вторые – объёмные деформации. Действи-тельно, если определить из этих выражений значение объёмных деформаций:

,v x y zε ε ε ε= + + (3.24)

то сумма первых членов правых частей будет равна нулю, т. е. при действии только нормальных напряжений деформации формоизменения отсутствуют. Тогда уравнения (3.23) можно записать в виде:

( )1 1 ,2x x m mG K

ε σ σ σ= ⋅ − + ⋅⋅

( )1 1 ,2y y m mG K

ε σ σ σ= ⋅ − + ⋅⋅

(3.25)

( )1 1 ,2z z m mG K

ε σ σ σ= ⋅ − + ⋅⋅

где ( )2 1EG

v=

⋅ + , (3.26)

1 2EK

v=

− ⋅. (3.27)

Отсюда легко выразить коэффициент Пуассона через модуль объёмной

деформации и модуль сдвига: ( )

22K Gv

K G− ⋅

=⋅ +

. (3.28)

Таким образом, зная из опыта любую пару деформационных характери-стик грунта Е и ν или K и G, можно по приведённым выше формулам опреде-лить остальные характеристики. Зная модуль сдвига G, можно определить го-ризонтальные перемещения (сдвиги) сооружений на грунтовых основаниях под действием горизонтальных сил.

3.2.9. Принцип гидроёмкости грунта

Рассматривая общий случай объёмной деформации грунта, Н. М. Герсе-ванов ввёл допущение, что коэффициент пористости грунта зависит только от суммы нормальных напряжений: 3x y z mσ σ σ σΘ = + + = ⋅ (3.29)

и не зависит от их соотношений, т .е. ( )e e= Θ . (3.30)

Для схемы компрессионного нагружения это положение легко доказать, исходя из следующего.

72

товых вод происходит частичное или полное разрушение структурных связей, действовавших в грунте. Этому способствует увеличение объёма пузырьков га-за, заключённых в порах грунта. Действительно, при уменьшении давления в поровой воде объём пузырьков газа существенно увеличивается, что приводит к развитию напряжений растяжения в скелете грунта. При этом сохраняются связи малой прочности между частицами грунта.

3.2.8. Модуль объёмной деформации грунта и модуль сдвига Изложенное выше показывает, что для описания модели линейно дефор-

мируемой среды достаточно знать две деформационные характеристики: мо-дуль деформации Е и коэффициент Пуассона ν, которые могут быть вычислены по результатам экспериментальных исследований. Эти характеристики приме-няются при решении одномерной задачи компрессионного уплотнения.

В общем случае при решении плоской и пространственной задач бывает удобно любую деформацию грунта представить в виде суммы объёмных де-формаций и деформаций сдвига. При этом используются другие деформацион-ные характеристики грунта: модуль объёмной деформации грунта К и модуль сдвига G, которые могут быть определены следующим образом.

Преобразуем правую часть первого уравнения системы (3.15), добавляя к

ней со знаком „плюс” и „минус” член xvEσ⋅

, тогда получим:

1 ,x x m

o o

v vE E

ε σ σ+= ⋅ − ⋅

где .3

x y zm

σ σ σσ

+ += (3.22)

Теперь, вновь добавляя к этому выражению с разными знаками член ( )1 mv

Eσ+ ⋅

, получим: ( )1 1 2 .x x m mo

v vE E

ε σ σ σ+ − ⋅= ⋅ − + ⋅

Поступая аналогично с остальными уравнениями этой системы, обоб-щённый закон Гука можно представить в виде:

( )1 1 2 ,x x m mo o

v vE E

ε σ σ σ+ − ⋅= ⋅ − + ⋅

( )1 1 2 ,y y m mo o

v vE E

ε σ σ σ+ − ⋅= ⋅ − + ⋅ (3.23)

( )1 1 2 .z z m mo o

v vE E

ε σ σ σ+ − ⋅= ⋅ − + ⋅

69

Рис. 3.5 – Схема напряжений в элементе грунта при действии

сплошной равномерно распределённой нагрузки

Введение условия (3.12) позволяет рассматривать грунт в интервале при-нятого изменения давлений как линейно деформируемую среду. Тогда для опи-сания деформируемости грунта в этих условиях можно использовать уравнения обобщённого закона Гука:

( )

( )

( )

;

;

;

xx y z

o o

yy x z

o o

zz y x

o o

vE E

vE E

vE E

σε σ σ

σε σ σ

σε σ σ

= − ⋅ +

= − ⋅ +

= − ⋅ +

( )

( )

( )

2 1;

2 1;

2 1,

xy xyo

yz yzo

zx zxo

vE

vE

vE

γ τ

γ τ

γ τ

⋅ += ⋅

⋅ += ⋅

⋅ += ⋅

(3.14)

где Ео – модуль деформации грунта; ν – коэффициент бокового расширения грунта (коэффициент Пуассона).

Поскольку при действии на поверхности массива грунта равномерно рас-пределённой нагрузки р, соответствующей схеме компрессионного сжатия, площадки, к которым приложены напряжения σx, σy, σz, будут главными, т. е.,

zx yz xyτ τ τ= = – эти уравнения запишутся в виде:

( )

( )

( )xyoo

zz

zxoo

yy

zyoo

xx

EE

EE

EE

σσνσε

σσνσε

σσνσε

+⋅−=

+⋅−=

+⋅−=

, (3.15)

где ν – коэффициент Пуассона, равный, отношению абсолютных вели-чин поперечных и продольных деформаций образца при одноосном сжатии без ограничения бокового расширения:

70

.yx

ã ã

vεε

ε ε= = (3.16)

Напомним, что в компрессионных испытаниях 0x yε ε= = ; x yσ σ= . Тогда из первых двух уравнений системы (3.15) получается:

.1x y г

vv

σ σ σ= =−

(3.17)

Введём понятие коэффициента бокового давления грунта в состоянии по-коя ξ, определяющего соотношение абсолютных значений нормальных напря-жений, действующих по вертикальным и горизонтальным площадкам элемен-тарного объёма грунта в условиях невозможности его бокового расширения. Тогда в соответствии с рис. 3.5. из выражения (3.17) можно установить связь между коэффициентами ξ и ν:

( )

; ;1 1

yx

z z

vvv

σσ ξξ ξξ

= = = =∂ ∂ + −

. (3.18)

Таким образом, если при проведении компрессионных испытаний оказы-вается возможным измерить боковые напряжения, возникающие в образце в ре-зультате приложения к нему сжимающего напряжения σ, то эти коэффициенты могут быть определены. Некоторые конструкции одометров компрессионных приборов позволяют провести такие измерения. Обычно для этого используют-ся опыты со стабилометрами. Теоретически коэффициент бокового давления любого материала может меняться в пределах от 0 до 1, тогда пределы изменения коэффициента Пуассо-на составляют 0 ≤ ν ≤ 0,5. Обобщая результаты многочисленных опытов, Н. А. Цытович приводит следующие наиболее распространённые значения ко-эффициента бокового давления:

для песчаных грунтов ξ = 0,25…0,37; для глинистых (в зависимости от консистенции) ξ = 0,11…0,82. Им соответствуют следующие пределы изменения коэффициента Пуассона: для песчаных грунтов ν = 0,2…0,27; для глинистых ν = 0,1…0,45. Чем ближе глинистый грунт по консистенции приближается к текучему

состоянию, тем значения ξ и ν будут больше. Если в последнее уравнение системы (3.15) подставить значения σx=σy из

выражения (3.17) и провести преобразования в соответствии с формулами (3.18), то получим:

2 22 21 1 ,

1 1z z z

zo o o

vE v E Eσ σ σξε β

ξ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⋅ ⋅

= ⋅ − = ⋅ − =⎜ ⎟ ⎜ ⎟− +⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (3.19)

где β – коэффициент, зависящий от ν и ξ.

71

Нетрудно убедиться, что коэффициент β всегда меньше 1. Следовательно, относительная деформация сжатия εz в условиях компрессионного нагружения грунта всегда меньше относительной деформации этого же образца грунта при

одноосном испытании .zz

oEσε

⎛ ⎞=⎜ ⎟

⎝ ⎠

3.2.7. Модуль деформации грунта В соответствии с уравнением (3.13) вертикальная относительная дефор-

мация может быть найдена по выражению: .iz v

s m ph

ε = = ⋅ (3.20)

Приравнивая правые части уравнений (3.19) и (3.20) получим:

,vo

mEβ

= или .ov

Emβ

= (3.21)

Таким образом, модуль деформации грунта, определяемый по результа-там компрессионных испытаний в некотором интервале изменения напряже-ний, непосредственно связан с изменением его коэффициента пористости. Для определения коэффициента β необходимо знать величины ν и ξ в этом же ин-тервале изменения напряжений. При отсутствии этих данных коэффициент β допускается принимать равным для:

− пылеватых и мелких песков – 0,8; − супесей – 0,7; − суглинков – 0,5; − глин – 0,4.

Модуль деформации грунта является важным показателем его деформа-ционных свойств, характеризующим уплотняемость грунта при нагружении. Он используется при расчёте осадок сооружений.

Значение модуля деформации грунта, найденное с помощью компресси-онной кривой, нередко отличается от действительного. Это обусловлено сле-дующими причинами.

Для проведения компрессионных испытаний необходимо извлечь образец грунта из скважины или шурфа. Это неизбежно сопровождается уменьшением напряжений в скелете образца грунта (снятие природного давления) и сниже-нием до нуля давления в поровой воде (при отборе образца грунта ниже уровня грунтовых вод). Изменение напряжений в скелете грунта и в поровой воде вы-зывает увеличение объёма образца грунта.

При грунтах, обладающих относительно большой структурной прочно-стью, увеличение объёма может ограничиться упругими деформациями. Но в большинстве случаев при извлечении образцов из скважин ниже уровня грун-

112

нию мерзлоты. В результате отепляющего влияния водоёмов, рек, деятельности человека в этих зонах возможно образование сквозных таликов – толщ неза-мерзающих грунтов. Далее на север и северо-восток со сложными границами располагаются зоны сплошного распространения мёрзлых толщ – третья зона. Среднегодовая температура грунтов от -3 до -5ºС, мощность вечной мерзлоты до 200.-250 м. Четвёртая зона (температура грунтов от -5 до -10ºС, мощность до 400-600 м и более), занимающая значительную часть Якутии и северо-восточной оконечности страны. Пятая зона относится к арктическому побережью. Здесь уже талики, не являются сквозными, а приурочены только к местным отепляющим факторам.

Мёрзлые и вечномёрзлые грунты отличаются характерной морозной тек-стурой (рис. 4.4), обусловленной содержанием и расположением в них льда.

Рис. 4.4 – Морозные текстуры грунтов:

а) слитная; б) слоистая; в) ячеистая (сетчатая)

Различают слитную (массивную) текстуру (рис. 4.4, а), когда лёд содер-жится только в порах грунта и видимые прослойки льда отсутствуют. Такая текстура свойственна крупнообломочным и песчаным, а также маловлажным глинистым грунтам.

Слоистая текстура (рис. 4.4, б) характерна для глинистых грунтов и пы-леватых песков. Такая текстура обнаруживается преимущественно в верхних слоях вечномёрзлых грунтов до глубины 15-25 м и значительно реже – на больших глубинах. Слоистая текстура образуется при одностороннем промер-зании достаточно увлажнённых грунтов и при подтоке (миграции) воды из нижних водонасыщенных горизонтов.

Ячеистая (сетчатая) морозная текстура (рис. 4.4, в) образуется при про-мерзании глинистых грунтов, находящихся в сильно увлажнённом состоянии в результате свободного подтока воды. Она характерна для верхней части дея-тельного слоя, если он сильно обводнён. Шлифы и прослои льда в этом случае образуют сложную сеть, толщина их может измеряться сантиметрами.

85

ления, будет меньше, так как на скелет грунта передаётся не всё давление, а лишь эффективное σэфф, равное разности между полным давлением (сжимаю-щим напряжением σ) и нейтральным u. Тогда сопротивление сдвигу полностью водонасыщенного связного грунта при незавершённой консолидации будет промежуточным по величине между со-противлением сдвигу, соответствующим начальной влажности грунта, и величи-ной, соответствующей стабилизированному состоянию, определяется выражением:

( )пр с tg uτ ϕ σ= + ⋅ − (3.41)

или прэффс tgτ ϕ σ= + ⋅ , (3.42)

где u – нейтральное (поровое) давление, соответствующее данной сте-пени консолидации; с – величина эффективного сцепления.

3.4.2.2. Давление связности. Угол отклонения

Уравнение (3.41) часто бывает удобно представить в той же форме, что и уравнение (3.39), записав его в виде:

( ) ,прo tgτ σ σ ϕ= + ⋅ (3.43)

где .cc c ctg

tgσ ϕ

ϕ= = ⋅ (3.44)

Это давление связности грунта, суммарно заменяющее действие всех сил сцепления. Такая запись позволяет формально заключить, что проявление связ-ности (сцепления) грунта как бы эквивалентно фиктивному увеличению нор-мального напряжения в плоскости сдвига, повышающему прочность грунта. Теперь, выделив элементарную площадку в плоскости сдвига грунта, можно рассмотреть изменение на ней напряжений, действующих в процессе испытания образца (рис. 3.16).

Рис. 3.16 – Напряжения на элементарной площадке в плоскости сдвига грунта

86

Примем величины с и φ постоянными, не зависящими от σ. Тогда общее значение нормального напряжения сσ σ+ в течение всего испытания остаётся также постоянным. Ступенчатое нагружение образца горизонтальной нагрузкой приводит только к возрастанию τ. При пр

iτ τ< в образце развиваются некоторые горизонтальные перемеще-ния δ, однако сдвиг ещё не происходит и прочность грунта остаётся неисчер-панной. По мере возрастания τi увеличивается угол отклонения Θi равнодейст-вующей нормальных и касательных сил pi от оси нормальных напряжений. При этом всегда сохраняется условие:

i

ic

tg τσ σ

Θ =+ . (3.45)

Как только величина τi достигнет предельного значения, равного сопро-тивлению грунта сдвигу, т. е. пр

iτ τ= , произойдёт разрушение грунта в плоско-сти сдвига, и дальнейшее увеличение τ окажется невозможным. При этом угол отклонения достигает своего максимального значения Θmax. Тогда, подставив в (3.45) пр

i ττ = и maxitg tgΘ = Θ и сравнив полученное выражение с (3.43), можно записать важное условие: max ϕΘ = , (3.46) т. е. максимальный угол отклонения равен углу внутреннего трения грунта. Очевидно, что это условие справедливо и для сыпучих грунтов, где 0=cσ .

3.4.3. Сопротивление грунта сдвигу при сложном напряжённом состоянии. Теория прочности Кулона-Мора

Схема одноплоскостного сдвига соответствует лишь частным случаям разрушения грунта в основании сооружений. В общем случае необходимо рас-смотреть прочность грунта в условиях сложного напряжённого состояния. Для этого используется теория прочности Кулона-Мора. Пусть к граням элементарного объёма грунта приложены главные напря-жения 1 2 3σ σ σ≥ ≥ (рис. 3.17, а).

Будем постепенно увеличивать напряжение σ1, оставляя постоянной вели-чину σ3. В конце концов, в соответствии с теорией Кулона-Мора, произойдёт сдвиг по некоторой площадке, наклонённой к горизонтальной плоскости. Принимая в первом приближении, что промежуточное главное напряже-ние σ2, действующее параллельно этой площадке, не влияет на сопротивление грунта сдвигу, и мы исключим его из дальнейшего рассмотрения.

111

К вечномёрзлым относят грунты, находящиеся в мёрзлом состоянии в те-чение многих (трёх и более) лет. Этим они отличаются от так называемых пере-лётков (рис. 4.3, а), образующихся в виде слоя мёрзлого грунта небольшой тол-щины, чаще всего при наступлении периодов с температурами ниже среднего-довых или вследствие временного изменения местных условий промерзания. В дальнейшем, когда наступают более тёплые годы, перелёток оттаивает. К местным условиям промерзания относятся: толщина и время образования снежного покрова, наличие и характер растительности, заболоченность, на-правление склона местности относительно сторон света, интенсивность сол-нечной радиации и др.

Рис. 4.3 – Схемы расположения слоёв грунта: 1 – деятельный слой (слой сезонного промерзания и оттаивания грунта); 2 – перелёток; 3 – талый грунт;

4 – вечномёрзлый грунт; 5 – слой талого грунта, не промерзающего зимой

С поверхности грунта залегает ежегодно промерзающий и оттаивающий слой. Его часто называют деятельным слоем или слоем сезонного промерзания и оттаивания грунта. Различают деятельный слой сливающийся (рис. 4.3, б), ко-гда грунт промерзает до верхней границы слоя вечномёрзлого грунта, и несли-вающийся (рис. 4.3, в), когда грунт не промерзает до указанной границы.

4.3.2. Формы залегания вечномёрзлых грунтов По В.А. Кудрявцеву, в зависимости от температурных условий область вечной мерзлоты разделяется на пять зон. В первой зоне (районы Иркутска, Читы и т. д.), расположенной по запад-ной и южной границам области, мощность мёрзлых толщ не превышает 30-40 м, температура вечномёрзлых грунтов близка к 0…-1ºС. Здесь отмечается островное залегание вечномёрзлых грунтов, перемежающееся территориями с отсутствием вечной мерзлоты. На севере и северо-востоке от неё находится вторая зона (среднегодовые температуры грунтов -1…-3ºС, мощность вечной мерзлоты 40-150 м), являю-щаяся переходом от прерывистого к относительно сплошному распростране-

110

где hp – высота образца грунта природной влажности, обжатого давле-нием, равным давлению от собственного веса грунта σzg и дополнительным давлением от нагрузки на фундамент σzp; hsl – высота образца после замачивания при том же давлении; hg – высота образца природной влажности, обжатого давлением σzg (рис. 4.2, а).

Рис. 4.2 – Зависимость деформаций (а) и относительной просадочности (б)

лёссового грунта от нормального давления

Грунт считается просадочным при условии 0,01slε ≥ . Относительная про-садочность зависит от давления, степени плотности грунта, природной влажно-сти и его состава, степени повышения влажности. Начальное просадочное давление psl – это давление, при котором относи-тельная просадочность 0,01slε = , т. е. при котором грунт считается просадоч-ным. Его определяют по графику зависимости εsl – p (рис. 4.2, б), построенному по результатам нескольких испытаний. За начальную просадочную влажность wsl принимается влажность, при которой в условиях заданных давлений относительная просадочность равна

010,sl =ε .

4.3. Мёрзлые и вечномёрзлые грунты 4.3.1. Основные понятия

Территорию Российской Федерации можно разделить на две части: об-ласть распространения вечномёрзлых грунтов с сезонным оттаиванием поверх-ностного слоя и область грунтов с сезонным промерзанием их с поверхности. Мёрзлыми называют грунты с отрицательной температурой, часть поро-вой воды в которых находится в замёрзшем состоянии, цементируя частицы. Если грунты, имеющие отрицательную температуру, не содержат льда (сухие пески, скальные породы и т. д.), то их называют морозными.

87

Рис. 3.17 – Схема сопротивления сдвигу грунта при сложном напряженном состоянии

а) положение площадки скольжения; б) напряжения на наклонной площадке; в) ориентация площадок скольжения относительно

направления главных напряжений; 1, 2 – площадки скольжения

В отличие от схемы одноплоскостного сдвига, где положение поверхно-сти разрушения было фиксировано зазором между верхней и нижней каретка-ми, в случае сложного напряжённого состояния положение этой площадки не-известно. В теории Кулона-Мора принимается, что на площадке скольжения выполняется условие (3.39) для сыпучих или (3.40) для связных грунтов. Тогда положение площадки скольжения можно определить следующим образом. За-пишем известные из курса „Сопротивление материалов” выражения для каса-тельного и нормального напряжений на наклонной площадке в виде (рис. 3.17, б):

( ) ( )1 31 22

Sinατ σ σ α= ⋅ − ⋅ ⋅ , (3.47)

( ) ( ) ( )1 3 1 31 1 22 2

Cosασ σ σ σ σ α= ⋅ + + ⋅ − ⋅ ⋅ . (3.48)

Согласно (3.40), на площадке скольжения эти напряжения в предельном состоянии будут связаны выражением: tg cα ατ σ ϕ= ⋅ + . (3.49) Тогда положение площадки скольжения можно определить из условия экстремума выражения (3.49):

( ) 0

tg cα ατ σ ϕα

∂ − ⋅ −=

∂. (3.50)

88

Подставив сюда соответствующие выражения из (3.47) и (3.48), диффе-ренцируя в соответствии с (3.50) и проведя преобразования, получим:

4 2

пр π ϕα = ± . (3.51)

Отсюда следует, что в предельном состоянии в каждой точке грунта имеются две сопряжённые площадки скольжения, наклонённые под углом

4 2π ϕ− к линии действия максимального и

4 2π ϕ+ – минимального главного на-

пряжения (рис. 3.17, в).

3.4.3.1. Графическая интерпретация теории Кулона-Мора. Условие предельного равновесия

Приведённые выше положения наглядно иллюстрируются с помощью графического построения кругов напряжений Мора для предельного состояния. Пусть некоторый образец связного грунта испытывался в условиях плоской за-дачи (рис. 3.17.б) при постоянном значении минимального главного напряже-ния 3 constσ = так, чтобы при некотором значении максимального главного на-пряжения σ1 наступило его разрушение, т. е. в нём сформировались площадки скольжения. В координатных осях τ-σ построим (в соответствии с правилами

курса „Сопротивление материалов”) круг напряжений Мора (рис. 3.18).

Рис. 3.18 – Круг напряжений и график сопротивления сдвигу связного грунта

в условиях плоской задачи Отложим на оси τ отрезок ОЕ, соответствующий сцеплению с данного грунта. Если теперь через точку Е провести касательную к кругу напряжений, пересекающуюся с осью σ, то получим графическое изображение прямой, соот-ветствующей уравнению сопротивления сдвигу связного грунта (3.40). Действительно, из треугольника O’AC’ можно записать: AC O C tgϕ′ ′ ′= ⋅ , т. е.: ( )пр

с tgτ σ σ ϕ= + ⋅ , что соответствует уравнению (3.43).

109

Лёссовые грунты проявляют просадочные свойства только при достиже-нии влажностью некоторого предела wsl, называемого начальной просадочной влажностью. Просадочность оценивается показателем просадочности П:

( )( )1

Lе eП

e−

=+ , (4.1)

где е – коэффициент пористости грунта природного сложения и влаж-ности; eL – коэффициент пористости, соответствующий влажности на гра-нице текучести wL и определяемый по формуле:

sL L

w

pe wp

= ⋅ , (4.2)

где ρs и ρw – соответственно плотности твёрдых частиц и воды. К просадочным относятся лёссы и лёссовидные грунты, для которых при числе пластичности 0,01 0,1pI≤ < ; 0,1 0,14pI≤ < ; 0,14 0,22pI≤ < показатель проса-

дочности П соответственно меньше 0,1; 0,17 и 0,24. Следует отметить, что по-казатель просадочности является номенклатурным признаком и лишь опреде-ляет склонность грунта к просадкам, не позволяя достоверно дать величину возможной просадочности грунта. К числу основных характеристик просадочности относятся относитель-ная просадочность εsl, начальное просадочное давление psl, начальная проса-дочная влажность wsl.

Относительная просадочность определяется по результатам испытаний грунтов в компрессионных приборах при различных величинах уплотняющих давлений р с последующим замачиванием образцов и измерением величины просадки.

На рис. 4.2, а приведена характерная кривая изменения высоты образца грунта в процессе одного испытания. На участке аб происходит осадка образца до замачивания. Вертикальный участок бв соответствует просадке замоченного образца при постоянном давлении, участок вг – осадке водонасыщенного грун-та при дальнейшем росте давления после стабилизации просадки.

Относительная просадочность представляет собой относительное сжа-тие грунта при заданных давлениях и степени повышения влажности и опреде-ляется по формуле:

p slsl

g

h hh

ε−

= , (4.3)

108

4.2.1. Состав лёссовых грунтов По гранулометрическому составу лёссовые грунты чаще всего относятся к пылеватым супесям и суглинкам. Твёрдые частицы лёссовых грунтов на 80-90% состоят из кварца, полевого шпата и растворимых минералов. По круп-ности до 60%, иногда даже до 90% твёрдых частиц относятся к пылеватым, ос-тальные – к глинистым; лишь малая часть – к песчаным фракциям. Водные вы-тяжки лёссовых грунтов содержат следующие водорастворимые соли: карбона-ты и хлориды натрия, карбонаты кальция и магния, сульфаты кальция. Это макропористые грунты, т. е. грунты, имеющие крупные поры, види-мые невооружённым глазом (макропоры). Размеры макропор в десятки и сотни раз превышают размеры частиц грунта. Чаще всего это вертикальные округлые в сечении трубочки диаметром от сотых долей миллиметра до миллиметра, редко больше. Происхождение макропор связывают с корневой системой рас-тений и другими факторами. Благодаря вертикальной пористости лёссы, не-смотря на глинистый состав, обладают хорошей водопроницаемостью в верти-кальном направлении, что способствует быстрому и глубокому замачиванию лёссовых оснований при различных утечках воды. Лёссовые грунты в естественном состоянии обычно имеют небольшую влажность (0,08-0,16), степень влажности не превышает 0,5. При природной влажности лёссовые грунты обладают заметной прочно-стью и способны держать вертикальные откосы высотой до 10 м и более. При увлажнении лёссового грунта происходят следующие явления:

− размягчаются и частично растворяются жёсткие кристаллизационные связи;

− развивается расклинивающее действие плёночной воды; − снижается прочность водно-коллоидных связей между частицами.

Это при некотором давлении приводит к заплыванию макропор, вызы-вающему просадку.

4.2.2. Физико-механические свойства лёссовых грунтов Плотность лёссовых грунтов в природном состоянии изменяется от 1,28 до 2,11 г/см3 и зависит от влажности. Суммарная пористость лёссовых грунтов варьируется в пределах 0,30…0,66. Физико-механические свойства лёссовых грунтов при замачивании резко изменяются: сопротивление их сдвигу снижается в несколько раз (угол внут-реннего трения – в 1,5-2 раза, сцепление – до 10 раз).

89

Поскольку (в соответствии с построениями на рис. 3.18) e c tgσ ϕ= ⋅ , отсю-да легко получить зависимость:

пр с tgτ σ ϕ= + ⋅ . (3.40) Можно также показать, что для любой точки на круге напряжений с ко-ординатами τα и σα, соответствующими напряжениям на наклонной площадке, не находящейся в предельном состоянии, угол отклонения Θ будет всегда меньше максимального угла отклонения max ϕΘ = (см. уравнения 3.46, 3.47). Также отметим, что прямая сопротивления сдвигу не может пересекать круг напряжений, так как иначе пришлось бы допустить, что Θ может быть больше φ, или, что то же самое, τ может быть больше τпр, а это (как следует из рис. 3.16) физически невозможно. Точка касания А прямой сопротивления сдвигу к кругу напряжений опре-деляет наклон площадки скольжения к направлению главных напряжений. По-скольку треугольник O’AC прямоугольный, имеем:

( )180 2 180 90прα ϕ− ⋅ = − +o o o .

Отсюда получаем одно из двух условий выражения (3.42):

4 2пр π ϕα = + .

Так как главные напряжения взаимно перпендикулярны, это определяет и второе условие:

4 2пр π ϕα = − .

Если же аналогичным образом рассмотреть и вторую касательную к кру-гу напряжений O’A’ на рис. 3.18, все эти рассуждения можно использовать и для второй сопряжённой площадки скольжения, показанной на рис. 3.17, в. Из построений на рис. 3.18 легко получить следующее важное условие:

так как АСSinО С

ϕ =′ ′

, а О С О О ОВ ВС′ ′= + + , то, учитывая, что 1 3

2АС ВС σ σ−

= = ;

2О О σ′ = ; 3ОВ σ= , имеем:

1 3

1 3 2 c

Sin σ σϕσ σ σ

−=

+ + ⋅. (3.52)

Выражение (3.52) часто называют условием предельного равновесия связ-ных грунтов, так как оно показывает предельное соотношение между главными напряжениями σ1 и σ3, при котором в данной точке массива грунта, характери-зуемого параметрами прочности φ и cc tgσ ϕ= ⋅ , наступает состояние предельно-го равновесия. Очевидно, что для сыпучих грунтов, для которых с=0, условие предельного равновесия будет иметь более простой вид:

90

1 3

1 3

Sin σ σϕσ σ

−=

+. (3.53)

Отметим, что если в какой-либо точке грунта имеет место такое соотно-шение главных напряжений, при котором правая часть уравнений (3.52) или (3.53) оказывается меньше величины Sinφ данного грунта, это означает, что грунт в этой точке находится в допредельном состоянии по прочности. В этом нетрудно убедиться, построив соответствующий круг напряжений, так как он не будет касаться прямой сопротивления сдвигу. Соответственно условие, ко-гда правая часть приведённых уравнений оказывается больше величины Sinφ, физически невозможно, поскольку величина Θ не может быть больше φ. Если учесть, что главные напряжения выражаются через компоненты на-пряжений с помощью известных зависимостей:

( )21 2

3

1 42 2

x zx z xz

σ σ σ σ σ τσ

⎫ += ± ⋅ − + ⋅⎬

⎭, (3.54)

то уравнение (3.52) можно записать в виде:

( )( )

2 2

2

42

x z xz

x z c

Sinσ σ τ

ϕσ σ σ

− + ⋅=

+ + ⋅. (3.55)

Это условие используется при решении задач теории предельного равно-весия. Аналогичным образом выражается уравнение (3.53):

( )( )

2 2

2

4x z xz

x z

Sinσ σ τ

ϕσ σ

− + ⋅=

+. (3.56)

3.4.4. Сопротивление грунта сдвигу при трёхосном сжатии Опыты на трёхосное сжатие позволяют испытывать образцы любых грун-тов при обжатии их наперёд заданным боковым давлением, что ближе отвечает работе грунта в природных условиях и даёт наиболее надёжные результаты оп-ределения их прочностных и деформационных характеристик. Испытания грунта на трёхосное сжатие обычно проводят в стабилометрах (рис. 3.19).

Цилиндрический образец грунта (4) помещается в рабочую камеру прибо-ра (7), заполненную водой или глицерином. Для того, чтобы предохранить обра-зец от поступления жидкости, его окружают тонкой резиновой оболочкой (6). Нормальное напряжение σ1 создаётся в образце через штамп (2) с помощью на-грузочного устройства. Боковое напряжение 32 σσ = осуществляется созданием в жидкости рабочей камеры гидростатического давления. Измерение давления в камере производится манометром (3), вертикальных перемещений образца – ин-

107

Местные, быстро протекающие осадки недоуплотнённых структурно-неустойчивых грунтов, обусловленные резким изменением их структуры и со-провождающиеся обычно выдавливанием образовавшихся текучепластичных масс в стороны от местного воздействия, носят название просадок, а грунты, обладающие этими свойствами, относятся к категории структурно-неустойчивых просадочных грунтов.

Компрессионные кривые для просадочных структурно-неустойчивых грунтов имеют весьма характерную форму (рис. 4.1), отличающуюся от обыч-ных компрессионных кривых тем, что в процессе просадки, возникающей при определённых воздействиях, скачкообразно изменяется коэффициент пористо-сти грунта, и плавность компрессионной кривой претерпевает разрыв.

Рис. 4.1 – Компрессионные кривые структурно-неустойчивых грунтов: а) лёссовый грунт при замачивании; б) мёрзлый грунт при оттаивании;

в) рыхлый песок при вибрации

На компрессионных кривых следует различать три области деформирова-ния просадочных грунтов:

− область ab – соответствует сжатию грунта в ненарушенном состоянии; − область bc – характеризует просадку грунтов; − область cd – уплотнение просевшего грунта с нарушенными структурны-

ми связями. При этом наибольшая деформация грунта будет во второй области – об-

ласти просадок.

4.2. Лёссовые грунты Лёссовые отложения встречаются во многих странах мира. В нашей стра-не они залегают в Среднем и Нижнем Поволжье, в степных районах Западной Сибири и в других районах.

106

Глава 4. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСОБЫХ ГРУНТОВ

[1 – 9, 11, 13 – 15] 4.1. Общие положения

Особую группу составляют грунты со специфическими свойствами. К ним относятся структурно-неустойчивые грунты; грунты, набухающие при ув-лажнении; торфы и заторфованные грунты, обладающие очень большой сжи-маемостью и малой прочностью; скальные и полускальные грунты, прочность которых, весьма высока, а деформативность мала. Структурно-неустойчивыми называют грунты, у которых при опреде-лённых условиях сравнительно резко нарушается природная структура, что обуславливает значительное ухудшение их физико-механических свойств, уве-личение осадок, уменьшение несущей способности и пр. К структурно-неустойчивым грунтам относятся:

− лёссовые макропористые грунты, структура которых нарушается при за-мачивании под нагрузкой;

− мёрзлые и вечномёрзлые грунты, структура которых нарушается при от-таивании;

− рыхлые пески, резко уплотняются при динамических воздействиях вслед-ствие появления гидродинамических напоров и значительного уменьше-ния трения;

− илы и чувствительные глины, деформационные и прочностные свойства которых изменяются при быстром нагружении, когда скорость возникно-вения новых водно-коллоидных связей будет меньше скорости разруше-ния уже существующих. Условия образования отдельных видов грунтов могут быть таковы, что

полного уплотнения их от действия собственного веса и вышележащих слоёв грунта может и не быть вследствие возникновения при незначительном процес-се консолидации новых структурных связей. Например, у лёссовых грунтов – образование твёрдых коллоидных плёнок и цементация минеральных частиц выпадающими солями; у мёрзлых и вечномёрзлых грунтов – цементация мине-ральных частиц льдом.

Грунты, у которых при незавершённой консолидации образовались структурные связи, препятствующие в данных условиях дальнейшему их уп-лотнению, относятся к недоуплотнённым грунтам. Эти грунты при соответст-вующих условиях могут стать структурно-неустойчивыми и доуплотняться, что вызовет значительные их осадки.

91

дикаторами (5). Для отжатия воды из образца в процессе испытания или, наобо-рот, его насыщения используется система дырчатых штампа и поддона с трубка-ми, прикрытыми кранами (1). Для вычисления горизонтальных перемещений ис-пользуется тонкая градуированная трубка (волюмометр 8), снабжённая краном (1) и позволяющая определить объём жидкости, вытекающей из рабочей камеры прибора, что соответствует объёмной деформации образца.

Рис. 32.19 – Схема стабилометра:

1 – кран; 2 – штамп; 3 – манометр; 4 – образец грунта; 5 – индикатор часового типа; 6 – резиновая оболочка; 7 – рабочая камера; 8 – волюмометр

Испытания в стабилометре проводятся для изучения деформационных и прочностных характеристик грунтов. Причём в первом случае опыт можно проводить как в условиях компрессионного испытания, так и по схеме трёхос-ного сжатия. В случае компрессионного испытания кран волюмометра пере-крывается, производится вертикальное нагружение образца, и с помощью ма-нометра определяются возникающие в результате горизонтальные напряжения

2 3σ σ= . Это позволяет для любой ступени нагружения по формуле (3.18) вы-числить соответствующие значения коэффициента бокового давления

32

1 1

σσξσ σ

= = и коэффициент Пуассона. При испытаниях по схеме трёхосного

сжатия кран волюмометра остаётся открытым. По показаниям индикаторов рассчитывают вертикальную деформацию ε1, по уменьшению объёма жидкости в рабочей камере – боковые деформации 2 3ε ε= , по показаниям манометра – со-ответствующие им боковые напряжения 32 σσ = и с использованием уравнений (3.26) и (3.27) находят значения модуля объёмного сжатия К и модуля сдвига G. Прочностные характеристики грунта в стабилометре определяют испыта-нием нескольких образцов-близнецов. Для этого в каждом испытании к образцу прикладывается постоянное, но разное для различных образцов боковое давле-ние. Для каждого из этих образцов определяется значение σ1, соответствующее разрушению. Затем по результатам испытаний строят круги предельных на-

92

пряжений (рис. 3.20). Касательная к этим кругам позволяет определить пара-метры сопротивления грунта сдвигу φ и с. Для песчаного грунта достаточно проведения одного опыта, так как при с=0 касательная к кругу Мора в этом случае выходит из начала координат (рис. 3.20,а). Уравнения касательных к кругам напряжений для связных и сыпучих грунтов, (3.52) и (3.53), соответст-венно, выведены ранее.

Рис. 3.20 – Определение прочностных характеристик грунта по опытам

в стабилометре: а) связный грунт; б) сыпучий грунт

3.5. Полевые методы определения характеристик деформируемости и прочности грунтов

Как указывалось ранее, деформационные и прочностные характеристики грунтов, определяемые в лабораторных условиях на образцах, не всегда в пол-ной мере отражают свойства грунтов в условиях их природного состояния. По-этому при проектировании ответственных сооружений нормативные докумен-ты предписывают наряду с лабораторными проводить и полевые испытания грунтов в условиях природного залегания. Ниже приводятся основные сведения о наиболее распространённых методах испытаний.

3.5.1. Полевые испытания пробной статической нагрузкой Используют для определения деформационных и прочностных характе-ристик грунтов.

3.5.1.1. Определение модуля деформации грунта

Испытания проводят в шурфах или скважинах инвентарными жёсткими штампами в первом случае площадью 0,5…1,0 м2, во втором – 600 см2. Прин-ципиальная схема опыта приведена на рис. 3.21, а.

105

V – коэффициент вариации характеристики, вычисляемый по формуле:

n

SVX

= , (3.81)

где Xn – нормативное значение характеристики; S – среднее квадратичное отклонение характеристики, вычисляемое:

1) для с и tg ϕ по формулам:

2

1

1 n

o ii

S Sτ σ=

= ⋅ ⋅∆ ∑ , (3.82)

tgnS Sϕ τ= ⋅∆

, (3.83)

где ( )2

1

1 ,2

n

i ii

S tg cnτ σ ϕ τ

=

′ ′= ⋅ ⋅ + −− ∑ (3.84)

∆ – определяется по формуле (3.77).

2) для Rc и γ: ( )2

1

1 .1

n

n in

S X Xn =

= ⋅ −− ∑ (3.85)

При расчётах по первой группе предельных состояний (по несущей спо-собности) расчётные характеристики определяют при доверительной вероятно-сти 0,95α = и часто обозначают как tgφI, cI, γI, При расчётах по второй группе предельных состояний (по деформациям) – при 0,85α = и обозначают tgφII, cII, γII.

3.6.3. Корреляционные зависимости характеристик грунта Установлено, что механические характеристики имеют корреляционную связь с некоторыми показателями физического состояния грунтов, поэтому при проведении изысканий для строительства сооружений II и III классов иногда ограничиваются определением соответствующих показателей физического со-стояния грунтов, а затем по таблицам СНиП 2.02.01-83* или региональным нормам находят необходимые Ео, φ и с для каждого однородного слоя грунта.

104

где δ – доверительный интервал, характеризующий область вокруг среднего значения, в пределах которого с заданной вероятностью α находится “истинное” (генеральное) среднее значение. Знак перед показателем δ выбира-ют так, чтобы обеспечить большую надёжность расчёта. Показатель точности оценки среднего значения характеристики грунта δ вычисляется по формулам:

для с и tg ϕ t Vαδ = ⋅ , (3.79)

для Rc и γ t V

nαδ ⋅

=, (3.80)

где tα – коэффициент Стьюдента, принимаемый по табл. 3.2 в зависи-мости от заданной доверительной вероятности α и числа определений n.

Таблица 3.2 Значения коэффициентов Стьюдента tα

Число определений

(n-1) для Rc и γ

Коэффициент tα при односторонней доверительной вероятности α, равной

(n-2) для с и ϕ 0,85 0,90 0,95 0,98 0,99 2 1,34 1,89 2,92 4,87 6,96 3 1,25 1,64 2,35 3,45 4,54 4 1,19 1,53 2,13 3,02 3,75 5 1,16 1,48 2,01 2,74 3,36 6 1,13 1,44 1,94 2,63 3,14 7 1,12 1,41 1,90 2,54 3,00 8 1,11 1,40 1,86 2,49 2,90 9 1,10 1,38 1,83 2,44 2,82

10 1,10 1,37 1,81 2,40 2,76 11 1,09 1,36 1,80 2,36 2,72 12 1,08 1,36 1,78 2,33 2,68 13 1,08 1,35 1,77 2,30 2,65 14 1,08 1,34 1,76 2,28 2,62 15 1,07 1,34 1,75 2,27 2,60 16 1,07 1,34 1,75 2,26 2,58 17 1,07 1,33 1,74 2,25 2,57 18 1,07 1,33 1,73 2,24 2,55 19 1,07 1,33 1,73 2,23 2,54 20 1,06 1,32 1,72 2,22 2,53 25 1,06 1,32 1,71 2,19 2,49 30 1,05 1,31 1,70 2,17 2,46 40 1,05 1,30 1,68 2,14 2,42 60 1,05 1,30 1,67 2,12 2,39

93

Рис. 3.21 – Схема (а) и результаты (б) полевых испытаний грунтов на сжатие:

1 – шурф; 2 – штамп; 3 – стойка; 4 – прогибомеры

На дно шурфа (1) или скважины устанавливают жёсткий штамп (2), тща-тельно притирая его к основанию. К нему через стойку (3) прикладывают на-грузку F со ступенчато возрастающей интенсивностью. Каждую следующую ступень нагрузки прикладывают после стабилизации осадок от предыдущей ступени. Осадки грунтов основания под штампом s измеряют с помощью про-гибомеров (4), крепящихся к независимой раме. В различных конструкциях ус-тановок используют разные схемы приложения нагрузок и измерения осадок.

Зная среднее давление по е подошве штампа FpA

⎛ ⎞=⎜ ⎟⎝ ⎠

и соответствующее

ему значение стабилизированной осадки s, можно построить опытную зависи-мость ( )s f p= как при возрастании давления (ветвь нагружения), так и при его

уменьшении (ветвь разгрузки) – на рис. 3.21,б. Эта зависимость на начальных этапах загружения, сравнительно близка к прямой, что ещё раз подтверждает возможность принятия линейной зависимости между напряжениями и дефор-мациями в грунтах на этом участке. Результаты испытаний грунтов статической нагрузкой с помощью жёст-ких штампов позволяют определить модуль деформации грунтов, используя модель линейной деформируемости, по формуле:

( )21

,io

i

b v pE

sω ⋅ ⋅ − ⋅∆

=∆

(3.57)

где ω – коэффициент, зависящий от формы жёсткого штампа (для круглых штампов ω = 0,78; для квадратных ω = 0,88); b – ширина или диаметр штампа; ν – коэффициент Пуассона грунта, принимаемый обычно 0,25; ∆pi – приращение среднего давления по подошве штампа в пределах интересующих нас изменений давления на участке приблизительно линейной зависимости ( )pfs = ;

94

∆si – приращение осадки штампа при изменении давления на ∆pi. Выражение (3.57) получено из формулы осадки жёсткого штампа на уп-ругом основании, выведенной для условий деформации упругого полупро-странства Буссинеском. Оно в определённой мере справедливо и для линейно деформируемого полупространства. Если в уравнение (5.57) подставить значение ∆si, определённое по ветви разгрузки, получим величину модуля деформации грунта при разгрузке, иногда называемого модулем упругости. На первый взгляд кажется, что значение Ео, найденное по формуле (3.57), близко к действительности. Однако это не так. Значение Ео в данном случае найдено исходя из линейной деформируемости бесконечного полупространст-ва. Фактически же грунты уплотняются в пределах сравнительно ограниченной глубины, ниже которой, вследствие рассеивания давления, возникают напряже-ния меньше структурной прочности грунта. Следовательно, ниже некоторой глубины деформируемость грунта будет намного меньше. Принимая линейную зависимость между напряжениями и деформациями в пределах полупростран-ства, получают завышенный модуль деформации грунта Ео. Однако это завышение, а также завышение модуля деформации вследст-вие неполной стабилизации деформаций грунта во времени (из-за медленного развития) частично компенсируется тем, что при вскрытии шурфа или бурении скважины в массиве грунта, подвергаемого в дальнейшем испытанию, неиз-бежно уменьшаются напряжения. Уменьшение же напряжений ведёт к разуп-лотнению грунта и к частичному нарушению природной структуры. По этой причине в последнее время для испытания грунтов стали применять завинчи-ваемые штампы.

3.5.1.2. Определение сопротивления сдвигу грунта

При определении характеристик сопротивления грунта сдвигу использу-ется принципиальная схема, показанная на рис. 3.22.а.

Рис. 3.22 – Схема (а) и результаты (б) полевых испытаний грунта на сдвиг

103

Расчётная характеристика Х определяется по формуле:

n

g

XXγ

= , (3.74)

где γg – коэффициент надёжности по грунту. Для всех физических характеристик, кроме плотности и удельного веса грунта, СНиП 2.02.01-83* допускает принимать 1gγ = . Расчётное значение плот-ности и удельного веса грунта находят с учётом показателя точности оценки её среднего значения аналогично прочностным и деформационным характеристи-кам грунта. Деформационные характеристики грунтов вычисляются по формулам (3.71) и (3.74). При этом определение модуля деформации грунта в лаборатор-ных условиях должно проводиться не менее чем по шести образцам. В полевых условиях при испытаниях штампом ограничиваются тремя опытами (или даже двумя, если их результаты отличаются от среднего не более чем на 25%).

3.6.2. Определение нормативных и расчётных значений прочностных характеристик грунта

Обработка результатов испытаний грунтов на срез с целью определения нормативных значений сцепления сn и угла внутреннего трения ϕn производит-ся путём вычисления методом наименьших квадратов прямолинейной зависи-мости (рис. 3.10, 3.13) для всей совокупности опытных величин τ в инженерно-геологическом элементе. Нормативные значения сn и tg ϕn вычисляются по формулам:

2

1 1 1 1

1 ,n n n n

n i i i i ii i i i

c τ σ σ τ σ= = = =

⎛ ⎞= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅⎜ ⎟∆ ⎝ ⎠

∑ ∑ ∑ ∑ (3.75)

1 1 1

1 n n n

n i i i ii i i

tg nϕ τ σ τ σ= = =

⎛ ⎞= ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅⎜ ⎟∆ ⎝ ⎠

∑ ∑ ∑ , (3.76)

где n – число экспериментов по определению предельного сопротивле-ния сдвигу τi при данных σi; ∆ – общий знаменатель этих выражений:

22

1 1

.n n

i ii i

n σ σ= =

⎛ ⎞∆ = ⋅ −⎜ ⎟

⎝ ⎠∑ ∑ (3.77)

Расчётные значения прочностных характеристик с, φ и Rc (где Rc – вре-менное сопротивление на сжатие образцов скальной породы в водонасыщенном состоянии). Плотности и удельного веса грунта определяют по формуле (3.74), где коэффициент надёжности по грунту вычисляют из выражения:

1

1gγ δ=

±, (3.78)

102

ключению из общей выборки подлежат максимальные и минимальные значе-ния Xi, для которых выполняется условие: n iX X v S− > ⋅ , (3.72)

где ν – статистический критерий, принимаемый по таблице 3.1; S – среднее квадратичное отклонение, вычисляемое по формуле:

( )2

1

11

n

n ii

S X Xn =

= ⋅ −− ∑ . (3.73)

Таблица 3.1

Значения критерия ν

Число определений n ν

Число определений n ν

Число определений n ν

6 2,07 21 2,80 36 3,03 7 2,18 22 2,82 37 3,04 8 2,27 23 2,84 38 3,05 9 2,35 24 2,86 39 3,06 10 2,41 25 2,88 40 3,07 11 2,47 26 2,90 41 3,08 12 2,52 27 2,91 42 3,09 13 2,56 28 2,93 43 3,10 14 2,60 29 2,94 44 3,11 15 2,64 30 2,96 45 3,12 16 2,67 31 2,97 46 3,13 17 2,70 32 2,98 47 3,14 18 2,73 33 3,00 48 3.14 19 2,75 34 3,01 49 3.15 20 2,78 35 3,02 50 3.16

Если отскоки имеются, то эти значения исключаются из выборки, вновь

определяется среднее арифметическое и вновь делается проверка на наличие отскоков. После такой чистки должно быть 6n ≥ . Принятое таким образом нормативное значение характеристики из-за ес-тественной неоднородности грунта и ограниченного количества определений всегда на какую-то неопределённую величину отклоняется от истинного иско-мого значения (математического ожидания). Следовательно, нормативное зна-чение содержит некоторую погрешность. Чтобы снизить её влияние, в расчётах используются не нормативные, а расчётные характеристики свойств грунтов.

95

Бетонный штамп, обычно площадью 0,5…1,0 м2, устанавливается (или бетонируется в случае скальных пород) на основании. К нему тем или иным способом прикладывается сжимающая нагрузка F и после стабилизации осадок ступенями – сдвигающая нагрузка Т. В процессе опыта фиксируются горизон-тальные и вертикальные перемещения штампа. Характерные кривые зависимо-сти горизонтальных перемещений при возрастании τ показаны на рис. 3.22, б. Кривая (1) соответствует испытаниям плотного песка или малотрещиноватых скальных грунтов, кривая (2) – рыхлого песка или сильнотрещиноватого (раз-борного) скального грунта. В первом случае отмечаются два характерных критерия прочности:

прτ ′ – пиковое; прτ ′′ – остаточное сопротивление сдвигу, во втором – только прτ ′′ ,

кривая (2) – остаточное сопротивление сдвигу. Это связано с различным харак-тером разрушения грунта в основании штампа. Так, в плотном песке и мало-трещиноватой скальной породе разрушение сопровождается разуплотнением (дилатансией) грунта в зоне сдвига, что отмечается по подъёму штампа. В рых-лом песке и разборном скальном грунте при сдвиге происходит дополнительное уплотнение (контракция) грунта и штамп при перемещении даёт осадку. Сложность полевых испытаний для определения прочностных характери-стик грунтов заключается не только в громоздкости эксперимента, но и в том, что одно испытание позволяет определить лишь пару значений τпр и σ, т. е. по-ложение лишь одной точки на графике сопротивления сдвигу. Существуют ре-комендации, позволяющие построить эту зависимость только по одному штам-повому опыту.

3.5.2. Испытания шариковым штампом Н. А. Цытовичем был предложен метод шариковой пробы для определе-ния сцепления связных грунтов. Существо метода заключается в том, что с по-мощью шарика диаметром d на грунт передаётся усилие F и измеряется осадка штампа s (рис. 3.23, а).

Рис. 3.23. – Схема и результаты испытаний грунта шариковым штампом

а) схема; б) кривая длительной прочности грунта

96

Тогда, в соответствии с решением акад. А. Ю. Ишлинского, сцепление можно определить по формуле:

0,18шFcd sπ

= ⋅⋅ ⋅

(3.58)

при 0,005 0,1sd

< < .

Таким образом значение сцепления (3.58) соответствует определённому в сдвиговых испытаниях для вязких очень малоуплотняющихся грунтов при

5ϕ < ° (жирные глины, мёрзлые грунты и т. п.). При большем значении угла внутреннего трения грунта В. Г. Березанцев рекомендует в правую часть урав-нения (3.58) вводить понижающий коэффициент М. Так, при 0 , 1Мϕ = ° = ; при

10 , 0,61Мϕ = ° = ; при 20 , 0,28Мϕ = ° = ; при 30 , 0,12Мϕ = ° = . Метод шариковой пробы удобен для определения изменения прочност-ных свойств грунтов в зависимости от времени действия нагрузки. Поскольку осадка s с течением времени увеличивается, в соответствии с выражение (3.58) шариковое сцепление будет уменьшаться. Это позволяет (рис. 3.23,б) ввести понятия мгновенной прочности со, прочности, соответствующей некоторому времени действия нагрузки t – ct и предела длительной прочности с∞, к которо-му будет стремиться сцепление при очень продолжительном времени действия нагрузки. Очевидно, что если необходимо оценить прочность грунта при воз-действии мгновенной нагрузки (например, удар при посадке самолёта), то сле-дует исходить из величин, близких к мгновенной прочности. Для обеспечения же длительной устойчивости, например горных склонов, сложенных мёрзлыми или глинистыми грунтами, следует принимать в расчёт предел длительной прочности. Метод применяют как в полевых, так и в лабораторных условиях. З. Г. Тер-Мартиросян показал, что при малых величинах стабилизирован-ных осадок методом шариковой пробы можно также определить величину мо-дуля деформации грунта по формуле:

( )

( )

23 1

4m

v FE

s s d s

⋅ − ⋅=

⋅ ⋅ ⋅ − (3.59)

при 0,005sd< .

3.5.3. Полевые испытания методом зондирования Метод зондирования применяется для определения деформационных и прочностных характеристик грунтов, а также выделения границ между инже-нерно-геологическими элементами. Зондирование основано на определении со-

101

пр zg tgτ ξ σ ϕ′′ = ⋅ ⋅ , (3.68)

где ξ – коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя; σzg – природное давление вышележащих слоёв грунта в уровне се-редины крыльчатки. В последнем случае величина сцепления составит: пр прc τ τ′ ′′= − . (3.69)

Ю. Г. Трофиментов и Л. Н. Воробков приводят данные, что при h/d = 2 и заглублении верха крыльчатки от забоя не менее чем на 5d, используя началь-ную (линейную) часть зависимости ( )М f= Θ , можно определить модуль де-

формации грунта по формуле:

3

МTd

=Θ⋅

, (3.70)

где Θ – угол поворота крыльчатки при крутящем моменте М.

3.6. Вычисление характеристик грунтов Грунтовая толща неоднородна и состоит из инженерно-геологических

элементов (слоёв грунта). В пределах каждого слоя характеристики грунта не совсем постоянны, а изменчивы как случайные величины. Поэтому для того, чтобы эти характеристики отражали свойства грунта слоя, из него должно быть отобрано достаточное для статистической обработки результатов количество проб грунта. В ГОСТ 20522-96 приводятся рекомендации по выделению инже-нерно-геологических элементов и способы статистической обработки результа-тов определения характеристик.

Различают нормативные и расчётные значения характеристик грунта.

3.6.1. Определение физических и деформационных характеристик грунта

По данным частных определений какой-либо характеристики физическо-го состояния устанавливают ей нормативное значение Xn:

1

1 n

n ii

X Xn =

= ⋅∑ , (3.71)

где Xi – частное значение характеристики; n – число определений характеристики (объём выборки). Далее проверяют, не содержится ли среди частных определений Xi какие либо данные с грубым отклонением от общей совокупности результатов. Ис-

100

Рис. 3.26 – Схема (а) и результаты (б) полевых испытаний

методом вращательного среза

Для этого в забой скважины (1) (рис. 3.26,а) погружается четырёхлопаст-ная крыльчатка (2) на глубину более высоты крыльчатки h от отметки забоя. Крыльчатка соединена штангой (3) со специальным вращающим устройством (4). Обычно диаметр крыльчатки d составляет 60…100 мм при соотношении h/d = 2. Вращая крыльчатку вокруг оси, производят срез грунта по всей по-верхности образующегося цилиндра. Достижение при некотором угле поворота Θ рад наибольшего значения крутящего момента Mmax свидетельствует о срезе грунта, находящегося в ненарушенном состоянии. Последующее вращение крыльчатки (обычно 4-5 полных оборота) приводит к установлению постоянно-го значения крутящего момента Mmin (рис. 3.26.б), что соответствует сопротив-лению сдвигу грунта нарушенного состояния. Физически это соответствует по-нятиям пикового и остаточного сопротивления сдвигу, приведённым на рис. 3.22,б.

Тогда пиковое прτ ′ и остаточное прτ ′′ сопротивления сдвигу могут быть оп-

ределены по формулам:

max

прM

Bτ ′ = ; (3.66)

minпр

МB

τ ′′ = , (3.67)

где 2

12 3d h dB

hπ ⋅ ⋅ ⎛ ⎞= ⋅ +⎜ ⎟⋅⎝ ⎠

.

Сопротивление сдвигу, полученное методом вращательного среза, пред-ставляет собой обобщённый показатель прочности грунта, включающий и сце-пление и трение. С некоторым приближением можно считать, что при достиже-нии остаточного сопротивления сцепление практически равно нулю (с ≈ 0), ве-личину φ можно определить из формулы:

97

противления погружению в грунт наконечника-зонда на глубину, превышаю-щую его размеры. Различают статическое и динамическое зондирование.

3.5.3.1. Статическое зондирование

Заключается в медленном задавливании в грунт с помощью домкратов стандартного зонда – конического наконечника с углом при вершине 60º. Приме-няются различные конструкции зондов, позволяющие получать информацию, как о лобовом сопротивлении, так и о сопротивлении трению по боковой поверхно-сти, что важно, в частности, для определения несущей способности свай. В простейшем случае измеряют удельное сопротивление погружению ко-нуса зонда qc (МПа) и строят график изменения этой величины по глубине ис-следуемой толщи грунта (рис. 3.24,а).

Рис. 3.24 – Графики статического (а) и динамического (б) зондирования

грунтов основания Зная величину qc, можно определить модуль деформации: для глинистых грунтов 7 cE q= ⋅ ; (3.60)

для песчаных грунтов 3 cE q= ⋅ . (3.61)

Характеристики сопротивления сдвигу глинистых грунтов по данным статического зондирования определяют по эмпирическим формулам:

0, 045 0, 26ctg qϕ = ⋅ + ; (3.62)

0, 0116 0,125cc q= ⋅ + . (3.63)

98

3.5.3.2. Динамическое зондирование

Производится путём забивки или ударно-вращательного погружения в грунт зонда из колонки штанг также с коническим наконечником. При этом оп-ределяется показатель зондирования N, равный числу ударов, необходимых для погружения зонда на 10 см. Результаты зондирования отображаются на графике (рис. 3.24,б). Зная из опыта величину N, удельную энергию зондирования, зави-сящую от параметров установки, и ряд коэффициентов, учитывающих динами-ческий процесс зондирования, можно определить динамическое сопротивление грунта qd. В свою очередь, величина qd позволяет судить о плотности песчаных грунтов, значении их прочностных и деформационных показателей, а также об ориентировочном значении модуля деформации суглинков и глин.

3.5.4. Прессиометрические испытания Испытания грунтов прессиометром обычно используют для определения деформационных характеристик связных и трещиноватых скальных грунтов. Имеются также предложения для определения прочностных характеристик связных грунтов.

Рис. 3.25 – Схема (а) и результаты (б) полевых испытаний грунта прессиометром:

I – фаза уплотнения; II – фаза развития пластических деформаций

Испытания проводят в буровых скважинах (1) (рис. 3.25,а) диаметром обычно 76...130od мм= и глубиной до 25…30 м. Одна из конструкций прессио-метра, погружаемого в скважину, представляет собой трёхкамерное цилиндри-ческое устройство, где средняя камера (2) является рабочей, а крайние камеры (3) предназначены для обеспечения в среднем горизонтальном сечении рабочей камеры условия осесимметричной плоской деформации. Прессиометр крепится на штаге (4), внутри которой имеется канал, служащий для передачи давления в камеры устройства. Оболочка прессиометра изготавливается из прочной верти-кально армируемой резины, и после начального обжатия боковая поверхность всех трёх камер плотно прилегает к стенкам скважины.

99

Суть такого испытания заключается в следующем. Через канал в штанге в камеры прессиометра под давлением с помощью компрессора подаётся рабочая жидкость. Давление жидкости в камерах передаётся на стенки скважины, что вызывает обжатие окружающего грунта. Для каждой ступени обжатия в стаби-лизированном состоянии измеряется с помощью манометра давление р и по ве-личине расхода жидкости – увеличение диаметра скважины в середине рабочей камеры ∆d. График деформаций грунта, окружающего скважину, при возраста-нии давления показан на рис. 3.25,б. В начальной стадии эксперимента при линейной зависимости ( )d f p∆ = ,

используя решение Ляме, можно определить модуль деформации окружающего грунта по формуле:

( )1io o

i

PE v dd

∆= ⋅ + ⋅∆ . (3.64)

Применение такого испытания целесообразно при изотропных грунтах, которые обладают одинаковой деформативностью в вертикальном и горизон-тальном направлениях. Конечно, бурение скважины частично изменяет напря-жённое состояние грунта вокруг скважины, что создаёт погрешности при опре-делении модуля деформации. Для определения методом прессиометра прочностных характеристик грунта, окружающего скважину, давление должно быть увеличено до получе-ния явно нелинейной зависимости ( )pfd =∆ , т. е. развития в обжимаемой зоне грунта пластических деформаций. Тогда, определив, как это показано на рис. 3.25,б, величину критического давления ркр, соответствующую формиро-ванию в грунте фазы пластического деформирования, можно на основе реше-ния смешанной упругопластической задачи определить прочностные характе-ристики грунта. Например, З. Г. Тер-Мартиросян рекомендует, проводя несколько испытаний в пределах одного инженерно-геологического элемента на разных глубинах z от по-верхности грунта, определять значения φ и с с помощью следующей формулы:

,

2 ,1

zï ð

m nPmγ⋅ ⋅ −

=+

(3.65)

где 4 2 4 2

m tg ctgπ ϕ π ϕ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + ⋅ −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

, 24 2

n c ctg π ϕ⎛ ⎞= ⋅ ⋅ +⎜ ⎟⎝ ⎠

.

3.5.5. Полевые испытания методом вращательного среза Используют для определения сопротивления сдвигу в глинистых грунтах, илах и заторфованных грунтах на глубинах 10-12 м.

132

Библиографический список

1. Механика грунтов. В 3 ч. Ч.1. Основы геотехники в строительстве [Текст]: учебник / Б. И. Далматов, В. Н. Бронин, В. Д. Карлов [и др.]; под ред. Б. И. Далматова. – М.: АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 2000. – 204 с.

2. Малышев, М. В., Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопро-сах и ответах) [Текст]: учеб. пособие / М. В. Малышев, Г. Г. Болдырев. – М.: Ассоциация строительных вузов, 2004. – 328 с.

3. Далматов, Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии) [Текст] / Б. И. Далматов. – 2-е изд. – Л.: Стройиздат, ленингр. отделение, 1988. – 415 с.

4. Цытович, Н. А. Механика грунтов (краткий курс) [Текст]: учеб. для стро-ит. вузов / Н. А. Цытович. – 4-е изд. – М.: Высш. шк., 1983. – 288 с.

5. Механика грунтов [Текст]: учеб. пособие / А. З. Абуханов. – Ростов н/Д: Феникс, 2006. – 352 с.

6. Механика грунтов, основания и фундаменты [Текст]: учеб. пособие для строит. спец. вузов / С. Б. Ухов, В. В. Семёнов, В. В. Знаменский [и др.]; под. ред. С. Б. Ухова. – 3-е изд. – М.: Высш. Шк., 2004. – 566 с.

7. ГОСТ 25100-95. Грунты, классификация. Минстрой России, 1996 г. 8. СНиП 2.01.02-83* Основания зданий и сооружений [Текст]: утв. поста-

новлением Госстроя СССР 09.12.85. – срок введения в действие 01.01.85 – М.: ФГУП ЦПП, 2007. – 79 с.

9. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах [Текст]: утв. постановлением Госстрой СССР 21.12.88. – срок введения в действие 01.01.90 – М.: АПП ЦИТП, 1990. – 81 с.

10. СНиП 2.02.05-87. Фундаменты машин с динамическими нагрузками [Текст]: утв. постановлением Госстрой СССР 16.10. 87. – срок введения в действие 01.07.88 – М.: ЦИТП, 1988. - 81 с.

11. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и соору-жений. СП 50-101-2004. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2005. - 304 с.

12. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). – М., Стройиздат, 1985 г.

13. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проекти-ровщика [Текст] / под общ. ред. Е. А. Сорочана и Ю. Г. Трофименкова. – М., Стройиздат, 1985 г.

14. Механика и динамика грунтов [Текст]: Справочник / под ред. Швеца. – Киев, Будiвельник, 1987 г.

15. Программное обеспечение исследований по механике грунтов и фундаменто-строению [Текст] / Под ред. В. М. Лиховцева – М., Стройиздат, 1991.

113

Наконец, в рыхлых крупнообломочных грунтах может формироваться корковая текстура, когда лёд образует корки и линзы вокруг частиц и агрегатов грунта.

Толща вечномёрзлых грунтов может содержать также и более крупные включения льда (жилы, прослои, линзы), достигающие десятков сантиметров и даже метров.

4.3.3. Явления, происходящие при замерзании грунта Если образец талого грунта поместить в морозильную камеру и измерять изменение его температуры, получается характерная кривая с четырьмя участ-ками. Для образцов, различных по составу кривые имеют одинаковый вид, но существенно отличаются в деталях (рис.4.4).

Рис. 4.4 – Изменение температур замерзающих грунтов во времени:

а – для чистых крупных песков; б – для глинистых грунтов; 1 – участок охлаждения и переохлаждения; 2 – температурный скачок с начала

кристаллизации воды; 3 – участок дальнейшей кристаллизации (замерзания) воды; 4 – участок дальнейшего охлаждения мёрзлого грунта; Thf – температура начала

замерзания грунта Участок 1 соответствует понижению температуры с переохлаждением

поровой воды. Участок 2 характеризует резкое повышение температуры, связанное с

кристаллизацией части воды в образце, до температуры начала замерзания Thf. Участок 3, параллельный оси времени t, характеризует переход значи-

тельной части поровой воды в лёд. После оттого происходит постепенное понижение температуры уже за-

мёрзшего образца (участок 4). В этот период в порах грунта замерзает вода, не замёрзшая при температуре начала замерзания.

Наличие в мёрзлом грунте незамёрзшей воды подтверждают калоримет-рические опыты с замороженными и выдержанными при определённой темпе-ратуре образцами грунта. Если такие образцы поместить в калориметр с водой и измерить количество калорий, потребных для их оттаивания, то по скрытой теплоте плавления льда можно найти содержание в них льда. По данным, полу-

114

ченным в таких опытах, находят количество незамёрзшей воды при соответст-вующей температуре. Серия таких опытов позволяет построить графики содер-жания незамёрзшей воды в различных грунтах (рис. 4.5).

Рис. 4.5 – Кривые содержания незамёрзшей воды в мёрзлых грунтах в зависимости

от отрицательной температуры: 1 – кварцевый песок; 2 – супесь; 3 – суглинок; 4 – глина; 5 – глина,

содержащая монтмориллонит Такие опыты показывают, что чем мелкодисперснее грунт, тем больше в

нём при данной температуре содержится незамёрзшей воды. С понижением температуры количество незамёрзшей воды уменьшается. Однако, даже при очень низких температурах (-70ºС и ниже) небольшое количество воды в гли-нистых грунтах находится в незамёрзшем состоянии. Наличие в мёрзлом грунте незамёрзшей воды существенно отражается на его свойствах (прочности, де-формативности и др.).

Морозное пучение

При строительстве часто приходится учитывать возможность увеличения объёма грунта при промерзании – его морозное пучение. Пучению подвержены глинистые грунты, а также пылеватые и мелкозер-нистые пески. Пучение лишь частично объясняется тем, что объём воды увеличивается при её замерзании ~ на 9%, поскольку при замерзании даже всей поровой воды увели-чение объёма грунта редко превышало бы 3-4%. В то же время опыты и наблю-дения в натуре показывают, что увеличение объёма грунта при промерзании иногда достигает 50% и даже 100%.

131

ки. Таким образом, объёмы образования и накопления техногенных грунтов стали соизмеримы с масштабами геологических явлений. Специальные насыпные и намывные грунты с уплотнением могут слу-жить основаниями сооружений. Обычно характеристики их физико-механических свойств определяются после отсыпки (намыва) и уплотнения, а иногда – непосредственно перед строительством. Насыпные и намывные грунты антропогенного образования (бытовые, промышленные, строительные отходы, шлаки, шламы, золы, золошлаки и др.), неоднородны по составу, обладают неравномерной сжимаемостью, часто не выдержаны по толщине и простиранию. В толщах таких грунтов могут встре-чаться органические включения, а иногда твёрдые включения больших разме-ров (обломки элементов конструкций, кирпичной кладки, свай и др.). Время, по истечении которого завершается самоуплотнение антропогенных образований, измеряется 10-30 годами.

130

Торфом называют органические отложения, не менее чем на 50% сухой массы состоящие из остатков растительности.

К заторфованному грунту относят песчаный или глинистый грунт, кото-рый в своём составе содержит в сухой навеске от 10 до 50% (по массе) торфа.

Влажность торфа может быть в 20-60 раз больше влажности минераль-ных грунтов, плотность его примерно в 2 раза меньше (ρ=1,09…1,05 г/см3). Коэффициент пористости торфа часто в 15-40 раз больше, чем у минеральных грунтов (е=9,0-22,6).

Сжимаемость торфа чрезвычайно велика. При давлении 100-200 кПа осадка торфа может составлять 30-50% первоначальной высоты слоя. Предельное сопротивление сдвигу торфа в значительной степени зависит от его плотности-влажности и обусловлено сцеплением, так как угол внутрен-него трения мал. Положение быстро изменяется с уплотнением торфа нагруз-кой. В этих условиях угол внутреннего трения φ достигает 10-20º, а удельное сцепление с=10-30 кПа. Водопроницаемость торфа колеблется в значительных пределах в зави-симости от его уплотнённости и степени разложения органического вещества. Коэффициент фильтрации примерно соответствует водопроницаемости мелких и пылеватых песков. Уплотнение торфа внешней нагрузкой значительно уменьшает его значение (от 5·10-3 до 1·10-3 см/сек) и увеличивает начальный градиент напора. Наблюдения за деформациями торфа во времени (например, при намыве песка) показали, что фильтрационная консолидация затухает доста-точно быстро (практически в период строительства). Осадки же, вызванные ползучестью скелета продолжаются очень долго.

4.8. Техногенные отложения (насыпные и намывные грунты) Согласно классификации, класс техногенных грунтов составляют грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельно-сти человека. Техногенные грунты различают по происхождению: природные образования и изменённые в условиях естественного залегания под влиянием физических и физико-механических воздействий, природные перемешанные образования (насыпные, намывные) и антропогенные образования (отходы производственной и хозяйственной деятельности: насыпные, намывные и на-мороженные).

Ежегодный объём земляных работ на территории бывшего СССР состав-лял около 3 млрд м3. Функционирование города с населением 1 млн жителей связано с образованием отходов, содержащих органику, которые ежегодно складируются в отвалы на территории около 40 га двухметровым слоем отсып-

115

Рис. 4.6 – Схема миграции влаги к фронту промерзания

Увеличение объёма грунта при его промерзании сопровождается резким увеличением влажности грунта с выделением льда в виде линз и других включе-ний. Пучение грунта развивается вследствие притока воды к фронту промерза-ния из нижележащих слоёв грунта. Миграция воды (рис. 4.6) зависит от движе-ния плёночной воды (4), окружающей твёрдые частицы (3), вследствие разности сил притяжения молекул воды к поверхности твёрдых частиц у фронта промер-зания, где толщина гидратных оболочек (2) резко уменьшается из-за включения молекул воды в состав растущих кристаллов льда (1), и несколько ниже границы промерзания, а также от движения свободной воды по капиллярам.

4.3.4. Состояние вечномёрзлых грунтов В зависимости от состава и температурно-влажностных условий мёрзлые грунты делятся на твёрдомёрзлые, пластичномёрзлые и сыпучемёрзлые. К твёрдомёрзлым грунтам относятся крупнообломочные грунты при температуре 0T C< ° и суммарной влажности 0,03totw > ; пески – при

0,1 ... 0,3T C< − ° − ° и 0,03totw > ; глинистые грунты – при 0,6 ... 15T C< − ° − ° . Твёрдомёрзлые грунты прочно сцементированы льдом, практически несжи-маемы (Е > 100 МПа), при быстром нагружении характеризуются хрупким разрушением. К пластичномёрзлым относятся песчаные и глинистые грунты при температуре в пределах от начала замерзания до указанных выше значений. Они также сцементированы льдом, но обладают сжимаемостью и вязкими свойствами. К сыпучемёрзлым относятся крупнообломочные и песчаные грунты при

o0<T С и 0,03totw ≤ . Несмотря на мёрзлое состояние, эти грунты не сцементиро-ваны льдом ввиду его малого содержания в порах. Их свойства практически не изменяются под влиянием температуры и близки к свойствам тех же грунтов в немёрзлом состоянии.

116

4.3.5. Процессы, происходящие в деятельном слое и вечномёрзлой толще грунтов

К таким процессам относятся: значительные колебания температуры, промерзание и оттаивание грунтов, морозное пучение грунтов, миграция влаги к фронту промерзания, перемещение влаги под действием гидравлического градиента, образование морозобойных трещин, сползание грунта по склонам (солифлюкция), поверхностные оползни.

Колебания температуры по глубине деятельного слоя (1) и слоя вечно-мёрзлого грунта (2) (рис.4.7) легко зафиксировать, измеряя температуру на раз-ных глубинах в течение года в скважине (результаты измерений приведены на рис. 4.7, римскими цифрами указаны месяцы). Наибольшие колебания темпера-туры испытывает самый верхний слой. С глубиной колебания уменьшаются, и ниже некоторой глубины (3) температура практически постоянна. Эту темпера-туру называют границей нулевых амплитуд сезонных колебаний температуры.

Рис. 4.7 – Распределение температуры в пределах толщины сливающегося деятельного слоя и слоя вечномёрзлого грунта (за начало координат принята

температура начала замерзания грунта)

График колебаний температуры демонстрирует и ход промерзания и оттаи-вания грунтов, залегающих выше границы оттаивания (4). Согласно наблюдениям, грунт промерзает преимущественно сверху. Однако при сливающемся деятельном слое имеет место небольшое промерзание грунта и снизу, от верхней границы веч-номёрзлого грунта. Оттаивание грунта происходит только сверху. В ходе промерзания влажных пылевато-глинистых грунтов и пылеватых мелких песков, происходит морозное пучение грунта, которое является следст-вием увеличения объема воды при переходе ее в лёд и миграции влаги из ниж-них горизонтов к фронту промерзания.

129

Рис. 4.14 – Зависимость деформаций уплотнения (1) и набухания (2) грунта (а)

и относительного набухания (б) от уплотняющего давления

Величина относительного набухания εsw устанавливается при различной величине давления р и вычисляется по формуле (рис. 4.15):

sat nsw

n

h hh

ε −= , (4.21)

где hsat – высота образца грунта ненарушенной структуры под давлени-ем, ожидаемым в основании сооружения, после замачивания; hn – то же, до замачивания.

Рис. 4.15 – Изменение объёма набухающего грунта при увлажнении

Существует предел влажности – влажность набухания wsw при sww w> –

набухание отсутствует. Прочностные и фильтрационные свойства набухающих грунтов подчи-няются тем же закономерностям, что и обычных глинистых грунтов.

4.7. Торф и заторфованные грунты Торфяные образования широко развиты в низинных болотно-лесных, тундровых, таёжных районах. Внешне торф представляет собой землистую массу от светло-бурого до тёмно-бурого и чёрного цвета, пластичную во влаж-ном состоянии.

128

где τ1 и τ2 – предельное сопротивление сдвигу соответственно при на-рушенной и ненарушенной структурах. Значение индекса чувствительности для большинства указанных глин нахо-дится в пределах от 2 до 4, а для очень чувствительных он достигает 8 и более.

4.6. Набухающие грунты Набухающие грунты распространены во многих странах. В России они

встречаются в районах Поволжья и Закавказья. К набухающим грунтам относятся глинистые грунты, которые при зама-

чивании увеличиваются в объёме – набухают. При последующем понижении влажности у набухающих грунтов происходит обратный процесс – усадка. Такие грунты содержат большое количество гидрофильных глинистых минералов (монтмориллонит, каолинит, гидрослюды) и имеют малую влаж-ность в природном состоянии ( )pw w< . Значения влажности на пределе текуче-

сти и числа пластичности у этих грунтов весьма велики. Поступающая в набу-хающие грунты влага адсорбируется поверхностью глинистых частиц, образуя гидратные оболочки. При первоначальном относительно близком расположе-нии таких частиц под действием гидратных оболочек они раздвигаются, вызы-вая увеличение объёма грунта. Часть воды проникает внутрь кристаллов глини-стых минералов, также приводя к увеличению объёма грунта. При уменьшении влажности набухающих грунтов возникает их усадка, приводящая к объёмным деформациям. Процессу набухания препятствуют сопротивление сцепления, развиваю-щееся между отдельными частицами и их агрегатами, и действующее напряже-ние. Набухание обусловлено возникновением давления в плёнках воды, распо-ложенных в местах контакта их агрегатов или внутри пакетов минералов. Ми-нимальное внешнее напряжение, уравновешивающее это давление и прекра-щающее процесс набухания, называется давлением набухания psw. Поскольку набухающие грунты обладают специфическими свойствами, для них (кроме обычных физико-механических характеристик) определяют специальные показатели набухания и усадки. К ним относятся: относительное набухание εsw при различных давлениях р, давление набухания psw и влажность набухания wsw. Относительное набухание εsw (точнее, зависимость ( )sw f pε = ) определя-

ется путём проведения компрессионных испытаний грунтов (рис. 4.14).

117

Морозное пучение может оказывать значительное влияние на конструк-ции, расположенные в пределах его интенсивного воздействия. Эти конструк-ции, при недостаточной их заделке в вечномёрзлом грунте, в ходе промерзания поднимаются силами пучения вверх, весной же они не могут перемещаться вниз вместе с оседающим грунтом, который оттаивает сверху, так как удержи-ваются ещё не оттаявшей частью деятельного слоя, а иногда и слоем вечно-мёрзлого грунта. Следствием этого является выпучивание конструкций, заглуб-лённых в грунт (столбов, фундаментов и др.). Подземные воды в районах распространения вечномёрзлых грунтов обра-зуют три горизонта: надмерзлотный, межмерзлотный и подмерзлотный. Надмерзлотные воды приурочены к деятельному слою. При несливаю-щемся деятельном слое они могут находиться в слое талого грунта. Эти воды оказывают существенное влияние на миграцию влаги к фронту промерзания и способствуют морозному пучению грунтов деятельного слоя. Межмерзлотные воды относятся к напорным и находятся между слоями вечномёрзлого грунта. Обычно они служат путями для выхода подземных вод на поверхность земли или в деятельный слой. Подмерзлотные воды циркулируют под слоем вечномёрзлого грунта. При наличии подземных вод образуются поверхностные и грунтовые на-леди. Поверхностными наледями называются надземные слои льда, образовав-шиеся от излияния и замерзания вод на поверхности, грунтовые наледи – под-земные (большей частью горизонтальные) слои льда – образуются вследствие замерзания воды между слоями грунта. Наледи бывают сезонные, формирую-щиеся зимой и растаивающие летом, и многолетние. Бугры пучения могут быть сезонными и многолетними. Последние дости-гают иногда высоты 8-12 м. Значительное местное пучение грунтов проявляет-ся на дорогах, аэродромах, застраиваемых территориях. Морозобойные трещины в деятельном слое образуются как в процессе его промерзания, так и после промерзания вследствие неравномерного умень-шения объёма грунта при охлаждении. Обычно образуется характерная система трещин. Трещины, возникающие в деятельном слое, проникают и в слой веч-номёрзлого грунта, создавая условия для образования в них трещинных льдов и особых форм рельефа. Особенно неблагоприятно воздействие морозобойных трещин на линейные сооружения (трубопроводы, подземные кабели и др.) – оно может привести к их разрушению. Во время весеннего таяния снега и половодья температура стенок моро-зобойных трещин в вечномёрзлом грунте остаётся достаточно низкой. Попа-

118

дающая в них вода быстро замерзает, превращаясь в лёд и снова образуя сплошной массив. Повторные чередующиеся морозобойные растрескивания и цементация трещин льдом приводят к развитию полигональных систем ледя-ных клиньев в вечномёрзлом слое грунта. Их вертикальная протяжённость ино-гда достигает 40 м при поперечном размере до 6-8 м. Солифлюкция – медленное течение (сползание) оттаивающего грунта по склонам. Солифлюкция происходит в результате многократных процессов мо-розного пучения грунта при промерзании и осадок при оттаивании (рис. 4.8).

Рис. 4.8 – Схема сползания по склону грунта при многократных

промерзаниях и оттаиваниях: 1 – вечномёрзлый грунт; 2 – деятельный промёрзший слой грунта; ff – величина морозного пучения; m1, m2, m3 – последовательное положение частицы грунта

при начале промерзания, пучении и осадке; df – толщина промерзания

Причиной этого процесса является поднятие частиц грунта, расположен-ных у поверхности земли по нормали к ней при промерзании и развитии пуче-ния, и опускание их при оттаивании под действием сил гравитации по вертика-ли вниз. В результате за один год частицы грунта из точки m1 переместятся в точку m3. Аналогичная картина будет наблюдаться в пределах всего склона. Частицы грунта, расположенные на некоторой глубине, будут совершать такое же движение, но с меньшей интенсивностью. Это ведёт к затуханию перемеще-ния грунта по склону с глубиной. Явления солифлюкции оказывают отрица-тельные воздействия на линейные сооружения, прокладываемые на склонах. На откосах крутизной 1:1,5 и 1:2 кроме солифлюкции весной наблюдается образование поверхностных оползней (сползание части слоя сезонного оттаива-ния). Они вызываются следующими причинами: при промерзании грунта проис-ходит миграция влаги в верхние горизонты деятельного слоя, в результате верхняя его часть переувлажняется. В процессе оттаивания переувлажнённые грунты лег-ко сползают по слою ещё мёрзлого грунта. Этому способствует наличие прослоев и линз льда, совпадающих по направлению с направлением откоса.

127

сантиметров и даже менее сантиметра) прослоев песка, супеси, суглинка и гли-ны. Суммарная мощность ленточных отложений может достигать 10 м и более.

Ленточные отложения широко распространены на северо-западе европей-ской части России. Они образовались в приледниковых озёрах во время оледе-нения Русской равнины.

Талыми водами в озёра ледника выносились глинистые частицы и малые обломки минералов, соответствующие размерам пыли и мелкого песка, причём в летнее время при интенсивном таянии поступал более крупный материал. В это время формировались песчаные и песчано-пылеватые прослои. В осеннее время при уменьшении скоростей в потоках талых вод в озёра поступали пре-имущественно мельчайшие пылеватые и глинистые частицы. В это время пес-чаный прослой закрывался по всей площади озера глинистым. Таким образом, пара прослоев соответствовала годичному циклу.

В категорию особых грунтов ленточные глины попадают из-за своеобра-зия текстуры, из-за тонкой горизонтальной слоистости, которая создаёт особые свойства описываемых отложений. Слоистая текстура вызывает анизотропию свойств. Очевидно, что водопроницаемость толщи вдоль прослоев значительно больше, чем в поперечном направлении. Различие в водопроницаемости в гори-зонтальном и вертикальном направлениях может достигать 2-3 порядков.

В естественном состоянии ленточные отложения имеют высокую по-ристость. Коэффициент пористости обычно равен 0,7-0,8 и нередко превы-шает единицу. Грунты обычно находятся в водонасыщенном состоянии. Ес-тественная влажность w равна 0,3-0,5, но может достигать и 0,7-0,8, тогда как влажность на пределе текучести wL не превышает 0,6-0,65. Следовательно, ленточные отложения находятся в скрытопластичном состоянии или даже в скрытотекучем. Этому способствует тесное соседство песчаных и глинистых прослоев.

Высокое значение пористости и большая влажность ленточных глин сви-детельствует об их малой прочности и сильной деформируемости под нагруз-кой. Как и илы, ленточные глины в природном состоянии обладают некоторой структурной прочностью. Они способны легко разжижаться в результате нару-шения структуры при относительно незначительных нагрузках или встряхива-ниях (чувствительные глины).

Оценка влияния структурных связей на механические свойства произво-дится по величине индекса чувствительности IF:

1

2FI τ

τ= , (4.20)

126

тяжёлую вязкую жидкость. Это можно наблюдать в простом опыте: при ударах по сосуду с водонасыщенным рыхлым песком, гирька, установленная на по-верхности песка, тонет в нём, а лёгкие предметы, находящиеся на дне сосуда, всплывают. При определённой величине динамического воздействия происходит раз-рушение структуры рыхлого водонасыщенного песка, полная или частичная потеря контактов между частицами. Отсутствие передачи напряжений в этих контактах свидетельствует о потере прочности грунта (частичной или полной). В дальнейшем происходит уменьшение пористости в процессе переукладки частиц и отжатия воды с образованием новой, более плотной структуры песка, на что требуется некоторое время.

4.5. Илы и чувствительные глины Характерными особенностями таких грунтов являются их высокая порис-тость в природном состоянии, насыщенность водой, малая прочность и боль-шая деформируемость. Илами называют водонасыщенные современные осадки водоёмов (морские, лагунные, озёрные), образовавшиеся при наличии микробиологи-ческих процессов. Обычно верхние слои ила имеют коэффициент пористо-сти 0,9e ≥ и текучую консистенцию 1LI > . Содержание частиц меньше 0,01 мм составляет 30-50% по массе. Илы подразделяются по значению чис-ла пластичности на супесчаные, суглинистые и глинистые. Пресноводный ил называют сапропелем. Мощность ила может достигать 10 м, а иногда и нескольких десятков метров. В последнем случае с глубиной происходит уплотнение и упрочнение илов. Они постепенно переходят на глубине 30-50 м в нормальный глинистый грунт текучепластичной консистенции. С глубиной ил не только уплотняется, в нём уменьшается содержание органики.

Отличительной особенностью илов является то, что в ненарушенном со-стоянии они обладают небольшой структурной прочностью. Передача на илы давлений, меньших структурной прочности, вызывает лишь упругие деформа-ции скелета грунта. Структура илов легко разрушается при статических нагруз-ках, превышающих структурную прочность, и особенно – при воздействии ди-намических нагрузок. Однако со временем водно-коллоидные связи в илах вос-станавливаются, и уплотнённый илистый грунт упрочняется.

Ленточные глины (ленточные отложения) – это толща грунтов, состоящая из близкого к горизонтальному переслаиванию тонких и тончайших (несколько

119

Термокарст – это совокупность физико-геологических процессов и явле-ний, включающих таяние внутриземного льда, вытаивание ледяных включений и залежей (прослоек, прожилок, слоёв, линз и жил), возникновение в толще мёрзлых пород полостей, просадок протаявшего грунта и образование отрица-тельных форм микро- и мезорельефа (западин, воронок, ложбин и других по-нижений). Развитие термокарста связано с непосредственным действием тепла или изменением на поверхности условий проникновения его в грунт (при об-щем потеплении климата, увеличении теплопотока в связи с производственной деятельностью человека, уничтожении растительного и грунтового покрова в связи с ухудшением стока поверхностных вод и др.).

4.3.6. Состав и физические свойства вечномёрзлых грунтов Мёрзлые грунты – это четырёхкомпонентная (четырёхфазная) система, в которую входят твёрдые частицы, незамёрзшая вода, воздух или иной газ и лёд.

Содержание льда, а, следовательно его состояние по прочности и дефор-мируемости, существенным образом зависят от изменения внешних воздейст-вий, прежде всего отрицательной температуры. Это важнейшее качество мёрз-лых грунтов было установлено в 1945 г. Н. А. Цытовичем и названо им принци-пом равновесного состояния воды и льда в мёрзлых грунтах. При повышении температуры мёрзлого грунта содержание льда в нём уменьшается, количество незамёрзшей воды увеличивается и наоборот. Кроме того установлено, что при повышении давления количество незамёрзшей воды увеличивается, содержание льда уменьшается и наоборот. Поскольку мёрзлый грунт является четырёхкомпонентной системой, для оценки его физического состояния экспериментальным путём необходимо оп-ределить четыре основные характеристики:

− плотность мёрзлого грунта ρf − ненарушенной структуры; − плотность твёрдых частиц грунта ρs; − суммарную весовую влажность мёрзлого грунта wtot; − влажность мёрзлого грунта за счёт незамёрзшей воды ww.

Плотность мёрзлого грунта равна отношению массы образца gg к его объёму Vg:

g

fg

gp

V= . (4.4)

120

Масса образца грунта природного сложения определяется достаточно точно взвешиванием. Объём же устанавливается измерением размеров выпи-ленного образца в пикнометре, заполненном керосином.

Плотность твёрдых частиц мёрзлого грунта ρs определяется с помощью пикнометра как для немёрзлых грунтов.

Суммарная весовая влажность мёрзлого грунта wtot равна отношению массы всех видов воды в грунте, испаряющейся при температуре 105ºС, к массе твёрдых частиц. В составе массы воды в грунте учитываются и включения льда, поэтому значение wtot зависит от места взятия пробы грунта. Наименьшая ошибка получается при отборе пробы по всей высоте слоя грунта из вертикаль-ной бороздки в стенке шурфа или в монолите.

При этом количество незамёрзшей воды определяют калориметрическим способом по образцам грунта нарушенной структуры. Влажность за счёт незамёрзшей воды ww ориентировочно можно опреде-лять по формуле СНиПа:

w w pw k w= ⋅ , (4.5)

где kw – коэффициент, зависящий от числа пластичности и температуры грунта; wp – влажность грунта на границе раскатывания.

В состав дополнительных характеристик мёрзлых грунтов входят: − влажность грунта за счёт включений льда wi; − влажность грунта между включениями льда wm; − влажность за счёт льда-цемента wic; − суммарная льдистость мёрзлого грунта itot; − льдистость мёрзлого грунта за счёт включений льда ii; − степень заполнения пор мёрзлого грунта льдом и незамёрзшей водой Sr.

Из понятий о влажностях следует что:

m ic ww w w= + . (4.6) Суммарную влажность можно выразить в виде суммы влажностей: tot i m i ic ww w w w w w= + = + + . (4.7) Если экспериментально определены wtot и wm, то влажность за счёт вклю-

чений льда wi определяется расчётом:

i tot mw w w= − . (4.8)

125

где Ath и δ – соответственно коэффициенты оттаивания и сжимаемости. Таким образом, осадка оттаявшего грунта складывается из двух частей: осадки оттаивания, не зависящей от нагрузки и характеризуемой коэффициен-том Ath, и осадки уплотнения, пропорциональной нагрузке и характеризуемой коэффициентом δ. Эти коэффициенты являются основными расчётными харак-теристиками при вычислении осадок оттаивающих оснований.

4.4. Рыхлые пески Природная структура рыхлых песков сравнительно легко нарушается при динамических воздействиях (вибрации или сотрясении). Уровень необходимого воздействия, измеряемый обычно ускорением, зависит от плотности сложения песка. Ускорения, при котором песок начинает уплотняться, называется крити-ческим. При динамическом воздействии больше критического происходит уп-лотнение песка, проявляющееся с нарушением природной структуры, т. е. про-садкой. При этом компрессионная кривая будет аналогична кривой, показанной на рис. 4.1, в. Значение относительной просадочности песка при данном динамическом воздействии может быть найдено из выражения (4.19):

g

slpsl h

hh −=ε , (4.19)

где hp – высота образца грунта, обжатого давлением, равным давлению от собственного веса грунта σzg и дополнительным давлением от нагрузки на фундамент σzp, до динамического воздействия; hsl – высота образца после динамического воздействия при том же давлении; hg – высота образца, обжатого природным давлением σzg (рис. 4.2, а). Чем больше плотность сложения песка, тем при большем значении кри-тического ускорения начинается его уплотнение. Увеличение распределённой статической нагрузки также приводит к повышению значения критического ус-корения. Однако при местной нагрузке наблюдается обратная картина. Это объясняется влиянием касательных напряжений, возникающих в грунтах. Прочность песчаных грунтов при динамических воздействиях снижается, что вызывается уменьшением величины статического напряжения в плоскости сдвига в результате динамики. Характерной особенностью рыхлых водонасыщенных песчаных грунтов является способность переходить при динамических воздействиях в разжижен-ное состояние (полное или частичное). Песок временно как бы превращается в

124

of

fEβδ = , (4.16)

где βо – коэффициент, характеризующий боковое расширение грунта; Ef – модуль деформации мёрзлого грунта. Сжимаемость оттаивающих грунтов может значительно превышать их сжи-маемость в мёрзлом состоянии. Это характерно для некоторых типов пластич-но-мёрзлых грунтов и особенно твёрдомёрзлых грунтов. Изучение сжимаемости при оттаивании обычно производится в одомет-рах, оборудованных нагревательной аппаратурой. Образец мёрзлого грунта с начальной высотой ho помещается в камеру одометра и обжимается вертикаль-ной нагрузкой p1. При этом происходит незначительное сжатие образца, и его высота уменьшается до величины hf (участок аб графика на рис. 4.13, а). Затем образец нагревают, и происходит его оттаивание при постоянном давлении p1. В процессе оттаивания разрушаются цементационные связи, так как вода пере-ходит из замёрзшего в жидкое состояние, и грунт может значительно уплот-ниться (вертикальный участок графика на рис. 4.13, а). Деформация имеет про-садочный характер. После стабилизации просадочной деформации оттаявший образец нагружается ступенчато-возрастающей нагрузкой р2, р3,…, рn. Полу-ченные при этом деформации характеризуют сжимаемость оттаявшего грунта (участок вг на рис. 4.13, а).

Рис. 4.13 – Зависимость деформаций образца оттаивающего грунта (а) и

коэффициента просадочности (б) от нормального давления Серия испытаний проводится при различных значениях начального обжа-

тия р1. Из каждого опыта определяется коэффициент просадочности:

f th

thf

h hh

ε−

= , (4.17)

после чего строится график зависимости этого коэффициента от внешней на-грузки (рис. 4.13, б). Зависимость ( )pfth =ε имеет практически линейный харак-тер и записывается уравнением: th thA pε δ= + ⋅ , (4.18)

121

Так как результаты таких расчётов в значительной степени зависят от тщательности отбора образцов мёрзлого грунта, допускается принимать wm равным влажности на границе раскатывания, т. е.:

m pw w= . (4.9)

Влажность, обусловленную льдом-цементом, находят по разности:

ic m ww w w= − . (4.10) Суммарная льдистость является отношением объёма всех видов содер-

жащегося в грунте льда к объёму мёрзлого грунта и определяется по формуле:

( )( )1

f tot wtot

i tot

p w wi

p w−

=⋅ + , (4.11)

где ρi – плотность льда ( 90,i =ρ т/м3). Льдистость за счёт включений льда ii является отношением объёма вклю-чений льда к объёму мёрзлого грунта и определяется по формуле:

( )( )0,1

s tot wi

i tot ws

p w wi

p p w w⋅ −

=+ − ⋅

. (4.12)

По льдистости мёрзлые грунты делятся на сильнольдистые, среднельди-стые и слабольдистые. К сильнольдистым грунтам относятся грунты с льди-стостью 0, 4ii > . Грунты с льдистостью в пределах 0, 2 0, 4ii≤ < , относят к сред-нельдистым. При 0, 2ii < грунты считают слабольдистыми.

Степень заполнения пор мёрзлого грунта льдом и незамёрзшей водой Sr определяется по формуле:

( )1,1 0,1s m w

yf w

p w wS

e p⋅ ⋅ − ⋅

=⋅

, (4.13)

где ρi – плотность воды ( 1=iρ т/м3); ef – коэффициент пористости мёрзлого грунта между включениями

льда. Для расчётов требуются также теплофизические характеристики грунта, а именно:

− теплопроводность мёрзлого λf и талого λth грунтов; − теплоёмкость мёрзлого Cf и талого Cth грунтов.

Эти характеристики определяют в лабораторных условиях при проведе-нии точных опытов, а чаще принимают для различных грунтов по таблицам норм в зависимости от плотности скелета грунта (мёрзлого и талого) и суммар-ной влажности.

122

4.3.7. Механические свойства мёрзлых грунтов Сопротивление сдвигу мёрзлых грунтов зависит от температуры грунта, внешнего давления и времени действия нагрузки. Естественно, оно различно для грунтов разного состава и состояния. Как показывают опыты, сопротивление сдвигу увеличивается с пониже-нием температуры грунта (рис. 4.9, а) или увеличением нормального давления (рис. 4.9, б).

Рис. 4.9 – Зависимости сопротивления сдвигу мёрзлого грунта

от температуры (а) и от нормального давления (б): 1 – лёд; 2 – супесь; 3 – глина; 4-5 – соответственно мгновенное и предельное

длительное сопротивление суглинка пылеватого

При этом в общем сопротивлении сдвигу сцепление составляет значи-тельную часть; для мёрзлых глин оно колеблется в пределах 80-94%. Сопротивление сдвигу снижается при длительном действии нагрузки, причём в основном за счёт уменьшения во времени сцепления грунта, и связы-вается с нормальным давлением соотношением Кулона: ft t ttg cτ σ ϕ= ⋅ + , (4.14)

где φt и ct – параметры прочности, зависящие от величины отрицатель-ной температуры и времени нагружения ( )мгл t длϕ ϕ ϕ≈ ≈ .

Рис. 4.10 – Зависимость прочности грунта от времени действия нагрузки

123

При проектировании зданий и сооружений используется значение пре-дельно-длительной прочности мёрзлых грунтов R∞, определяемые эксперимен-тально, которые значительно меньше мгновенной прочности Rv, (рис. 4.10). Предельно-длительное сопротивление мёрзлых грунтов сжатию в 5-10 раз меньше временного сопротивления, а предельно-длительное сопротивление растяжению примерно в 2-6 раз меньше их сопротивления сжатию. Сжимаемость мёрзлых грунтов зависит от их состава и состояния, тем-пературы, времени действия, величины и характера приложенной нагрузки. Для мёрзлых грунтов с низкой температурой характерна незначительная сжимае-мость. При температуре близкой к нулю мёрзлые грунты могут даже при малых нагрузках значительно уплотняться. Величина сжатия достигает 1,5-4,0 см на 1 м сжимаемой толщи.

Основной характеристикой сжимаемости мёрзлых грунтов является ко-эффициент сжимаемости, который может быть определён по данным ком-прессионных испытаний в нетеплопроводных одометрах или рассчитан по ре-зультатам полевых испытаний мёрзлых грунтов пробной нагрузкой с помощью холодных штампов.

В общем виде компрессионная зависимость нелинейна, имеет несколько участков, отражающих изменение структуры и текстуры грунтов в процессе уплотнения (рис. 4.11).

Рис. 4.11 – Компрессионная кривая мёрзлого сильнольдистого грунта:

а) в осях е – р; б) в осях ε – р; е – коэффициент пористости; ε – относительная деформация

Коэффициент сжимаемости δi пластично-мёрзлого грунта определяется для различных интервалов нагрузки с точностью до 0,001:

1

1

t i

i ip pε εδ −

−

−=

− . (4.15)

При полевых испытаниях грунтов пробной нагрузкой с помощью холод-ных штампов коэффициент сжимаемости вычисляется по формуле линейно-деформируемых тел: