Пучинистость грунтов

Пучинистость — одно из мерзлотных геологических явлений, связанное со способностью грунта увеличиваться в объеме при промерзании.

Общеизвестно, что вода, превращаясь в лед, увеличивается в объеме на 9—11 %. Однако даже при допущении, что вся имеющаяся в грунте вода превратилась в лед, но осталась на прежнем месте, опасного увеличения объема грунта не произошло бы. Опасное увеличение объема грунта при промерзании, которое названо пучинистостью, вызывается миграцией воды и переходом ее в лед. В разгар зимы подобное вспучивание может достигать десятков сантиметров.

Существуют различные взгляды, объясняющие пучинистость грунтов. По одной из теорий, пучинистость объясняется миграцией влаги из нижележащих незамерзших слоев грунта, по другой — миграцией влаги внутри объема замерзшего грунта с образованием в нем очагов кристаллизации льда.

Практически важно, что главным фактором, влияющим на пучинистость, является гранулометрический состав грунтов: пучению подвержены глинистые грунты и не подвержены средне- и крупнозернистые пески (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Поведение грунтов при промерзании

Прочностные свойства грунтов

Прочностью грунта называют его способность воспринимать силы внешнего воздействия не разрушаясь. Разрушение грунта, служащего основанием сооружения или слагающего откос плотины (канала), происходит в виде перемещения (сдвига) одной его части относительно другой.

Существуют разные схемы потери устойчивости грунтовыми массивами. Для гидротехнических сооружений (откосов грунтовых плотин и каналов) характерна форма потери устойчивости грунтового массива в виде движения по криволинейной поверхности с вращением (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Оползень вращения

Нарушение равновесия массива грунта может происходить внезапно, со сползанием значительных масс грунта. Основными причинами нарушения равновесия массива грунта является увеличение нагрузок, действующих на массив, и уменьшение внутреннего сопротивления грунтового массива.

Уменьшение сопротивления массива грунта может происходить, например, в результате уменьшения сил сцепления при увлажнении грунтов.

Увеличение нагрузок может происходить из-за возведения сооружений на откосах или увеличения градиента гидравлического напора и, как следствие, увеличения фильтрационных сил. Фильтрационными силами называют силы давления и трения грунтового потока по поверхности твердых частиц грунта в порах.

Иными словами, разрушение грунта происходит, когда силы внешнего воздействия превысят силы внутреннего сопротивления, т. е. когда прочность грунтов превышена из-за действующих на них нагрузок. Следовательно, прочность грунтов определяется их сопротивляемостью сдвигу.

Для прояснения физического смысла прочности грунта (сопротивления сдвигу) рассмотрим песчаный откос плотины или канала. Пусть поверхность откоса из сыпучего грунта наклонена к горизонтальной плоскости под углом а (рис. 4.7). При попытке сделать его вертикальным ничего не получится. Песок будет осыпаться и скользить к подошве откоса. Однако, уменьшая угол откоса, мы достигнем момента, когда он окажется достаточно устойчивым. Чтобы понять, почему не держится вертикальный откос из сыпучего грунта, следует рассмотреть схему на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Предельное равновесие откоса, сложенного идеально сыпучим грунтом

Элементарная частица грунта на свободной поверхности испытывает силу тяжести G, которую можно разложить на нормальную N (направленную перпендикулярно к откосу) и касательную Г_сд (действующую вниз по склону). Очевидно, что сила Г_сд стремится сдвинуть грунт вниз (сдвигающая сила), а сила N прижимает песчинки к массиву и препятствует этому движению. Кроме того, на частицу действует сила трения Т_уд. Элементарная частица грунта удерживается на наклонной поверхности откоса этой силой трения, которая прямо пропорциональна нормальной (прижимающей) силе N.

Если сила сдвига Т_сд окажется больше удерживающих сил Т_уд, то откос начнет скользить вниз; если меньше, то он будет стоять неподвижно.

В таком случае

Для нахождения сил, препятствующих сдвигу, (Т_уд) рассмотрим схему действия сил на сдвигаемое тело на горизонтальной плоскости (рис. 4.8), сохраняя обозначения рис. 4.7.

ще. 4.8. Схема действия сил на сдвигаемое тело

При попытке сдвинуть тело, лежащее на другом и прижатое к нему, в плоскости их контакта возникает сила сопротивления их скольжению. Эта сила направлена в сторону, прямо противоположную сдвигающей силе, и называется силой трения скольжения Г_уд. Очевидно, что чем больше вес тела, тем больше будет сила трения, т. е. Г_уд прямо пропорциональна прижимающей силе N:

где/— коэффициент пропорциональности.

Равнодействующая G двух сил Г_уд и N будет наклонена к вертикали под углом а. При равенстве сдвигающей силы Т_сд и силы трения Г_уд угол а достигнет максимального значения. В этом случае угол а называют углом трения. В механике грунтов угол а обозначают ф и называют углом внутреннего трения, так как трение между частицами возникает где-то внутри грунта.

В формуле (4.7) сила трения Г_уд равна произведению нормальной компоненты силы тяжести N на коэффициент /. Это и есть упомянутый коэффициент трения частицы грунта по грунту. Из анализа рис. 4.8 и формулы (4.7) следует, что коэффициент трения/является тангенсом угла a (tg а = Г_уд/ДО.

Закономерности сопротивления грунта сдвигу в откосе и на горизонтальной плоскости имеют один и тот же характер, и тогда для откоса, изображенного на рис. 4.7, справедливо записать

Для откосов, сложенных глиной, сопротивление грунта сдвигу будет зависеть не только от трения между зернами, но и от действующих связей между глинистыми частицами. В глине противодействует движению откоса не только трение, но еще и сила сцепления С.

Отсюда устойчивость откоса из глинистого грунта будет определяться уравнением (4.9):

Выведенная формула (4.9) называется законом Кулона: сила предельного сопротивления грунта сдвигу равна сумме предельной силы трения и сцепления.

Сила сопротивления сдвигу складывается из сопротивления трению при перемещении одних частиц по другим; сопротивления перекатыванию одних частиц по другим; сопротивления раздроблению частиц и скалыванию углов.

Таким образом, для оценки прочности грунта или его сопротивления сдвигу необходимо знать величину трения и сцепления между частицами. Теоретически в качестве экспериментального метода по определению угла внутреннего трения сыпучих грунтов можно было бы использовать вывод о равенстве угла наклона поверхности откоса а и угла внутреннего трения этого грунта ф. Но на практике для определения этих важных прочностных характеристик (ф и С) моделируют процесс сдвига, т. е. прикладывают силы Т и N к образцу грунта, учитывая что T/N - tg ф (коэффициент внутреннего трения грунта).

При определении сопротивления грунта сдвигу в лаборатории используют сдвиговой прибор, состоящий из двух колец — верхнего и нижнего. Это позволяет сдвигать образец грунта за счет перемещения верхнего кольца по нижнему. Вертикальное давление N прикладывается через штамп к верхней части образца (рис. 4.9), а сдвигающая Т (горизонтальная) сила, касательная к плоскости сдвига, прикладывается к подвижному кольцу, увеличиваясь ступенями до момента возникновения смещения (сдвига).

Рис. 4.9. Принципиальная схема сдвигового прибора

Для вычисления показателей прочности нескальных грунтов (tg ф и С) при каждом уплотняющем давлении N (АД, N₂, N₃ и т. д.) должно быть найдено предельное сопротивление грунта сдвигу т (т_:, т₂, т₃ и т. д.) по результатам испытания группы не менее чем из шести образцов-близнецов. Предельное сопротивление грунта сдвигу (касательное напряжение) определяют путем деления сдвигающего усилия Т на площадь А горизонтального сечения образца

Для получения ср и С строят график, пользуясь результатами испытаний образцов на срез. По оси абсцисс (ось N) откладывают вертикальные давления, а по оси ординат (ось т) — значения соответствующих им сдвигающих усилий (касательных напряжений). Экспериментальную зависимость т = /(N) можно представить в виде прямой линии, угол наклона которой к оси абсцисс будет давать угол внутреннего трения грунта ф, а отрезок, отсекаемый экспериментальной прямой на оси ординат, — удельное сцепление грунта С (рис. 4.10). В песчаных грунтах зависимость т = /(N) будет приходить в начало координат.

Рис. 4.10. Результаты испытаний прочности глинистого грунта

Найдя таким образом показатели прочности грунта и пользуясь выражением (4.9), можно определить предельное сопротивление грунта сдвигу. Еще раз отметим, что закономерности сопротивления грунта сдвигу в основаниях гидросооружений и в откосах одинаковы.

Для сыпучих грунтов (песков) ф изменяется в пределах 26—43°. Нижний предел ф характерен для пылеватых песков, верхний — для гравелистых и крупных. Для глинистых грунтов ф зависит от влажности и изменяется в пределах 7—30°.