Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Грунтоведение

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Физико-механические свойства грунтов - это свойства, характеризующие возникновение, распределение и изменение механических напряжений и деформаций в грунтах при воздействии механических нагрузок. В песчаных, крупнообломочных и глинистых грунтах при этом происходит изменение внутреннего сложения и объема (уплотнение), т. е. уменьшение пористости и увеличение концентрации минеральных частиц в единице объема. Чем значительнее изменения грунтов под воздействием определенной нагрузки, тем большей деформируемостью они обладают. Когда под влиянием внешних усилий в грунтах возникают касательные силы, превышающие силы сопротивления сдвигу, грунты начинают разрушаться, наступает потеря прочности. Поэтому в зависимости от условий взаимодействия грунтов с нагрузками выделяются:

  • деформационные свойства, проявляющиеся при нагрузках ниже критических, т. е. не приводящих к разрушению;
  • прочностные свойства, проявляющиеся при нагрузках, превышающих критические, т. е. при разрушении грунта.

Особенности проявления физико-механических свойств грунтов во времени характеризуются реологическими свойствами (проявляющимися при действии во времени статических нагрузок) или виброреологическими (проявляющимися при действии во времени многократных динамических нагрузок).

В зависимости от характера приложения действующих нагрузок различают:

  • статические физико-механические свойства, проявляющиеся при действии однократных постоянных стационарных полей механических напряжений;
  • динамические физико-механические свойства, проявляющиеся при действии многократных переменных нагрузок или многократных нестационарных полей напряжений [50].

Основные понятия о напряжениях и деформациях в грунтах

Внешние нагрузки, передающиеся на грунт, представляют собой механические силы, которые могут быть поверхностными или объемными.

Поверхностная нагрузка вызвана действующими на поверхность тела (массива грунта, образца и т. п.) силами, которые создаются инженерным сооружением или действием сил от соседнего объема грунта. Интенсивность (с/) поверхностной нагрузки равна отношению силы (Р) к площади ее действия і

Поверхностные нагрузки подразделяются на равномерно и неравномерно распределенные. Равномерно распределенная нагрузка вызвана одинаковыми по величине силами, действующими по всей рассматриваемой поверхности; неравномерно распределенная нагрузка вызвана разными или одинаковыми силами, действующими на отдельные участки поверхности. Если размеры площади действия поверхностной нагрузки малы по сравнению с площадью всего тела, то ее можно считать сосредоточенной. Сосредоточенная нагрузка, действующая в точке, является частным случаем неравномерно распределенной нагрузки, когда площадь приложения нагрузки стремится к нулю

Объемные нагрузки могут быть приложены к любой части объема, одной из объемных нагрузок грунта является его собственный вес.

Под действием внешних (поверхностных и/или объемных) сил в грунте возникают механические напряжения, являющиеся мерой этих сил. Рассмотрим произвольный объем грунта, на который действуют внешние силы Р, Рг, Ру, ..., Р-,. Проведем через тело произвольное сечение, проходящее через точку М, и мысленно отбросим его правую часть (рис. 8.1, а). Оставшаяся часть находится в равновесии, а равнодействующая сил, действующих на элементарной площадке ДS, нормаль которой совпадает с осью л-, будет равна АР. Их интенсивность равна величине q = АР / AS, напряжением в точке М будет предел интенсивности q при AS —► 0, т. е. q = ш(АР / AS), отсюда единица измерения напряжения - Паскаль (1 Па= 1 Н/м2= 10 1 кгс/см2).

Силы и напряжения в объеме грунта

Рис. 8.1. Силы и напряжения в объеме грунта:

а - действующие на объем грунта внешние силы (Pi, Р:. Рз) и равнодействующая внутренних сил АР на элементарной площадке AS; б - компоненты касательных и нормальных напряжений [50]

Разложив q на составляющие, действующие по нормали к площадке AS и вдоль нее, получим (плоский случаи, когда АР лежит в плоскости z. л) или для объемного случая , где t,, t2. - компоненты напряжений т, лежащие в плоскости z,y и действующие вдоль осей Z и Y.

Напряжения, действующие по нормали к площадке AS, называются нормальными (о), а действующие вдоль нее - касательными (г).

Напряжение является векторной величиной, характеризующейся точкой приложения и направлением действия. Совокупность всех векторов напряжений для всех площадок, проходящих через точку М, характеризует напряженное состояние в точке. Оно определяется тензором напряжений (Т„), компонентами которого являются три нормальных х, ov и oz) и шесть касательныхнапряжений (рис. 8.1, б).

Компоненты нормальных и касательных напряжений вызывают соответствующие им компоненты нормальных х, еу и £г) и касательныхдеформаций. При действии на тело всесторонних нагрузок, например гидростатического обжатия (, в нем возникают объемные деформации (£„).

Нормальные напряжения могут быть положительными при сжатии или отрицательными при растяжении. Они вызывают изменение объема и формы тела. Касательные напряжения вызывают изменение формы тела, т. е. отражают деформации.

Механической деформацией называется изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением под действием механических напряжений. Выделяют линейные деформации (с), вызванные нормальными напряжениями (<т); касательные (у), или сдвиговые деформации, вызванные касательными напряжениями (г).

Различают деформации упругие (после снятия нагрузки форма и объем тела полностью восстанавливаются), пластические (после снятия нагрузки форма и объем тела восстанавливаются не полностью) и разрушающие (грунт теряет сплошность, разрушаясь на части).

Линейные деформации могут быть положительными, т. е. деформациями сжатия, и отрицательными, т. е. деформациями растяжения.

Кроме того, могут возникать механические деформации изгиба и кручения, формирующиеся под действием внешних нагрузок в зависимости от способа их приложения к телу.

Мерой линейных деформаций является относительная линейная деформация (є), определяемая как отношение приращения длины, или абсолютной линейной деформации (Л/), к начальной длине (/0):

где(в %, или в д. ед).

Мерой касательных деформаций является относительная деформация сдвига (у), д. ед., равная тангенсу угла перекоса (рис. 8.2, б):

Мерой объемных деформаций тела является относительная объемная деформация У), которая равна сумме относительных линейных деформаций по трем координатным осям (рис. 8.2, б):

где ΔV- абсолютное изменение объема, V— первоначальный объем тела.

Основные механические свойства грунтов, характеризующие их

Деформации тела

Рис. 8.2. Деформации тела: а при одноосном сжатии; б - деформации сдвига: в - всестороннего сжатия [50]

сопротивляемость внешним воздействиям, определяются следующими условиями:

  • • законом сжимаемости, т. е. зависимостью между действующими нормальными напряжениями и соответствующими объемными деформациями или изменениями коэффициента пористости;
  • • законом формоизменения, или сдвига, т. е. зависимостью между касательными напряжениями и деформациями сдвига;
  • • условием предельного состояния или прочности грунтов, определяющим предельное соотношение между нормальными и касательными напряжениями в грунте по площадкам скольжения.

Одним из важнейших вопросов в механике грунтов является установление зависимости между напряжениями и соответствующими им деформациями, т. е. установление функций вида Эти зависимости являются нелинейными и зависят от большого числа факторов, поэтому не существует универсальных уравнений, описывающих эти взаимосвязи, которые обычно устанавливаются опытным путем. Для частных случаев эти зависимости являются линейными и описываются простыми линейными уравнениями для нормальных, касательных и объемных напряжений, известными в механике как закон Гука:

где Е - модуль Юнга (или модуль упругости), Па; G - модуль упругого сдвига, Па; К - модуль объемной упругости, Па.

При одноосном сжатии образца под напряжением о2 происходит изменение как продольных, так и поперечных размеров тела. При этом связь продольных {£,) и поперечных х) деформаций с напряжением характеризуется зависимостями, представленными на рис. 8.3, а. По мере роста напряжения прямо пропорционально увеличивается деформация и до точки А (или А') выполняется закон Гука, который для продольных и поперечных деформаций записывается и виде oz = Ес а также = Есх. Напряжение <σу„Р, соответствующее точке A (или A'), называется пределом пропорциональности, совпадающим с пределом упругости материала данного тела. В общем случае они могут не совпадать. В случае нелинейной упругости тело может деформироваться упруго не до точки А, а до точки В (рис. 8.3, а) и тогда на участке АВ закон Гука уже не выполняется.

В общем случае деформация образца складывается из двух частей - обратимой и необратимой (остаточной) деформации (рис. 8.3, б):

где £общ - общая деформация образца (рис. 8.3, б, отрезок ОВ); - обратимая, или упругая, деформация (отрезок ВБ); Сосг - остаточная, или необратимая, пластическая деформация (отрезок БО).

Аналогичные соотношения имеют место для сдвиговых (у) и объемных (ev) деформаций:

Эти соотношения имеют место также для трех компонент линейных и шести компонент касательных деформаций (рис. 8.1, б).

Обратимые деформации являются следствием упругих свойств тела. Причинами обратимости деформаций при снятии напряжений являются: проявления сил взаимного отталкивания между атомами в кристаллической решетке тел при их механическом "сближении"; проявления упругих свойств газов и жидкостей в порах (микропустотах) грунта; возникновение сил "расклинивающего" давления в дисперсных грунтах.

Необратимые деформации являются результатом проявления пластических свойств тела. Основными причинами необратимости пластических деформаций являются: необратимое (невосстанавливаемоe) разрушение отдельных структурных связей при деформировании; необратимое смещение частиц (кристаллов, зерен, обломков и др.); отжатие воды и газов из пор; постепенное накопление микродефектов в структуре грунта, которые сами по себе не восстанавливаются. Необратимые, или пластические, деформации в наибольшей степени характерны для дисперсных, особенно пластичных грунтов (со слабыми коагуляционными структурными связями). Проявление пластических свойств тела обусловливает нелинейность связи напряжений и деформаций [50].

Графические зависимости

Рис. 8.3. Графические зависимости: а - продольных и поперечных деформаций при одноосном сжатии: б - напряжения и деформации при нагрузке и разгрузке образца [50]

Как было отмечено выше, механические свойства грунтов проявляются под воздействием на них внешней нагрузки (веса сооружений и вышележащих слоев грунта), под влиянием которой они находятся в напряженном состоянии. К. Терцаги предложил для полностью водонасыщенного деформирующегося под нагрузкой глинистого грунта модель двух- компонентной грунтовой среды в виде заполненного водой цилиндра, внутри которого находится стальная пружина, имитирующая грунтовый скелет (рис. 8.4. а). Цилиндр закрыт поршнем, при движении которого происходит сжатие пружины и отток воды через малые отверстия в поршне. В начальный момент времени перемещение поршня отсутствует и вся нагрузка воспринимается водой. При открытии крана вместе с отжатием воды давление в пружине будет расти, а в воде уменьшаться. Чем меньше диаметр отверстий (пор), тем медленнее будет скорость отжатия (дренирования) воды; чем жестче пружина, тем меньше переместится поршень (или уплотнится грунт).

Предпосылки теории фильтрационной консолидации К. Терцаги сводятся к следующим положениям:

  • • скелет грунта линейно деформируемый, деформируется мгновенно после приложения к нему нафузки и вязкими связями не обладает;
  • • структурной прочностью грунт не обладает, давление в первый момент полностью передается на воду;
  • • грунт полностью водонасыщен, вода и скелет объемно несжимаемы, вся вода в грунте гидравлически непрерывна;
  • • фильтрация подчиняется закону Дарси.

Реальный грунт состоит из твердого скелета и системы сообщающихся пор, которые частично или полностью заняты водой. При приложении к грунту нагрузки полные напряжения а распределяются между скелетом грунта и поровой водой (рис. 8.4, б). Поровое давление воды и действует одинаково во всех направлениях, следовательно, действующее только в скелете грунта напряжение представляет собой разность между полным напряжением и поровым давлением - эффективное напряжение а'. Вода вытесняется из пор, что ведет к росту разности (σ-u), в результате чего начинаются деформации скелета. Скорость вытеснения воды зависит от проницаемости грунта и условий дренированное™.

Модель двухкомпонентной грунтовой среды К. Терцаги

Рис. 8.4. Модель двухкомпонентной грунтовой среды К. Терцаги

Бишоп предложил следующие простые гипотезы, положенные им в основу теории эффективных напряжений:

  • • изменение объема и деформация грунта зависит не от полных напряжений, а от разности между полным напряжением и поровым давлением воды;
  • • прочность грунта на сдвиг зависит не от полных напряжений, действующих по нормали к рассматриваемой плоскости, а от эффективных напряжений.

Следовательно, жесткость скелета грунта влияет на величину осадки консолидации, и сжатие грунта происходит только за счет действия эффективных напряжений, тогда как поровое давление вызывает напор в грунтовой воде и приводит к ее фильтрации. В начальный момент приложения внешней нагрузки полное давление равно поровому давлению вследствие малой сжимаемости грунтовой воды.

Таким образом, если грунты водонасыщены, то напряжения в них могут быть подразделены на два вида:

  • эффективные напряжения (σ% передающиеся либо непосредственно на скелет грунта от частицы к частице, либо через коллоидно-гидратные пленки, либо через сцементированные контакты между частицами;
  • поровые давления (и), действующие в поровой воде.

Эффективное напряжение определяется как разность между полным напряжением в образце грунта и давлением в поровой жидкости. Только эффективное напряжение действует на скелет грунта, вызывая его сжатие, уплотнение, упрочнение и повышая сопротивление грунта срезу.

Поровое давление - давление в поровой жидкости грунта. Гидростатическое и поровое давления составляют в сумме давление в воде, то есть нейтральное давление. Поровое давление действует одинаково по всем направлениям, непосредственно не уплотняет грунт, а создает лишь напор в воде, заполняющей его поры. Гидростатическое давление - это давление, которое установится в воде, когда полностью исчезнет избыточное по отношению к нему давление, то есть поровое [75].

Соответственно, напряженное состояние грунта на глубине z характеризуется следующими параметрами:

  • вертикальным эффективным напряжением: , где у - удельный вес вышележащих слоев грунта, кН/м3, Л - мощность вышележащих слоев грунта на глубине г, м;
  • горизонтальным эффективным напряжением:где £ - коэффициент бокового расширения грунта;
  • поровым давлением и2
  • полными вертикальными и горизонтальными напряжениями:

Кроме этого, в грунтоведении используются такие термины, как бытовое давление и среднее давление в условиях природного залегания.

Бытовым давлением называется вертикальное эффективное напряжение в массиве грунта на данной глубине от веса вышележащих слоев грунта с учетом или без учета взвешивающего действия воды во время опробования.

Средним давлением в условиях природного залегания х называется среднее напряжение в массиве грунта на данной глубине, обусловленное воздействием бытового и бокового давления и вычисляемое по формуле

где ζ - коэффициент бокового давления покоя.

Следует отметить, что как в зарубежной, так и в российской практике при обработке экспериментальных данных используется термин "давление" (pressure), однако фактически имеется в виду вертикальное напряжение.

В результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок и собственного веса происходят деформации, не сопровождающиеся коренным изменением его структуры, называемые осадками (5).

При расчете конечной осадки .s, см, используются полные напряжения (Т.х и поровое давление не учитывается, так как при завершении первичной (фильтрационной) консолидации оно будет практически равно нулю, а эффективные напряжения равны полным: σ'zg = σzg. Осадку основания с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства определяют методом послойного суммирования:

(8.2)

где р - безразмерный коэффициент, равный 0,8; - среднее значение вертикального нормального напряжения (далее - вертикальное напряжение) от внешней нагрузки в і-ом слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, кПа; И, - толщина /-го слоя грунта, см, принимаемая не более 0,4 ширины фундамента; Е, - модуль деформации 1-го слоя грунта по ветви первичного нагружения, кПа; - среднее значение вертикального напряжения в /-м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, от собственного веса грунта, выбранного при отрывке котлована, кПа; Efj - модуль деформации і-го слоя грунта, определяемый по ветви вторичного нагружения, кПа; п - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

При расчете осадки оснований фундаментов, возводимых в котлованах глубиной менее 5 м, допускается в формуле (8.2) не учитывать второе слагаемое, которое обусловлено разуплотнением грунта в результате его выемки из котлована [114].

Нижнюю границу сжимаемой толщи основания принимают на глубине z = //с, где выполняется условие

При этом глубина сжимаемой толщи не должна быть меньше //min-, равной 6/2 при b < 10 м, (4 + 0,16) при 10 Ь < 60 м и Юм при b > 60 м. Если в пределах глубины Яс, найденной по указанным выше условиям, залегает слой грунта с модулем деформации Е > 100 МПа, сжимаемую толщу допускается принимать до кровли этого грунта. Если в слое грунта Е < 7 МПа или такой слой залегает непосредственно ниже глубины z = Нс, то этот слой включают в сжимаемую толщу, а за Нс принимают минимальное из значений, соответствующих подошве слоя или глубине, где выполняется условие

Конечная осадка слабого основания в пределах активной зоны сжатия также определяется методом послойного суммирования для условий одномерной задачи с использованием модуля осадки Ес по формуле

I

где п - число слоев; Нс - мощность слоя; Es - модуль осадки грунта слоя, найденный на компрессионной кривой при нагрузке о, равной вертикальному нормальному напряжению для середины данного слоя от веса насыпи.

При расчете осадки различных точек плитного фундамента глубину сжимаемой толщи допускается принимать постоянной в пределах всего плана фундамента (при отсутствии в ее составе грунтов с модулем деформации Е > 100 МПа).

Коэффициент /У в формуле (8.2) определяется из выражения

При отсутствии экспериментальных данных допускается принимать следующие значения v: 0,30...0,35 - для песков и супесей; 0,35...0,37 - для суглинков; 0,2...0,3 при // < 0; 0,3...0,38 при 0 < // < 0,25; 0,38...0,45 при 0,25 < // < 1,0 - для глин. При этом меньшие значения v принимают при большей плотности грунта.

При расчете осадки способом послойного суммирования боковые давления принимаются такими, какими они получаются при сжатии грунта в одометре:

При расчете осадок этим способом боковое расширение грунта не учитывается (принимается, что боковые деформации равны нулю), но косвенно подразумевается, что распределение напряжений получено из решения теории упругости для полупространства (или полуплоскости), в котором считалось, что среда имеет возможность боковых перемещений [5].

При определении осадки верха сооружений следует учитывать, кроме осадки основания, осадки от уплотнения и самоуплотнения насыпного грунта в основании и теле сооружения, а также от суффозии, усадки, просадки, оттаивания мерзлых грунтов и пр., определяемые по нормам проектирования соответствующих сооружений.

Прогноз осадки оснований во времени при строительстве сооружений на глинистых и органических водонасыщенных грунтах (при степени влажности Sr > 0,85) определяется на основе теории фильтрационной консолидации с использованием модели грунта, схема которой приведена на рис. 8.4. Вес решения, позволяющие определять осадку во времени, основаны на гипотезе двухкомпонентной грунтовой среды: минеральная составляющая - вода. В начальный момент приложения нагрузки полное напряжение равно поровому давлению (рис. 8.5), так как в этот момент дренирование невозможно, эффективные напряжения равны нулю, сжатие отсутствует. По мере оттока воды поровое давление рассеивается, а эффективные напряжения увеличиваются [5]. Поэтому, если требуется определить изменение осадки во времени, то необходимо знать эффективные напряжения, присутствующие в грунте до приложения нагрузки от сооружения и после ее приложения, с учетом изменяющихся в процессе консолидации поровых давлений (и) (рис. 8.6). Данное решение зависит от эффективных напряжений, которые невозможно найти, если неизвестно действующее поровое давление.

При расчете деформаций основания с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи //*., среднее давление под подошвой фундамента не должно превышать расчетное сопротивление грунта основания R. Определяемое по формуле

(8.3)

где ус и уС2 - коэффициенты условий работы, принимаемые в зависимости от гранулометрического состава песков и числа пластичности глинистых грунтов, а также от соотношения длины и высоты сооружения; к - коэффициент, принимаемый равным единице, если прочностные характеристики грунта {<р и с) определены непосредственными испытаниями, и к = 1,1, если они приняты по таблицам нормативов [102]; М Мч, Мс - коэффициенты, принимаемые в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения; к. - коэффициент, принимаемый равным единице при Ь < 10 м; kz=zo/b + 0,2 при Ь > 10м (здесь z0 = 8 м); Ь - ширина подошвы фундамента, м; уи - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающею действия воды), кН/м3; у п - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента, кН/м3; С - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа; d - глубина заложения фундаментов, м; сі/, - глубина подвала, расстояние от уровня планировки до пола подвала, м.

Связь осадки, полного и эффективного напряжений и норового давления грунта [5]

Рис. 8.5. Связь осадки, полного и эффективного напряжений и норового давления грунта [5]

Взаимосвязь напряжений и норового давления (КПа) при консолидации грунта в основании сооружения /136]

Рис. 8.6. Взаимосвязь напряжений и норового давления (КПа) при консолидации грунта в основании сооружения /136]

Таким образом, расчет несущей способности оснований производится с использованием физических характеристик у, прочностных параметров и с, с учетом гранулометрического состава песков и числа пластичности глинистых грунтов. Для оснований в условиях стабилизированного состояния и возможности дренирования при внешней медленно возрастающей нагрузке, силы сцепления и угол внутреннего зрения определяются методом одноплоскостного среза или трехосного сжатия в условиях консолидированно-дренированного сдвига.

В том случае, если на глинистое водонасыщенное основание (при Sr> 0,85) передаются нагрузки, при которых возникает избыточное норовое давление, то расчетные значения параметров прочности и с определяются из испытаний образцов глинистых грунтов в условиях трехосного консолидированно-недренированного сдвига с измерением норового давления, а прочность грунта оценивается из выражения , из которого следует, что учет порового давления приводит к уменьшению прочности грунта.

При быстром возведении сооружения или сейсмических нагрузках и отсутствии в основании дренирующих слоев грунта избыточное поровое давление не успевает рассеиваться и равно полному напряжению (м = <т), а прочность грунта - сцеплению (г = с). Параметр с определяется из результатов трехосных испытаний в условиях неконсолидированно-недренированного сдвига с = см.

Примеры напряженного состояния в различных точках на поверхности скольжения

Рис. 8.7. Примеры напряженного состояния в различных точках на поверхности скольжения: а) насыпь; б) выемка: в) откос: г) гибкие фундаменті; д) гравитационная морская платформа (5. 137)

Чтобы выполнить основные требования по расчету устойчивости сооружений и ограничению деформаций основания, следует рассматривать все возможные предельные состояния. В основании различных сооружений грунт испытывает разные условия силового нагружения (рис. 8.7) - от условий простого сдвига (DSS) до условий трехосного сжатия (TS), трехосного расширения (ТЕ) и компрессионного сжатия (СС).

Для гравитационных платформ и других гидротехнических сооружений, которые подвержены статическим и динамическим нагрузкам. образцы грунта должны испытываться при действии сдвигающих циклических напряжений Гсу и напряжений от веса грунта и веса конструкции (го + Дга). Поэтому рекомендуется проводить испытания образцов грунта под действием напряжений, отвечающих реально действующим в основании конкретных сооружений [5].

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы