книги / Механика грунтов

Б. В. Дерягин1, результаты исследований которого были ис­ пользованы проф. Н. Я. Денисовым2 для освещения вопроса о природе деформаций глинистых грунтов.

В результате работ советских ученых можно считать уста­ новленным, что огромную роль в механизме деформаций грун­ тов .при уплотнении и набухании имеет расклинивающий эффект тонких слоев воды, определяющий соотношение между величи­ ной давления набухания и величиной внешнего давления. Сжа­ тие грунтов может произойти лишь в том случае, когда внешнее давление превысит давление набухания и вызовет нарушение структурной связности грунтов.

Компрессионные кривые и их анализ

Рассмотрим характерные особенности компрессионных кри­ вых для отдельных видов грунтов и приведем выражения мате­

чаные и гравелистые, обладают, как правило, меньшей сжимае­ мостью по сравнению с другими грунтами. Сжимаемость грун­ тов с жестким скелетом в высокой степени зависит от их на­ чальной плотности. На рис. 19 приведены компрессионные кри­ вые для рыхлого песка и песка, уплотненного потряхиванием. Результаты испытания показывают влияние начальной плотно­ сти на сжимаемость грунта.

Для грунтов с жестким скелетом содержание в них воды, особенно при неполном насыщении пор водой, не влияет на ха­ рактер компрессионной кривой, и грунт с разным содержанием воды может иметь один и тот же коэффициент пористости.

Г р у н т ы с у п р у г и м с к е л е т о м дают значительно большие изменения коэффициента пористости при действии уп­ лотняющей нагрузки, что объясняется сложностью их структу­ ры, большей дисперсностью их состава и значительным содер­ жанием частиц чешуйчатой формы. При чешуйчатой форме ча­ стиц, содержание которых особенно велико в глинах и суглин­ ках (вследствие наличия в них слюдистых минералов), раскли­ нивающее действие тонких пленок воды будет оказываться в полной мере, что совместно с влиянием молекулярно связанной воды и коллоидов обусловливает сильную сжимаемость и набухаемость глинистых грунтов. На рис. 20 изображено несколь-

вании лессовых грунтов, оттаивании мерзлых и вибрации рых­ лых песчаных, резко скачкообразно изменяется коэффициент по­ ристости грунтов, что указывает на коренное изменение их структуры (рис. 21). На кривых (рис. 21) можно различить три характерных участка: 1— участок (а Ь), соответствующий сжа-

Р(ИС. 20. Компрессионные кривые для различных генетиче­ ских типов глинистых грунтов

а — послеледниковые отложения; б — юрская глина; в — моренный суглинок (сплошные линии — нарушенная структура; пунктир — ненарушенная структура)

тию грунтов в ненарушенном состоянии, при этом наименьшие изменения коэффициента п о р и с т о с т и наблюдаются у мерз­

ленную коренным изменением их структуры и переходом ее в новое состояние, при этом для грунтов лессовых и мерзлых, как показывают соответствующие опыты, изменение коэффициента пористости Аг будет увеличиваться с увеличением внешнего давления, а для грунтов рыхло-песчаных при вибрировании, на­ оборот, уменьшаться с увеличением внешнего давления на части­ цы грунта, и 3 — участок (Ы) характеризуется для кривых а и

Ь большими по сравнению с первым участком изменениями коэффициента пористости грунта, что указывает на увеличив­ шуюся сжимаемость лессовых и мерзлых грунтов при наруше­ нии их природной структуры.

Рис. 21. Компрессионные кривые для лросадочных грунтов

Для всех же других видов грунтов компрессионные кривые имеют плавный монотонно убывающий характер.

Экспериментально получаемые плавные компрессионные кри­ вые основного вида можно а п п р о к с и м и р о в а т ь той или иной математической кривой: параболой, гиперболой, логариф­

следований, компрессионная зависимость в полулогарифмиче­ ском масштабе выражается прямой линией {Ьс)у наклоненной под некоторым углом к оси давлений. Это показывает, что ком­ прессионная зависимость при давлениях, больших природного Ро, с полным основанием может приниматься л о г а р и ф м и ч е ­ с к о й 1.

Уравнение компрессионной кривой будет таким:

ляющийся отвлеченной величиной, которая характеризует сжи­ маемость грунта в большом диапазоне изменения внешних дав­ лений, равен разности коэффициентов пористости при давлении р=*е = 2,72 кг!см2 и давлении р\ = 1 кг/см2, так как при р = е имеем \пр =1 (где е — основание натуральных логарифмов).

Из уравнения (23) имеем

Главные ветви компрессионных кривых (кривые уплотнения и набухания) также хорошо аппроксимируются логарифмиче­ ской кривой. На рис. 23 нисходящая ветвь компрессионной кри­ вой (ветвь уплотнения КЬ) определяется уравнением

1 Подробный анализ компрессионной зависимости, изображенной в полулогарифмическом масштабе, и вытекающие из него следствия даны в

компрессионной кривой; величина же коэффициента уплотнения

Следует отметить, что логарифмическое очертание кривых уплотнения и набухания при сравнительно небольшом диапазоне изменения давлений наблюдается лишь для торфянистых и дру­ гих сильно сжимаемых грунтов (например, насыпных), а для остальных видов грунтов это может быть установлено только при значительных из»менениях давлений, .весьма редко встречаю­ щихся на практике. В .практике в большинстве случаев, особен­ но в основаниях сооружений, давления на грунт имеют величину порядка 1—3 кг!см2, редко достигая 4—5 кг!см2. Поэтому и бы­ ло предложено при небольших изменениях давлений (порядка 1—3 кг/см2) для минеральных грунтов принимать отрезок ком­ прессионной кривой .в пределах изменения этих давлений за пря­ мую.

У р а в н е н и е с п р я м л е н н о г о о т р е з к а к о м п р е с ­ с ио н н о й к р и в о й между точками с абсциссами р\ и р2 (рис. 23) может быть легко получено. Это уравнение практиче­ ски будет достаточно точно, так как для большинства компрес­ сионных кривых при небольшом изменении давлений отклоне­ ния отрезка кривой от прямой не превысят погрешности отдель­ ных опытов. Если для любой точки прямой Ы обозначим давле­ ние через р1 и соответствующий данному давлению коэффициент

— а — величина, постоянная для рассматриваемого от­ резка, если считать его прямолинейным.

Так как тангенс угла наклона отрезка компрессионной кри­ вой к оси давления 1д а =а характеризует сжимаемость грунта в рассматриваемом диапазоне давлений, то его называют к о э ф ­

т. е. грунт будет обладать большей сжимаемостью. Сильносжимаемые грунты имеют очень крутое падение компрессионных кривых (большие значения {да), малосжимаемые грунты, нао­ борот, — пологое падение (малые значения {да).

Коэффициент сжимаемости (уплотнения) а может быть вы­ ражен через значения р и е для крайних точек к и I прямоли­ нейного отрезка компрессионной кривой, т. е.

Рч—Рх

Напомним, что чем большей нагрузкой р\ был предваритель­ но уплотнен грунт, тем меньшей сжимаемостью он будет обла­

в е л и ч и н е д е й с т в у ю щ е г о д а в л е н и я .

Коэффициент сжимаемости является важнейшей расчетной характеристикой грунтов, так как он входит множителем во все формулы для расчета осадок сооружений. Кроме того, знание его величины дает возможность произвести и общую качествен­ ную оценку грунта как основания для сооружений. Так, если коэффициент сжимаемости имеет величину порядка 0,001 смЧкг (т. е. одну или несколько тысячных с м 2!кг), то соответствующие грунты можно охарактеризовать как м а л о с ж и м а е м ы е н а ­ д е ж н ы е основания для сооружений; если же коэффициент сжимаемости около 0,01 с м 2/ к г , то грунты будут обладать с р е д ­ ней с ж и м а е м о с т ь ю , и при использовании их в основа­ ниях сооружений необходим учет неравномерности осадок; на­ конец. при величине коэффициента сжимаемости порядка 0,1 с м 2! к г грунты характеризуются как ч р е з м е р н о с ж и м а е ­ мые, и в большинстве случаев при возведении сооружений та­ кие грунты требуют искусственного укрепления.

Для отрезка кривой набухания подобным же образом можно написать

ния ан= ( ^ р определяются таким же способом, как для кривой уплотнения.

Из уравнения (25') имеем