Особые свойства грунтов и описывающие их закономерности.

К ним относятся свойства грунтов:

- Сжимаемость

- Сопротивление сдвигу

- Водопроницаемость

- Структурно-фазовая деформируемость

- Геологические свойства грунтов

Грунты, являясь по своей природе в общем случае трехфазными слагаемыми системами, основу которых составляет дисперсное (мелкораздробленное), твердое тело, обладает рядом свойств, которые, будучи одними с подобными свойствами сплошных твердых тел, имеет значительное отличие и своеобразие.

Эти свойства составляют ряд особых свойств грунтов, таких как сжимаемость, водопроницаемость, сопротивление сдвигу, структурно-фазовая деформативность.

Особые свойства описываются определенными , соответствующие им закономерностями и показателями свойств.

Пример:

Сжимаемость закон уплотнения скорость сжимаемости расчет осадки.

Сжимаемость грунтов - это свойство уменьшаться в объеме, за счет уменьшения объема пор и переукладки частиц грунта. При этом на разных уровнях нагружения вступают в действие деформация разных типов связей (контактное трение, водно-коллоидная связь).

Под действием нагрузки, создаваемых сооружениями и собственным весом, грунты уплотняются или сжимаются. Разные грунты обладают различной способностью сжиматься при действии одинаковых нагрузок.

А) Скальный грунт сжимается за счет упругих деформаций породы или уменьшении

(…..) трещин, если скальный грунт трещиноватый.

Б) Процесс уплотнения рыхлых песчаных грунтов и глинистых грунтов значительно сложнее;

Уплотнение рыхлых грунтов происходит за счет переукладки частиц, уменьшения объема пор и коэффициента пористости грунтов. При этом в зависимости от вида грунта, степени водонасыщения грунтов, размера частичек и сечения пор, наличие водно-коллоидных ( для глинистых грунтов) и (…….) нагрузки, процесс уплотнения может идти быстро или медленно, деформация уплотнения может быть большой или маленькой.

Поскольку учесть нагрузки из этих факторов относить довольно сложно, в механике грунтов разработан метод определения сжимаемости, позволяющий учесть многообразие реальных условий.

Метод заключается в экспериментальном изучении зависимости пористости грунта от сжимающих напряжений в скелете грунта и построении соответствующих графиков.

Исследование (……) в приборах одного сжатия, с возможностью бокового расширения или без возможности расширения.

Рис. Одномерное уплотнение

N₁, кН → ∆h₁, мм

N_n → ∆h_n

1 - жесткое кольцо

2 - образец грунта

3 - жесткий штамп

4 - массивное пористое основание

6 - фильтровальная бумага

(1)

; (2)

Определяют относительное содержание в грунте на каждой ступени нагружения.

1. До приложения нагрузки.

- коэффициент пористости начальный.

Удельный вес в исходном состоянии-ϒ;

До применения нагрузки:

N = 0, σ = 0, ∆h=0.

После приложения наложения нагрузки на I N₁ → σ₁;

Произошла деформация объем грунта уменьшился на величину:

Cсоответственно на эту же величину уменьшился и объем пор.

Согласно определения:

Где: – величина осадки (……………).

Задаваясь , измеряяи зная, можно получить ряди построить график:

При

(5)

Рис. Компрессионная кривая.

1. для грунтов с нарушенной структурой;

2. для грунтов с природной структурой;

σ_стр – прочность структуры связи.

Компрессионная кривая - градически представление зависимости

Аналитическое выражение εот Ϭ является очень сложной задачей, так как

сжимаемость зависит от очень многих факторов (влажность, плотность, крупность зерен, минеральный состав и т.д.)

Для каждого состояния грунта компрессионная кривая является уникальной.

В песчаных грунтах преобладают силы контактного трения, отсутствуют водно-коллоидные связи. Отвод воды из пор не затруднен. Деформация сжатия происходит быстро; осадка штампа носит завершенный характер, т.е. деформации при данной нагрузке не нарастают по времени.

В глинистых грунтах размеры пор малы, поэтому осадка штампа будет происходить медленно. Конечная деформация будет определяться соотношением величин напряжения σ и силой коллоидных связей σ_кол.

При одномерном уплотнении аналитическая зависимость между напряжением σи коэффициентомεполучается путем линейной апроксимаекции компрессионной кривой в заданном диапазоне напряжений.

Коэффициент сжимаемости при одномерном уплотнении:

(6)

Модуль общей деформации:

(7)[E]=МПа

где β– коэффициент учитывающий боковую деформацию грунта.

β=0,7 - для всех видов обычного грунта в соответствии со СНиП 2.02.01-83*.

По данным исследований β=0,5…0,8 в зависимости от вида и состояния грунтов.

Особенности сжимаемости песчаных и глинистых грунтов: песчаные грунты - при приложении статических нагрузок уплотняются быстро, при динамическом воздействии сжимаемость больше и уплотнение длится дольше, глинистые грунты – из за малости размеров пор и малой (…..) удаления (….) пор, процесс уплотнения длится очень долго (осадки сооружений длятся годами), менее чувствительных к динамическому характеру нагрузок.

ε_о – (………………)

Сопротивление грунтов сдвигу.

Это - важное свойство грунтов, от которого характеризует прочность оснований сооружений. Оно проявляется при попытке сдвинуть одну часть грунта относительно другой, грунт оказывает сопротивление этому воздействию и характеризуется показателями, которые называются сцепление с, угол внутреннего тренияφ, предельные касательные напряженияτ_пр.

Поскольку при сдвигающем воздействии возникают касательные напряжения по предполагаемой поверхности сдвига, то по анализу нормальных к касательным напряжениям, рассмотрим плоскую площадку, в варианте плоская зона:

Предельные касательные напряжения могут быть вычислены по особым характеристикам грунта, которые:

Определяются производственным путем испытания образцов грунта в лабораториях, на приборах трех групп. Соответственно различают три метода определения характеристик сопротивления сдвигу:

1) путем среза образца грунта по одной или нескольким фиксированным плоскостям;

2) путем раздавливания образцов в условиях объемной деформации;

3) для сыпучих грунтов возможно определение этих характеристик по углу естественного откоса насыпаемого сухого грунта.

Определение сопротивления сдвигу по одной фиксированной плоскости среза.

1 – массивное жесткое основание;

2 –нижнее фиксированное кольцо;

3 – верхнее подвижное кольцо;

4 – жесткий штамп (пористый).

Задается уплотняющая нагрузка , дожидаются стабилизации осадки и начинают прикладывать ступенями сдвигающую нагрузку

Для каждого N_i увеличивается сдвигающая сила доT_i → до сдвига.

(6.1)(6.2)

(6.3)

…………………………………..

Закон Кулона: , (6.4)

τ– нормальная напряжения поверхности среза

φ– угол внутреннего трения грунта

с– сцепление грунта,

Рис. Сопротивление грунтов сдвигу.

1. глинистые грунты;

2. песчаные грунты;

Сцеплением обладают только глинистые связные грунты.

с= 10…48 кН/м²;φ= 8…42^о– глинистые грунты.

с0;φ=20^о…35^о– песчаные грунты.

Механический смысл φ- отражение контактов трения частиц при перемещении.

Сцепление с обусловлено водно-коллоидными связями.

Для обычных грунтов φисмогут быть определены по таблицам СНиП 2.02.01-83* в зависимости от:

а) глинистые грунты, φ, R₀ , E₀– поε и J_L

б) песчаные грунты, φ R₀ , E₀– поJ_P, J_W

Сопротивление сдвигу зависит от следующих объективных условий:

а) для глинистых грунтов:

– влажность и водонасыщенность

– плотность

– сохранность природной структуры

б) для песчаных грунтов:

– сохранность природной структуры

– плотность

– водонасыщенность

– крупность

В водонасыщенных глинистых грунтах φ→0, tgφ→0 и сопротивление сдвигу определяется только цеплением.

(6.5)

J_W >0,8 (грунты водонасыщены)

Сопротивление сдвигу зависит от величины деформации δ(в песчаных грунтах). А в глинистых – еще от скорости деформирования.

τ_пр

τ

1 – для песков с ненарушенной стр.

2 – для песков с нарушенной стр.

Водопроницаемость грунтов.

Закон ламинарной фильтрации.

Одним из специфических свойств грунтов как дисперсных пористых тел является их водопроницаемость.

Гравитационное или свободная вода перемещается в порах грунта под действием давления в порах грунта, создаваемое следующими факторами:

а) силами натяжения

б) (……………)

в) нагрузкой от сооружения

Такое перемещение свободной воды называется фильтрацией. Фильтрация происходит из областей грунта с более высоким давлением в области грунта, где давление ниже.

При исследовании фильтрации рассматривают не величину давления, а напор столба жидкости. Все эти воздействия суммировано могут быть выражены через гидростатическое давление, а значит и через напор водяного столба. Напор столба воды в порах грунта в данной точке основания:

(6.6),

где:

γ_w- удельный вес воды.

Р – вес грунта

z– отметка данной точки относительно условного уровня отсчета.

Дарси (1856)

(6.7)

(6.8)

k– коэффициент фильтрации [м/с]

U– скорость фильтрации

i– градиент напора.

(6.9)(6.10)

(6.11)

“k” изменяется в зависимости от вида грунта.

Для песка k=10^-1…10^-3cм/c

Для глины k< 10^-7см/c

Графики различия:

1 – песок;

2 – глина.

i₀– начальный градиент напора – теоретический градиент напора, при котором начинается фильтрация воды.

i'₀– практическое значение – экспериментально определенное значение градиента напора. В суглинкахi₀иi'₀совпадают.

Фильтрация воды в глинистых грунтах имеет свои особенности, вызванные малыми размерами пор и вязким сопротивлением водно-коллоидных пленок, обволакивающих минеральные частицы грунтов. Чем тоньше водно-коллоидные пленки (у уплотненных глинистых грунтов), тем большее сопротивление они оказывают напорному движению воды, как вследствие большой вязкости, так и их упругости.

Эксперименты показывают, что в вязких (тугопластичных) глинистых грунтах фильтрация начинается лишь при достижении градиентом напора некоторого начального значения (смотри график).

_{- (4)} - закон линейной фильтрации с учетом

начального градиента

_{- для глинистых грунтов}

_{- для песчаных грунтов}