_4-2013-11-07-09-56-40
.doc
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
Механические свойства грунтов
Под механическими свойствами подразумеваются прочностные и деформацион-ные свойства грунта.
Прочностные свойства грунта – характеризуют силы сопротивления грунта сдвигу при действии на него внешних силовых воздействий.
Деформационные свойства грунта характеризуют способность грунта изменять объем и форму по мере передачи на него давления.
Особенности механических свойств дисперсных тел
Фундаменты зданий и сооружений оказывают различное силовое воздействие на грунтовое основание. Это вызывает напряжения в грунтовом массиве под действием ко-торых грунт деформируется. Характер деформирования грунта и величина деформаций зависит от направления и интенсивности внутренних усилий (напряжений) в грунте.
Основные закономерности механики грунтов
Расчет оснований и фундаментов выполняется с использованием законов механики грунтов, которые, как правило, формулируются на основании анализа результатов экспе-риментальных исследований. Законы механики грунтов устанавливают зависимость меж-
ду различными параметрами механического состояния грунт.аК примеру, между напря-жениями и деформациями, между касательными и нормальными напряжениям,имежду скоростью фильтрации воды через грунт и градиентом напора.
Основные закономерности механики грунтов, свойства которые они описывают и ха-рактеризующие механические свойства показатели сведены в таблице 1
Таблица 1. Основные закономерности механики грунтов
|
Свойство
|
|
|
Закон
|
|
|
Показатели
|
|
|
Применение
|
|
|||||
|
|
|
|
|||||||||||||
|
1. Деформационные
|
|
|
Закон уп-
|
|
|
m - коэффициент от-
|
|
|
При расчёте ос-
|
|
|||||
свойства
|
лотнения
|
носительной сжи-
|
нований по вто-
|
|||||||||||||
|
|
маемости,
|
|
|
рой группе пре-
|
|
||||||||||
Eo - модуль общих
|
|
|
дельных состоя-
|
|
||||||||||||
деформаций
|
|
|
ний или по де-
|
|
||||||||||||
|
|
формациям
|
|
|||||||||||||
|
2. Прочностные
|
|
|
Закон
|
|
|
φ- угол внутреннего
|
|
|
При расчёте ус-
|
|
|||||
свойства
|
Кулона
|
трения,
|
тойчивости ос-
|
|||||||||||||
|
|
с - удельное сцепле-
|
|
|
нования, 1-я
|
|
||||||||||
ние
|
|
|
группа пред. со-
|
|
||||||||||||
|
|
стояний
|
|
|||||||||||||
|
3. Водопроницае-
|
|
|
Закон
|
|
|
kf - коэффициент
|
|
|
Расчёт осадок ос-
|
|
|||||
мость
|
Дарси
|
фильтрации,
|
нования во вре-
|
|||||||||||||
|
|
cv - коэффициент кон-
|
|
|
мени, другие
|
|
||||||||||
солидации
|
|
|
фильтрационные
|
|
||||||||||||
|
|
расчеты
|
|
Сжимаемость грунтов
Сжимаемость грунтов – свойство грунтов изменять свой первоначальный объём за счёт перекомпоновки частиц и уменьшения пористости.
Исследование сжимаемости грунта в лабораторных условиях производится вкомпрес-сионных приборах - называемых одометрами. Схема одометра приведена на рис.1
а)
б)
Рис.1. Общий вид компрессионного прибора -а), принципиаль-ная схема прибора -б)
Испытание грунта в компрессионном приборе характеризуется следующими услови-я ми:
Кольцо, в которое помещается образец, имеет достаточную жесткость и поэтому грунт деформируется при невозможности боковых перемещений. Деформации частиц очень малы и ими можно пренебречь.
Избыточная вода в грунте свободно выдавливается из пор и удаляется ч-е рез отверстия в штампах.
Объём твёрдых частиц в объеме образца не изменяется(вынос мелкоди-с персных частиц вместе с избыточной поровой водой не учитывается).
Изменение пористости грунта при уплотнении
Рассмотрим, как изменяется пористость грунта при его уплотнении в компрессионном приборе. Обозначим первоначальную высоту образца через h. При сжатии образца на-грузкой величиной Ni поверхность образца смещается на величину Si, рис.2.
Рис. 2. Схема деформирование образца грунта в компрессион-ном приборе
Уменьшение объема образца происходит за счет уменьшения объема пор. Dni = Si ´ A = Si , (1)
где pi = Ni -вертикальные сжимающие напряжения в образце грунта;
А- площадь поперечного сечения образца.
Тоже через коэффициент пористости: ei = e0 - Dei = e0 - Dni ,
где ei -коэффициент пористости;
e0 -начальный коэффициент пористости грунта; Dei -изменение коэффициента пористости;
m` - объем твердых частиц в единице объема.
ei = e0 - 1¢ ´ Si (2) Учитывая, что m¢ = 1+e0 , получим:
ei = e0 -(1+ e0 )´
|
Si
|
|
(3)
Формула (3) позволяет оценить изменение пористости грунта по мере его уплотнения
Компрессионная кривая
В результате испытаний грунта в одометре при постепенном увеличениNиi можем построить компрессионную кривую.
Компрессионная кривая – график изменения коэффициента пористости грунта с из-менением уплотняющего давления.
Примерный вид компрессионной кривой приведен на рис.3.
Анализ характера изменения коэффициента пористости грунта при изменении упло-т няющего давления позволяет сделать два важных вывода:
С увеличением уплотняющего давления(рi)коэффициент пористости (ei) уменьшается. При этом зависимость ei-pi имеет криволинейное очертание.
Остаточные деформации уплотнения значительно больше упругих.
Рис.3. Общий вид компрессионной кривой
Кроме того, многие грунты обладают так называемойструктурной прочностью. В этом случае общий вид компрессионной кривой будет иметь вид, рис.4.
Рис.4. Компрессионная кривая с учетом структурной прочности грунта
Структурная прочность обуславливается наличием жестких кристаллических свя-зей между частицами грунта. Уплотнение грунта в этом случае происходит лишь после разрушения этих связей.
Компрессионная кривая может быть так же построена в логарифмических коорди-натах, рис.5.
Рис.5. Компрессионная кривая в логарифмических координатах
В этом случае она представляет собой практически прямую линию и уравнение данной кривой можно записать в виде:
ei = e0 -ak ´ln( pi ), (.4) где ak -коэффициент компрессии.
Однако применение в расчетах логарифмической зависимости процесса уплот-не ния грунта от нагрузки приводит к значительному усложнению расчетных моделей и по этому данное представление компрессионной кривой не нашло широкого практического применения.
Закон уплотнения
Уплотнение грунта при увеличении нагрузки происходит по нелинейному закону. Од-нако в диапазоне уплотняющего давления 100-500 кПа криволинейный характер зависи-мости ei-pi можно аппроксимировать прямой линией(рис.6). При этом погрешность с учётом данного допущения не окажет существенного практического влияния на результа-ты расчета грунтовых оснований.
Рис.6. Аппроксимирование компрессионной кривой
Математическое представление прямой будет иметь вид: ei = e0 - P ´tg a ,
Обозначим m0 = tg a . Тогда: ei = e0 -m0 ´P ,
где m0 - коэффициент сжимаемости, определяемый m0 = tg( )= 1 -e2
2 1
(5)
(6) экспериментально по графику.
(7)
Используя уравнение (4.3), получим:
m0 ´P = 1+ e0 )´ Si (8)
m0 Si e0 +1 P ´h
или
Si = mv ´P ´h (9)
mv = 1+ e0 , (10) где mv - коэффициент относительной сжимаемости
Уравнение (9) можно представить через относительные деформации грунта ε.
ei = Si = mv ´P (11)
Обобщая вышесказанное можно сформулировать закон уплотнений:
Закон уплотнения - в ограниченных диапазонах нагрузок изменение коэффициента пористости пропорционально изменению уплотняющего давления