3. Механические свойства грунтов Основные закономерности механики грунтов

Под действием передаваемых сооружением вертикальных или наклонных сил в массиве основания возникают нормальные и касательные напряжения, приводящие к деформации грунтов. Кроме того, напряжения возникают под действием собственного веса грунта. Деформации от этих напряжений развиваются, как правило, в процессе образования и диагенеза грунтов. Напряжения, возникающие от усилий, передаваемых сооружением, приводят к новой деформации грунтов. Наиболее часто рассматривают деформации уплотнения грунтов под действием нормальных напряжений, реже – деформации сдвигов грунтов под действием касательных напряжений.

Воздействие нормальных напряжений на сплошные тела рассматривают в механике деформируемых тел (сопротивление материалов, теория упругости). Поскольку грунты относятся к дисперсным телам, при их рассмотрении кроме закономерностей деформируемости сплошных тел учитывают изменение объема пор при сжатии – закон уплотнения (закон компрессии). Кроме того, в грунтах, как и в сплошных телах, при действии нормальных напряжений наблюдается боковое расширение, но по более сложной закономерности.

Деформируемость сплошных тел под действием касательных напряжений характеризуется модулем сдвига при упругих деформациях, границей текучести, характеризующей начало развития пластических деформаций, и коэффициентом вязкости, обусловливающим вязкое течение. В грунтах деформации сдвигов рассматривают сравнительно редко, обычно рассматривают их сопротивление сдвигу при предельном напряженном состоянии. Это сопротивление зависит от определяемых в соответствии с законом сопротивления грунтов сдвигу угла внутреннего трения и удельного сцепления грунтов.

Деформируемость грунтов во времени и их сопротивление сдвигу зависят от напряжений, передаваемых на скелет грунта и на воду, находящуюся в порах грунта. Поровая вода под действием возникающего в ней давления постепенно отжимается, передавая давление на скелет грунта, поэтому деформируемость грунтов и их сопротивление сдвигу зависят от фильтрационных способностей грунта. Кроме того, фильтрация воды в грунтах интересует строителей в отношении определения притока воды в котлованы и расчета водопонижающих установок. Все это обусловливает необходимость изучения закона фильтрации поровой воды.

Для так называемых структурно неустойчивых грунтов, структура которых нарушается при увлажнении, динамических воздействиях, напряженном состоянии или оттаивании, приходится рассматривать закономерности, определяющие характер их деформируемости (закономерности разрушения структуры).

Знание указанных трех законов и закономерностей разрушения структурно неустойчивых грунтов позволяет составлять прогнозы ожидаемой осадки и предусматривать возможность потери устойчивости массивов грунтов.

Сжимаемость грунтов (физические представления).

Так как грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, теоретически при его сжатии должны уменьшаться объемы всех трех компонентов: твердых частиц, воды и воздуха (газа). Вследствие сравнительно небольших напряжений сжатия, возникающих обычно в основаниях сооружений, объемные деформации твердых частиц, состоящих из таких минералов, как кварц и полевой шпат, ничтожно малы. Поэтому их обычно не учитывают, считая, что изменение объема грунта при сжатии происходит только из-за изменения объема пор.

Вследствие упругих деформаций скелета (частиц) грунта, тонких пленок воды, расположенных между частицами, упругого сжатия пузырьков воздуха, а также сжатия поровой воды, содержащей растворенный воздух, могут происходить упругие изменения объема грунта. Упругие деформации грунта, как правило, во много раз меньше остаточных, развивающихся, когда напряжения в грунте превышают его структурную прочность. Остаточные деформации приводят к уплотнению — уменьшению пористости грунта.

Деформации уплотнения развиваются вследствие сдвигов (смещений) отдельных частиц относительно соседних, а также вследствие разрушения частиц, особенно в точках их контактов. Деформации уплотнения глинистых грунтов протекают медленно во времени. Это обусловлено, тем, что при уплотнении из пор водонасыщенного грунта сначала должна быть выдавлена вода. Без выдавливания воды из пор такого грунта он уплотняться не может, так как вода практически не сжимается. Процесс выдавливания воды из водонасыщенных глинистых грунтов протекает очень медленно вследствие их малой водопроницаемости. Кроме того, медленное развитие деформаций, как уплотнения, так и сдвигов обусловливается ползучестью связанной воды, окружающей твердые частицы, и ползучестью самого скелета грунта.