2. Механічні властивості інженерних ґрунтів

Механічні властивості визначають поведінку інженерних ґрунтів при зміні зовнішніх умов (під навантаженням). Цілком очевидне значення оцінки цих властивостей для вирішення конкретних господарських завдань, наприклад, для будівництва. В той же час механічні властивості становлять неабиякий інтерес для інженерної геології, оскільки вони допомагають визначити межі можливої трансформації грунтів при зведені гідротехнічних споруд. З огляду на спрямування цієї роботи, нас цікавлять два головні показники механічних властивостей ґрунтів - опір ґрунтів стискуванню і зсуву.

Опір інженерних ґрунтів стискуванню визначається здатністю ґрунтів зменшуватися в об'ємі під дією зовнішніх навантажень. Ущільнення ґрунтів залежить, головним чином, від двох факторів - величини навантаження та пористості ґрунту (адже саме за рахунок закриття порожнин відбувається ущільнення ґрунту). Для оцінки цього параметра взірці ґрунту проходять спеціальні компресійні випробування (вимірювання показників пористості при поступовому збільшенні навантажень), за наслідками яких будується компресійна крива або крива ущільнення ґрунту (мал.9). По цій кривій визначають значення коефіцієнтів пористості (e) при різних величинах навантажень (P) і обчислюють коефіцієнт ущільнення ґрунту (а, см²/кг):

а = (e₁ - e₂) / (P₂ - P₁) ( 2 )

За величинами коефіцієнта ущільнення ґрунти поділяються на нестисливі (a < 0,001 см²/кг ; це - щільні скельні ґрунти), слабостисливі (a = 0,001-0,01 см²/кг; тріщинуваті скельні породи), середньо-стисливі (a = 0,01-0,1 см²/кг - деякі різновиди пісків, гравій тощо), сильностисливі (a > 0,1 см²/кг - глинисті ґрунти, окремі піщані породи). Ущільнення ґрунтів проявляється як безпосередньо (через збільшення їх стійкості до руйнування зовнішніми агентами), так і через побічний вплив (наприклад, через зміну характеру циркуляції підземних вод у приповерхневому шарі кори).

О

Мал. 9. Компресійна крива

собливе місце займає оцінка ущільнення лесових порід, якими вкрита більша частина території України (мал.10), під впливом так званого осідання лесів (рос.-"просадочность лессов"). І хоч осідання лесоподібних грунтів головним чином зумовлю­ється проникненням у їх товщу води, під дією якої руйнуються внутрішні зв'язки порід, практика інженерно-геологічних досліджень перед­бачає і оцінку осідання лесів під впливом навантажень. Окрему інженерну проблему становить вивчення осідання лесів при проектуванні водогосподарських заходів, зокрема меліоративних і гідротехнічних робіт. Основним кількісним показником ущільнення лесових ґрунтів виступає так зване відносне осідання (δ_пр):

δ

Мал.10. Поширення лесоподібних порід в Україні (за Коротуном І.М., (2000 )

_пр = (h₁ - h₂) / h_o ( 3 )

де h_o - висота взірця лесу у природному стані, см;

h₁ - висота того ж взірця, насиченого водою, см;

h₂ - висота насиченого водою взірця під навантаженням, см.

Просадковими вважаються лесові ґрунти, для яких δ_пр> 0,02. Такі ґрунти потребують додаткових заходів для підвищення стійкості (трамбування, попереднє змочування тощо). На територіях, де поширені просадкові ґрунти, більш активно протікають ерозійні процеси (площинний змив, лінійна ерозія тощо), утворюються своєрідні форми поверхні (мікрозападини, степові поди тощо).

Опір інженерних ґрунтів зсуву є одним з важливих розрахункових показників при оцінці стійкості природних схилів та штучних укосів (борти каналів, стінки кар'єрів тощо). У розсипчастих ґрунтах (піски) опір зсуву зумовлюється лише тертям між окремими частинками, в той час як зв'язані породи (суглинки, глини) опираються зсувним зусиллям головним чином за рахунок сил зчеплення.

Д

Мал. 11. Схема приладу Мал. 12. Графік залежності

для визначення величини опору ґрунтів зсуву від вели-

опору інженерних ґрунтів зсуву чини навантаження

ля кількісних оцінок опору зсуву взірець ґрунту досліджують у спеціальних приладах (мал.11), вимірюючи величину зсувного зусилля (τ) в залежності від величини нормального наванта­ження (σ). За матеріалами досліду будують графік залежності τ = f(σ) (мал.12). Математично ця графічна залежність описується рівняннями:

- для глинистих порід 

τ=σ f+C (4)

- для піщаних порід τ= σ f ()

У цих виразах f - коефіцієнт внутрішнього тертя, який визначається за залежністю:

f = tg φ (5)

(тут φ - кут внутрішнього тертя - див.мал.12)

C - зчеплення, кг/см² (у незв'язних ґрунтах ця величина мізерна і на практиці приймається C=0).

Особливе геоморфологічне значення має згадуваний вище кут внутрішнього тертя (φ), який часто відображає похил природних схилів (для чистих пісків, наприклад, кут внутрішнього тертя прямо дорівнює куту природного укосу, який утворюється при вільному осипанні пісків на природних схилах). Оскільки зв'язаність розсипчастих порід може змінюватися в залежності від зволоження, насичення таких ґрунтів водою (після дощів, розтавання снігу тощо) позначається на змінах кутів внутрішнього тертя, а отже, призводить до переміщення мас уламкових порід на схилах (наприклад, так формуються осипи).