Лекция 14. Реологические свойства грунтов

Реология – это наука, изучающая поведение тел (грунтов) во времени при действии на них (грунтов) нагрузок (напряжений).

Реологические свойства грунтов подразделяются на:

–ползучесть;

–релаксацию напряжений;

–длительную прочность.

Ниже рассмотрим свойства грунтов более детально. При рассмотрении вопроса ползучести остановимся только на осевой ползучести. Сдвиговую и объемную ползучесть рассмотрите самостоятельно.

Ползучестью называется процесс изменения деформаций (е) во времени (t) при действии на грунт постоянного напряжения (σ = const):

e= ƒ (t→∞ и σ=const)

Основными параметрами ползучести являются скорость деформирования (Ve) и вязкости (τ).

Под скоростью деформирования (ползучести) понимается отношение изменения деформаций (∆е) ко времени (∆t), т.е.:

Ve = et .

Изменение скорости деформирования грунтов при постоянном напряжении происходит в общем случае в три стадии (рисунок 9.1). Первоначально, на отрезке ОА, скорость деформирования возрастает. Затем, на отрезке АВ, грунт деформируется с постоянной скоростью. И в точке (В) могут возникнуть два сценария развития ползучести. Первый – когда скорость деформирования затухает и падает до нуля (отрезок BD). Этот вид ползучести называют затухающая или ограниченная. Второй сценарий – когда скорость деформирования грунта резко возрастает (отрезок ВС) и приводит к разрушению грунта. Такой вид ползучести называют прогрессирующей или неограниченной.

Ve		С•
	В•	•
А		D
•

0

t

Рисунок 9.1 – Изменение скорости деформирования (Ve) грунта во времени (t) при постоянном напряжении (σ)

110

Затухающая или прогрессирующая ползучесть определяется величиной нагружения грунта (нормальных напряжений). При напряжениях, превышающим порог ползучести (σп.п.), в грунтах протекает прогрессирующая ползучесть. И наоборот, при напряжениях меньше σп.п., для грунта характерна затухающая ползучесть.

Например, для случая, показанного на рисунке 9.2, при σ < 0,066 МПа ползучесть является затухающей, а указанный диапазон напряжений безопасным. Затухание ползучести объясняется тем, что при данных напряжениях в ходе ползучести происходит некоторое упрочнение грунта за счет его внутренней структурной перестройки (смыкания пор, микротрещин, переориентации частиц и др.). При σ > 0,066 МПа развивается стационарная ползучесть, переходящая в прогрессирующую и завершающуюся разрушением грунта. Прогрессирующая ползучесть объясняется тем, что при данных напряжениях в грунте процессы микроразрушений структуры превалируют над процессами восстановления структурных связей в ходе ползучести. Из графика также видно, что долговечность грунта (tp) по мере роста прикладываемых напряжений σ снижается. Таким образом, для данного случая напряжение σ = 0,066 МПа является критическим и называется порогом ползучести. Порог ползучести разграничивает область опасных (завершающихся разрушением) и безопасных напряжений. Поэтому он является важной с практической точки зрения реологической характеристикой.

еσ=0,087

0,004	σ=0,081 σ=0,075	σ=0,072	σ=0,069
0,003
0,002				σ=0,066 МПа
0,001
0	50	100	250	t, мин

Рисунок 9.2 – Кривые осевой ползучести озерно-ледниковой глины естественной структуры (W = 24 %) при комнатной температуре и действии растягивающих напряжений (σ, МПа)

Параметры осевой ползучести грунтов (скорость, условные пределы текучести, вязкость, порог ползучести и др.) зависят от различных внутренних и внешних факторов. Основными из внутренних факторов (т. е. присущих самому грунту) являются: структура грунта, его влажность, плотность и другие особенности. Среди грунтов разной структуры при прочих одинаковых условиях меньшая скорость ползучести характерна для грунтов с более прочными структурными связями. Глинистые грунты нарушенной структуры обладают более низкими характеристиками ползучести (меньшими значениями σк1, σк2, η0, ηm и др.), чем те же грунты с естественной структурой (рисунок9.3). Увеличение влажности и снижение плотности песчаноглинистых грунтовтакжеприводит кснижениюпараметровосевой ползучести.

Из внешних факторов на параметры осевой ползучести сильное влияние оказывает температура. В области положительных температур нагрев грунта при прочих одинаковых условиях приводит к снижению параметров ползучести: падению параметров вязкости (ηо, ηm), увеличению скорости ползучести при одина-

111

ковом σ, снижению условных пределов текучести σk1, σk2 порога ползучести и т.д. (см. рисунок 9.3). В наибольшей мере влияние температуры проявляется в глинистых грунтах со слабыми структурными связями – коагуляционными. В мерзлых грунтах повышение отрицательной температуры (приближение ее к нулю) также снижает указанные параметры осевой ползучести, тогда как охлаждение грунта увеличивает эти параметры.

Релаксацией напряжений называют процесс изменения (уменьшения) напряжений (σ) во времени (t) при сохранении постоянной деформации (е), т. е.

e = (t→∞ и σ = const)

В грунте релаксация происходит за счет процессов внутренних микроструктурных изменений, сопровождающихся упругими и пластическими микродеформациями и перераспределением напряжений между частицами во времени при сохранении постоянной обшей деформации. Основным параметром, характеризующим релаксацию, является время релаксации tr – время достижения системой состояния равновесия. При оценке релаксации напряжений в твердых телах время релаксации как бы характеризует «подвижность» материала и соответствует так называемому времени оседлой жизни частицы в положении равновесия. У жидкостей время «оседлой жизни» молекул в миллион раз меньше, чем у кристаллических твердых тел. Поэтому, чем меньше величина tr, тем в большей степени материал приближается к жидкости, и наоборот.

Напряжение τi

γi(o) = const

ti(0)

0,368τi(0)

tr Время, t

Рисунок 9.3 – Кривая релаксации напряжений в грунте во времени (по С.С. Вялову, 1978)

В целом же проявление упругости и вязкопластичности в данном теле (грунте) зависит от соотношения времени воздействия нагрузки (t) и времени релаксации (tr): если t << tr то тело ведет себя как упругое; если t >> tr то тело ведет себя как вязкое.

Величина времени релаксации напряжений в теле определяется из закона релаксации Максвелла:

τ = τ0 ε -t/tr

где τ0 = G γ – начальное напряжение сдвига; G – модуль сдвига.

Откуда время релаксации:

tr = η/G

Формальное значение времени релаксации поясняется на рисунке 9.3. Из закона релаксации Максвелла следует, что для момента времени t = tr это уравне-

112

ние примет вид: τ = τ0/е. Таким образом, время релаксации напряжений равно такому отрезку времени tr за которое напряжение τ уменьшится в е = 2,718 раза по отношению к начальному значению τ0.

Уводы время релаксации составляет 10-11с, у льда – сотни секунд (102-103с

взависимости от температуры), у стекла – сотни лет, у горных пород – тысячелетия (например, у известняка tr = 1010с). В силу этих причин при быстром приложении нагрузки многие грунты ведут себя как упругие и хрупкие тела, а при медленном – текут как жидкости. Особенно ярко это проявляется в мерзлых грунтах,

вкаменной соли и др. С другой стороны, хорошо известно, что под действием давления даже скальные грунты за геологические периоды времени проявляют вязкое течение.

Таким образом, время релаксации напряжений в грунтах определяется их химико-минеральным составом, структурно-текстурными особенностями (в основном типом и прочностью структурных связей), плотностью и влажностью, составом и концентрацией порового раствора, а из внешних факторов – температурой и действием других физических полей (электромагнитного, радиационного и др.).

Длительной прочностью называется прочность грунта при длительном действии нагрузки. Она существенно ниже так называемой «мгновенной (или начальной) прочности», определяемой при кратковременном воздействии нагрузки. Это явление тесно связано с ползучестью и релаксацией напряжений. Как отмечалось выше, развитие прогрессирующей ползучести c возрастающей скоростью заканчивается хрупким или вязким разрушением грунта. Поэтому длительное разрушение грунта происходит при напряжении, величина которого может быть меньше значения прочности при кратковременном загружении. При этом, чем меньше приложенное напряжение, тем за более длительный промежуток времени происходит разрушение грунта, и наоборот.

Рисунок 9.4 – Кривые ползучести грунта при сдвиге (а) и построенная по ним кривая длительной прочности (б) (по С.С. Вялову, 1978)

113

Длительная прочность характеризуется кривой длительной прочности, которая строится в координатах «прочность – время», причем в качестве количественных показателей прочности могут выступать любые параметры прочности, которые интересуют исследователя в данной конкретной ситуации (например, показатели прочности на сдвиг ϕ и с, прочность на одноосное сжатие, на растяжение, предельное напряжение сдвига τ и т. д.).

Кривые длительной прочности строятся по результатам испытаний грунтов на ползучесть (рисунок 9.4). Для этого испытывается на ползучесть при разных напряжениях серия одинаковых образцов-близнецов и определяется их долговечность (tp) для каждого напряжения τ (см. рисунок 9.4а). По полученным данным строится кривая длительной прочности – график зависимости разрушающего напряжения τ от долговечности t (рисунок 9.4 б). На этом графике различают: условно мгновенную (или начальную) прочность τ0, т.е. наибольшую прочность при t → 0; длительную прочность τ = ƒ (t), определяемую текущими разрушающими напряжениями на момент времени t, она не является константой для данного грунта, т.к. зависит от времени; предел длительной прочности τ∞, соответствующий такому безопасному напряжению, до превышения которого деформации ползучести носят затухающий характер.

Для того, чтобы судить о том, насколько снижается длительная прочность по сравнению с условно-мгновенной, по кривой длительной прочности рассчитывается снижение длительной прочности (Ris), измеряемое в %:

Ris = (τi /τo) 100

где τ0 – начальная (условно-мгновенная) прочность; τI – длительная прочность на момент времени t.

С длительной прочностью тесно связано и такое понятие, как долговечность. Долговечность грунта (tp) – это время от момента приложения нагрузки к грунту до момента его разрушения. Чем больше напряжение, тем меньше долговечность грунта, и наоборот.

Таким образом, рассмотрены основные реологические свойства грунтов. В практике они достаточно широко используются при проектировании сооружений, расположенных в сложных инженерно-геологических условиях.

114