_4-2013-11-07-09-56-40

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 N_i поверхность образца смещается на величину S_i, рис.2.

Рис. 2. Схема деформирование образца грунта в компрессион-ном приборе

Уменьшение объема образца происходит за счет уменьшения объема пор. Dn_i = ^Si _´ ^A = ^Si , (1)

где p_i = ^Ni -вертикальные сжимающие напряжения в образце грунта;

А- площадь поперечного сечения образца.

Тоже через коэффициент пористости: e_i = e₀ - De_i = e₀ - ^Dni ,

где e_i -коэффициент пористости;

e₀ -начальный коэффициент пористости грунта; De_i -изменение коэффициента пористости;

m^` - объем твердых частиц в единице объема.

e_i = e₀ - ¹_¢ ´ ^Si (2) _{Учитывая, что m}¢ _{= 1+e}0 _{, 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 увеличениNи_i 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(р_i)коэффициент пористости (e_i) уменьшается. При этом зависимость e_i-p_i 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:

e_i = e₀ -a_k ´ln( p_i ), (.4) где a_k -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 e_i-p_i 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: e_i = e₀ - P ´tg a ,

Обозначим m₀ = tg a . Тогда: e_i = 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 S_i e₀ +1 P ´h

или

S_i = m_v ´P ´h (9)

m_v = _{1+ e}0 , (10) где m_v - коэффициент относительной сжимаемости

Уравнение (9) можно представить через относительные деформации грунта ε.

e_i = ^Si = m_v ´P (11)

Обобщая вышесказанное можно сформулировать закон уплотнений:

Закон уплотнения - в ограниченных диапазонах нагрузок изменение коэффициента пористости пропорционально изменению уплотняющего давления