5. Реологічні процеси в грунтах

Область науки, що розглядає протікання деформацій матеріалів у часі під дією прикладених до них зусиль без зміни їх речовинного складу називається реологією (від грецького слова рео - текти) - вчення про течію матеріалів. Це особливо важливо в геології і механіці ґрунтів у задачах, пов'язаних з тривалою дією навантажень, коли можуть нагромаджуватися у ґрунтах і скельних породах значні деформації повзучості або коли має місце розслаблення в них напруг (релаксація).

Зниження міцності ґрунтів необхідно знати для вибору опорів ґрунтів як підґрунть і матеріалу для споруд. Деформації повзучості можуть сягати для деяких ґрунтів при відповідному тиску значної величини і тому небезпечні при експлуатації споруд, особливо схильних пос­тійним зсуваючим навантаженням.

Процеси реології у глинястих ґрунтах, і їх значення в механіці ґрунтів. Вони протікають одночасно з фільтраційною консолідацією, але не закінчуються разом з нею, а продовжуються іноді тривалий час і після закінчення фільтраційного ущільнення. Повзучість скелета ґрунту «в чистому вигляді» може бути дослідженою лише після закінчення процесу фільтраційної консолідації.

Фізичні причини, що обумовлюють протікання основних процесів реології у глинястих ґрунтах: релаксація напруг і деформація повзучості. Опір зв'язних глинястих ґрунтів зовнішнім силам залежить від часу дії навантаження: при швидкому зростанні навантаження воно буде найбільшим, при повільному зростанні і тривалій дії зменшується, при цьому розвиваються навіть при незмінному фізичному стані, наростаючі у часі деформації (повзучість).

Глинясті ґрунти є складними системами дисперсних тіл зі зв'язками двох типів: жорсткими - цементація-кристалізація і в'язкими - водно-колоїдними, при цьому неоднорідність внутрішніх зв'язків ґрунтів обумовлює наявність агрегатів ґрунтових частинок різної зв'язаності і різної міцності.

При дії зовнішніх навантажень жорсткі зв'язки у міру збільшення на них зусиль поступово руйнуються, в агрегатах ґрунтових частинок виникають мікротріщини з одночасною появою нових водно-колоїдних і молекулярно-контактних зв'язків, що набувають значення унаслідок зменшення відстані між частинками ґрунтів. Зниження міцності ґрунтів відбувається в процесі деформування.

На кривій повзучості (мал. 5.1а), окрім миттєвої деформації слід розрізняти три стадії: стадію 1 (відрізок ab) - несталої повзучості; стадію 2 (відрізок be) - сталої повзучості або пластичної течії з практично постійною швидкістю деформації і стадію 3 (відрізок cd) - прогресуюча течія зі все зростаючою швидкістю деформації.

Рис. 5.1. Криві незгасаючої (а) і затухаю­чої (б) повзучість.

Основними чинниками є перебудова структури ґрунтів (з розривом старих і утворенням нових структурних зв'язків), виникнення і розвиток мікро тріщин. На першій стадії (зату­хаюча повзучість) відбувається зменшення (закри­ття) існуючих микро­тріщин, причому зменшується і об'єму ґрунту.

На другій стадії (пла­стично-в’язкої течії) відбувається лише перебудова структури при практично незмінному об'ємі ґрунту, причому порушення існуючих жорстких або полужорстких структурних зв'язків повністю компенсується виникненням нових водно-колоїдних і молекулярно-контактних зв'язків, а протікаюча в'язка деформація (головним чином водно-колоїдних оболонок, міцно пов'язаних з мінеральними частинками) обумовлює нову структуру, що менш чинить опір дії зовнішніх сил: агрегати частинок і окремі частинки як би шикуються по напряму діючих зусиль і в лускових глинястих части­нках виникають напрями зусиль мікрозсуви.

На третій стадії (прогресуючої течії) збільшується об'єм ґрунту і зменшується загальний його опір внаслідок по­явлення (при певній величині відносних переміщень частинок ґрунту і агрегатів) нових мікротріщин, які разом з наявними дефектами і мікротріщинами продовжують рости, обумовлюючи все швидшаючу деформацію, яка призводить ґрунт до крих­кого руйнування або у в'язку течію, що супроводиться видавлюванням його у боки від навантаженої поверхні.

Стала пов­зучість завжди переходить у прогресуючу, але при різній тривалості дії навантаження: чим більше час дії навантаження, тим при меншому навантаженні досягається прогресуюча повзучість і лише при досягненні деформацією деякої визначеної для даного ґрунту і даного його фізичного стану величини. Стала повзучість вини­кає лише при напругах, завбільшки певної межі, при меншій величині діючих напруг (навантаженню) повзучість не перейде в стадію течії (сталої повзучості), тобто ґрунт володітиме тривалою міцністю, і при будь-якому часі дії навантаження деформації його будуть затухаючими.