6.3. Зміни властивостей грунтів при динамічному впливі

Динамічні дії як слабі, виникаючі унаслідок руху неврівноважених частин машин (вібрації, коливання і ін.), так і сильні - короткочасні однократні і багатократні (удари, імпульси великої сили, вибухи і т. п.) істотно ска­зуються на властивостях незв'язних (сипких) ґрунтів і дещо менше ґрунтів зв'язних (глинястих).

Вібрації викликають зменшення тертя між частинками ґрунтів і загальне зменшення їх опору зсуву (що погіршує несучу здатність ґрунтів); імпульсні дії середньої величини (при прискореннях, менших прискорення сили тяжіння) викликають осідання і просідання, а імпульси значної величини - руйнування структури ґрунтів і втрату їх міцності. Зменшення опору зсуву при вібраціях у ґрунтах є основним чинником, що впливає на властивості ґрунтів.

Встановлено, що коефіцієнт внутрішнього тертя ґрунтів залежить від енергії коливань, зменшуючись з її збільшенням, прагнучи проте, до деякої межі. Для ґрунтів зв’язних вплив вібрації на о­пір зсуву буде тим менше, ніж більше зчеплення ґрунту. Спостерігається поступове зниження опору піщаних ґрунтів зсуву при вібраціях.

Встановлено, що початкове прискорення (коли при вібраціях ще не долаються структур­ні зв'язки у точках контакту ґрунтових частинок і не знижується опі­р зсуву) лінійно залежить від величини зовнішнього тиску на ґрунт, зростаючи з його збільшенням. При певній частоті коливань тертя у ґрунтах (особливо у незв'язних) може настільки зме­ншитись, що ґрунти набувають властивості в'язкої рідини (вібро­в’язкість) з внутрішнім тертям, близьким до нуля і нікчемною несучою здатністю. Ця особливість дії вибра­ції на ґрунти (особливо на сипкі) використана для розробки віброметодів - швидкого занурення (забивання) за допомогою вібрацій шпунтів, паль і опір-оболонок у незв'язні ґрунти на глибину до декількох десятків метрів. Швидкість занурення конструкцій в ґрунт віброметодом залежить від частоти вживаних вібрацій, величини обурюючих сил і властивостей вібров’язкості ґрунтів.

Вібров’язкість ґрунтів може бути охарактеризованою деяким коефіцієнтом, величина якого різна для різних ґрунтів і залежить від відносного прискорення коливань, фізичного стану ґрунтів і особливо їх вологості. Якнайменша величина коефіцієнта вібров’язкості спостерігається у сухих і повністю водонасичених пісків і при деякій величині вологості має місце максимум. Найбільш успішно занурення шпунтів, паль і т.п. конструкцій буде у разі піщаних ґрунтів - сухих і водонасичених. Віброметод знаходить широке застосування у фундаментобудівництві, при бурінні для проб ґрунту і в інших випадках занурення трубчастих конструкцій в ґрунт.

Віброущільнення. Під дією вібрацій рихлі відкладення ґрунтів, особливо ті що не мають зчеплення, можуть давати значні осідання, обумовлені зміною пористості ґрунтів у про­цесі їх вібрації. Іноді осідання підґрунть сусідніх з працюючими машинами фундаментів сягають декількох десятків сантиметрів, що спричиняє за собою неприпустимі деформації будівель.

Між коефіцієнтом пористості ґрунтів (зміни якого і обумовлюють осідання підґрунть) і прискоренням коливань існує залежність, подібна компресійній залежності, звана віброкомпресійною кривою ґрунтів. Вона показує, що із збільшенням прискорення (відносини прискорення вібрацій до прискорення сили тяжіння) коефіцієнт пористості піщаного ґрунту змен­шується по криволінійній залежності, причому експериментальні крапки отримані при різних значеннях частоти коливань, добре укладаються на одну криву.

З розгляду результатів дослідів по виброущільнення ґрунтів витікають наступні висновки.

1. За відсутності зовнішнього навантаження ущільнення сипких ґрунтів починається при будь-яких слабих вібраціях і завжди завершується ущільненням, близьким для сухих до 1,2 g, для водонасичених - від 0,5 до 2g.

2. За наявності зовнішнього навантаження ущільнення ґрунтів практично не ви­никає лише до деякої критичної величини приско­рення; при більшій величині прискорення має місце віброущільнення, яке при подальшому збільшенні прискорення стабілізується до деякої пористості або динамічної щільності.

Імпульсні дії і повторні короткочасні навантаження викликають хвилі напруг, істотно змінюючи властивості ґрунтів. Динамічна міцність глинястих ґрунтів набагато більше статичної. Опір зсуву глинястих ґрунтів в умовах закритої системи також зростає із збільшенням швидкості навантаження до 1,5 - 2,5 разів у порівнянні з опором при стати­чному навантаженні.

Порівнюючи міцність ґрунтів при короткотермінових (але неруйнуючих) імпульсах з міцністю при тривалих вібраціях, приходимо до висновку, що ці два види динамічної дій протилежні щодо механічних властивостей ґрунтів - опір ґрунтів при короткотермінових імпульсах значно більший, ніж при тривалій віб­рації.