1.1 Основні закономірності механіки грунтів

Стисливість ґрунтів, обумовлена зміною їх пористості, а отже, і загального їх об'єму під дією зовніш­ніх сил унаслідок перепаковування частинок (тобто зміни змісту твердих частинок в одиниці об'єму ґрунту) є властивість лише дисперс­них матеріалів, що не враховується у будівельній механіці суцільних тел. Витікає, проте, відрізняти стисливість ґрунтів як вельми характерне їх властивість, обумовлювана зміною пористості, від загального того, що деформується, ґрунтів властивої усім фізичним тілам і маючими лише свої особливості для ґрунтів.

Водопроникність, представляюча загальну властивість усіх пористих тіл, має для ґрунтів особливість, оскільки є для них змінною величиною, що змінюється у процесі ущільнення їх під навантаженням.

Контактний опір зсуву обумовлений лише внутрішнім тертям у сипких ґрунтах і тертям із зчепленням в ґрунтах зв'язних.

Нарешті, деформуємість ґрунтів залежить як від опірності і податливості їх структурних зв'язків (чи будуть зв'язки суцільні або тільки у точках контакту мінеральних частинок; чи є вони пластичними - водно-колоїдними або крихкими – кристалізаційними і т. п.), так і від того, яка деформуємість окремих компонентів, утворюючих ґрунти. При цьому при однократному навантаженні і тиску, більшому міцності жорстких структурних зв'язків ґрунти завжди матимуть окрім тих, що відновлюються і залишкові деформації, у багато разів перевершуючи по величині деформації відновлювання.

1.1.1. Стисливість грунтів. Закон ущільнення

Стисливість ґрунтів є характерною властивістю, істотно відрізняючи ґрунти від масивних гірських порід і інших твердих тіл, і (полягає у здатності ґрунтів змінювати (іноді значно) будову (упаковку твердих частинок) під впливом зовнішніх дій (стискаючого навантаження, висихання, коагуляції колоїдів і ін.) на більш компактне за рахунок зменше­ння пористості ґрунту.

Зменшення пористості ґрунтів при більш компактній упаковці частинок відбувається як наслідок виникнення деяких місцевих зсувів частинок і зісковзування більш дрібних частинок в пори ґрунту, так (особливо у дисперсних водонасичених глинястих ґрунтів) і унаслідок зміни товщини водно-колоїдних оболонок мінеральних частинок під впливом збільшення тиску, висихання, коагуляції і ін.

Крім того, на перепаковування частинок впливає повзучість кістяка ґрунту і оболонок міцнозв’язаної води (які також можна відносити до кістяка ґрунту) обумовлена створенням форми кристалічної структури мінеральних частинок і повільним в'язким перебігом молекулярних шарів міцнозв’язаної води.

Слід зазначити, що для ґрунтів повністю водона­сичених зміна пористості можливо лише при зміні їх вологості (видавлюванні або всмоктуванні води) і деякого внутрішньооб'ємного стискання газових включень; для ґрунтів неводонасичених воно може відбуватися і при збереженні їх вологості.

Зміна об'єму пір дисперсних ґрунтів при висиханні (у про­цесі обезводнення дифузних оболонок і збільшення капілярного стиснення), а також у результаті повільних фізико-хімічних процесів (наприклад, старіння колоїдів) враховують лише в окремих виняткових випадках, і основним процесом зміни об'єму ґрунтів буде ущільнення їх під навантаженням.

Розрізняються ущільнення ґрунтів при короткочасній дії динамічних навантажень (механічну) і ущільнення при тривалій дії постійного статичного навантаження (компресію, консолідацію і ін.).

При механічній дії вібраційними, трамбуючими і подібними механізмами добре ущільнюються лише маловологі рих­лі піщані і неводонасичені ґрунти, жорсткі контакти між мінеральними частинками яких легко порушуються, що і обумовлює перегруповування частинок і більш щільну їх упаковку. У водонасичених пісках динамічні навантаження викликають значні тиски у воді, грант зважується в деякій області і за певних умов розріджується, розтікаючись за великою площею. Проте чим більше зовнішній тиск на поверхню ґрунту, що піддається динамічній дії (наприклад, вібраційній), тим менш воно ефективне, оскільки важко долаються зусилля в точках контакту частинок.

В глинистих ґрунтах, які унаслідок їх зв'язності при дина­мічних навантаженнях ущільнюються дуже мало, виникаючі у воді тиски при незначній водопроникності цих ґрунтів гасяться на малій відстані і розрідження не відбувається.

При ущільненні ґрунтів суцільним постійним навантаженням (ком­пресія ґрунтів) слід розглядати, принаймні, два діапазони тиску: 1 - коли зовнішній тиск менше міцності струк­турних зв'язків і 2 - коли ці зв'язки подолані.

У першому випадку, ущільнення ґрунтів не відбувається, оскільки виникаючі під дією зовнішнього навантаження деформації будуть пружними деформаціями структурних зв'язків і грант деформуватиметься як суцільне квазітверде тіло.

у другому випадку, тобто коли жорсткі структурні зв'язки пода­лені (при тиску, перевищуючому структурну міцність), ґрунти ущільнюватимуться значно, причому для ґрунтів з водно-колоїдними зв'язками ущільнення відбуватиметься за рахунок стиснення водно-колоїд­них оболонок мінеральних частинок з видавлюванням деякої кількості води, а також певною мірою і за рахунок повзучості кістяка ґрунту.

Видавлювання води для глинястих ґрунтів ­можливо лише при тиску, що викликається дією зовнішнього навантаження, більшого деякої початкової величини. Для ґрунтів, що мають одночасно і м'які водно-колоїд­ні і жорсткі зв'язки кристалізації, процес ущільнення значно складніше.

Залежність між вологістю, тиском і коефіцієнтом пористості. Для встановлення основних показників стисливості ґрунту проводять випробування його на ущільнення під навантаженням в умовах одновимірної задачі коли деформації ґрунту можуть розвиватися тільки в одному напрямі і ніякі інші сили, окрім зовнішнього навантаження, не діють.

При випробуванні водонасиченого ґрунту його поверхня вкрита шаром води, що дозволяє уникнути висихання ґрунту в процесі дослідження (який триває звичайно від декількох годин до декількох днів), а отже уникнути розвитку в ньому сил капілярного тиску. Для випробування ґрунту на стисливість застосовують прилади з жорсткими стінками (одометри) для забезпечення стиснення ґрунту тільки в одному напрямі (без можливості його бічного розширення). Подібні граничні умови відповідають в натурі стисненню окремого шару ґрунту під дією суцільного рівномірно розподіленого навантаження (наприклад, вага вищерозміщених шарів ґрунту). Навантаження на поверхню ґрунту прикладають окремими зростаючими ступенями, оскільки ніж більш буде ущільнений грант попереднім ступенем навантаження, тим менше його деформація і потрібна більша точність вимірювань. Встановлено, що для водо­насичених, але малово­допроникних глинястих ґрунтів кожному приросту зовнішнього тиску відповідає цілком визначене з­мінення вологості. Залежність між вологістю і тиском можна зобразити у вигляді графіка, який носить назву “компресійна крива”. Оскільки для повністю водонасичених ґрунтів існує закономірний зв'язок між вогкістю і коефіцієнтом пористості, то компресійну криву легко перебудувати у координатах коефіцієнт пористості - тиск.

Компресійні криві застосовні для оцінки стисливості будь-яких дисперсних матеріалів, але для матеріалів водопроникних (наприклад, пісків) не можуть бути побудований по зміні вогкості, оскільки при навантаженні цих матеріалів вогкість відновлюється майже миттєво.

Більш загальним методом побудови компресійних кривих є метод визначення коефіцієнта пористості по осіданнях зразків ґрунту при ущільненні їх у компресійному приладі. У ряді випадків (наприклад, при оцінці деформації ґрунтів просадових і урахування нелінійності стиснення при великому діапазоні тиску), як характеристика стисливості ґрунтів застосовується і так званий модуль осідання. Для ґрунтів природної непорушеної структури компресійна крива має дві ділянки: перша - до тиску, що не перевищує структурної міцності ґрунту, з контуром, близьким до лінійного, і дуже малими змінами коефіцієнта пористості і друга - криволінійна, із значними змінами коефіцієнта пористості, що вказує на ущільнення ґрунту під навантаженням, що перевищує структурну міцність ґрунту. При менших навантаженнях ущільнення не відбувається. Тангенс кута нахилу відрізка компресійної кривої до осі тиску характеризує стискаємість ґрунту в даному діапазоні тиску, оскільки чим більше кут нахилу, тим буде більшою і стисливість ґрунту. Ця величина носить назву коефіцієнту стисливості ґрунту. Коефіцієнт стисливості може бути виражений через значення р і е для крайніх точок прямолінійного відрізка, тобто коефіцієнт стисливості рівний відношенню зміни коефіцієнту пористості до величини діючого тиску. Для відрізка кривої набрякання (розвантаження) точно таким же шляхом отримаємо коефіцієнт набрякання.

Закон ущільнення. Якщо змі­ни тиску будуть нескінченно малими, то зміни коефіцієнта пористості будуть строго (точно) пропорційні зміні тиску. Цей закон формулюється таким чином: нескінченно мала зміна відносного об'єму пір ґрунту прямо пропорційна нескінченно малій зміні тиску.

Рис. 1.1. Схема напруг в елементі ґрунту при дії суцільного рівномірно розподіленого навантаження

Закон ущільнення може бути сформульований інакше: при невеликих змінах ущільнюючого тиску зміна коефіцієнта пористості прямо пропорційна зміні тиску. Зміни коефіцієнта пористості ґрунту при компресійному стисненні у загальному випадку залежатимуть не тільки від величини вертикальних нормальних напруг, але і від горизонтальних (рис 1.1). Найпростіше положення свідчить, що коефіцієнт пористості у будь-якій точці ґрунтової маси залежить тіль­ки від суми усіх нормальних напружень, діючих в цій точці. Це положення є відомим до­пущенням, оскільки для дуже в'язких і щільних глинястих ґрунтів на зміне­ння коефіцієнту пористості впливатимуть і зсовуючи (дотичні) напруги, обумовлюючі повзучість кістяка ґрунту. Для ґрунтової маси до якої відносяться усі повні­стю водонасичені неущільнені ґрунти (дрібні піски і пісковини, слабі суглинки і глини) з нестискаємим мінеральним скелетом і наявністю вільної (незв'язаної) води це положення достатньо добре відповідатиме дійсності.

Модулі деформації ґрунту Е і , аналогічні модулю пружності і коефіцієнту Пуассона пружних тіл, але відносяться до загальної деформації ґрунту. Величина Е називається модулем деформації ґрунту, а  - коефіцієнтом бічного тиску ґрунту в стані спокою. У загальному випадку коефіцієнт бічного тиску ґрунтів є відношення приросту горизонтального тиску ґрунту до прирощення діючого вертикального тиску. Зміна коефіцієнта пористості (або вологості) ґрунтової маси в даній крапці може відбутися лише при зміні сум­и головних напруг у цій точ­ці або «гідроємності» ґрунтової маси.