1.1.4. Структурно-фазова деформація грунтів

Ґрунти є найскладнішими мінерально-дисперсними утвореннями, що складаються з різноманітних взаємно зв'язаних частинок, що мають механічні властивості. Застосування до ґрунтів загальної теорії напруг, розробленої для суцільних пружних тіл, вимагає особливого розгляду. Так, в будь-яких дисперсних тілах зовнішнє навантаження передається від однієї частинки до іншої лише через точки контакту частинок які у біль­шості випадків розташовані незакономірно або по деякій структурній сітці. Неточність у визначенні напруг в ґрунтах по загальній теорії суцільних тіл не буде більшою, ніж при визначенні напруг в сталі, яка також складається із зерен кристалів, хоча і вельми малих розмірів. Проте визначення напруг у ґрунтах є значно складнішою задачею, ніж в суцільних тілах. При дії зовнішнього навантаження окремі фази (компоненти) ґрунтів по-різному чинять опір силовим діям і по-різному деформуються, що є головною особливістю напружено-деформованого стану ґрунтів.

При загальному розгляді необхідно вивчити напружено-дефор­мований стан як ґрунту в цілому (розглядаючи його як ква­зісплошне і квазіоднофазне тіло), так і окремих його фаз у вза­ємодії між собою. Загальна залежність між деформаціями і напругами справедлива для початкового і кінцевого станів ґрунту, коли відсутній перерозподіл фаз у оди­ниці об'єму. При розгляді проміжних станів необхідно враховувати процес консолідації, повзучість ске­лета і ін.

При аналізі залежності деформацій від напруг слід розрізняти два ґрунти: сипкі і зв’яз­ні. Для сипких ґрунтів при однократному завантаженні завжди виникають необоротні зсуви і повороти зерен ґрунту, що обумовлює постійну наявність залишкових деформацій. Для зв'язних ґрунтів на характер деформації впливають структурні зв'язки, як жорсткі, так і в'язкі. При жорстких зв'язках, якщо величина навантаження така, що при її дії міцність зв'язків не порушується, ґрунт буде деформуватися як квазітверде тіло. При в'язких (водно-колоїдних) зв'язках у ґрунтах деякі зв'язки починають руйнуватися (або в'язко текти) вже при невеликих зусиллях, інші при великих і т. д., що обумовлюється у цих ґрунтів постійною наявністю при розвантаженні оборотних і залишкових деформацій. Оста­точні деформації часто у багато разів перевищують оборотні.

Природні зв'язні ґрунти у більшості випадків мають жорсткі і в'язкі зв'язки різної міцності, тому процес деформації їх є складним. Загальна залежність між деформаціями і нормальною напругою встановлена в основу теорії розподілу напруг в ґрунтах і визначення їх деформацій під дією зовнішніх сил.

Принцип лінійної деформується. При малих змінах зовнішнього тиску з достатньою для практичної мети точністю залежність між деформаціями і напругами може прийматися лінійною, що значно спрощує розрахунки і не вносить до них неприпустимих погрішностей, тобто при невеликих змінах напруг до ґрунтів з повним до того підставою можна застосовувати теорію лінійно деформуємих тіл.

Якщо залежність між загальними деформаціями і напругами лінійна, то для визначення напруг у ґрунтах застосовні рішення теорії пружності; для визначення загальних деформацій ґрунтів необхідні додаткові умови (наприклад залежність зміни коефіцієнта пористості від тиску і ін.). Це дозволяє сформулювати для ґрунтів принцип лінійної деформації, а саме: при невеликих змінах тиску можна розглядати ґрунти як тіла, що лінійно деформуються, тобто з достатньою для практичних цілей точністю можна приймати залежність між загальними деформаціями і напругами для ґрунтів лінійної. Цей принцип витікає також і з розглянутого випадку стискання шару ґрунту при суцільному навантаженні (компресії ґрунту) у діа­пазоні тиску, при якому справедливий закон ущільнення.

Принцип лінійної деформується грантом є одним з основних у сучасній механіці ґрунтів, оскільки на ньому базуються майже усі інженерні розрахунки напруг і деформацій природних ґрунтових підґрунть. Для слабких ґрунтів необхідно виходити з нелі­нійної залежності між деформаціями і напругами.

Деформація окремих фаз ґрунту. Напружено-деформаційний стан кістяка ґрунту, а також однокомпонентних і квазіоднофазних ґрунтів (тобто ґрунтів, у яких при деформації співвідношення фаз в одиниці об'єму практично не міняється), т. е. коли процес перерозподілу фаз ґрунту в одиниці об'єму не почався або вже закінчився; для проміжних відрізків часу залежатиме від часу t. Зміни у часі напружено-деформованого стану скелета ґрунту (а також однокомпонентних і однофазних ґрунтів у цілому) є результатом властивостей реологій скелета ґрунту - його повзучості при навантаженні. Деформація скелета дисперсних ґрунтів при консолідації, що закінчилася, цілком описується лінійною (відносно напруг) теорією спадкової повзу­чості Больцмана - Вольтерра. Повна деформація скелета ґрунту залежить не тільки від напруженого стану за час, що пройшов від початку завантаження, але і від «історії» навантаження, а теорія отримала на­зву теорії спадкової повзучості.

Деформація порової води у разі повної відсутності в ній пухирців газу невелика; в цьому випадку вода може розглядатися як ідеально пружне тіло. Повністю дегазована вода харак­теризується значним модулем пружності. Інша справа порова вода, що містить замкнуті пухирці повітря і розчинені гази (а в природі майже будь-яка порова вода містить деяку кількість газів); вона значно деформується, і це необхідно враховувати у ряді розрахунків. Урахування об'ємної стисливості порової води впливає на величину протікання в часі деформації (фільтрації і повзучості) водонасичених ґрунтів.

Деформація самих замкнутих пухирців газу (третьої фази ґрунтів) звичайно окремо не враховується у розрахунках, оскільки замкнуті пухирці повітря оточені рідиною і рухаються і деформуються разом з нею, а вільне повітря не сприймає ніякого тиску. Таким чином, у найзагальнішому випадку при дослідженні ґрунтів слід враховувати дефор­мативність усіх фаз ґрунту в їх взаємодії, особливо якщо розглядається зміна напружено-деформованого стану ґрунтів в часі. Питання спрощується лише для початкового моменту часу і стабілізованого стану для яких застосовано найпростіший вираз принципу лінійної деформується. При напружено-деформованого стану ґрунтів у часі необхідно для водонасичених ґрунтів розглядати змі­ни ефективних напруг у процесі фільтраційної консо­лідації, а для в'язких глинястих ґрунтів - вплив на напружено-деформативний стан повзучості скелета ґрунту у взаємо­дії з процесом фільтраційного ущільнення. Для ґрунтів неводонасичених і для квазіоднофазних ґрунтів зміна напружено-деформованого стану у часі залежатиме виключно від повзучості скелета ґрунту.