1.2. Особливості фізико-механічних властивостей структурно нестійких грунтів

Серед великої різноманітності ґрунтів особливі утруднення викликають структурно нестійкі ґрунти, у яких в звичайних умовах, але при деяких додаткових фізичних діях різко пору­шується структура, що обумовлює значне погіршення фізико-механічних властивостей, збільшення осідань, зменшення несучій здатності і ін. Значні осідання при порушенні структури цього виду ґрунтів обумовлені також тим, що у природних умовах вони часто бувають недоущільненими. До таких ґрунтів можна віднести в першу чергу лесові ґрунти і мерзлі.

Недоущілнені ґрунти. Умови утворення окремих видів ґрунтів можуть бути такими, що повного ущільнення їх від дії власної ваги і вищерозміщених шарів ґрунту може і не бути унаслідок виникнення при незакінченому процесі консоліда­ції нових структурних зв'язків, наприклад у лесових ґрунтів - утворення твердих колоїдних плівок і цементація мінеральних частинок випадаючими солями; у мерзлих і вічномерзлих - цементація мінеральних частинок льодом і т.п.

Ґрунти, у яких при незавершеній консолідації створились структурні зв'язки, перешкоджаючі в даних умовах подальшому ущільненню, відносяться до недоущільнених. Ці ґрунти при додаткових діях можуть стати структурно нестійкими і при руйнуванні раніше виниклих структурних зв'язків поущільнюватися, що викличе їх значні осідання.

Місцеві швидко протікаючи осідання структурно нестійких ґрунтів, обумовлені різкою зміною їх структури і, що супроводяться звичайно видавлюванням текучьопластичних мас, що утворилися, в боки від місцевої дії носять назву просідання, а ґрунти, що мають ці властивості - структурно нестійкі просадові ґрунти.

Такі лесові ґрунти при замочуванні під навантаженням; сильнольдисті мерзлі і вічномерзлі ґрунти при відтаванні, а також органо-мінеральні іли при швидкому навантаженні, коли швидкість виникнення нових водно-колоїдних зв'язків буде менше швидкості руйнування вже існуючих зв'язків, і, нарешті, рихлі слабі піски при дії на них вібрації, що викликають гідродинамічні тиски і значне зменшення тертя між контактами мінеральних частинок.

Істотним показником фізико-механічних властивостей струк­турно нестійких глинястих ґрунтів є їх структурна міцність і зміна її під впливом зовнішніх дій (замочування, відтавання, вібрацій і т. п.) обумовлююче той, що просів під навантаженням. Звичайна просадовість ґрунтів оцінюється так званою відно­сною просадовістю. Якщо величина відносної просадовості sl > 0,02, то такі структурно нестійкі ґрунти відносять до категорії просадових.

Компресійні криві для просадових ґрунтів мають характерну форму (мал. 1.3), що відрізняється від звичайних компресійних кривих тим, що у процесі про­сідання, виникаючого при певних діях стрибкоподібно змінюється коефіцієнт пористості ґрунту, і плавність компресійної кривої зазнає розрив. На компресійних кри­вих розрізняються три області деформації: область ab, відповідну стисненню ґрунту у непорушеному стані; область bс, характеризуючи просідання ґрунтів і область cd - ущільнення ґрунту, що просів; при цьому найбільша деформація ґрунту буде в другій області.

а) б) в)

Рис. 1.3. Компресійні криві структурно нестійких ґрунтів: а - лесовий ґрунт при замочуванні, б - мерзлий ґрунт при відтаванні; в - рихлий пісок при вібрації.

По компресійних кривих безпосередньо визначають величину зміни коефіцієнта пористості ґрунту, що просів. Відносна деформація e = s/h, де s - осідання і h - початкова висота зразка ґрунту. Просадовість лесових і вічномерзлих ґрунтів можна встано­вить як при відповідних випробуваннях на компресію (наявність стрибка у зміні коефіцієнта пористості при випробуванні спочатку в природному без порушення структурних зв'язків, а далі - при характерної для даного виду ґрунту зовнішній дії, руйнуючої структурні зв'язки), так і за допомогою пробного навантаження.

Фізико-механічні властивості лесових ґрунтів при замочуванні у процесі просідання різко змінюються: опір зсуву знижується у декілька разів (кут внутрішнього тертя в 1,5 - 2 рази, зчеплення - до 10 разів), що обумовлює значне зменшення несучої здатності замочених лесо­вих ґрунтів і видавлювання порушених безструктурних мас ґрунту під навантаженням.

Мерзлі і вічномерзлі ґрунти. До структурно нестійких ґрунтів можна віднести також великий клас сильнольдистих мерзлих і вічномерзлих ґрунтів, що перетворюються при відтаванні у розріджені або м'якопластичні маси. Мерзлі і вічномерзлі ґрунти (останніми називають ґрунти, що знаходяться у мерзлому стані багато років) є типовими чотирьохкомпонентними системами частинок, оскільки до звичайних трьох компонентів ґрунтів (твердої, рідкої і газоподібної) додається ідеально пластична компонента - лід, що утворюється з порової води при температурі замерзання.

Різні ґрунти у залежності від їх складу (головним чином від величини питомої поверхні мінеральних частинок) містять навіть при одній і тій же температурі різну кількість незамерзлої води. Кількість незамерзлої води і льоду в мерзлих ґрунтах не залишається постійною, а змінюється під впливом зовнішніх дій (негативної температури, зовнішнього тиску і ін.), знаходячись з ними у динамічній рівновазі. Це положення формулює відомий у механіці мерз­лих ґрунтів принцип рівноважного стану води і льоду в мерзлих ґрунтах, і є основною фізичною базою дослідження фізико-механічних властивостей мерзлих ґрунтів. Найістотніший вплив на фізико-механічні властивості мерзлих ґрунтів надає цементуючу дію льоду, загальний зміст якої визначається льдистістю мерзлих ґрунтів, рівної відношенню ваги льоду до ваги всієї води, що міститься в ґрунті