Глава 3. Механические свойства грунтов, их природа, характеристики и методы определения.

При нагрузке на грунт происходит изменение количественного соотношения между твердой, жидкой и газообразной фазами грунта и в грунтовой массе возникают объемные и сдвиговые деформации, которые определяют механические свойства грунтов. В соответствии с требованиями проектирования сооружений (фундаментов) механические свойства грунтов разделяются на две группы: деформационные и прочностные.

Механические свойства подчиняются основным закономерностям механики грунтов:

а) Сжимаемость – закону уплотнения, показателем которого является коэффициент сжимаемости, а практическим приложением – расчет осадок фундаментов;

б) Водопроницаемость – закону ламинарной фильтрации, основным показателем которого является коэффициент фильтрации, а практическим приложением – прогноз скорости осадок водонасыщенных грунтовых оснований;

в) Контактная сопротивляемость сдвигу – условиям прочности, показателями которого являются коэффициенты внутреннего трения и сцепления, а практическим приложением – расчеты предельной прочности, устойчивости и давления на ограждения;

г) Структурно-фазовая деформируемость – принципу линейной деформируемости, показателем которого являются модули деформируемости, а практическое приложение – определение напряжений и деформаций грунтов.

Наблюдаемые при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений деформации грунта отличаются значительной величиной, развиваются во времени и, как правило, не исчезают полностью после снятия нагрузки. При деформировании грунтов преимущественно проявляются свойства пластичности и ползучести, т.е. пластические деформации. Упругие деформации также имеют место, но они незначительные и развиваются при специальных режимах нагружения. Упругое деформирование грунтов в области больших давлений, например в насыпях железных дорог или в основаниях фундаментов машин с динамическими нагрузками, обеспечиваются искусственной подготовкой грунтовых массивов к упругому режиму работы.

Основная причина существенных деформаций грунтов заключается в уменьшении их пористости при сжатии, разрушении структурных связей, переукладке и взаимном смещении частиц.

Для количественной оценки возникающих в грунтовых массивах напряжений и деформаций необходимо иметь идеализированные модели. Для каждой из них при выполнении практических расчетов необходимо иметь набор расчетных параметров, пригодных для любого напряженного состояния. Такие параметры называют механическими характеристиками.

При решении конкретных задач механики грунтов необходимо определять напряжения в сплошной среде. При схематизации реальных грунтов в виде модели сплошной среды в трехмерном пространстве напряжения и деформации в точке сплошной среды описываются шестью независимыми компонентами (составляющими). В декартовой системе координат О_x,y,z напряженное состояние грунта в точке характеризуется нормальными напряжениями Ϭ_x, Ϭ_y, Ϭ_z и касательными напряжениями τ_xy, τ_yz, τ_zx, а деформированное состояние относительными осевыми деформациями ε_z, ε_x, ε_y и относительными сдвиговыми деформациями γ_xy, γ_yz, γ_zx (рис. а, б)

а) y б) yε_x

Ϭ_z τ_yz ε_y

τ_xy

X x

τ_zx

τ_xy Ϭ_x

Ϭ_y τ_yx

τ_zy

ε_z

z zz z x

y x y

γ_zy γ_zx γ_xy

Рис. 3.1. а) Напряжение в Рис. 3.1 б) Деформации в

сплошной среде сплошной среде

В механике грунтов принято правило знаков – если внешняя нормаль к площадке совпадает с направлением оси, то положительные направления напряжений противоположны направлению соответствующей оси (положительные направления напряжений, рис.а, положительные направления относительных деформаций, рис.б).

В дальнейшем все механические свойства грунтов будут излагаться применительно только к различным модификациям моделей сплошной среды.