Свойства грунта. Физические свойства. Физико-химические. Деформируемость. Прочностные свойства.

Свойства грунта – особенность, обуславливающая его различие или сходство с другими грунтами и проявляющаяся во взаимодействии с ними или с различными полями и веществами (например цвет, пластичность, электропроводность и др.). Существует бесчисленное множество свойств грунтов. Выделяют классы химических, физико-химических, физических и биотических свойств грунтов, отличающихся своей природой. Химические свойства характеризуют химические процессы в грунтах (т.е химические изменения, и их способность участвовать в химических взаимодействиях с различными веществами). Пример: реакции меняющие их химико-минеральный состав, в результате процессов окисления, восстановления, гидролиза, гидратации, растворения и т.д.; растворимость грунтов, химическая поглотительная способность, химическая агрессивность грунтов; Физико-химические - различные поверхностные явления и физико- химические процессы в грунтах, происходящие на молекулярном и микроуровне, но без явных химических превращений (адсорбционные свойства, диффузионные свойства, осмотические, капиллярные свойства, набухаемость, усадочность, водопрочность, размокаемость, размягчаемость и др). Физические свойства проявляются в результате действия на грунты различных физических полей: гравитационного, теплового, электрического, магнитного, гидродинамического, аэродинамического, радиационного, механического и др. Биотические свойства отражают процессы и взаимодействия, происходящие в грунтах с участием живой (биотической) составляющей (биологическая активность грунтов, биотическая поглотительная способность, биоагрессивность и др.).

Физические свойства грунтов. Показатели физических свойств.

Любой грунт обладает бесчисленным множеством свойств или качеств. Свойства характеризуются показателями или физическими величинами. Свойства грунтов и их показателей разделяются на имманентные, внутренние присущие, обусловленные составом, структурой, состоянием грунтов, и эмерджентные, проявляющиеся при внешних взаимодействиях грунтов с техногенными или природными объектами. К первой группе относятся физические, физико-химические, биотические свойства грунтов, ко второй – физико-механические.

Свойства, характеризующие воздействие на грунты различных физических полей – грвитационного, магнитного, электрического и др., принято называть физическими. К физическим свойствам грунтов относятся такие как: плотность, пористость, размокаемость, пределы пластичности (для глинистых грунтов), уплотняемость, водопроницаемость.

Плотность – физическое свойство грунта, количественно оцениваемое отношением его массы к занимаемому объему. Не следует отождествлять понятия плотность и удельный вес. Величина равная отношению массы вещества к занимаемому им объему называется плотностью. Удельный вес – это отношение веса тела к объему и следовательно зависит от ускорения свободного падения, удельный вес равен произведению плотности на ускорение свободного падения. В качестве характеристики вещества должна приводиться именно плотность – величина постоянная для данного вещества. В соответствии с рекомендациями Подкомитета по обозначениям, единицам и определениям Международной ассоциации по механике грунтов и фундаментостроению для грунтов следует применять следующие термины: плотность грунта – отношение массы грунта (включая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему; плотность сухого грунта – отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему (включая имеющиеся в этом грунте поры); плотность частиц грунта – отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта. Эти величины используются для характеристики физических свойств грунта. Единицы измерения – кг/м³ (система СИ), г/см³, т/м³ (система СГС).

Плотность частиц грунта (твердой фазы, твердой компоненты) (ρ_s) определяется отношением массы частиц к их объему. Величина плотности частиц определяется минеральным составом, изменяется в соответствии с плотностью наиболее распространенных породообразующих минералов от 2,25 до 3,40 г/см³. определяется лабораторным путем – пикнометрическим методом в соответствии с ГОСТ 5180-84. при проведении анализа для незасоленных грунтов используется дистиллированная вода. Для определения плотности частиц засоленных или набухающих грунтов вместо дистиллированной воды используется нейтральная жидкость например керосин, который должен быть обезвожен и профильтрован.

Плотностью грунтов называется масса единицы объема грунта с естественной влажностью и природным (ненарушенным) сложением (ρ). Плотность зависит от минерального состава, пористости и влажности грунта, с увеличением содержания тяжелых минералов плотность увеличивается, а при увеличении содержания органического вещества – уменьшается, с увеличением влажности плотность увеличивается (максимальное значение при данной пористости плотность грунта достигает при полном заполнении пор водой), при увеличении пористости плотность уменьшается.

Определяется плотность лабораторным путем несколькими методами. Метод режущего кольца. Этот метод применяют для грунтов легко поддающихся резке ножом и не крошащихся – глин, суглинков, супесей и песков. Второй метод – парафинирования. Этот метод рекомендован для определения плотности связных грунтов. Метод непосредственного измерения применяется в том случае когда из грунта можно вырезать образец правильной геометрической формы и определить его объем простым обмером (для скального грунта). Для проведения опыта из монолита вырезать, вырубить или выпилить образец в виде кубика, прямоугольника или цилиндра, измерить штангенциркулем его размеры с точностью до 0,01см и вычислить объем, повторяя измерения несколько раз в разных направлениях, подсчитать среднее значение параметров. Взвесить образец с точностью до 0,01г. рассчитать плотность. Определение плотности следует проводить на двух параллельных образцах, если расхождение между определениями превышает 0,03г/см³ измерения следует повторить.

Плотностью твердой фазы (скелета) грунта называют массу твердой компоненты в единице объема грунта при естественной (ненарушенной) структуре (ρ_d). Она зависит только от минерального состава и пористости, чем выше содержание тяжелых минералов и ниже пористость, тем выше плотность его скелета. Плотность скелета грунта определяется экспериментально, но чаще вычисляется по величине его плотности и влажности

.

Для песчаных грунтов у которых не всегда возможно определить плотность скелета при естественной структуре часто проводят определение показателя на воздушно-сухих образцах с нарушенным сложением при двух состояниях – предельно рыхлом и плотном. Соответственно плотность в этих случаях имеет минимальное и максимальное значение и носит название плотности песков при плотном и рыхлом сложении.

Пористость (n) характеризует объем пор в единице объема грунта, обычно выражается в %. Коэффициент пористости (е) характеризует отношение объема пор к объему твердой компоненты, выражается в долях единиц. Для глинистых грунтов способов непосредственного лабораторного определения пористости не существует. Для расчета пористости и коэффициента пористости используют зависимость связывающую эти величины с плотностью твердых частиц и плотностью скелета.

(%)

, можно по номограммам Приклонского.

Общую открытую пористость скальных грунтов можно определить методом насыщения их какой-либо жидкостью, обычно чистым отфильтрованным керосином. Открытая пористость будет равна объему керосина израсходованного на насыщение образца.

Также методом насыщения можно определить пористость песков, обычно это делается для песков плотного и рыхлого сложения. Строительные свойства песчаных грунтов зависят от характера их сложения (рыхлое или плотное), поэтому для песчаных грунтов принято определять относительную плотность грунта. В качестве показателя относительной плотности служит коэффициент плотности D, который вычисляется по формуле

, где е, е_max, е_min – соответственно коэффициенты пористости песка естественного, плотного и рыхлого сложения. По величине этого коэффициента пески подразделяются на три категории – рыхлые 0<D≤0,33, средние 0,34<D≤0,66 и плотные 0,67<D≤1. Классификация песчаных грунтов по пористости приведена в ГОСТ 25100-2011.

Влажность грунтов.

Под влажностью грунтов W понимают содержание в его порах того или иного количества воды удаляемой из грунта при высушивании до постоянной массы. Эта вода находится в порах грунта и на его поверхности в отличии от химически связанной воды, участвующей в построении кристаллической решетки. Количественное содержание жидкой компоненты в грунте может оцениваться весовой и объемной влажностью. Весовая влажность W численно равна отношению массы воды в грунте (m_w) к массе твердой фазы грунта (m_sk) в %. Объемная влажность (W_n) численно равна отношению объема воды в грунте (V_w) к объему всего грунта (V_tot) в %. Эта величина может меняться от нуля для абсолютно сухого грунта до 100% для полностью насыщенного.

Влажность, которую имеет грунт в условиях естественного залегания называют естественной влажностью. Она является важнейшей характеристикой физического состояния грунта, определяющей прочностные свойства пород. Особое значение влажность имеет для глинистых грунтов, резко меняющих свои свойства в зависимости от степени увлажнения. Степень влажности (коэффициент водонасыщения) S_r характеризует относительную долю заполнения пор водой в данном грунте, ее численная величина равна отношению объема воды к объему пор грунта, измеряется в долях единиц и может меняться от нуля (абсолютно сухой грунт) до 1 (при полном водонасыщении). Её можно рассчитать по формуле

, где ρ_w – плотность воды. По величине S_r песчаные грунты подразделяются по ГОСТ 25100-2011.

Влажность можно определить весовым способом.

Гигроскопической влажностью называется отношение массы воды удаляемой из образца воздушно-сухого грунта, высушенного при температуре 105±2⁰ до постоянной массы к массе высушенного грунта.

Под пластичностью грунтов понимается их способность деформироваться без разрыва сплошности под воздействием внешних механических усилий и сохранять полученную при деформации новую форму после того как внешние воздействия прекращаются. При изменении влажности глинистых грунтов изменяется их состояние и свойства, в частности консистенция. Консистенцией грунта называют его состояние характеризующее способность сохранять свою форму без или при наличии внешнего механического воздействия. Переход глинистого грунта из одной формы консистенции в другую совершается при определенных значениях влажности, которые получили название характерных влажностей или пределов – влажность на границе текучести (верхний предел пластичности) и влажность на границе раскатывания (нижний предел пластичности). Влажность при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее называется влажностью верхнего предела пластичности (W_L) – границей текучести. Влажность при которой грунт переходит из пластичного состояния в твердое называется влажностью нижнего предела пластичности (W_Р) – границей раскатывания. Разность между значениями влажности отвечающими верхнему и нижнему пределам пластичности называется числом пластичности (I_P). I_P = W_L - W_Р . Для количественной характеристики консистенции грунтов определяют показатель консистенции I_L – показатель текучести рассчитываемый по формуле

, различают ряд консистенций при переходе от твердого до текучего состояния грунта. Классификация глинистых грунтов по числу пластичности и показателю текучести приведены в ГОСТ 25100-2011.

Для определения границы текучести используют монолиты или образцы нарушенного сложения, для грунтов содержащих органические вещества границу текучести определяют сразу после вскрытия, для грунтов не содержащих органического вещества допускается использовать грунт в воздушно-сухом состоянии. Граница текучести по ГОСТ определяется методом балансирного конуса, согласно этому методу за предел текучести принимается влажность приготовленной из исследуемого грунта пасты при которой балансирный конус под действием своего веса (76г) погружается за 5сек на глубину 10мм. Стандартным методом определения нижнего предела пластичности является метод раскатывания. Согласно этому методу за нижний предел делается ца Дмитриев стр.214.ю, обычно чистым отфильтрованным к погружаетпластичности принимается влажность при которой приготовленная из грунта паста раскатываемая в жгут диаметром 3мм начинает распадаться на кусочки длиной 3-10мм.

К физико-химическим относят свойства грунтов, проявляющиеся в ходе различных физико-химических взаимодействий и явлений, происходящих на границах раздела фаз или в объеме всего грунта. Значительную роль среди них играют взаимодействия на поверхностях или границах раздела фаз грунта, обладающих поверхностной энергией и обуславливающие различные поверхностные физико-химические явления, такие как концентрирование фаз на границах раздела (адсорбция), ионный обмен, адгезия, смачивание, капиллярность и т.д. Эту группу свойств можно назвать физико-химическими поверхностными.

Другие физико-химические свойства хотя и связаны с поверхностными процессами и явлениями, но проявляются во всем объеме грунта, как например, процессы диффузии, осмоса, набухания, усадки, размокания и др. Эту группу можно назвать физико-химическими объемными.

Набухаемость– это способность грунтов увеличивать свой объем и развивать давление набухания в процессе их гидратации или взаимодействия с химическими растворами. Набухание наиболее характерно в слабосцементированных переуплотненных глинистых грунтах, содержащих глинистые минералы с раздвижной кристаллической решеткой (типа монтмориллонита) или органическое вещество. Набухание характеризуется следующими основными показателями: относительной деформацией (или степенью) набухания (ε_sw), влажностью свободного набухания (W_sw) и давлением набухания (p_sw). Кинетика процесса набухания характеризуется скоростью набухания (v_sw) и периодом набухания (t_sw). Относительная деформация набухания или степень набухания (ε_sw) равна отношению абсолютной деформации образца, свободно набухающего в условиях невозможности бокового расширения (Δh) к первоначальной высоте образца с исходной (природной) влажностью (h₀) выраженное в % или долях единиц: ε_sw= Δh/ h₀. По этому показателю грунты с ε_sw≥0,04 относятся к набухающим.

Влажность свободного набухания (W_sw) это конечная влажность образца полностью набухшего без возможности бокового расширения и какого-либо внешнего ограничения, измеряется в %.

Давление набухания (p_sw) это то давление которое грунт оказывает на внешнее ограничение в процессе своего набухания, измеряется в МПа.

Скорость набухания (v_sw) определяется как отношение Δ ε_sw/Δt, она является переменной величиной в процессе набухания, измеряется в с^-1 или мин^-1.

Периодом набухания (t_sw) называется время в течение которого завершается процесс набухания образца и скорость становится равна нулю, измеряется в единицах времени.

Для определения набухания всех глинистых грунтов кроме содержащих крупнообломочные включения зерен размером более 5мм и находящихся в мерзлом состоянии удобны приборы конструкции А.М.Васильева, прибор GYP-2 конструкции Д.И.Знаменского, а также прибор ПНГ разработанный В.М.Яковлевой. Определение давления и показателей набухания грунта под нагрузкой – в компрессионном приборе.

Усадочностью грунтов называется их способность уменьшать свой объем в процессе дегидратации. Это свойство наиболее характерно для глин, илов, торфов – грунтов с коагуляционными структурными связями. Причинами уменьшения объема грунтов при их обезвоживании являются уменьшение толщины водных пленок вокруг частиц и постепенное сближение частиц, преобразование коагуляционных контактов в точечные. За счет этого объем грунта и его пористость постепенно уменьшаются. Усадочность характеризуется следующими показателями: относительной линейной усадкой (ε_sh), относительной объемной усадкой (b_sh), влажностью на пределе усадки (W_sh), коэффициентом усадки (β_sh).

Относительной линейной усадкой (ε_sh) называется отношение абсолютной линейной деформации усадки образца (Δh) по высоте к его начальной высоте (h₀), измеряется в процентах или долях единицы.

Относительной объемной усадкой (b_sh) называется отношение абсолютной объемной деформации усадки образца (ΔV) к его начальному объему (V₀), измеряется в процентах или долях единицы.

Влажностью на пределе усадки (W_sh) называется такая влажность грунта ниже которой его усадка не происходит, измеряется в процентах или долях единицы.

Коэффициентом усадки (β_sh) называется показатель характеризующий изменение объема грунта при уменьшении влажности на 1%, вычисляется по формуле

β_sh= b_sh/(ΔW - b_shW₀),

где ΔW диапазон изменения влажности образца в процессе усадки, W₀ начальная влажность грунта.

Липкостью называют способность грунтов прилипать к предметам с которыми они приходят в соприкосновение. Липкость обусловлена взаимодействием твердой компоненты грунта с внешним предметом через пленку связанной воды и воды переходного состояния. Липкость грунтов характеризуют три показателя которые определяют по зависимости липкости от влажности: влажность начального прилипания (W_нп), влажность максимального прилипания (W_мп), максимальная липкость (L_max) – измеряется усилием необходимым для отрывания прилипшего предмета от грунта и выражается в МПа, кг/см². Липкость характерна для глинистых грунтов и зависит от их химико-минерального состава, дисперсности, сложения, влажности. Увеличение липкости с возрастанием влажности происходит лишь до известного предела, по достижении полной влагоемкости липкость резко уменьшается и при дальнейшем увеличении влажности может совершенно исчезнуть. При прочих равных условиях наибольшая липкость характерна для высокодисперсных глин (монтмориллонитового и гидрослюдистого состава), с уменьшением дисперсности она снижается, глины нарушенного сложения проявляют большую липкость чем те же ненарушенного сложения. Липкость зависит и от внешних факторов – величина и время действия давления, температура и др. Максимальная липкость возрастает при увеличении давления и времени его действия на штамп, при нагревании грунтов их липкость понижается. Липкость важна при выполнении вскрышных работ, ее необходимо учитывать при работе дорожных машин, землеройной техники и пр. Определение ликости производят в приборах конструкции В.В.Охотина. Определять липкость (оценочные значения) можно также по номограммам В.Я.Калачова.

Размокаемость грунтов. Общие положения.

Водопрочностью грунтов называют их способность сохранять свою механическую прочность и устойчивость в водной среде. В водопрочности проявляются как физико-химические так и физико-механические особенности грунтов. Условия взаимодействия грунта с водой могут быть статическими или динамическими. Результатом взаимодействия воды с дисперсными грунтами является их размокание, а со скальными – размягчаемость. Под размокаемостью понимается способность грунтов при замачивании в спокойной воде терять свою связность и превращаться в рыхлую массу с полной потерей несущей способности.

Размокаемость грунтов зависит от их состава, характера связей между частицами и начальной влажности. Очень большая скорость размокания наблюдается у лессов и лессовидных суглинков. Показателями размокаемости являются – время размокания (t_p) – интервал времени в течение которого образец грунта помещенный в воду теряет свою связность и распадается на структурные элементы разного размера, скорость размокания (V_p) оценивается по относительной потере массы образца (Δm/m₀) за время (Δt) где m₀ – начальная масса образца, характер размокания отражает качественную картину распада грунта (крупные или мелкие комочки, пыль и др.). Для определения размокаемости существует ряд приборов из которых наиболее широко применяется прибор ПР конструкции Д.И.Знаменского-В.И.Хаусова.

Размягчаемость грунтов. Большинство скальных грунтов является неразмокаемыми они лишь размягчаются при насыщении водой. Размягчаемостью грунтов называется способность скальных грунтов снижать свою прочность при взаимодействии с водой. Размягчаемость обычно оценивают для пород с кристаллизационными и смешанными структурными связями, не размокающих, но таких механическая прочность которых при замачивании снижается, ее снижение обусловлено в основном проявлением эффекта Ребиндера – ослаблением или разрушением структурных связей на контактах структурных элементов грунта под действием внедряющихся прослоек смачивающей адсорбционно-активной жидкости. Показателем размягчаемости является коэффициент размягчаемости (k_sof) (изменяется в пределах от 0 до 1) представляющий собой отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие соответственно в водонасыщенном (R_сж) и воздушно-сухом состояниях (R_сжw). Чем выше значение коэффициента размягчаемости тем менее размягчаемым является грунт.

Размывемостью грунтов называется способность их разрушаться под влиянием движущейся воды, воздействующей на грунтовую толщу, в зависимости от характера и направления водного воздействия различают – поверхностный размыв, обусловленный действием текучих вод вдоль поверхности грунта (по касательной), волновой размыв (лобовой), обусловленный фронтальным действием воды и суффозионный размыв, обусловленный выносом частиц грунта из массива движущимся водным потоком.

Механизм суффозионного размыва (иногда называют фильтрационной водопрочностью) состоит в гидромеханическом воздействии на частицы, ослаблении структурных связей и выносе отдельных частиц из грунта вместе с фильтрационным потоком. Суффозия может быть механической или сопровождаться растворением и выщелачиванием грунта (химическая суффозия). Параметрами характеризующими механическую суффозионную устойчивость грунтов являются I_взв – критический градиент фильтрации, при котором происходит взвешивание частиц. V_кр – критическая размывающая скорость фильтрации. I_кр – критический градиент фильтрации при котором происходит разрушение грунта в восходящем фильтрационном потоке.

Водопроницаемость грунтов – важнейшее свойство грунтов, учитываемое при решении самых разнообразных вопросов хозяйственной деятельности. Водопроницаемостью называется способность водонасыщенных пород пропускать сквозь себя воду за счет градиента напора. Коэффициент фильтрации является основной характеристикой водопрницаемости грунтов и равен линейной скорости фильтрации при единичном градиенте напора, измеряется в см/с или м/сут. Способы лабораторного определения коэффициента фильтрации в приборах могут быть разделены на две подгруппы. Первую из них составляют те которые при определении коэффициента фильтрации не учитывают внешнего давления на грунт. Несвязные грунты в приборе Тима, трубке Каменского, трубке СПЕЦГЕО и др., а также способ определения коэффициента фильтрации связных слабонабухающих грунтов в приборе Тима-Каменского. Вторую – составляют способы позволяющие при определении коэффициента фильтрации учитывать влияние внешнего давления а также проводить опыты при постоянной пористости для набухающих грунтов – прибор ПВ, приборы Коломенского, Гуменского и др. Также можно определять коэффициент фильтрации по эмпирическим формулам- Формула Газена k_ф= Сd²_ef(0,7+0,037t) м/сут, где С –эмпирический коэффициент однородности песков (для чистых и однородных песков С принимается равным от 1200 до 800, для глинистых и неоднородных песков от 800 до 400), d_ef – действующий диаметр определяемый графически, мм, t – температура воды ⁰С. Область применения ограничена только для песков с действующим диаметром от 0,1 до 3мм и коэффициентом неоднородности d₆₀:d_ef<5, также по номограмме Биндемана к формуле Газена. Формула Слихтера k_ф= 496Мd²_ef, где М величина зависящая от пористости, также по номограмме Биндемана к формуле Слихтера. Формула Слихтера дает более или менее удовлетворительные результаты для песков средней крупности и, отчасти, крупных.

Формула Крюгера

, м/сут, где n – пористость,%, d_q действующий диаметр грунта, мм определяется по вспомогательной формуле: 1/ d_q = q₁/d₁+q₂/d₂+q₃/d₃+…+q_n/d_n, где q₁, q₂, q₃, … , q_n – доли участия отдельных фракций в составе грунта, d₁, d₂, d₃, … , d_n – средние диаметры частиц в пределах соответствующих фракций, формула Крюгера дает наилучшие результаты для песков средней крупности. Также по номограмме Биндемана к формуле Крюгера.

Деформациейназывается изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением, это перемещение может быть вызвано разными причинами – термическим расширением и сжатием, фазовыми переходами, действием механических напряжений. Под действием механических напряжений возникают механические деформации. Выделяют линейные деформации (ε), вызванные нормальными напряжениями (σ), касательные или сдвиговые деформации (γ), вызванные касательными напряжениями (τ). При воздействии на тело всесторонних нагрузок (например гидростатического обжатия) в нем возникают объемные деформации (ε_v). Мерой линейных деформаций является относительная линейная деформация (ε), определяемая как отношение приращения длины (или абсолютной линейной деформации) Δl к первоначальной длине l₀ – ε = Δl/ l₀. мерой объемной деформации является относительная объемная деформация которая равна сумме относительных линейных деформаций по трем координатным осям. Линейные деформации могут быть положительными, т.е. деформация сжатия и отрицательными, т.е. деформация растяжения. Мерой касательных деформаций является относительная деформация сдвига (γ), равная тангенсу угла перекоса – γ = tgα. Измеряются деформации в долях единиц. Одним из вопросов в механике грунтов является установление количественной зависимости между напряжениями и соответствующими им деформациями. В общем случае эти зависимости нелинейные , зависят от большого числа факторов. Однако для частных случаев эти зависимости являются линейными и описываются простыми линейными уравнениями, известными как закон Гука. Закон Гука для нормальных и касательных деформаций записывается в виде – σ = Е ε; τ = G γ, где Е – модуль Юнга (или модуль упругости), Па, G – модуль упругого сдвига, Па. При одноосном сжатии под напряжением σ_z происходит изменение как продольных так и поперечных размеров тела. В упругой области поперечная и продольная деформации связаны между собой соотношением ε_x = -με_z, где μ – коэффициент Пуассона. В общем случае деформация образца складывается из двух частей – обратимой и необратимой (остаточной) ε_общ=ε_обр+ε_ост, где ε_общ – общая деформация образца, ε_обр – обратимая деформация образца, ε_ост, - остаточная или необратимая пластическая деформация, аналогичные соотношения имеют место и для сдвиговых деформаций. Обратимые деформации являются следствием упругих свойств тела. Необратимые деформации являются результатом проявления пластических свойств тела. Для характеристики деформируемости кроме выше указанных упругих констант используют также модуль общей деформации Е₀ он определяется соотношением Е₀= σ/ ε_общ, тогда как модуль упругости рассчитывается из соотношения Е=σ/ ε_обр, таким образом всегда Е₀ < Е. Модуль общей деформации не является константой для данного материала так как зависит от диапазона напряжений для которых он был рассчитан. Модуль упругости определяемый в статических условиях (при однократном нагружении тела) отличается от модуля упругости определяемого в динамических условиях (при многократном нагружении или по скорости прохождения упругих волн). Для того чтобы подчеркнуть эти различия используют два показателя статический модуль упругости Е_с и динамический Е_D. При этом для всех перечисленных модулей имеет место соотношение Е_D> Е_с>Е₀.

Сжимаемостью грунтов называют способность их уменьшаться в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления. Степень сжимаемости и явления происходящие при сжатии зависят от состава, состояния и структуры грунтов. Сжимаемость песчаных грунтов невелика и зависит от гранулометрического и минерального состава и плотности сложения. Сжимаемость глинистых грунтов зависит от минерального состава, степени дисперсности, состава обменных катионов, пористости, а также от состояния, степени водонасыщения и условий сжатия. При сжатии глинистых грунтов большую роль играют гидратные оболочки вокруг минеральных частиц, воспринимающие часть нагрузки и деформирующиеся при сжатии а также непосредственное взаимодействие частиц обусловленное силами Ван-дер-Ваальса. Сжимаемость глины резко различается в зависимости от нарушенности структуры, образцы с нарушенной структурой сжимаются больше. При полном водонасыщении грунтов сжимаемость определяется их водопроницаемостью поэтому при малых значениях коэффициента фильтрации процесс сжатия может длиться долгие годы.

Коипрессионная сжимаемость грунтов или компрессия – это способность грунта сжиматься под постоянной, ступенчато возрастающей нагрузкой без возможности бокового расширения в условиях открытой системы, т.е. с возможностью оттока воды и воздуха из пор образца. Поскольку при компрессии диаметр образца помещенного в кольцо не меняется то его относительные объемная и вертикальная деформации равны. При компрессии деформирование образца грунта и уменьшение его объема происходят за счет уменьшения объема пор, отжатия из них воды и воздуха при этом объем скелета не меняется, в этом случае деформацию можно выразить через изменение пористости грунта

, где е₀ и е_р коэффициенты пористости соответственно начальный и при нагрузке σ. Из приведенного уравнения следует формула для расчета коэффициента пористости e_p= e₀ – ε_z(1+e₀), где ε_z = Δh/h – относительная вертикальная нагрузка при данном давлении σ (т.е. данной ступени нагрузки). Основная задача компрессионных испытаний заключается в установлении зависимости между вертикальными деформациями и вертикальным давлением – компрессионная кривая, на основе которой рассчитывается модуль общей деформации, между вертикальными деформациями и временем передачи постоянной нагрузки – кривая консолидации на основе которой рассчитывается коэффициент консолидации.

Сжимаемость грунтов характеризуют следующие показатели

Коэффициент сжимаемости α = tgα = ΔЕ/Δσ, характеризующий изменение коэффициента пористости при соответствующем изменении нагрузки – величина безразмерная. В зависимости от α грунты подразделяются на сильно сжимаемые (α > 1МПа^-1), повышенно сжимаемые (α = 1…0,1МПа^-1), средне сжимаемые (α = 0,1…0,05МПа^-1), слабо сжимаемые (α = 0,05…0,01МПа^-1), практически несжимаемые (α < 0,01МПа^-1).

Модуль общей деформации Е₀ связан с коэффициентом сжимаемости соотношением

, где β – коэффициент учитывающий невозможность бокового расширения при компрессии, Е_ок – модуль общей компрессионной деформации.

Определение характеристик консолидации грунтов.Объемной ползучестью называется развитие во времени объемных деформаций грунта под действием постоянной нагрузки. Деформация объемной ползучести затухающая и носит нелинейный характер. Частным видом объемной ползучести является консолидация. Консолидацией называется развитие во времени затухающей деформации уплотнения в условиях компрессии. Полная осадка сооружений определяемая по показателям компрессионных свойств для разных грунтов завершается в разное время. Это время (период консолидации) для песков фактически соответствует срокам строительства, для глинистых грунтов может составлять десятки и сотни лет. Кроме того процесс консолидации протекает неравномерно и определяется исходным составом и состоянием грунтов а также их изменением во времени. Консолидация водонасыщенных глинистых грунтов происходит в первую очередь за счет отжатия из них поровой воды и вытеснения порового воздуха. При изучении консолидации определяют зависимость относительной деформации от времени при данной нагрузке. После приложения нагрузки в образце возникает упругая деформация переходящая в пластическую за счет отжатия воды – этап фильтрационной (или первичной) консолидации, затем следует этап вторичной консолидации обусловленный медленной ползучестью скелета грунта, более плотной упаковкой и переорентацией частиц грунта. Строго разграничить эти два этапа нельзя, поскольку эти процессы часто осуществляются одновременно.

Параметрами консолидации являются: степень консолидации (θ) грунта на данный момент времени (t) которая определяется отношением величины деформации на данный момент (ε_t) к конечной деформации (ε_∞); период первичной консолидации (t_ф) – время от начала уплотнения до завершения фильтрационной консолидации; коэффициент консолидации (с_v) характеризующий скорость процесса уплотнения и определяемый по теории фильтрационной консолидации из соотношения

, где k_ф – коэффициент фильтрации, е – коэффициент пористости, a – коэффициент сжимаемости, ρ_ω – плотность воды, с_v измеряется в см²/с.

Однако опыт показывает что теория фильтрационной консолидации не в полной мере описывает процесс сжимаемости грунтов во времени, т.к. значительные деформации наблюдаются после ее завершения за счет ползучести. Для упрощения решения введено понятие степени консолидации θ, равной отношению осадки грунта за время (t) к полной (конечной) его осадке.