Фізико-механічні властивості ґрунтів

1. Фізико-механічні властивості ґрунтів

Зерновий (гранулометричний) склад. Під зерновим складом розуміють кількість за масою часток ґрунту різноманітного розміру по відношенню до загальної маси сухого ґрунту. За даними зернового складу породи можна давати наближену характеристику водопроникнення піщаних порід, за тими ж даними можна оцінювати можливість вимивання піщаних часток малого розміру з породи, основи споруди та інші наближені показники. За даними аналізу зернового складу оцінюють можливість використання породи для виготовлення бетону, ґрунтових гребель, дамб тощо.

Для визначення зернового складу застосовують такі методи:

1.      Механічний аналіз проводять шляхом розподілу порід на декілька фракцій, які відрізняються діаметром часток. Потім визначають відсоткову кількість часток кожної фракції у породі, яку досліджують.

2.      Ситовий метод полягає у просіюванні часток через набір сит з отворами різного діаметрау, цей метод застосовують для дослідження пісків.

3.      Метод Сабаніна ґрунтується на принципі розподілу фракцій за швидкістю падіння часток, які знаходяться у зваженому стані в спокійній рідині. Його використовують для визначення кількості глинистих та пилуватих часток у піщаних ґрунтах.

4.      Піпетковий метод полягає у відборі піпеткою проб часток, які не встигли в установлені строки осісти в процесі відстоювання. Застосовується при аналізі глинистих порід.

5.      Ареометричний метод полягає у вимірюванні спеціальним ареометром щільності скаламучених у воді часток породи, яка змінюється по мірі осідання їх у воді.

6.      Метод набрякання (Рутковського) ґрунтується на здібності глибинних фракцій набрякати у воді і на різній швидкості падіння часток у воді залежно від їх розмірів. Використовуючи цей метод, можна виділяти в породі три фракції: глинисту , пилувату та піщану.

Щільність породи – це відношення маси породи до її об'єму у природному стані разом з масою води у порах, що залежить від вологості та пористості порід.

Щільність часток ґрунту – відношення маси сухого ґрунту до об'єму його твердої частини. Щільність часток ґрунту гірських порід змінюється у межах 2600-2750 кг/м³. Ця характеристика залежить від мінерального складу порід.

Пористість порід показує ступінь заповнення об'єму породи порами та пустотами. Пористість виражають у вигляді відносного відношення об'єму пустот до загального об'єму породи.

Вологість породи називають відношення маси води, яка знаходиться у порах, до маси сухої породи. Вологість породи є дуже важливою характеристикою фізичного стану породи, впливає на її міцність та інші властивості ґрунтів.

Пластичністю називається здатність породи змінювати форму під впливом зовнішніх сил, тобто деформуватися без розривів суцільності та зберігати одержану форму після зниження впливу зовнішніх сил.

Деформування глинистих порід під впливом тиску залежить від їх консистенції (відносна вологість). Для того щоб виразити в чисельних показниках консистенції породи, при якій вона є пластичною, існують характеристики – верхня та нижня границі пластичності.

Нижня границя пластичності (границя розкочування) – такий ступінь вологості глинистої породи, при якій глинисте тісто при розкочуванні його у джгутик діаметром менше 3 мм починає розпадатися після втрати пластичних властивостей.

Верхня границя пластичності (границя текучості) – такий ступінь вологості глинистої породи, при якій спеціальний конус з балансиром заглиблюється у глинисте тісто на 10 мм.

Набрякання – здатність глинистих порід збільшувати свій об'єм у разі насичення водою. Збільшення об'єму породи супроводжується розвитком у ній тиску набрякання. Набрякання залежить від вмісту в породі глинистих та пилуватих часток, мінерального складу породи та хімічного складу води.

Набрякання враховують під час будівельних робіт. Явище набрякання породи спостерігають у котлованах, виїмках, а також при будівництві гребель та водосховищ, коли змінюються гідрогеологічні умови району спорудження або збільшується вологість порід завдяки воді, яка надходить.

Усадка – зменшення об'єму породи під впливом висихання, обумовленим природною вологістю: чим більше вологість, тим більше усадка.

Розмокання – здатність глинистих порід при контакті з водою втрачати зв'язність та руйнуватися, перетворюватись у пухку масу з частковою або повною втратою несучої здатності. Розмокання породи значно впливає на її показники міцності. Швидкість розмокання породи визначає ступінь її стійкості під водою.

Для характеристики розмокання порід використовують два показники:

1)               час розмокання, протягом якого зразок породи, що заглиблений у воду, втрачає зв'язність та розпадається на структурні елементи різного розміру;

2)               характер розмокання відображує якісну картину розпаду зразка породи.

Більша частина порід з кристалізаційними структурними зв'язками практично не розмокає. На противагу їм дисперсні породи, у яких ці зв'язки відсутні, розмокають. Щільні глини та суглинки, які не розмокають у воді, розмиваються лише під час довгого впливу текучої води. Зв'язні породи, які характеризуються слабкими структурними зв'язками, розмокають швидко. Здатність розмиватися обумовлена опором розмоканню.

Стисливість. Глинисті породи під впливом навантаження деформуються без руйнування. Властивості деформуватися характеризуються модулем деформації, коефіцієнтом Пуассона, коефіцієнтом стисливості і консолідації, модулями зсуву та об'ємного стискання.

Деформаційні властивості дисперсних ґрунтів визначаються їх стисливістю під навантаженням, яка обумовлена зміщенням часток відносно одна одної та відповідним зменшенням об'єму пор внаслідок деформації часток породи води та газу.

При визначенні стисливості ґрунтів розраховують показники, які характеризують залежність кінцевої деформації від навантаження та зміну деформацій ґрунту у часі при постійному навантаженні. До першої характеристики показників відносять коефіцієнт ущільнення, коефіцієнт компресії, модуль деформації, до другої - коефіцієнт консолідації.

Зчеплення. Опір ґрунтів зсуву – найважливіша властивість міцності, яку необхідно знайти для вирішення інженерно-геологічних завдань. Під впливом деякого зовнішнього навантаження у визначених зонах ґрунту зв'язки між частками руйнуються і відбувається зміщення одних часток відносно інших. При цьому ґрунт набуває здатності необмежено деформуватися під даним навантаженням.

Руйнування ґрунту відбувається у вигляді переміщення однієї частини масиву відносно іншої.

2. Напружено-деформований сан ґрунту

Під дією власної ваги і зовнішніх навантажень у ґрунтовому масиві формується складний напружено-деформований стан (НДС), який може трансформуватися у просторі і в часі залежно від початкових і граничних умов, властивостей ґрунтів, що складають масив тощо.
Рорізняють природний, початковий (після дії зовнішнього навантаження), проміжний, або нестабілізований, та стабілізований напружено-деформований стан масиву ґрунту.

Основними задачами розрахунку напружень у будівельних ґрунтах є:
- визначення напружень по підошві фундаментів споруд, а також по поверхні взаємодії конструкцій з масивами ґрунту – так званих контактних напружень;
- визначення напружень у масиві ґрунту під дією місцевого навантаження в умовах як просторової, так і площинної задач;
- визначення напружень у масиві ґрунту під дією власної ваги, що має назву природного тиску.

Характер розподілу контактних напружень залежить від жорсткості, форми і розмірів фундаменту споруди і від жорсткості (підатливості) ґрунтів основи.
Розподіл напружень в основі великою мірою залежить від форми фундаменту в плані. Оскільки в промисловому і цивільному будівництві зазвичай використовуються стрічкові, прямокутні або круглі фундаменти, основне практичне значення має розрахунок напружень для випадків плоскої, просторової і вісесиметричної задач.
Точне визначення початкового напруженого стану масиву ґрунтів є складною задачею, пов’язаною з необхідністю врахування багатьох факторів. Дотепер придатного для інженерних розрахунків рішення цього завдання ще не отримано. Тому на практиці зазвичай користуються досить спрощеним уявленням про те, що природні напруження в масиві ґрунтів визначаються тільки силами гравітації, формуючись під дією власної ваги. При цьому вважається, що всі деформації масиву від власної ваги ґрунту вже припинилися і напруги повністю стабілізувалися.
Виділяються наступні фази напружено-деформованого стану ґрунту: 0 – фаза пружних деформацій; I – фаза ущільнення; II – фаза зсувів; III – фаза випору (рис. 9.10).

Напружено-деформований стан ґрунту в кожній із виділених фаз характеризується наступним чином.
Фаза пружних деформацій характеризується рівнем напружень у скелеті ґрунту, що не перевищує міцність структурних зв’язків між мінеральними частинками ґрунту або, що те саме – структурної міцності ґрунту. Деформації ґрунту в цій фазі оборотні і є дуже малими, оскільки обумовлені стисливістю мінеральних часток. Рівень напружень, що відповідає кінцю цієї фази, має назву, «структурна міцність ґрунту» (Рстр) і зазвичай не перевищує 5–10 % допустимих тисків на ґрунт.
Фаза ущільнення відповідає рівням напружень у ґрунті, в діапазоні яких процес його деформування задовільно підлягає закону ущільнення Терцагі. Лінійна залежність між деформаціями і напруженнями в цій фазі є необоротною. За розвантаження штампа з діапазону тисків, що відповідає фазі ущільнення, ґрунт деформується за лінійною залежністю, яка не збігається з вектором навантаження. За повного розвантаження штампа має місце незворотне (пластичне) осідання ґрунту, що відповідає нульовим напруженням по підошві. Повторне навантаження штампа до рівня напружень перед розвантаженням відбувається за графіком, що збігається із графіком розвантаження. Навантаження, що перевищує цей рівень, відбувається за законом первинного навантаження. Таким чином, закон ущільнення Терцагі встановлює лінійну залежність між напругою і сумою пружної і пластичної деформацій ґрунту. Зазначена особливість закону ущільнення формулюється як принцип лінійної деформованості: за простого навантаження ґрунту в фазі його ущільнення сума пружної і пластичної деформацій лінійно залежить від діючої напруги. Коефіцієнтом пропорційності в цій лінійній залежності є модуль деформації ґрунту Е, названий так для розрізнення з модулем пружності, що характеризує деформацію пружного тіла. Модуль пружності ґрунту Еа визначається за Напружено-деформований стан ґрунту в кожній із виділених фаз характеризується наступним чином.
Фаза пружних деформацій характеризується рівнем напружень у скелеті ґрунту, що не перевищує міцність структурних зв’язків між мінеральними частинками ґрунту або, що те саме – структурної міцності ґрунту. Деформації ґрунту в цій фазі оборотні і є дуже малими, оскільки обумовлені стисливістю мінеральних часток. Рівень напружень, що відповідає кінцю цієї фази, має назву, «структурна міцність ґрунту» (Рстр) і зазвичай не перевищує 5–10 % допустимих тисків на ґрунт.
Фаза ущільнення відповідає рівням напружень у ґрунті, в діапазоні яких процес його деформування задовільно підлягає закону ущільнення Терцагі. Лінійна залежність між деформаціями і напруженнями в цій фазі є необоротною. За розвантаження штампа з діапазону тисків, що відповідає фазі ущільнення, ґрунт деформується за лінійною залежністю, яка не збігається з вектором навантаження. За повного розвантаження штампа має місце незворотне (пластичне) осідання ґрунту, що відповідає нульовим напруженням по підошві. Повторне навантаження штампа до рівня напружень перед розвантаженням відбувається за графіком, що збігається із графіком розвантаження. Навантаження, що перевищує цей рівень, відбувається за законом первинного навантаження. Таким чином, закон ущільнення Терцагі встановлює лінійну залежність між напругою і сумою пружної і пластичної деформацій ґрунту. Зазначена особливість закону ущільнення формулюється як принцип лінійної деформованості: за простого навантаження ґрунту в фазі його ущільнення сума пружної і пластичної деформацій лінійно залежить від діючої напруги. Коефіцієнтом пропорційності в цій лінійній залежності є модуль деформації ґрунту Е, названий так для розрізнення з модулем пружності, що характеризує деформацію пружного тіла. Модуль пружності ґрунту Еа визначається за графіком розвантаження і є коефіцієнтом пропорційності між пружною деформацією ґрунту і діючою напругою. Модуль деформації використовується в статичних розрахунках, а модуль пружності – в динамічних розрахунках ґрунтових основ.
Фаза зсувів характеризує початок утворення в ґрунті зон граничної рівноваги.
Зоною граничної рівноваги в ґрунті називають геометричне місце точок, в яких не задовольняються умови міцності Кулона–Мора. Спочатку ці зони утворюються по краях штампа, де має місце концентрація напруг. Руйнування ґрунту супроводжується великими зсувними деформаціями, що знайшло відображення в назві цієї фази – «напружено-деформований стан ґрунту». Ущільнення ґрунту в цій фазі практично не відбувається. Ґрунт вважається нестисливим, а коефіцієнт Пуассона в цій фазі є близьким до 0,5. Тиск на ґрунт, що відповідає початку фази зсувів, називають початковим критичним тиском – пРкр.
Фаза випору є наслідком розвитку фази зсувів в області ґрунтового масиву, що є основою штампа з утворенням поверхонь ковзання, що відокремлюють основу штампа від ґрунтового масиву, який залягає нижче. Внаслідок цього просадки штампа відбуваються без збільшення навантаження за рахунок переміщення ґрунту основи з-під штампа по площинах ковзання та з виходом на поверхню грунтового масиву. При цьому навколо штампа відбувається здіймання (випору) ґрунту, що знайшло відображення в назві цієї фази. Безпосередньо під штампом у фазі випору утворюється конічна переущільнена зона, яка називається ядром жорсткості. Міцність цієї зони обумовлена бічними тисками навколишнього ґрунту, що знаходиться в стані пластичної течії, коли коефіцієнт бокового тиску в ґрунті у стані пластичної течії тяжіє до одиниці. Таким чином, жорстке ядро знаходиться (до вичерпання несучої здатності основи) у стані компресійного стиснення, яке є близьким до тривісного стиснення, що і визначає його високу міцність. У зонах пластичної течії недоущільнені ґрунти отримують додаткове ущільнення, а переущільнені – разущільнюються. Це явище називається дилатансією. Тиск, за яким настає фаза випору, має назву граничного критичного тиску – прРкр.
Під час визначення напружень у масиві ґрунту використовуються закони механіки для пружного суцільного тіла, що дозволяє розглядати і вирішувати будь-які завдання визначення напружено-деформованого стану цього масиву.
Рівняння теорії пружності можуть бути застосовані до ґрунтів із певними обмеженнями:
– закон Гука в загальному випадку не можна застосувати, тому що у ґрунтах виникають значні залишкові деформації;
– лінійний зв'язок між напруженнями і загальними деформаціями є справедливим лише в певних межах;
– рівняння теорії пружності є справедливими тільки для масиву ґрунту, в якому відсутні області граничної рівноваги;

– рівняння теорії лінійно-деформованих тіл можна використовувати лише за одноразового навантаження основи;
– рівняння теорії лінійно-деформованих тіл відповідають початковому (непорушеному) і кінцевому (стабілізованому) статичному станам ґрунту і визначають повні напруги в скелеті ґрунту під дією зовнішніх сил.

3. Стійкість укосів та схилів

Укіс – необхідний елемент всіх споруд із ґрунту – насипів, дамб, гребель, виїмок, кар’єрів і котлованів (рис. 9.20). Природний укіс називається схилом. Елементами простого укосу є: висота Н, закладення В, кут нахилу α, брівка А (рис. 9.20, а).
Укоси можуть мати складнй обрис із різними кутами нахилу по висоті і горизонтальними майданчиками – бермами (рис. 9.20, б). 
Крутизна укосу характеризується кутом нахилу α або його tg α = B / H. На прктиці частіше використовують завдання укосу у вигляді 1 : m, де m = B / H. Наприклад, за α = 45˚ m = 1; за α = π/2, m = 0 маємо вертикальний укіс (рис. 9.20, в).

У деяких випадках стійкість укосів можна оцінити за умови граничної рівноваги. Нехай, наприклад, на схилі, складеному піщаним ґрунтом із кутом внутрішнього тертя φ, призма АВС, відтята площиною під кутом α, знаходиться в стані граничної рівноваги (рис. 9.21).

Відповідно, умовою стійкості такого укосу буде α < φ, а ступінь стійкості можна оцінити коефіцієнтом

Аналогічно можна встановити граничну висоту вертикального укосу (рис. 9.20, в). Якщо прийняти, що обвал укосу може відбутися після руйнації ґрунту в найбільш напруженій точці укосу з напруженням, що дорівнює: σ1= γ hкр; σ3= 0.
Звідки висота стійкого уклону дорівнює

Завдання щодо стійкості укосів вирішуються на основі системи рівнянь. Існує два варіанти таких завдань:
1. Визначення абрису укосу і характеристики ґрунту φ, с, γ. Для чого визначається навантаження на поверхню, за якого ґрунт знаходиться у стані граничної рівноваги.
2. За відомої інтенсивності навантаження на верхній горизонтальній поверхні потрібно встановити такий абрис укосу, за якого ґрунт буде знаходитися в граничній рівновазі.

На практиці для шаруватих укосів, складених піщаними і пилувато-глинистими ґрунтами, розрахунок стійкості часто проводиться методом круглоциліндричної поверхні ковзання (методом відсіків).
Передбачається, що втрата стійкості укосу може статися внаслідок обертання частини масиву ґрунту щодо точки О (рис. 9.22).

Крива ковзання приймається як дуга з радіусом R і центром у точці О. Коефіцієнт стійкості тут виражається співвідношенням моментів утримуючих (Мутр.) і зсувних (Мзс.) сил:

Значення коефіцієнта стійкості відповідає умовам: за К > 1 укіс є стійким; якщо К < 1 – не стійкий, а при К = 1 укіс знаходиться в граничній (тобто нестійкій) рівновазі, що також є неприпустимим для будівельної споруди. Але найголовніше – умова К > 1 має виконуватися для найменшого коефіцієнта стійкості, розрахованого для найнебезпечнішої поверхні ковзання. Це встановлюється шляхом проведення серії розрахунків для різних положень центру і значень радіуса R. Нормативні коефіцієнти стійкості (надійності) під час проектування приймаються більшими за одиницю (в межах 1,2–1,5). Такий запас надійності є необхідним через неточність розрахунків схеми, неоднорідність ґрунтів, приблизне визначення їх характеристик та інших, часто непередбачуваних під час проектування факторів.