Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Грунтовые основания
Опорные сооружения





















Яндекс.Метрика

Природа грунтов, их прочность и устойчивость

Состояние грунтов изменяется во времени под действием нагрузок, которым они подвергаются, находясь в сооружениях, а также под влиянием погодно-климатических факторов, изменения температуры и влажности.
Земляное полотно автомобильных дорог чаще всего возводят из мелкозернистых грунтов, крупность частиц которых не превышает 2 мм. Крупнообломочные грунты, где преобладают частицы крупнее 2 мм и содержатся обломки каменных пород, встречаются преимущественно в горных районах. Физико-механические свойства грунтов, как это показано В.В. Охотиным, в основном определяются количеством и свойствами содержащихся в грунтах глинистых частиц. Даже небольшое содержание глинистой фракции существенно влияет на гидрофильность, прочность, водонепроницаемость, набухание грунтов. Высокая активность глинистых минералов объясняется не только большой удельной поверхностью, но и особенностями их внутреннего строения. Внутреннее строение и удельная поверхность находятся в связи с минералогическим составом глинистых частиц.
Глинистые минералы принято разделять на гидрослюды, каолинит и монтмориллонит. В грунтах глинистая фракция обычно полиминеральна, поэтому можно говорить лишь о преобладания в ней какого-либо минерала, в соответствии с чем и грунт в целом относить к той или иной группе.
Наиболее распространенным минералом является гидрослюда, содержание которой в глинистых породах достигает 95%. Около 60% глинистых пород могут быть отнесены к гидрослюдистым. По распространению монтмориллонитовые грунты находятся на втором месте, а каолинитовые — на третьем.
Гидрослюды являются сложными минералами, имеющими удельную поверхность около 80 м2/г. Толщина пластинок гидрослюды примерно в 20 раз меньше их поперечных размеров и составляет 0,05—0,5 мкм. Они обладают стабильной кристаллической решеткой и большой активной поверхностью. Особенность монтмориллонита — слабая связь между слоями кристаллической решетки, вследствие чего последняя подвижна. Молекулы воды и других полярных жидкостей могут свободно проникать Между структурными слоями монтмориллонита и тем самым изменять расстояние между ними в 10—15 раз. Толщина пластинок монтмориллонита в 100—300, а иногда и в 1000 раз больше их поперечных размеров. Активная поверхность достигает 800 м2/г. Толщина пластинок каолинита примерно в 10 раз меньше их поперечных размеров и составляет 1—20 мкм. Удельная поверхность сравнительно невелика и равна примерно 10 м2/г.
Совершенно очевидно большое влияние на физико-механические свойства грунтов минералогического состава их глинистых, фракций. В настоящее время еще нет метода, пользуясь которым можно было бы с приемлемой достоверностью определить минералогический состав глинистых пород. Однако исследователями установлена связь между минералогическим составом грунтов и крупностью его частиц. Поэтому, зная влияние на свойства грунтов их гранулометрического состава, можно в ряде случаев учесть и влияние на них минералогического состава.
На поверхности частиц образуется адсорбционный слой воды. Этот слой, который принято называть прочносвязанной водой, обладает аномальными свойствами. Так, плотность этой воды находится в пределах 1,2 — 2,4 г/см3, а температура ее замерзания, по определению Боуюкоса, равна — 78°С. Кроме того, эта вода обладает значительной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг.
Поверх прочносвязанной располагается рыхлосвязанная вода,. которая удерживается вблизи поверхности твердых частиц меньшими силами. Свойства этой воды близки к свойствам воды в свободном состоянии. Вместе с тем она передвигается значительно медленнее свободной, скорость ее передвижения зависит от температуры. Большинство исследователей полагает, что толщина пленки прочносвязанной воды в несколько десятков раз превышает поперечные размеры молекул.
Количество связанной воды в грунтах зависит от их минералогического состава. По отношению к массе минеральных частиц в монтмориллоните связанной воды оказывается больше, чем в других глинистых минералах. Это объясняется огромной удельной поверхностью монтмориллонита и прониканием воды внутрь его кристаллической решетки. Для практических целей суммарное количество как прочно-, так и рыхлосвязанной воды следует ориентировать относительно характерных влажностей. Предполагается, что при влажности менее предела пластичности (раскатывания) вся вода находится в связанном состоянии, при большей же влажности начинает появляться свободная вода. Это положение находит косвенное подтверждение при испытании грунтов на набухание и морозоустойчивость.
Под влиянием как внешних сил, так и сил связей, развивающихся между компонентами грунта, образуются структуры. Под структурой грунта понимается размер, форма, характер поверхности слагающих его элементов, количественное отношение их в породе (отдельных частиц, агрегатов, цепей) и характер взаимосвязи их друг с другом. Еще нет единого взгляда на природу связности грунтов и механизм их структурообразования. По этому вопросу было развито несколько гипотез, с помощью которых на определенном этапе познания можно было объяснить некоторые свойства грунтов. Возможность применения некоторых гипотез была поставлена под сомнение после того, как было обнаружено, что тонкие слои жидкости, будучи помещены между двумя твердыми поверхностями, оказывают на них расклинивающее действие.
На основе коллоидно-химической гипотезы школой П. А. Ребиндера развита теория структурообразования коллоидно-дисперсных систем. Согласно этой теории в дисперсных системах по характеру связей между частицами могут образоваться два типа структур: коагуляционные и конденсационно-кристаллизованные. Несколько сходная гипотеза применительно к грунтам была разработана В. Лэмбом.
На характер структуры оказывают влияние многие факторы, в том числе минералогический и гранулометрический составы грунтов, влажность, природа поглощенных катионов и т. п. Большое влияние оказывают также те условия, при которых происходило образование гранта. Структура грунта изменяется в результате погодных и механических воздействий. Погодные воздействия сводятся к поступлению в грунт дополнительной влаги и к изменению температуры. При отрицательных температурах значительная часть находящейся в грунте воды замерзает, что влечет за собой большие изменения в структуре.
Прочность и устойчивость структуры во многом определяют прочность и устойчивость грунтов инженерного сооружения в целом. Под прочностью понимается способность грунтов выдерживать нагрузки без нарушения их сплошности, а под устойчивостью — способность грунтов при внешних воздействиях изменять свое первоначальное состояние так, чтобы связанные с этими изменениями деформации не превосходили допустимые для данных инженерных сооружений.
Механические воздействия, в зависимости от их характера и силы, а также начального состояния грунта, могут различным образом изменять структуру. Если нагрузки не превышают определенных пределов, изменения в структуре увеличивают ее прочность, в случаях превышения этих пределов происходит разрушение структуры, что приводит к понижению прочности грунта в целом. Поэтому технологический процесс возведения земляного полотна должен быть построен таким образом, чтобы было достигнуто получение не только прочной, но и устойчивой структуры грунта. Роль механических воздействий при этом чрезвычайно велика, однако прочность и устойчивость структуры зависят также еще и от природы грунта и его влажности. Поэтому не для всех видов грунтов и их состояний могут быть достигнуты необходимые прочность и устойчивость.
Исследования и, главное, многолетний опыт строительства позволили установить те виды грунтов, удовлетворительная прочность и устойчивость которых не может быть достигнута. Из таких грунтов запрещено возводить земляное полотно автомобильных дорог. Их перечень хорошо известен и приводится во всех технических правилах.
Прочность и устойчивость грунтов, из которых допускается возведение земляного полотна, не являются одинаковыми, поэтому их применение должно быть дифференцированным, т. е. тот или иной вид грунта может допускаться лишь в такие части земляного полотна, в частности насыпей, где погодные и механические воздействия не вызовут разрушений структуры грунта, образовавшуюся в процессе строительства.
Насыпи возводят из грунтов, естественное сложение которых в процессе разработки уже было нарушено землеройно-транспортными машинами. С течением времени связь между отдельными частицами и агрегатами грунта усиливается, причиной чему служат процессы старения и перекристаллизации, которые проходят в водно-коллоидных пленках на границах контакта отдельных зерен и агрегатов. Таким образом происходит упрочнение грунта во времени.
Установлено также, что сила сцепления между частицами грунта зависит от продолжительности воздействия нагрузки. Эта зависимость показывает, что процессы «старения» грунта возникают под действием нагрузок, при этом упрочнение может быть даже больше, чем достигаемое в естественном состоянии в течение длительного времени.
В результате такого упрочнения, происходящего во времени или под воздействием нагрузки, между частицами грунта возникают весьма жесткие связи. Деформация грунта может начаться лишь после, того, когда эти связи будут нарушены. Поэтому обнаруживается своеобразный «порог» нагрузки, до которого деформация упрочненного грунта практически не наблюдается. Эти связи упрочнения называют вторичными связями, структурным сцеплением или сцеплением упрочнения, в отличие от тех связей, которые образуются в первые моменты соприкосновения частиц и потому называются первичными.
Грунты можно разделить на связные, несвязные, малосвязные. Физико-механические свойства грунтов и, в частности, их связность определяются содержанием в них глинистых частиц. К связным относятся грунты, содержащие более 12% глинистых частиц, к несвязным — содержащих их в количестве 3% и менее. Промежуточную группу грунтов, содержание глинистых частиц в которых находится в пределах от 4 до 11%, можно назвать малосвязными. Такое разделение удобно, хотя и условно, так как в действительности резких изменений в свойствах грунтов на этих границах не наблюдается. На территории России наибольшее распространение имеют связные грунты. В частности, проведенные Союздорнии неоднократные обследования дорожной сети показали, что земляное полотно около 80% общего протяжения дорог возведено из связных грунтов.
Усиление структурных связей грунтов во времени наиболее характерно для связных грунтов. Изменение структурных связен является причиной тех различий в свойствах, которые наблюдаются между грунтами в естественном залегании и насыпными грунтами при одинаковых их плотностях. Грунты в естественном залегании более прочны и при одной и той же нагрузке дают меньшую деформацию. Как установлено И. М. Горьковой и подтверждено непосредственными полевыми испытаниями у нас в стране и за рубежом, это различие в прочности и деформативной способности наблюдается и в случае водонасыщенных грунтов, когда их влажность близка к пределу текучести.
Связные грунты в естественном залегании обладают более крупными и плотными агрегатами минеральных частиц и, следовательно, большим объемом пор между этими агрегатами по сравнению с грунтами, имеющими нарушенную структуру. Это повышает прочность скелета грунта и несколько увеличивает общую влагоемкость. При неизменном общем влагосодержании количество связанной воды в такой системе уменьшается, а количество свободной воды увеличивается. При механическом разрушении такой структуры происходит перераспределение свободной и связанной воды, которое приводит к увеличению связанной воды.
Влажность относится к числу факторов, влияние которых на физико-механические свойства грунта особенно велико. При постепенном повышении влагосодержания связного грунта, который вначале был взят сухим, он из монолитного, весьма прочного, но вместе с тем и хрупкого постепенно превращается в пасту, т. е. делается пластичным, а затем переходит в текучее состояние. Как известно, пластичное состояние грунта по влажности принято ограничивать двумя точками — пределами пластичности и текучести. Предел пластичности называют еще пределом или границей раскатывания.
При движении автомобилей на грунты земляного полотна передаются быстродействующие нагрузки. Такие же, но еще более интенсивные нагрузки воздействуют и при уплотнении грунтов машинами. В этих случаях некоторые виды грунтов претерпевают тиксотропные изменения. Когда влажности грунтов велики, эти изменения могут быть весьма значительными. Сущность тиксотропных изменений состоит в том, что при встряхивании грунты как бы разжижаются и выделяют воду. В момент такого разжижения резко падает прочность грунта и увеличивается его деформативная способность. Тиксотропные изменения обратимы, т. е. после прекращения механического воздействия происходит повышение прочности грунта, называемое тиксотропным упрочнением. Этот процесс может идти до конца, т. е. при длительном покое грунты могут полностью восстановить свои первоначальные свойства. Тиксотропные превращения в значительной мере изменяют свойства грунтов и потому должны обязательно учитываться при рассмотрении как устойчивости земляного полотна, так и процессов уплотнения грунтов машинами.
Деформация грунтов, как и всех других материалов, может быть обратимой и необратимой. Обратимая деформация исчезает по прекращении действия нагрузки, а необратимая остается. В механике материалов обратимую часть деформации, которая обычно протекает со скоростями, близкими к скорости звука, принято называть упругой. При деформации грунтов только часть обратимой деформации, и то при определенных условиях, идет с высокими скоростями. Скорость остальной деформации сравнительно мала, в результате чего ее изменение отстает от соответствующего изменения напряженного состояния. Поэтому обратимую деформацию грунтов называть упругой не следует. Необратимая деформация может быть названа также еще и пластической, если она не сопровождается нарушением сплошности грунта, т. е. его разрушением.
Если к какому-либо объему связного грунта с влажностью, не превышающей значений, при которых вся вода находится в связанном состоянии, приложить нагрузку, то она будет восприниматься не только минеральными частицами, т. е. скелетом грунта, но и водой. Вопрос о том, какая часть нагрузки воспринимается водными пленками и какая скелетом, еще не выяснен. Тем не менее установлено, что в крупнозернистых грунтах нагрузка воспринимается в основном скелетом, а в мелкозернистых — окружающими частицы грунта водными пленками.
Если грунт нагружать возрастающей нагрузкой, вначале будут происходить взаимоперемещения агрегатов частиц и уже потом начинают перемещаться частицы внутри агрегатов, так как сцепление внутри агрегатов, как правило, превышает сцепление между ними. При сближении частицы или агрегаты вначале соприкасаются с окружающими их водно-коллоидными пленками, которые в местах контактов начинают испытывать местные давления. В результате толщина пленок на контактах уменьшается, т. е. происходит выжимание влаги из напряженных мест в места менее напряженные. Вязкость пленочной влаги по сравнению со свободной водой повышена, поэтому ее миграция происходит с малыми скоростями. При значительных сжатиях и большом количестве контактов может оказаться, что утолщение пленок в ненапряженных местах превысит предельные размеры, которые могут быть удержаны силами физико-химического взаимодействия, и потому часть воды в этих местах из связанной перейдет в свободную. Свободная вода стремится удалиться из напряженной зоны. Направление ее движения определяется гравитационными силами, характером напряженного состояния и структурными особенностями рассматриваемого объема грунта. Свободная влага, проходя через поры и тонкие капилляры, испытывает большие сопротивления. Поэтому миграция и этой влаги не может идти с высокими скоростями.
При сближении частиц или их агрегатов происходит выдавливание воздуха, однако часть его оказывается в закрытых порах и поэтому остается. Этот воздух называют защемленным. По мере развития деформации защемленный воздух сжимается, что повышает давление в порах грунта. Защемленный воздух, являясь своеобразным амортизатором, снижает скорость деформации грунта.
При дальнейшем течении процесса начинают деформироваться не только водно-коллоидные пленки, но и сами минеральные частицы грунта. Можно предполагать, что эти деформации в большей своей части обратимы. По данным В. Д. Ломтадзе, гранулометрический состав глин сохраняется неизменным даже при воздействии на них нагрузки 7000 кгс/см2, что указывает на отсутствие разрушения самих частиц. Между тем частицы песка несвязных и малосвязных грунтов частично разрушаются при действии не только таких больших, но и обычных нагрузок. В отличие от несвязных грунтов, содержащих большое количество округлых, достаточно крупных песчаных частиц, деформация которых в основном является деформацией сжатия, в глинистых грунтах ввиду удлиненной пластинчатой формы частиц деформация развивается в результате их изгиба, и поэтому по своей абсолютной величине она может быть значительно большей. Этим частично и объясняется то обстоятельство, что обратимые деформации связных грунтов больше, чем несвязных.
Деформация какого-то объема грунта складывается из множества взаимоперемещений как отдельных частиц, так и их агрегатов, причем эти перемещения неизбежно связаны с деформацией водно-коллоидных пленок. Благодаря хаотическому расположению отдельных частиц и агрегатов пленки могут подвергаться сдвигу, сжатию и даже растяжению. Вязкость пленок, взаимосвязанность частиц и агрегатов, миграция свободной влаги и сжатие защемленного воздуха тормозят деформации, вследствие чего ее развитие всегда отстает от роста напряженного состояния.
С разгрузкой грунта перемещение частиц и их агрегатов происходит в обратном направлении. Суммируясь, эти перемещения и дают обратимую деформацию. Таким образом, обратимая деформация развивается в результате упругости самих частиц, а также их водно-коллоидных пленок, расширения сжатого перед тем защемленного воздуха и благодаря стремлению к восстановлению первоначальной толщины водно-коллоидных пленок на контактах грунтовых частиц, т. е. в местах, где влага была вытеснена развивающимся перед тем контактным давлением.
При деформации несвязных грунтов имеет значение трение, которое развивается на контактах соседних частиц. Относительные сдвиги соседних, соприкасающихся частиц становятся возможными, когда сдвигающие усилия превосходят силы сцепления. Дальнейшее взаимоперемещение частиц определяется соотношением между внешними усилиями и силами трения. При этом возрастание внешней нагрузки увеличивает силы трения, что обусловливает прерывистое течение деформации.
Для повышения прочности и сопротивляемости воздействию нагрузок и погодно-климатических факторов грунты обрабатывают вяжущими материалами. В результате изменяется характер структурных связей между частицами и агрегатами грунта. Физико-механические свойства грунтов стабилизируются и приобретают необходимую устойчивость, которая сохраняется длительное время.
Исследования, выполненные в последние годы, показали, что процессы, происходящие при укреплении грунтов, весьма сложны и разнообразны. Они зависят от свойств грунтов и применяемых вяжущих материалов. Эти процессы можно подразделить на физико-химические (ионный обмен, адгезия вяжущих, необратимая коагуляция частиц и т. п.) и химические (гидролиз и гидратация минеральных вяжущих, образование нерастворимых в воде гелей и соединений, полимеризация полимерных веществ, взаимодействие вяжущих и их продуктов с частицами грунта и т. п.). В результате этих процессов и механических воздействий (размельчение, перемешивание и уплотнение) формируется материал с определенными физико-механическими свойствами.
Для укрепления грунтов применяют вяжущие материалы, которые имеют различную природу. Эти вяжущие разделяются на неорганические (цемент, известь, золы, шлаки, гипс, соли) и органические (битумы, дегти). В зависимости от вида применяемого вяжущего физико-механические свойства грунта могут быть весьма различными.
В общем случае могут быть выделены две основные структурные группы укрепленных грунтов — с жесткими и гибкими структурными связями. Первые, как правило, формируются при обработке грунтов неорганическими вяжущими и характеризуются высокой прочностью, но низкой деформационной способностью и, в ряде случаев, недостаточной водо- и морозостойкостью. После разрушения жесткие структурные связи не восстанавливаются. При обработке грунтов органическими вяжущими формируется материал с гибкими структурными связями. Таким укрепленным грунтам свойственна относительно небольшая прочность, но зато они обладают высокой деформационной способностью, водо- и морозостойкостью. После разрушения эти связи частично восстанавливаются. Для более полного использования положительных свойств разных вяжущих материалов в последнее время применяют метод обработки грунтов комплексными добавками неорганических и органических вяжущих.
Устойчивость и сопротивляемость как неукрепленных, так и укрепленных грунтов внешним нагрузкам во многом определяется их состоянием, которое характеризуется плотностью и влажностью. Ввиду большого разнообразия природных грунтов сами по себе абсолютные значения плотностей не отражают в полной мере состояние грунта, потому что одно и то же абсолютное значение плотности для одного грунта соответствует его плотному состоянию, а для другого рыхлому. То же можно сказать и по отношению к влажности грунта, когда она выражается в процентах от массы его скелета. Для того чтобы состояния разных грунтов были сопоставимы, их лучше оценивать относительными показателями
Применительно к условиям работы грунтов в земляном полотне автомобильных дорог и аэродромов разработан специальный метод испытания грунтов, называемый стандартным уплотнением. В результате такого испытания определяются максимальная стандартная плотность δmax и оптимальная влажность W0 грунта.
Плотности грунтов лучше всего выражать в относительных величинах — в долях от максимальной стандартной плотности. Тогда относительная плотность будет равна:
Природа грунтов, их прочность и устойчивость

где δ — плотность грунта в абсолютных величинах.
Относительную плотность грунта часто называют коэффициентом уплотнения грунта К.
Точно так же можно найти и относительную влажность грунта, как
Природа грунтов, их прочность и устойчивость

где W, W0 — влажность и оптимальная влажность грунта, %.
Соотносительная влажность, как правило, близка к пределу пластичности, отличаясь от него для разных видов грунтов на 2—3%.
Максимальные нагрузки, которые может выдержать грунт без разрушения, определяются его пределом прочности. При нагрузках менее предела прочности основная часть деформации образуется за счет уменьшения объема грунта, т. е. сближения его частиц и агрегатов, что приводит к увеличению плотности и сопротивляемости грунта внешним нагрузкам, т. е. к его упрочнению. Вместе с тем некоторая часть деформации развивается в результате скольжения его частиц и агрегатов относительно друг друга, т. е. не приводит к изменению объема грунта. При нагрузках, равных пределу прочности или больших его, основная часть деформации образуется в результате пластического скольжения, которое происходит без изменения объема грунта. Это пластическое скольжение столь велико, что приводит к нарушению сплошности грунта. Разрушение грунтового полупространства начинается с образования на некоторой глубине трещин, которые затем появляются и на поверхности.
В большинстве случаев воздействие нагрузок па грунты земляного полотна может быть представлено как деформирование грунтового полупространства жестким штампом. Под грунтовым полупространством понимается бесконечно большой массив грунта, который с одной стороны ограничен плоскостью. К такой расчетной схеме могут быть сведены силовые воздействия на грунты, оказываемые движущимися транспортными средствами, а также уплотняющими машинами. В этой книге рассматриваются в основном вопросы механики грунтового полупространства и потому именно к полупространству и следует, в первую очередь, относить все приводимые ниже закономерности. Однако в некоторых случаях эти закономерности носят общий характер, т. е. могут быть распространены и на деформирование образцов грунта, что и оговаривается в соответствующих местах. Способность грунтового полупространства сопротивляться нагрузкам может быть до некоторой степени охарактеризована модулем деформации, который определяется выражением
Природа грунтов, их прочность и устойчивость

где σ — среднее контактное напряжение под штампом, которое равно отношению общей нагрузки к площади штампа; dш — диаметр штампа; λ — полная деформация (осадка) штампа. Из уравнения следует, что
Природа грунтов, их прочность и устойчивость

т. е. выражение аналогично закону Гука, если за относительную деформацию принять отношение ε = λ/dш и учитывать при этом не только обратимую, но и необратимую части деформации.
Уравнение (3) выводится в результате интерпретации формулы теории упругости, полученной в итоге решения задачи о нагрузке упругого полупространства через жесткий круглый штамп радиуса R. Эта формула имеет вид
Природа грунтов, их прочность и устойчивость

где P — полная нагрузка на штамп; E — модуль упругости среды, в которую погружают штамп; μ — коэффициент Пуассона этой среды.
Формулу можно преобразовать в вид:
Природа грунтов, их прочность и устойчивость

При определении модуля упругости материала, из которого состоит среда, не простым растяжением или сжатием, а посредством деформирования штампом его полупространства можно записать равенство:
Природа грунтов, их прочность и устойчивость

где Е1 — модуль упругости полупространства; α — поправочный коэффициент.
Формулы (3) и (7) аналогичны. Для однородных сред принимают α=1, тогда эти формулы становятся одинаковыми.
Опытами установлена практическая независимость модуля деформации грунта от диаметра штампа. Это положение было нами проверено еще раз, причем оказалось, что ошибка от такого предположения при изменении диаметра штампа в 4 раза не превышает 14%. Такую точность следует считать удовлетворительной. Поэтому модуль деформации — удобная характеристика для оценки сопротивляемости грунтов внешним нагрузкам. При связных грунтах, деформируемых через штамп циклической нагрузкой, модуль не зависит также и от величины контактного напряжения, что при оценке этих грунтов создает дополнительные удобства. Сопротивляемость нагрузкам несвязных грунтов, где отсутствует линейная зависимость между напряжениями и деформациями, следует сопоставлять по модулям деформации, полученным при одинаковых относительных деформациях.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: