Механические свойства грунтов

Механическими называются те свойства грунтов, которые характеризуют их поведение под нагрузкой.

Все механические характеристики грунта делятся на 3 группы:

• I гр. – для оценки деформативных свойств грунта

  • m_о – коэффициент сжимаемости основания см²/кг, МПа^-1;

  • m_v– приведенный коэффициент сжимаемости основания;

  • Е₀ – модуль общей деформации кг/см², МПа.

• II гр. – для оценки фильтрационных свойств грунта

  • K_ф– коэффициент фильтрации см/с; м/сут;

  • Ј – гидравлический градиент.

• III гр. – для оценки прочностных свойств грунтов

  • φ – угол внутреннего трения (град.);

  • С – коэффициент сцепления кг/см², МПа.

Для определения деформативных свойств грунтов (I группа характеристик) проводятся компрессионные испытания.

Компрессионные свойства грунтов (сжимаемость)

Все механические свойства грунтов определяются опытным путём (полевые и лабораторные исследования).

Рассмотрим, прежде всего, те приборы, с помощью которых определяются эти свойства.

Исследуем грунт ненарушенной структуры, помещая его в одометр, иначе называемый компрессионным прибором (см. рисунок).

Общий вид компрессионного прибора (автоматизированная система).

При испытании прикладываем на образец грунта нагрузку Р₁ – произойдет уплотнение грунта, и коэффициент пористости станет е₁.

Затем прикладываем нагрузку Р₂, получим е₂ и т.д. (4–5 ступеней).

После заданного нагружения будем снимать нагрузку и наблюдать за результатами. По результатам испытаний строим график компрессионной кривой (к.к).

Графическое представление компессионных испытаний в одометре с построением прямой и обратной ветвей компрессионных кривых (к.к.).

Компрессия – это сжатие грунта без возможного бокового расширения.

Схематично условие компрессии можно представить при рассмотрении следующих инженерных задач:

1. Уплотнения слоя грунта при сплошной равномерно распределенной нагрузке (плотина, насыпь и т.д.);

2. Уплотнение слоя грунта толщиной h≤0,5 b под центром под центром тяжести подошвы фундамента.

Эти условия можно представить ниже приведенными схемами.

Из графика компрессионной кривой видно, что происходит необратимое уплотнение грунта. Нас интересует в основном только прямая ветвь компрессионной кривой.

Обратная ветвь к.к. – возможность поднятия дна котлована, имеет значение при глубоких котлованах(гидротехническое строительство).

Изобразим снова компрессионную кривую.

На небольшом участке рассмотрим приращение нагрузки ∆Р и получим соответственно ∆е. Заменим дугу прямой и рассмотрим угол α.

∆е = –tgα∆Р

В этой формуле знак (–) означает, что с увеличением нагрузки α – уменьшается. В дифференциальной форме:

dе = –tgαdР

tgα = m_о и тогда de = –m_оdP – основная математическая форма закона компрессии.

Относительное изменение коэффициента пористости пропорционально изменению нагрузки (для малых интервалов нагрузок).

Компрессионная кривая позволяет судить о сжимаемости грунта.

α – может характеризовать сжимаемость.

Пример изменения угла наклона к.к. для мало и сильно сжимаемого грунтов.

Возьмем произвольную точку i на прямой, в пределах отрезка Р₁ – Р₂. Составим уравнение для этой точки, исходя из начального параметра е₀.

е_i = е₀ – р_i tgα – это основное уравнение, характеризующее компрессию в выбранном варианте.

Рассмотрим подробнее  .

где m<_o – коэффициент сжимаемости грунта.

Для того чтобы получить m_o, необходимо выделить определенный интервал давлений.

• Р₁ – напряжение от собственного веса грунта

• Р – дополнительное давление от внешней нагрузки

• Р₂ – полное напряжение (Р₂ = Р₁ + Р)

Окончательно: 

В соответствии с полученными значениями коэффициента относительной сжимаемости СП (СНиП) определяет 3 категории грунта:

• m_o < 0,005 – грунт мало сжимаемый.

• m_o = 0,005÷0,05 – грунт средне сжимаемый.

• m_o > 0,05 – грунт сильно сжимаемый.