книги / Механика грунтов

в з р ы х л е н н у ю с т р у к т у р у , что обусловливает дополни­ тельную его осадку под нагрузкой.

Следовательно, необходимо избегать замораживания грунтов с 'последующим оттаиванием, так как это весьма отрицательно сказывается на их механических свойствах и делает их струк­ турно неустойчивыми. Особенно вредные последствия вызывает медленное и при небольших отрицательных температурах замо­ раживание пылеватых и мелкозернистых грунтов, часто обуслов­ ливающее возникновение мощных прослоек и линз льда.

По этим причинам основания сооружений не должны под­ вергаться замораживанию в условиях возчможного избыточного льдовыделения. Исключение составляют лишь крупнозернистые грунты при низком стоянии уровня грунтовых вод. При высоком же стоянии уровня грунтовых вод, в условиях подсасывания вла­ ги в процессе промерзания грунтов, а также при наличии на­ порных вод возможно образование линз льда и в песчаных грунтах со всеми вытекающими из этого нежелательными по­ следствиями.

Фи з и ч е с к и е с в о й с т в а м е р з л ы х г р у н т о в отли­ чаются от свойств обычных грунтов, имеющих положительную температуру, прежде всего тем, что в их порах всегда содер­

Льдистость мерзлых грунтов с достаточной точностью может быть определена калориметрическим путем, исходя из того, что только вода, перешедшая в лед, будет выделять при оттаивании скрытую теплоту льдообразования.

Для мерзлых грунтов оказывается иногда более удобным вычислять не весовую влажность т (по отношению к весу су­

хого грунта), а общую влажность й2;общ (по отношению к весу всего грунта). Такой способ определения влажности позволяет при изучении мерзлых грунтов избежать величин влажности, больших 100%, которые часто наблюдаются в условиях избы­

шобщ =54,5%, т. е. 54,5% от общего веса мерзлого грунта будет составлять вода всех категорий. При этом следует иметь в виду, что общая влажность для мерзаых грунтов меняется от 0 до 100% (для чистого льда).

Отметим, что введение понятия общей влажности не вносит осложнений в расчеты, а наоборот, облегчает их, так как между

Величины йУ0бщ и ш выражены в долях единицы. Таким об­ разом, общая влажность равна отношению веса воды к весу всего грунта, т. е. (для 1 см3 грунта)

шобщ _Щс »

7

или, учитывая, что вес сухого грунта в 1 см3 (объемный вес ске­ лета) по формуле (2) равен

1+ щ *

после подстановки и сокращения получим выражение (19). Путем простейших рассуждений точно так же получим (для

1 см3 мерзлого грунта): вес твердых частиц (^с)

зических свойств мерзлых грунтов как четырехфазной системы частиц необходимо знать ч е т ыр е величины:

Перечисленные четыре величины частично могут быть за­ менены другими, что в расчетах приводит к тождественным ре­ зультатам, а именно: вместо йУ0бщ и / определяются весовая влажность ш и количество незамерзшей воды гюнз по отноше­ нию к весу высушенного грунта. Все остальные характеристики вычисляются по приведенным выше формулам (табл. 6).

При оттаивании мерзлых грунтов, даже без нагрузки, резко изменяются их структурные связи, возникают значительные осадки и просадки. Поэтому при оценке мерзлых грунтов как оснований сооружений кроме перечисленных показателей ос­ новных физических свойств существенное значение имеет относи­ тельная осадка их при оттаивании без нагрузки, или так назы­ ваемый к о э ф ф и ц и е н т о т т а и в а н и я Л0, приближенно оп­ ределяемый выражением

где 50 — осадка слоя грунта, оттаивающего без нагрузки; к — глубина оттаивающего слоя незначительной мощно­

сти [к <0,5 ж), когда нагрузку от действия собствен­ ного веса грунта можно не учитывать.

Если А0> 0.02, мерзлые грунты при оттаивании характери­ зуются как просадочные.

Г л а в а II

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

§ 1. ПОНЯТИЕ О ЗАКОНАХ ПОРИСТОСТИ

Общие замечания

В механике сплошных масс, в том числе и в механике мас­ сивных горных пород, рассматриваются тела сплошные, кото­ рые нередко состоят из ясно выраженных отдельных кристаллов

изерен различных минералов, но настолько взаимно связанных

испаянных между собой, что прочность связей между ними не отличается от прочности отдельных минеральных зерен. Такие тела деформируются под действием внешних сил как тела сплошные, описываемые в строительной механике и общей ме­ ханике сплошных масс.

Врыхлых же горных породах (природных дискретных мине­ рально-дисперсных образованиях), рассматриваемых в механи­ ке грунтов как основной объект изучения, при действии внешних сил возникают как общие деформации, присущие всем сплош­ ным телам, так и деформации, обусловленные взаимными пере­ мещениями отдельных зерен грунтов и их твердых минеральных частиц. Если при действии внешних сил прочность структурных связей между минеральными частицами грунтов не нарушается, то грунты будут деформироваться как сплошные тела; в случае же их нарушения деформации будут определяться главным об­ разом перемещениями отдельных зерен грунтов. Поэтому кроме общих закономерностей, которым подчиняются деформации

сплошных тел, здесь будет еще ряд особенностей и закономерно­ стей, обусловливаемых природой рыхлых горных пород как ми­ нерально-дисперсных образований.

Как указывалось в главе I, основной особенностью природ­ ных грунтов как рыхлых горных пород является то, что в них твердые минеральные частицы занимают не весь объем, а только его часть, т. е. грунты не являются сплошными телами и всегда обладают той или иной пористостью, причем прочность связей между минеральными частицами во много раз меньше прочно­ сти самих частиц.

стости, а следовательно, водопроницаемости, связности и де­ формируемости грунтов в процессе внешнего на них воздействия (например, в процессе уплотнения, высыхания и т. п.).

В механике грунтов рассматривается зависимость не общей пористости грунтов от давления, величина которой, как указы­ валось ранее, обусловлена всей совокупностью условий образо* вания и историей существования данных грунтовых отложений, а лишь зависимость изменений коэффициента пористости грун­

няемость грунтов. Так, при сжатии слоя грунта (без возможно­ сти его бокового расширения) силами любой величины, или при действии на часть поверхности грунта сжимающих сил, не пре­ вышающих определенного для данного грунта предела, наблю­ дается у пл о т не ние . Процесс уплотнения в общих чертах за­ ключается в том, что под действием внешних сил расстояния между твердыми частицами уменьшаются, вследствие чего уменьшается объем пор и увеличивается объемный вес грунта, т. е. грунт приобретает более плотное сложение. Если поры грунта заполнены водой, то процесс уплотнения под действием сжимающих сил может произойти только при условии выдавли­ вания воды из пор. Внешняя нагрузка, приложенная к грунту, создает в грунтовой воде добавочный напор, вследствие чего и происходит фильтрация воды из пор, обусловливающая умень­ шение влажности грунта и увеличение его плотности. Скорость уплотнения насыщенных водой грунтов будет зависеть от скоро­ сти выдавливания воды из пор и от ползучести скелета грунта.

Таким образом, в механике грунтов при изучении компрес­ сионной зависимости рассматривается процесс уплотнения грун­ тов, при этом не ставится задача определения минимального коэффициента пористости, который может быть у грунта под действием внешней уплотняющей нагрузки любой величины, а лишь устанавливаются изменения коэффициента пористости данного природного грунта при заданном изменении внешнего давления (например, веса возводимого сооружения).

Следует учитывать (даже не вдаваясь в сложную природу деформаций грунтов, о чем более подробно сказано в последую­ щих главах), что общая деформация грунта всегда имеет часть, обусловленную изменением пористости, а во многих случаях эта часть, т. е. деформация уплотнения, будет основным видом де­ формации грунта, определяющим осадку сооружения и неравно­ мерность осадок отдельных его частей. Поэтому изучение за­ висимости между давлением и изменением коэффициента пори­ стости имеет существенное значение в практике расчетов естественных оснований.

Второй особенностью, обусловленной пористостью природных грунтов, является их в о д о п р о н и ц а е м о с т ь 1. Однако и здесь нельзя рассматривать грунт как жесткую пористую среду. В процессе уплотнения грунтов изменяется объем пор, что в свою очередь вызывает уменьшение их водопроницаемости. Кроме того, в дисперсных грунтах, особенно глинистых, филь­ трация имеет сво/и чрезвычайно важные для практики расче­ тов особенности, обусловленные наличием в этих грунтах слоев прочно связанной и лиоеорбированной воды.

В механике грунтов в большинстве случаев изучается филь­ трация воды в порах под действием напоров, возникающих от внешней уплотняющей грунт нагрузки, т. е. под действием на­ поров значительной величины. Следует иметь в виду, что даже такие маловодопроницаемые грунты, как глины, будут обла­ дать фильтрационной способностью, если напор превзойдет не­ которую предельную для данного природного грунта величину. Также отметим, что характеристики водопроницаемости грун­ тов, которыми оперирует механика грунтов, могут по своей ве­ личине значительно отличаться от характеристик, полученных, например, при полевых инженерно-геологических изысканиях, так как в механике грунтов эти характеристики определяются в условиях выдавливания воды из пор, а не в условиях филь­ трации ее в процессе откачки колодцами, фильтрами и т. п. Первостепенное значение в вопросах теории уплотнения (консо­ лидации) грунтов, точнее теории расчетов скорости уплотнения водонасыщенных грунтов под действием внешней нагрузки, при­ обретает зависимость между скоростью фильтрации и действую­ щим напором. Эту зависимость мы считаем второй закономер­ ностью, без знания которой нельзя решить целый ряд важней­ ших задач механики грунтов.

Третьей особенностью грунтов как рыхлых горных пород, вы­ являющейся особо ярко в идеально-сыпучих грунтах, является

действии сдвигающих сил. Так как в самом общем случае на­ грузка будет вызывать в грунте напряжения не только нормаль­

Под действием сдвигающих усилий отдельные зерна грунта перемещаются, при этом сопротивление сдвигу, как показывают

1 На базе закона водопроницаемости грунтов широко развита теория неравномерного движения грунтовых вод (см. работы академиков Н. Н. Пав­ ловского, П. Я. Полубариновой-Кочиной и др.), с успехом используемая при проектировании водоудерживающих гидротехнических сооружений.

тов обусловлено как трением, так главным образсж и их с в я з ­ ностью. Трение между частицами горных пород, а также связность (молекулярная, структурная, капиллярная и пр.), ко­ торыми обладают глинистые грунты, характерны именно для рыхлых горных пород, условия равновесия и движения которых изучаются в механике грунтов.

По современным данным, условия прочности и устойчивости грунтов, а также давление их на подпорные стенки и горные выработки не могут быть определены с достаточной точностью, если неизвестно предельное с о п р о т и в л е н и е г р у н т о в с д в и г у — зависимость между нормальным давлением и со­ противлением грунтов сдвигу. Из изложенного ясно, что пос­ ледняя зависимость должна рассматриваться как одна из ос­ новных закономерностей в механике грунтов.

Наконец, четвертой закономерностью механики грунтов яв­ ляется общая зависимость между деформациями и напряжения­ ми грунтов как дискретных тел, характерная именно тем, что

ными необратимыми смещениями зерен, а это может быть лишь

О сно в.н ы е з а к о н о м е р н о с т и , перечисленные выше, являются зависимостями, которые изучаются опытным путем при испытаниях образцов грунта ненарушенной структуры., если грунты рассматриваются как основания для сооружений, и нару­ шенной, если они служат материалом для насыпных земляных сооружений. Эти закономерности, как всякие устанавливаемые опытом, включают те или иные числовые показатели (коэффи­ циенты), которые и являются в механике грунтов основными расчетными характеристиками.

Обобщая вышеизложенное, можно систематизировать основ­ ные закономерности механики грунтов, их показатели и их

среды и материала для сооружений, и без знания их невозмож­ ны обоснованные инженерные расчеты.

§ 2. СЖИМАЕМОСТЬ ГРУНТОВ. ЗАКОН УПЛОТНЕНИЯ

Физические представления

Одним из отличительных свойств грунтов как рыхлых гор­ ных пород (дисперсных тел) является их значительная с ж и ­ ма е мо с т ь , т. е. способность уменьшать свой объем под влия­ нием соответствующих внешних воздействий: сжимающей на­ грузки, высыхания, коагуляции коллоидов и пр. Это свойство имеет самое существенное значение при проектировании любых сооружений, возводимых на грунтовых основаниях, и требует подробного рассмотрения.

Сжимаемость грунтов обусловливается следующими основ­ ными физическими причинами:

уменьшением объема грунта.

Упругость ч а с т и ц присуща всем без различия грунтам, за­ висит от минералогического состава твердых частиц, но обуслов­ ливает лишь незначительную долю общей сжимаемости грунта и так же, как; и сжимаемость воды, в инженерных расчетах может не учитываться.

Изменения физического состояния грунтов, возникающие при их высыхании (в процессе обезвоживания диффузных оболочек и увеличения капиллярного сжатия), а также в результате весь-