Механические свойства.

 

Механические свойства грунтов являются наиболее важными характеристиками для проектных расчетов. К ним относятся:

1) предельное сопротивление на сжатие.

2) предельное сопротивление на сдвиг.

3) компрессионные свойства.

4) пластичность и их консистенция г.п.

5) липкость.

6) пучение или набухание.

 

I) сопротивление грунтов одноосному сжатию характеризуется поведением грунта под нагрузками, равными или превышающими кристаллические, и определяется только при разрушении, грунта. Оно определяется путем раздавливания грунтов в условиях свободного бокового расширения. Разрушающая сила при этом действует только в одном направлении.

2) Сопротивление грунтов сдвигу является их важнейшим прочностным свойством, используется для решения различных иженерно-геологических задач. Под действием внешней нагрузки в определенных зонах грунта связи между частицами разрушается, и происходит смещение (сдвиг) одних частиц относительно других - грунт приобретает способность неограниченно деформироваться под данной нагрузкой. Крушение массива грунта происходит в виде перемещения одной части массива относительно другой (оползание откоса, выпор грунта из под сооружения).

3) Компрессионные свойства.

Сжимаемость дисперсных грунтов под нагрузкой обусловлена уменьшением объема пор вследствие смещения частиц относительно друг друга, деформацией самих частиц, а также воды и газов заполняющих поры. Уплотнение водонасыщенных грунтов происходит вследствие удаления воды из пор, при этом влажность грунта уменьшается. Уплотнение не полностью водонасыщенных грунтов до определенных давлений может происходить без изменения их влажности.

Степень сжатия глинистых грунтов может характеризовать их пористость. Кривая, выражающая зависимость между коэффициентом пористости и давлением на грунт, называется кривой сжимаемости, или компрессионной кривой.

Уменьшение объема глинистых грунтов под нагрузкой происходит медленно. После снятия нагрузки в грунте происходит некоторое увеличение объема, или разуплотнение. Уменьшение коэффициента пористости грунта во времени под постоянной нагрузкой показано на кривой. Оно характеризует уплотнение глинистого водонасыщенного грунта во времени и называется консолидацией. Знание процесса консолидации глинистых грунтов необходимо для правильного прогноза скорости осадок сооружения.

Величина сжимаемости глинистых грунтов измеряется коэффициентом уплотнения или сжимаемости, и модулем осадки, характеризующие величину сжатия грунта в мм, приходящуюся на I м толщи грунта под нагрузкой 0,1 МПа

Для небольшого диапазона давлений компрессионная кривая может быть заменена прямой и называется коэффициентом уплотнения при сжимаемости а. По величине а судят о сжимаемости грунта.

В практике инженерных расчетов часто в качестве норм сжимаемости применяют непосредственно величину относительной вертикальной деформации.

Величина называется модулем осадки и представляет величину сжатия в мм столба грунта высотой I м при приложении к нему дополнительной нагрузки Р = 0,3 МПа.

4) Пластичность и консистенция грунтов.

Пластичностью называют способность глинистого грунта под действием внешнего давления изменять свою внешнюю форму без разрыва сплошности (без образования трещин) и сохранять приданную ему форму после снятия нагрузки. Пластические свойства обусловливаются наличием пленочной воды на частицах грунтов. Влажность, при которой глинистый грунт переходит из твердого состояния в пластичное, наоборот, называют границей раскатывания ( Wp), а влажность при 1ереходе из пластичного состояния в текучее - границей текучести (Wu). Диапазон влажности между этими границами отвечает пластичному состоянию грунта.

Консистенция глинистых грунтов (характеризуется степенью подвижности частиц грунта, обусловленной различным содержанием в нем воды. Консистенция характеризуется показателем консистенции, представляющим числовую характеристику грунта

5) Набухание и усадка.

Набухание - способность глинистого грунта при увлажнении увеличиваться в объеме. При этом происходит утолщение пленок связанной воды. Влажность грунта при набухании называется влажностью набухания. Оно характеризуется величиной относительного набухания.

Усадкой называют процесс уменьшения объема глинистого грунта при высыхании - это процесс обратный набуханию. Набухание и усадка может вызывать значительные неравномерные осадки или подъем оснований зданий и сооружений и их деформации.

Свойства глинистых (связных) пород во многом зависят от влажности, хотя имеет значение и минеральный состав, степень дисперсности, наличие включений.

Пластичность характеризуется числом пластичности и опре­деляется интервалом изменения влажности от верхнего предела плас­тичности (Wt - предел текучести) до нижнего (Wp - предел раска­тывания):, %.

Непосредственно от влажности зависит консистенция глинистых

пород (грунтов):

где В - коэффициент консистенции. По его величине глины подразделяются на следующие группы:

В<0 - твердые,

0-0,25 - полутвердые,

0,25-0,50 - тугопластичные,

0,50-0,75 - мягкопластичные,

0,75-1,0 - текучепластичные,

В>1,0 - текучие.

Глинистые породы обладают также липкостью, набухаемостыо, размокаемостью, просадочностью. Все эти свойства определяются при инженерно-геологических испытаниях.

Глинистые и смешанные песчано-глинистые породы подразделя­ются по величине пластичности и содержанию глинистых частиц.

В частности, по пластичности:

глины - число пластичности более 17,

суглинки - 7-17,

супеси - 1-7

По содержанию глинистой фракции (меньше 0,005 мм):

глины тяжелые - более 60%,

глины - 30-60%,

суглинки тяжелые - 20-30%,

суглинки средние - 15-20%,

суглинки легкие - 10-15%,

супеси - 3-10%,

пески - менее 3%.

Вопрос классификации раздельнозернистых (песчаных и грубообломочных) пород рассмотрен в лекции № 2. Здесь можно отметить, что основное значение для пород этой группы имеет гранулометри­ческий состав. Учитывается размер преобладающей фракции, а также содержание пылеватых (0,00-0,005 мм) и глинистых (<0,005 мм) частиц, которые определяют водопроницаемость и другие свойства.

 

Механические свойства горных пород определяются в основном противление их сжатию и сдвигу.

У скальных пород сопротивление сжатию оценивают пределом точности на сжатие. Для рыхлых песчано-глинистых пород сопротивление сжатию определяется сжимаемость. Сжимаемость - это способность горных пород к уменьшению объёма под действием механической нагрузки. При этом происходит уплотнение за счет перераспределения минеральных частиц у обломочных пород, уменьшение пористости и толщины гидратных пленок у глинистых пород.

Для определения сжимаемости образцы подвергаются одноосному (одометры) или объёмному сжатию (стабилометры). Сжимаемость (компрессионные свойства) оценивается по величине изменения пористости при определенном увеличении нагрузки.

 

Где α - коэффициент компрессии (коэффициент уплотнения).

По сжимаемости горные породы подразделяются следующим образом:

Α меньше 0,001 см²/кгс - несжимаемые,

0,01-0,001 - слабосжимаемые,
0,1 – О,01- среднесжимаемые,

больше 0,1 - сильносжимаемые.

По результатам компрессионных испытаний рассчитывают модуль общей деформации (приближенно:) и величину осадки зданий.

Несущая способность грунтов больше зависит от величины противления грунтов сдвигу. У песчаных пород сопротивление сдвигу зависит исключительно от трения частиц и проявляется только под влиянием нормальной нагрузки. Глинистые породы обла­дают сцеплением и поэтому оказывают сопротивление сдвигу и без нормальной нагрузки.

В общем виде эта зависимость выражается формулой:

, МПа

Где, - сдвиговое усилие, Мпа,

- нормальная нагрузка, МПа,

f - коэффициент внутреннего трения,

- угол внутреннего трения.

У песков угол внутреннего трения приблизительно соответ­ствует углу естественного откоса.

 

13.3.Особенности свойств горных пород в массивах.

Свойства горных пород в массиве могут существенно отли­чаться от свойств горной породы в образце. Это особый и важный вопрос в инженерной геологии. Здесь можно лишь указать основные причины особенностей горных пород в массиве:

- неоднородность и анизотропия слоев,

- зависимость деформаций от характера вмещающих пород,

- изменение свойств пород с глубиной,

- влияние формы залежей,

- влияние обводненности и разной влажности пород,

- связь свойств горных пород с структурой и текстурой в
массивах,

- влияние различных наложенных (вторичных) физико-геологических процессов,

- специфика условий деформирования пород.