Механические свойства грунтов

Механические свойства грунтов зависят от вида грунта, его предварительного уплотнения и влажности. К числу механических свойств относят деформацию под нагрузкой, сопротивление грунтов сдвигу.

Деформации грунтов под нагрузкой. Под действием внешних нагрузок грунт деформируется в результате сдвигов частиц относительно друг друга и деформации микроагрегатов самих частиц. При этом происходит выжимание из пор воды и воздуха и сжатие последнего. Все основные виды дорожных грунтов могут сопротивляться только усилиям сжатия и сдвига и практически не работают на растяжение или изгиб. Возникающие под действием внешних сил деформации (осадки) грунта разделяются на упругую (обратимую) часть, восстанавливающуюся после снятия нагрузки и пластическую (необратимую). При небольшой нагрузке деформации грунта возрастают прямо пропорционально росту нагрузки. При дальнейшем возрастании нагрузок деформации грунта начинают расти быстрее нагрузок за счет появления сдвигов частиц.

По схеме на рис. 4.2, а грунт работает на сжатие без возможности бокового расширения, будучи заключенным в замкнутом объеме (цилиндре). Сопротивление грунта воздействию сжимающей силы Р, передаваемому через штамп или колесо автомобиля, по схеме (рис. 4.2, б), т. е. при наличии ограниченной возможности бокового расширения, имеет особое значение в дорожном деле.

По схеме (рис. 4.2, в) образец грунта подвергается сжатию при наличии возможности бокового расширения. Естественно, что по такой схеме могут работать только образцы скального или укрепленного вяжущими материалами грунта. Схема г отвечает случаю, когда образец грунта, находящийся под действием сжимающей силы Р, одновременно подвергается действию сдвигающей силы N.

б

г

в

а

Рис. 4.2. Воздействие внешней нагрузки на грунт:

а – сжатие грунта без возможности бокового расширения; б – сжатие с ограниченной возможностью бокового расширения; в – сжатие со свободным боковым расширением (между плитами пресса); г – сдвиг

Для оценки деформативных свойств грунтов, т. е. сопротивляемости воздействию внешних нагрузок от колес автомобилей или испытательного штампа, по схеме б используют показатели, называемые модулем деформации () или модулем упругости (), определяемые по данным испытаний грунтов по следующим формулам в МПа:

; (4.8 а)

, (4.8 б)

где – удельное давление испытательного штампа, МПа; – диаметр штампа, м; , – соответственно полная и упругая деформация грунта, м; – коэффициент Пуассона (для мелкозема – 0,35, щебня и гравия – 0,25).

Для обычных грунтов и гравийных материалов соотношение .

Величина модулей упругости и деформации зависит от рода грунта, его предварительного уплотнения и влажности. С увеличением влажности прочность грунтов, т. е. величина их модулей упругости и деформации, быстро падает. Поэтому расчетные значения обоих показателей определяют при высокой влажности грунтов, соответствующей периоду весенней распутицы ().

Процесс уплотнения грунтов, весьма необходимый для повышения их прочности, происходит с различной скоростью и при разной затрате энергии в зависимости от влажности грунта.

Влажность, при которой в результате стандартного процесса уплотнения достигается наибольшая объемная масса скелета грунта – называется оптимальной. Ее величина определяется опытом с помощью стандартного прибора для уплотнения грунтов, представляющего собой цилиндр с дном, в который закладывается проба грунта. Цилиндр имеет крышку, в центре которой закреплен вертикальный стержень с подвижной гирей. Прибор действует по схеме, представленной на рис. 4.2, а.

Изменяя влажность и определяя величину после уплотнения пробы определенным числом ударов гири прибора, строят кривую за­висимости , по которой находят искомое значе­ние оптимальной влажности. Приближенно величина оптимальной влажности равна – (влажности предела текучести). Меньшие значения соответствуют пылеватым суглинкам и глинам и большие – супесям.

Прочность грунтов, обработанных вяжущими материалами (а также скальных грунтов), оценивают пределом прочности на сжатие, определяемым при загрузке по схеме на рис. 4.2, в.

, (4.9)

где – площадь сечения образца.

Сопротивление грунтов сдвигу оказывают силы внутреннего трения частиц относительно друг друга и силы сцепления (или просто – сцепление), обуславливаемые силами молекулярного притяжения, поверхностного натяжения тонких водяных пленок, капиллярного давления и склеиванием частиц естественными вяжущими. Силы сцепления зависят от влажности и плотности грунта, возрастая при уменьшении влажности и увеличении плотности (для связных грунтов).

Величина касательных напряжений при сдвиге в одной плоскости (см. рис. 4.2, г) по Кулону

, (4.10)

где – нормальное напряжение, действующее в плоскости сдвига; – угол внутреннего трения; – сцепление.

Чем больше значения и у данного грунта, тем выше его сопротивление сдвигу и, следовательно, механическая прочность.

У сухих (несвязных) песков = 0 и поэтому, несмотря на значительную величину (до 40°), их сопротивление сдвигу невелико.

Однако песчаные грунты отличаются хорошей водопроницаемостью, и это свойство делает их весьма ценными при постройке земляного полотна лесных дорог. У глинистых грунтов значения и в большой степени зависят от их зернового состава и влажности.

Сухие плотные глины оказывают значительное сопротивление рыхлению и резанию, приближаясь к скальным породам по трудности разработки, они плохо проводят воду и при повышении влажности размягчаются, теряют несущую способность, становятся пластичными и липкими. Для дорожно-строительных целей эти грунты мало подходят.

Особо неблагоприятны в дорожном строительстве пылеватые грунты, отличающиеся небольшой водопроницаемостью, высоким капиллярным подъемом воды, потерей несущей способности при увлажнении и пучинообразованием. В лесной зоне пылеватые грунты очень часто располагаются близко к поверхности (под лесной подстилкой). К ним можно отнести подзолистые слои почв. Для дорожно-строительных целей эти грунты мало пригодны.

Наилучшими грунтами для дорожного строительства являются супесчаные и песчаные. У супесчаных сопротивление сдвигу значительно даже при повышенной влажности, что делает их весьма ценными при устройстве проезжей части грунтовых дорог, непосредственно воспринимающей нагрузку от колес автомобилей.