Что такое реологические свойства почв

Реологические свойства грунта

Прочностные свойства грунтов

При воздействии возрастающей нагрузки (рис. 1) на грунт вначале (от 0 до Р₁) происходит уплотнение грунта, в результате которого деформация носит линейный характер и осадка S₁ со временем затухает, затем при увеличении нагрузки от Р₁ до Р₂ в грунте, помимо деформаций уплотнения, начинаются деформации локальных сдвигов S₂, что приводит к нарушению линейного характера деформации – она продолжает равномерно нарастать – S₃. Таким образом, в начале II стадии возникают предпосылки нарушения прочности грунта. При дальнейшем возрастании нагрузки до Р₃ локальные сдвиги получают развитие во всей толще грунта основания, деформация нарастает без увеличения нагрузки и в конце этой фазы происходит выпор грунта из-под сооружения под действием сдвигающих сил и его разрушение.

Это явление характеризует прочностные свойства дисперсных грунтов, обусловлено сопротивлением грунтов сдвигу и выражается либо в потере прочности основания, либо в нарушении устойчивости откосов земляных сооружений.

Такое разделение деформаций достаточно условно, так как в любом массиве грунта под действием внешних сил возникают как сближение частиц, так и элементарные сдвиги. Однако при преобладании процесса уплотнения происходит деформация сжатия (осадка), а при повсеместном развитии сдвигов – потеря прочности и разрушение грунта.

Рис. 1. График деформации

Деформативные свойства грунтов

Деформативные свойства грунтов проявляются в изменении формы и объема при воздействии на грунт внешних усилий, не приводящих к разрушению.

Как рыхлые, так и связные, глинистые грунты при приложении нагрузок уплотняются, т.е. уменьшают свою пористость, что приводит к изменению их формы: уменьшению мощности слоя, понижению отметок поверхности нагружаемой площадки, уменьшению высоты сжимаемого образца в лабораторном приборе. Такое изменение называется деформацией.

Описываемые деформации происходят под действием напряжений, возникающих в грунте после приложения внешней нагрузки. Они тем значительнее, чем больше величина прилагаемой нагрузки и зависят от первоначального состояния грунта: его вида, структуры, пористости, состава, влажности.

В дисперсном грунте эти деформации имеют объемный характер, так как в первую очередь связаны с уменьшением объема грунта, находящегося в напряженном пространстве.

Деформации возникают, как правило, в результате воздействия на скелет нормальной составляющей нагрузки и характеризуют способность грунта к уплотнению, которая внешне выражается осадкой его под сооружением.

К деформативным характеристикам грунтов относят модуль деформации, коэффициент Пуассона и относительную просадочность.

Реологические свойства грунта

Под реологическими свойствами грунтов понимают закономерности протекания деформаций и изменения прочности грунта во времени. В дисперсных грунтах эти свойства проявляются в виде релаксации, ползучести и длительной прочности.

Под релаксацией понимают процесс перехода упругой деформации в необратимую пластическую, причем этот процесс протекает длительно и сопровождается постепенным уменьшением напряжений, вследствие раздробления части агрегатов, смещения частиц, выравнивания местных напряжений на контактах их друг с другом.

Ползучестью называют способность грунтов длительно деформироваться при постоянной нагрузке, меньшей чем разрушающая.

Длительной прочностью называется постепенно уменьшающаяся прочность грунта при длительном действии нагрузки.

Реологические свойства имеют большое значение при прогнозе развития осадки во времени и длительной прочности оснований, особенно для слабых грунтов.

Лабораторная работа № 1
компрессионные испытания грунта при естественной влажности

Цель работы: определение сжимаемости грунтов при действии равномерно распределенной нагрузки без возможности бокового расширения (одноосное сжатие) при естественной влажности грунта.

Оборудование и материалы: компрессионный прибор (одометр) КПр-1, прибор нагружения, набор гирь, индикаторы часового типа (мессуры), нож, бумажные фильтры, монолит грунта.

Пояснения к работе

Задача исследования деформативных свойств заключается в изучении характера сжимаемости, величины и скорости этого процесса, в получении объективных характеристик, необходимых для расчетов осадок оснований сооружений.

Одним из основных законов механики грунтов является закон сжимаемости грунтов при действии нагрузки. Расчетные характеристики деформации грунтов определяются путем компрессионных испытаний.

Сжимаемостью грунтов называют способность их уменьшаться в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления за счет уменьшения пор без коренного изменения структуры грунта. Степень сжимаемости и явления, происходящие при сжатии, зависят от характера и структуры грунта.

Некоторый объем грунта, подвергающийся нормальному давлению (например, от сооружения), сжимается в направлении большего из действующих напряжений и расширяется в перпендикулярном к нему направлении. Боковому расширению препятствует сопротивление окружающего грунта, поэтому сжатие протекает при ограниченной возможности бокового расширения.

Вводя определенные ограничения, в грунтоведении рассматривают сжимаемость грунтов в условиях невозможности их бокового расширения, которое называется компрессией.

Кривую зависимости коэффициента пористости от давления называют компрессионной кривой, она характеризует сжимаемость грунта, наиболее распространенным видом является e=f(P). Эта кривая позволяет:
1) классифицировать грунты по величине сжимаемости; 2) устанавливать величину структурной прочности грунта; 3) определять модуль общей деформации грунта.

Компрессионные кривые получают экспериментально при испытании образцов грунта в компрессионных приборах.

Компрессионные свойства грунтов зависят:

ü от структуры грунта: раздельно-зернистые грунты сжимаются быстрее, а конечные осадки их при всех прочих равных условиях меньше, чем у глинистых грунтов (в последних процесс сжатия часто протекает очень медленно);

ü от минерального состава и содержания тонкодисперсной фракции: наличие в грунтах минералов группы монтмориллонита понижает сжимаемость за счет их набухания, а, наоборот, присутствие органических примесей и органоминеральных соединений резко увеличивает сжимаемость грунтов;

ü от типа и характера внутренних связей: чем больше плотность укладки частиц грунта, тем меньше его сжимаемость; чем выше степень влажности, тем дольше протекает процесс сжатия глинистых грунтов;

ü от темпа приложения нагрузок, который обусловливает полное или неполное завершение этапов сжатия.

Компрессионные испытания грунтов (ГОСТ 23908‑79) выполняют в компрессионных приборах различных моделей.

Изменения коэффициента пористости, соответствующие принятым ступеням нагрузки, определяют по формуле ,

где h – деформация образца при данной ступени нагрузки, мм;

d – поправка на деформацию прибора;

∆h – деформация, рассчитываемая по формуле ∆h=h-h₀,

здесь h₀ – приведенная высота образца, найденная по формуле

,

здесь е₀ – коэффициент пористости грунта в естественном состоянии;

h_K – высота кольца прибора.

Окончательная формула для расчета коэффициента пористости имеет вид .

Степень сжимаемости грунтов при невозможности их бокового расширения обычно выражают через коэффициент сжимаемости (коэффициент компрессии, уплотнения) а. Величина этого коэффициента может быть определена по графику e=f(P).

На небольшом отрезке компрессионную кривую (рис. 3) можно заменить прямой*. Тангенс угла наклона этой прямой, характеризующий компрессию грунта при данном интервале давлений, и является коэффициентом сжимаемости а. Он может быть вычислен по формуле

.

Чем больше а на данном участке исследуемой компрессионной кривой, тем, очевидно, более сильно сжимаем грунт при тех же значениях удельного давления.

Коэффициент сжимаемости является классификационной характеристикой, позволяющей разделить грунты по степени сжимаемости на четыре категории (табл. 1).

*Устинова О.Е. Лабораторные работы в проблемном обучении: Дипломная работа/ НГТУ.- Новочеркасск, 1998.-86с.

Расчетной характеристикой деформативных свойств дисперсных грунтов является модуль деформации, вычисляемый по формуле

,

где а – коэффициент сжимаемости для интервала соседних нагрузок;

b – безразмерный коэффициент, зависящий от относительной поперечной деформации грунта и принимаемый равным: для песков 0,8; для супесей 0,7; для суглинков 0,5; для глин 0,4.

Модуль деформации вычисляют для определенного интервала нагрузок, в пределах которых сохраняется линейная зависимость между общей деформацией грунта и теми напряжениями, которые ее вызывают. Этот показатель применяется в практике для расчета деформаций оснований сооружений.

Если первоначально нагруженный грунт постепенно разгружать, то его объем и пористость будут увеличиваться. Это явление, обратное компрессии, носит название декомпрессии или набухания. Однако объем и пористость образца в процессе декомпрессии не достигают первоначальных размеров [4].

Методические указания

Грунт, заключенный в жесткую обойму, подвергаем воздействию равномерно распределенной нагрузки, прилагаемой ступенчато от 0 до 0,5 МПа. Для данного грунта на основании показаний мессура определяем коэффициенты пористости е, уплотнения а, модуль деформации Е и относительную просадочность δ. По результатам испытаний строим компрессионную кривую.

Испытания грунтов для определения компрессионной зависимости производим на специальных приборах, называемых компрессионными (одометрами).

Одометр – прибор, служащий для определения сжимаемости грунта. Деформации в одометре возможны только в вертикальном направлении, горизонтальные деформации отсутствуют. Вертикальное напряжение изменяется ступенями и является известным, боковые напряжения реактивные и остаются неизвестными. Величина деформаций зависит от усилия, приложенного на штамп. На рис. 3 показана схема одометра.

При расчете деформации образца необходимо учитывать деформацию прибора, для чего производится тарировка последнего. Действительная деформация образца равна разности между суммарной деформацией, зарегистрированной индикатором при опыте, и деформацией прибора, установленной при тарировке.

Тарировка прибора выполняется так же, как и компрессионные испытания: вместо грунта в кольцо закладывается специальный металлический диск и два бумажных фильтра, затем производится загрузка прибора ступенями и по индикатору определяются его деформации. По полученным данным строится график, который используется при расчете действительной деформации образца. Тарировка прибора производится один-два раза в год. Данные тарировки заносятся в паспорт прибора [5].

Источник

Лекция 14. Реологические свойства грунтов

Реология – это наука, изучающая поведение тел (грунтов) во времени при действии на них (грунтов) нагрузок (напряжений).

Реологические свойства грунтов подразделяются на:

Ниже рассмотрим свойства грунтов более детально. При рассмотрении вопроса ползучести остановимся только на осевой ползучести. Сдвиговую и объемную ползучесть рассмотрите самостоятельно.

Ползучестью называется процесс изменения деформаций (е) во времени (t) при действии на грунт постоянного напряжения ( σ = const):

e= ƒ (t →∞ и σ =const)

Основными параметрами ползучести являются скорость деформирования (V e ) и вязкости (τ).

Под скоростью деформирования (ползучести) понимается отношение изменения деформаций (∆е) ко времени (∆t), т.е.:

Изменение скорости деформирования грунтов при постоянном напряжении происходит в общем случае в три стадии (рисунок 9.1). Первоначально, на отрезке ОА, скорость деформирования возрастает. Затем, на отрезке АВ, грунт деформируется с постоянной скоростью. И в точке (В) могут возникнуть два сценария развития ползучести. Первый – когда скорость деформирования затухает и падает до нуля (отрезок BD). Этот вид ползучести называют затухающая или ограниченная. Второй сценарий – когда скорость деформирования грунта резко возрастает (отрезок ВС) и приводит к разрушению грунта. Такой вид ползучести называют прогрессирующей или неограниченной.

Рисунок 9.1 – Изменение скорости деформирования (Ve) грунта во времени (t) при постоянном напряжении ( σ )

Затухающая или прогрессирующая ползучесть определяется величиной нагружения грунта (нормальных напряжений). При напряжениях, превышающим порог ползучести ( σ п.п. ), в грунтах протекает прогрессирующая ползучесть. И наоборот, при напряжениях меньше σ п.п. , для грунта характерна затухающая ползучесть.

Например, для случая, показанного на рисунке 9.2, при σ σ > 0,066 МПа развивается стационарная ползучесть, переходящая в прогрессирующую и завершающуюся разрушением грунта. Прогрессирующая ползучесть объясняется тем, что при данных напряжениях в грунте процессы микроразрушений структуры превалируют над процессами восстановления структурных связей в ходе ползучести. Из графика также видно, что долговечность грунта (t p ) по мере роста прикладываемых напряжений σ снижается. Таким образом, для данного случая напряжение σ = 0,066 МПа является критическим и называется порогом ползучести . Порог ползучести разграничивает область опасных (завершающихся разрушением) и безопасных напряжений. Поэтому он является важной с практической точки зрения реологической характеристикой.

Рисунок 9.2 – Кривые осевой ползучести озерно-ледниковой глины естественной структуры (W = 24 %) при комнатной температуре и действии растягивающих напряжений ( σ , МПа)

Параметры осевой ползучести грунтов (скорость, условные пределы текучести, вязкость, порог ползучести и др.) зависят от различных внутренних и внешних факторов. Основными из внутренних факторов (т. е. присущих самому грунту) являются: структура грунта, его влажность, плотность и другие особенности. Среди грунтов разной структуры при прочих одинаковых условиях меньшая скорость ползучести характерна для грунтов с более прочными структурными связями. Глинистые грунты нарушенной структуры обладают более низкими характеристиками ползучести (меньшими значениями σ к1 , σ к2 , η 0 , η m и др.), чем те же грунты с естественной структурой (рисунок9.3). Увеличение влажности и снижение плотности песчаноглинистых грунтовтакжеприводит кснижениюпараметровосевой ползучести.

Из внешних факторов на параметры осевой ползучести сильное влияние оказывает температура. В области положительных температур нагрев грунта при прочих одинаковых условиях приводит к снижению параметров ползучести: падению параметров вязкости ( η о , η m ), увеличению скорости ползучести при одина-

ковом σ , снижению условных пределов текучести σ k1 , σ k2 порога ползучести и т.д. (см. рисунок 9.3). В наибольшей мере влияние температуры проявляется в глинистых грунтах со слабыми структурными связями – коагуляционными. В мерзлых грунтах повышение отрицательной температуры (приближение ее к нулю) также снижает указанные параметры осевой ползучести, тогда как охлаждение грунта увеличивает эти параметры.

Релаксацией напряжений называют процесс изменения (уменьшения) напряжений ( σ ) во времени (t) при сохранении постоянной деформации (е), т. е.

e = (t →∞ и σ = const)

В грунте релаксация происходит за счет процессов внутренних микроструктурных изменений, сопровождающихся упругими и пластическими микродеформациями и перераспределением напряжений между частицами во времени при сохранении постоянной обшей деформации. Основным параметром, характеризующим релаксацию, является время релаксации t r – время достижения системой состояния равновесия. При оценке релаксации напряжений в твердых телах время релаксации как бы характеризует «подвижность» материала и соответствует так называемому времени оседлой жизни частицы в положении равновесия. У жидкостей время «оседлой жизни» молекул в миллион раз меньше, чем у кристаллических твердых тел. Поэтому, чем меньше величина t r , тем в большей степени материал приближается к жидкости, и наоборот.

Рисунок 9.3 – Кривая релаксации напряжений в грунте во времени (по С.С. Вялову, 1978)

В целом же проявление упругости и вязкопластичности в данном теле (грунте) зависит от соотношения времени воздействия нагрузки (t) и времени релаксации (t r ): если t r то тело ведет себя как упругое; если t >> t r то тело ведет себя как вязкое.

Величина времени релаксации напряжений в теле определяется из закона релаксации Максвелла:

где τ 0 = G γ – начальное напряжение сдвига; G – модуль сдвига.

Откуда время релаксации:

Формальное значение времени релаксации поясняется на рисунке 9.3. Из закона релаксации Максвелла следует, что для момента времени t = t r это уравне-

ние примет вид: τ = τ 0 /е. Таким образом, время релаксации напряжений равно такому отрезку времени t r за которое напряжение τ уменьшится в е = 2,718 раза по отношению к начальному значению τ 0 .

У воды время релаксации составляет 10 -11 с, у льда – сотни секунд (10 2 -10 3 с

в зависимости от температуры), у стекла – сотни лет, у горных пород – тысячелетия (например, у известняка t r = 10 10 с). В силу этих причин при быстром приложении нагрузки многие грунты ведут себя как упругие и хрупкие тела, а при медленном – текут как жидкости. Особенно ярко это проявляется в мерзлых грунтах,

в каменной соли и др. С другой стороны, хорошо известно, что под действием давления даже скальные грунты за геологические периоды времени проявляют вязкое течение.

Таким образом, время релаксации напряжений в грунтах определяется их химико-минеральным составом, структурно-текстурными особенностями (в основном типом и прочностью структурных связей), плотностью и влажностью, составом и концентрацией порового раствора, а из внешних факторов – температурой и действием других физических полей (электромагнитного, радиационного и др.).

Длительной прочностью называется прочность грунта при длительном действии нагрузки. Она существенно ниже так называемой « мгновенной (или начальной) прочности», определяемой при кратковременном воздействии нагрузки. Это явление тесно связано с ползучестью и релаксацией напряжений. Как отмечалось выше, развитие прогрессирующей ползучести c возрастающей скоростью заканчивается хрупким или вязким разрушением грунта. Поэтому длительное разрушение грунта происходит при напряжении, величина которого может быть меньше значения прочности при кратковременном загружении. При этом, чем меньше приложенное напряжение, тем за более длительный промежуток времени происходит разрушение грунта, и наоборот.

Рисунок 9.4 – Кривые ползучести грунта при сдвиге (а) и построенная по ним кривая длительной прочности (б) (по С.С. Вялову, 1978)

Длительная прочность характеризуется кривой длительной прочности, которая строится в координатах «прочность – время», причем в качестве количественных показателей прочности могут выступать любые параметры прочности, которые интересуют исследователя в данной конкретной ситуации (например, показатели прочности на сдвиг ϕ и с , прочность на одноосное сжатие, на растяжение, предельное напряжение сдвига τ и т. д.).

Кривые длительной прочности строятся по результатам испытаний грунтов на ползучесть (рисунок 9.4). Для этого испытывается на ползучесть при разных напряжениях серия одинаковых образцов-близнецов и определяется их долговечность ( t p ) для каждого напряжения τ (см. рисунок 9.4 а ). По полученным данным строится кривая длительной прочности – график зависимости разрушающего напряжения τ от долговечности t (рисунок 9.4 б ). На этом графике различают: условно мгновенную (или начальную) прочность τ 0 , т.е. наибольшую прочность при t → 0; длительную прочность τ = ƒ (t), определяемую текущими разрушающими напряжениями на момент времени t, она не является константой для данного грунта, т.к. зависит от времени; предел длительной прочности τ ∞ , соответствующий такому безопасному напряжению, до превышения которого деформации ползучести носят затухающий характер.

Для того, чтобы судить о том, насколько снижается длительная прочность по сравнению с условно-мгновенной, по кривой длительной прочности рассчитывается снижение длительной прочности (R i s ), измеряемое в %:

R i s = ( τ i / τ o ) 100

где τ 0 – начальная (условно-мгновенная) прочность; τ I – длительная прочность на момент времени t .

С длительной прочностью тесно связано и такое понятие, как долговечность. Долговечность грунта (t p ) – это время от момента приложения нагрузки к грунту до момента его разрушения. Чем больше напряжение, тем меньше долговечность грунта, и наоборот.

Таким образом, рассмотрены основные реологические свойства грунтов. В практике они достаточно широко используются при проектировании сооружений, расположенных в сложных инженерно-геологических условиях.

Источник