Физические представления

Сжимаемость грунтов является характернейшим их свойством, существенно отличающим грунты от массивных горных пород и других твёрдых тел, и заключается в способности грунтов изменять (иногда значительно) своё строение (упаковку твёрдых частиц) под влиянием внешних воздействий (сжимающей нагрузки, высыхания, коагуляции коллоидов и пр.) на более компактное за счёт уменьшения пористости грунта.

Уменьшение пористости происходит как вследствие возникновения некоторых местных сдвигов частиц, и проскальзывания более мелких в поры грунта, так (особенно у дисперсных водонасыщенных глинистых грунтов) и вследствие изменения толщины водно-коллоидных оболочек минеральных частиц под влиянием увеличения давления, высыхания, коагуляции и пр.

Кроме того, на переупаковку частиц влияет ползучесть скелета грунта и оболочек прочносвязанной воды (которые также можно относить к скелету грунта), обусловленная искажением формы кристаллических решёток минеральных частиц и медленным вязким течением молекулярных слоёв прочносвязанной воды.

Следует отметить, что для грунтов полностью водонасыщенных изменение пористости возможно лишь при изменении их влажности (выдавливании или всасывании воды) и некоторого внутреннего сжатия газовых включений. Для грунтов же неводонасыщенных оно может происходить и при сохранении их влажности.

Изменение объёма пор дисперсных грунтов при высыхании (в процессе обезвоживания диффузных оболочек и увеличения капиллярного сжатия), а также в результате медленных физико-химических процессов (например, старения коллоидов) учитывают лишь в отдельных исключительных случаях, и основным процессом изменения объёма грунтов будет уплотнение их под нагрузкой.

Различают механическое уплотнение грунтов при кратковременных динамических нагрузках и уплотнен ие (компрессию, консолидацию и пр.) при длительном действии постоянных нагрузок.

Динамические нагрузки (вибрационные, ударные) как правило, вызывают значительное уплотнение песчаных грунтов, особенно мелкозернистых. Глинистые же грунты от динамических нагрузок уплотняются очень мало. Однако, при длительно действующих нагрузках наблюдается как раз обратное явление: песчаные грунты уплотняются мало, тогда как глинистые – очень сильно, причём уплотнение их протекает медленно и зависит от скорости выдавливания воды из пор грунта. Эта разница объясняется различной природой структурных связей этих двух основных видов грунтов.

Песчаные грунты имеют жёсткие контакты между твёрдыми минеральными частицами, непосредственное сжатие которых под действием внешней нагрузки нереально. Если же грунты подвергаются динамическим нагрузкам, то трение в точках контактов жёстких зёрен нарушается, происходит скольжение одних зёрен по другим, более мелкие зёрна попадают в поры между более крупными зёрнами, что вызывает переупаковку частиц в более плотное сложение, в результате уменьшается пористость грунта, увеличивается его плотность

В водонасыщенных же песках динамические нагрузки вызывают значительные напоры в воде, нарушается опирание отдельных песчинок в точках их контакта и рыхлый песчаный грунт внезапно может превратиться в тяжёлую жидкость, в которой тонут все предметы, ранее нёсшие даже значительную нагрузку.

В глинистых грунтах, которые вследствие их связности при динамических нагрузках уплотняются мало, возникающие в воде напоры при незначительной водопроницаемости этих грунтов погашаются на весьма малом расстоянии и разжижения не происходит.

При уплотнении грунтов постоянной нагрузкой следует различать, по крайней мере, два диапазона давлений:

1. когда внешнее давление меньше прочности структурных связей;

2. когда эти связи преодолены.

В первом случае уплотнение грунтов не происходит, так как возникающие под действием внешней нагрузки деформации в этом случае будут упругими деформациями структурных связей, и грунт будет деформироваться как сплошное квазитвёрдое тело.

Во втором случае, т. е. когда жёсткие структурные связи преодолены, грунты будут уплотняться значительно, причём для грунтов с водно-коллоидными связями уплотнение будет происходить за счёт сжатия водно-коллоидных оболочек минеральных частиц с выдавливанием некоторого количества воды, а также в известной мере и за счёт ползучести скелета грунта. Выдавливание же воды для данных глинистых грунтов возможно лишь при напоре, вызываемом действием внешних нагрузок, большем некоторой начальной величины.

Для грунтов, обладающих одновременно и мягкими водно-коллоидными и жёсткими кристаллизационными связями, процесс уплотнения будет значительно сложнее.

Процесс уплотнения грунта в реальных условиях работы сооружений протекает по одной из следующих схем:

1. Сжатие слоя грунта равномерно распределённой сплошной нагрузкой без возможности его бокового расширения (рис.3.1).

2. Сжатие грунта нагрузкой, передаваемой на ограниченную часть поверхности грунта, при ограниченном боковом расширении (рис. 3.2).

 

Рис. 3.1. Схема компрессионного сжатия грунта при сплошной нагрузке (а) и в жёстком кольце (б).

 

а) б)

Рис. 3.2. Схема сжатия грунта нагрузкой, передаваемой на ограниченную часть поверхности грунта при ограниченной боковом расширении (а). Испытание в стабилометре (б).