Зоценко Н.Л. Инженерная геология. Механика грунтов, основания и фундаменты

Подождите немного. Документ загружается.

110

)

n(tg

iin

∑ ∑ ∑

= = =

−=

1 1 1

στστ

∆

; (4.60)

)(c

iii

∑ ∑∑∑

= ===

−=

1 11

στσστ

∆

, (4.61)

де n – кількість експериментів за визначенням граничного опору зрушенню τ

при певних σ

; Δ – спільний знаменник цих виразів

1 1

∑ ∑

= =

−=

)(n σσ∆

. (4.62)

Отримані таким чином нормативні значення характеристик через неодно-

рідність ґрунту й обмежену кількість даних завжди на якусь невизначену вели-

чину відхиляються від їх дійсних значень (математичного очікування). Тобто

нормативні значення містять певну похибку. Для зниження її впливу на проек-

тне рішення в розрахунках використовують не нормативні, а так звані розраху-

нкові характеристики ґрунтів.

Розрахункові значення характеристик X визначають за формулою

/XX γ

, (4.63)

де γ

– коефіцієнт надійності за ґрунтом.

Для всіх фізичних характеристик (крім щільності) та модуля деформації

ґрунту СНиП 2.02.01-83

дозволяє приймати γ

=1, а для розрахункових значень

характеристик міцності (кута внутрішнього тертя φ, питомого зчеплення c не-

скельних ґрунтів і границі міцності на одноосьовий стиск скельних ґрунтів R

, а

також щільності ґрунту ρ) цей коефіцієнт установлюють залежно від змінності

цих характеристик, кількості визначень і довірчої ймовірності.

Окремо зазначимо, що визначення модуля деформації ґрунту в лабора-

торних умовах повинно проводитись не менше ніж на шести зразках (до речі,

як і при визначенні характеристик R

та ρ), а в польових умовах при випробу-

ванні штампом можна обмежитись трьома дослідами (або навіть двома, якщо їх

результати відрізняються не більше ніж на 25%). Для нормативних і розрахун-

кових характеристик φ та с виконують не менше шести визначень опору зру-

шенню τ

для кожного вибраного значення вертикального тиску σ

При визначенні розрахункових характеристик міцності й щільності кое-

фіцієнт надійності за ґрунтом визначають із виразу

)/(

g α

ργ

±= 11

, (4.64)

де ρ

– показник точності, що характеризує область навколо середнього значен-

ня параметра ґрунту, у межах якої із заданою ймовірністю α знаходиться його

“дійсне” (генеральне) середнє значення. Знак перед цим показником вибирають

так, щоб забезпечити більшу надійність розрахунку. Наприклад, у розрахунках

на стійкість споруди для частини ґрунту, що завдає активного тиску на неї, по-

казник точності приймають зі знаком “плюс”, а для частини ґрунту, яка завдає

пасивного тиску, – з “мінусом”.

Для R

та ρ

n/v

αα

; (4.65)

111

для tgφ і c

αα

, (4.66)

де t

– коефіцієнт, що приймають за табли-

цею ДСТУ Б В.2.1-5-96 залежно від заданої

однобічної надійної ймовірності α й кількості

дослідних визначень n (для R

та ρ при (n-1);

для tgφ та c при (n-2)), як це подано в таблиці

4.10; v – коефіцієнт варіації характеристики,

який визначають за формулою

X/Sv

. (4.67)

При цьому для R

і ρ середньоквадратичне

відхилення характеристики S визначають за

виразом (4.58), а для tgφ та c воно відповідно

дорівнює

∆

τϕ

та

∑

∆

, (4.68)

де

∑

−+

−

inni

)ctg(

τϕσ

. (4.69)

Слід також пам’ятати, що розрахункове значення питомої ваги ґрунту

встановлюється множенням розрахункового значення щільності ґрунту на при-

скорення вільного падіння.

Таблиця 4.10. Значення статистичного критерію t

при однобічній надійній імовірності α

та числі степенів вільності

Кількість визначень (n-1) або (n-2)

0,85

1,25

1,19

1,16

1,13

1,10

1,07

1,06

1,05

0,95

2,35

2,13

2,01

1,94

1,81

1,75

1,72

1,71

1,70

1,68

1,67

0,98

3,45

3,02

2,74

2,63

2,40

2,27

2,22

2,19

2,17

2,14

2,12

0,99

4,54

3,75

3,36

3,14

2,76

2,60

2,53

2,49

2,45

2,42

2,39

У розрахунках за першою групою граничних станів (за несучою здатніс-

тю) розрахункові характеристики визначають при довірчій імовірності α=0,95 і

звичайно позначають як tgφ

, c

, ρ

, а в розрахунках за другою групою гранич-

них станів (за деформаціями) – при α=0,85 та позначають як tgφ

, c

, ρ

. Для

основ опор мостів відповідно α=0,98 і α=0,99.

При цьому дійсне середнє значення характеристики (розрахункової) не повинно ви-

ходити за нижню чи верхню межі однобічного довірчого значення. Отже, значення шуканої

характеристики на кривій розподілу (рис. 4.20) попадає в інтервал δ, який називають довір-

чим.

Прийняті довірчі ймовірності α=0,95 та α=0,85 означають, що в першому випадку ли-

ше 5%, а у другому – 15% значень поодиноких визначень будуть більшими чи меншими від

прийнятого розрахункового значення характеристики.

Розрахункові значення характеристик ґрунтів R

, c, φ і γ для розрахунків

min

max

Рис. 4.20. Статистичні криві розподілу

значень фізико-механічних характе-

ристик: 1 – теоретична; 2 – дослідна

112

основ за несучою здатністю (перший граничний стан) позначають R

, c

, φ

та γ

а за деформаціями (другий граничний стан) – c

, φ

і γ

4.8. ЗВ’ЯЗОК МІЖ ФІЗИЧНИМИ ТА МЕХАНІЧНИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ҐРУНТІВ

Визначення механічних характеристик ґрунтів у достатній кількості пов’язано зі зна-

чними витратами трудових і матеріальних ресурсів. Одночасно встановлено, що між показ-

никами механічних властивостей та фізичного стану ґрунтів за певних умов можуть бути

отримані кореляційні чи навіть функціональні залежності. Тому при проведенні вишукувань

на невеличких ділянках для попередніх розрахунків основ, а також розрахунків основ буді-

вель і споруд II й III класу СНиП 2.02.01-83

дозволяє визначати нормативні та розрахункові

значення характеристик міцності і деформативності ґрунтів за їх фізичними характеристика-

ми, наприклад за таблицями додатка цього документа або інших регіональних норм. При

цьому, однак, розрахункові значення характеристик приймають, ураховуючи такі значення

коефіцієнта надійності: в розрахунках основ за деформаціями γ

=1; у розрахунках основ за

несучою здатністю для питомого зчеплення γ

=1,5, для кута внутрішнього тертя піску γ

=1,1,

для кута внутрішнього тертя глинистого ґрунту γ

=1,15.

При проектуванні великої кількості об’єктів в умовах відносно однакових нашарувань

ґрунтів доцільно складати регіональні таблиці орієнтовних значень E, φ і c для ґрунтів дано-

го регіону. Такі таблиці найчастіше складають для пісків залежно від гранулометричного

складу та коефіцієнта пористості ґрунту, а для глинистих ґрунтів – залежно від основного

найменування ґрунту, показника текучості й коефіцієнта пористості. З них видно, що, напри-

клад збільшення коефіцієнта пористості піщаного чи глинистого ґрунту при інших рівних

умовах обов’язково викликає зниження його міцності та підвищення деформативності. Від-

повідно зростання вологості (показника текучості) глинистого ґрунту веде до того ж резуль-

тату.

Питанню встановлення взаємозв’язку між фізичними і механічними властивостями

ґрунтів присвячені численні дослідження спеціалістів. Так, ще в 1948 р. М. М. Герсеванов

показав, що між коефіцієнтом пористості e та логарифмом граничного опору зрушенню lgτ

проявляється лінійна залежність. Аналогічний висновок було зроблено й для компресійних

залежностей.

Однак найбільш повно це питання було опрацьовано науковою школою під керівниц-

твом В. Ф. Разорьонова: Ю. Й. Великодний, Г. В. Жорнік, В. Г. Забара, М. Л. Зоценко,

І. Н. Скриль, В. Г. Хілобок, В. Д. Шитов, А. В. Яковлєв та інші. Зокрема, для зв’язних ґрунтів

порушеної структури в умовах їх повного водонасичення на основі пенетраційних випробу-

вань установлена залежність вигляду:

⋅−=

, (4.70)

де W

і W

– значення повної вологомісткості ґрунту, що відповідають двом значенням коефі-

цієнта пористості ґрунту e

та e

; R

– питомий опір пенетрації водонасиченого ґрунту з кое-

фіцієнтом пористості e

; R

=1 – для прийнятої розмірності R

(кПа, МПа) (виходячи з цієї пе-

редумови встановлюють величину e

);

– кутовий коефіцієнт лінійної залежності, пред-

ставленої в координатах “W-lgR”.

В умовах трифазного стану глинистих ґрунтів при встановленні взаємозв’язку між фі-

зичними й механічними властивостями необхідно враховувати ступінь їх водонасичення.

Основне рівняння розрахункової схеми в цьому випадку має вигляд

WLW

⋅−=⋅

, (4.71)

113

де L

– функція водонасичення, що дорівнює

⋅













−+=

, (4.72)

де

– кутовий коефіцієнт лінійної залежності для випадку S

<1 (при цьому W

=const).

В умовах природної структури додаткову складність при встановленні взаємозв’язку

між фізичними та механічними властивостями ґрунтів становлять особливості їх структури.

Розрахункова схема взаємозв’язку базується на тих же передумовах, що й для ґрунтів пору-

шеної структури. Для практичних задач виявлення взаємозв’язку між фізичними і механіч-

ними властивостями трифазного стану ґрунту природної структури необхідно визначити три

його індикаційні ознаки – вільний член і два кутових коефіцієнти умовних лінійних рівнянь.

Загальне рівняння взаємозв’язку в цьому випадку має вигляд

000

111

kpf

kpfkpf

⋅−−

−

⋅+=

, (4.73)

де R – питомий опір пенетрації, МПа; R

=1 МПа; W

– вологість водонасиченого ґрунту при

=1 МПа;

kpf

−=

;

та

– кутові коефіцієнти лінійних рівнянь відповідно для

випадку повного водонасичення ґрунту та за умови постійної вологості.

Численними дослідженнями доведено, що при встановленні взаємозв’язку між влас-

тивостями глинистих ґрунтів на індикаційні показники рівняння (4.73) чинять вплив число

пластичності, мінералогічний склад глинистої складової, а також гранулометричний склад і

мінералогія грубодисперсної складової ґрунту.

Умовою встановлення взаємозв’язку між показниками фізичного стану ґрунту (при-

родна вологість W, коефіцієнт пористості e) й показниками механічних властивостей (пито-

мий опір пенетрації R, кут внутрішнього тертя φ, питоме зчеплення c, модуль деформації E

та ін.) є накопичування результатів випробувань для визначення перелічених характеристик

ґрунтів із відносно постійним числом пластичності й однорідних генетично. Визначення ко-

ефіцієнтів рівнянь взаємозв’язку за кожним масивом експериментальних даних звичайно ви-

конують способом найменших квадратів із розрахунком необхідних статистичних даних (ко-

ефіцієнтів кореляції, варіації, похибок прямих вимірів). Таким чином для кожного ґрунту

можна встановити ряд залежностей вигляду:

CeBA

RRR

⋅−⋅−=

; (4.74)

WCeBA

EEE

⋅−⋅−=

; (4.75)

WCeBA

ccc

⋅−⋅−=

; (4.76)

CeBA

⋅−⋅−=

ϕϕϕ

, (4.77)

де R

, E

, c

, tgφ

– значення, що дорівнюють одиниці вибраної розмірності. Коефіцієнти A, B,

C є функціями індикаційних ознак ґрунту:

, W

Маючи для певного різновиду ґрунту рівняння (4.74–4.77), можливо для нього вста-

новити такі залежності:

CWA

−













−−−=

; (4.78)

114

CWA

−













−−−=

; (4.79)

CWA

ϕϕ

−













−−−=

. (4.80)

За допомогою рівнянь взаємозв’язку можна вирішувати практичні задачі з визначення

фізико-механічних властивостей ґрунтів. Так, маючи рівняння вигляду (4.74–4.77) для конк-

ретного різновиду ґрунтів (інженерно-геологічного елемента), за відомими значеннями

“щільності (e) – вологості (W)” однозначно встановлюють відповідні величини: питомого

опору пенетрації R; модуля деформації E; питомого зчеплення c; кута внутрішнього тертя φ.

Із використанням рівнянь (4.78–4.80) за значеннями природної вологості ґрунту W і

питомого опору пенетрації R у будь-якій точці масиву основи можна однозначно визначити

необхідні механічні характеристики ґрунту: E, c, φ. Ця методика вдало використовується при

дослідженні ущільнених зон фундаментів і штучних основ, які виготовляють без виймання

ґрунту, та підготовці вихідних даних для математичного моделювання їх роботи (див. зокре-

ма п. 10.5).

4.9. ДИЛАТАНСІЯ ҐРУНТУ

Властивість ґрунту збільшувати свій об’єм при пластичному деформуванні, напри-

клад під час зрушення, називається дилатансією (від англ. dilate – розширятися), а його зда-

тність зменшувати свій об’єм при тому ж стані – контракція (від англ. contract – стискувати-

ся). Термін “дилатансія” вперше було введено в 1885 р. О. Рейнольдсом. Зараз його часто ви-

користовують для позначення будь-яких змін об’єму при деформації формозміни (дісторії).

Контракція при цьому може бути визначена як від’ємна дилатансія.

Дилатансія проявляється, головним чином, у щільних незв’язних ґрунтах (пісках), а

контракція – в пухких незв’язних ґрунтах. У випадку насичення зернистого середовища рі-

диною дилатансія супроводжується зменшенням його ступеня вологості, при контракції ж

рідина видавлюється з пор. Щільність сухого ґрунту, при якій у процесі зрушення не спосте-

рігаються деформації об’єму, А. Казагранде назвав критичною. Отже, в процесі будь-якого

зміщення часток відбувається зміна щільності від початкової до критичної. Це, як зазначав

А. М. Рижов, одна з найбільш важливих закономірностей ґрунтів.

Дилатансія проявляється як при пружному, так і при пластичному та при в’язкому

деформуванні, при цьому в усіх випадках вона може бути позитивною (ущільнення) й нега-

тивною (розпущення).

Сучасні уявлення про дилатансію сформувалися під впливом досліджень Л. Бардена,

А. Бішопа, О. К. Бугрова, А. Н. Драновського, А. Дрешера, П. Л. Іванова, А. Казагранде,

О. Л. Крижановського, Т. Лемба, Г. І. Ломізе, В. М. Ніколаєвського, М. Рейнера, Р. Роу,

А. М. Рижова, Д. Ю. Соболевського та інших.

Природа дилатансії полягає у взаємному повороті і переупакуванні зерен ґрунту на

поверхнях зрушення. О. Рейнольдс проілюстрував таке переупакування часток відомою мо-

деллю у вигляді укладених різним чином шарів.

При нещільному укладанні шарів (кожний шар дотикається лише чотирьох сусідніх)

унаслідок зрушення шари приймуть більш щільну упаковку (кожний шар буде дотикатися

вже з шістьма сусідніми шарами), й об’єм фігури, складеної з шарів, зменшиться. І, навпаки,

якщо початкове укладання шарів було більш щільним, то при зрушенні воно зміниться на

нещільне, через що об’єм зросте. Аналогічно зрушення сипучого ґрунту, який має щільну

упаковку, приводить до розпушення, а того, що має пухку упаковку, – до ущільнення.

Позитивну дилатансію неущільнених глинистих ґрунтів із природною структурою

“карткова хатинка” чи “книжкова хатка” (див. рис. 4.1) професор С. С. Вялов пояснює пере-

будовою цієї структури, коли при зрушенні хаотично орієнтовані частки перевпаковуються,

115

прагнуть зайняти паралельне, тобто більш компактне, розташування, що й веде до зменшен-

ня об’єму. Перебудовою структури пояснюють явище дилатансії також і в щільних глинах,

бо й у таких ґрунтах деформації зрушення призводять до зміни характеру розташування час-

ток. Основну роль при цьому відіграє зміна під впливом зрушення щільності дефектів.

Зменшення об’єму щільного ґрунту відбувається через скорочення кількості дефектів – мік-

ротріщин тощо, а зростання об’єму – внаслідок їх розвитку. Оскільки накопичення дефектів

спричиняє руйнування ґрунту, то можна стверджувати, що процес його руйнування безпосе-

редньо пов’язаний із явищем негативної дилатансії.

Об’ємне деформування ґрунту найчастіше досліджують в умовах трьохосьового стис-

нення, для якого із збільшенням величини відношення всебічного тиску, прикладеного до

зразка, σ

та інтенсивності дотичних напруг τ

руйнування зразка стає все більш утрудненим.

За М. Рейнером, об’ємну деформацію ґрунту представляють у вигляді суми

vvv

εεε

±=

, (4.81)

де

– об’ємна деформація, що викликана всебічним тиском σ

;

– об’ємна деформація,

що викликана дією інтенсивності дотичних напруг τ

. Знак “

” у цьому виразі вказує на

можливість як ущільнення, так і розпушення ґрунту.

Величина

є функцією лише σ

)(f

σε

, а величина

залежить від дефор-

мації зрушення γ

λγε

, (4.82)

де λ – коефіцієнт дилатансії. Оскільки деформація зрушення γ

, у свою чергу, залежить від

інтенсивності дотичних напруг τ

та від усебічного тиску, прикладеного до зразка, σ

, то

),(f

στε

. Коефіцієнт дилатансії λ являє собою коефіцієнт пропорційності між приро-

стом об’ємної деформації, що викликається тиском σ

, і деформацією зрушення γ

Схема дилатометричного трьохосьового приладу конструкції Білоруського ПІ (Собо-

левський Д. Ю.) подана на рис. 4.21. Навантаження зразка, розміщеного в еластичній камері,

виконують за допомогою вертикального та горизонтального домкратів. При цьому бічний

тиск на зразок передають через динамометр регульованої жорсткості, який дозволяє моде-

лювати пружний відпір ґрунту при дилатансії. Другий динамометр забезпечує вимірювання

вертикального тиску. В стінці камери є гільза з поршнем і пружиною певної жорсткості, за

допомогою яких здійснюють початковий тиск

на стінки оболонки та моделюють реак-

цію масиву на об’ємні деформації ґрунту (рис. 4.21, а). При навантаженні оболонки з ґрун-

том за допомогою верхнього поршня відбувається зміна щільності складання зерен, яка

σ+σ=σ

Рис. 4.21. Схема дилатометричного трьохосьового приладу конструкції Білоруського ПІ:

а – початковий напружений стан (діють початкові вертикальний σ

і горизонтальний σ

тиски); б –

максимальний граничний стан (мобілізовані вертикальний та горизонтальний

тиски отримали приріст на дилатантне +σ

): 1 – зона внутрішнього випору;

2 – рідина, замкнена в герметичній камері; 3, 4 –

поршні вертикального й бічного тисків;

5 – пружина, що моделює пружну реакцію масиву на дилатансію

116

супроводжується об’ємною дилатансі-

єю. Остання сприймається рідиною

камери і через поршень передається на

пружину, жорсткість якої моделює

пружну реакцію масиву. Граничний

тиск на ґрунт відповідає закінченню

об’ємних деформацій, отже, моменту

досягнення критичної щільності скла-

дання зерен. При цьому досягається й

максимальний дилатантний розпір

(рис. 4.21, б).

Напружений стан ґрунту зони

руйнування характеризується при цьо-

му компонентами нормальних напруг: вертикальної σ

та бічної σ

. При зростанні σ

початко-

ва бічна напруга

отримує приріст на величину дилатантної напруги Δσ

, яке визначаєть-

ся жорсткістю пружини або тим об’ємом рідини, котрий вона дозволяє відтиснути. Таким

чином, у цьому випадку слід розглядати дилатансію саме як об’ємну деформацію.

Максимальній величині приросту бічної напруги від дилатансії

dhh

σσσ

(4.83)

відповідає граничне співвідношення між головними напругами, що характеризується рівнян-

ням (4.47). Тому умову міцності незв’язного ґрунту при урахуванні дилатансії (за Соболев-

ським Д. Ю. – це так звана стиснута дилатансія) можна записати у такому вигляді:

ϕτσσ

σσ

′

≤

′

−

sin

ctg

, (4.84)

де

ϕστ

′

– дилатантна складова міцності. Методика визначення кута φ′ подана на рис.

4.22. При

(випадок вільної дилатансії) умова (4.84) перетворюється в традиційну

(4.47) і є його поодиноким випадком.

4.10. АНІЗОТРОПІЯ ҐРУНТУ

Якщо властивості зразка ґрунту не залежать від його просторової орієнтації в масиві,

то такий ґрунт називають ізотропним. У протилежному випадку ґрунт вважають анізотроп-

ним. Думка про невиправданість поширення гіпотези ізотропності ґрунтів і можливість ви-

користання їх анізотропної моделі в геотехнічних задачах розвинена в роботах Б. Амадея,

Л. Бардена, І. П. Бойка, О. К. Бугрова, О. І. Голубєва, М. Н. Гольдштейна,

М. Ф. Друкованого, А. Казагранде, В. В. Ковтуна, А. П. Криворотова, Ю. Лока,

В. В. Лушнікова, Д. Магнана, А. Ф. Полака, Х. Сіда, Ю. О. Соболевського, Л. М. Тимофєєвої,

С. Й. Цимбала, Г. І. Черного, О. В. Школи, Л. М. Шутенка, В. Б. Швеця, Н. С. Швець та ін-

ших.

Проектувальників звичайно цікавить різниця механічних властивостей ґрунту за різ-

ними напрямами, або так звана механічна анізотропія (наприклад, деформаційна анізотро-

пія, анізотропія міцності, анізотропія набухання), а іноді різниця фільтраційних властивос-

тей, або фільтраційна анізотропія. Анізотропію механічних властивостей ґрунтів поясню-

ють їх упорядкованою структурою з пріоритетною паралельною орієнтацією часток за яки-

мось напрямом.

Виділяють також первинну, чи природну, анізотропію ґрунту, викликану його приро-

дною будовою (зокрема, впорядкованою структурою ґрунту з паралельною орієнтацією час-

ток), походженням, умовами утворення (зокрема процесом осадконакопичення) та ін., й

вторинну, або наведену, анізотропію, характер та закономірності котрої залежать як від при-

родної будови ґрунту, так і від особливостей технології влаштування штучних основ чи фун-

Рис. 4.22. Дотичні до кругу Мора для випадків:

вільної (1) та стиснутої (2) дилатансії

φ′

117

даментів, наприклад від напрямку витиснення частинок ґрунту робочим органом (трамбів-

кою, катком, пневмопробійником), палями, блоками, вибухом тощо, розмірів між-

фундаментного простору і т.д.

Природна анізотропія досить характерна для всіх груп гірських порід за походжен-

ням, зокрема магматичних із кристалічною структурою, осадових із шаруватою чи сланцю-

ватою текстурою і метаморфічних із дислокаційним метаморфізмом (при значному однобіч-

ному стисненні порід). У ґрунтах природна анізотропія часто зустрічається в глинистих відк-

ладах водного (особливо морського, озерного) походження, лесах, стрічкових глинах тощо.

Механічні властивості анізотропних ґрунтів звичайно досліджують шляхом відбору їх

зразків, зокрема ріжучими кільцями, чітко зорієнтованими під різними кутами (наприклад

α=0; 45; 90° тощо) до горизонтальної площини (її часто умовно приймають за площину ізот-

ропії), з наступним випробуванням в одометрах, зрізальних приладах, стабілометрах, пенет-

рометрах тощо. Пенетраційні випробування ґрунту проводять й у польових умовах, напри-

клад польовими динамометричними пенетрометрами перпендикулярно до ділянок, зачище-

них у масиві за різними напрямками до горизонтальної площини.

У кожній точці масиву для всіх напрямків досліджень α характеристик відносно гори-

зонтальної площини при близьких коефіцієнтах варіації значення механічних характеристик

ґрунту зручно подавати у вигляді годографів чи їх квадрантів, які є графічним представлен-

ням залежностей значень механічних характеристик ґрунту від кута α. Приклади таких

90º

75º

60º

45º

30º

15º

0º

с(α),

кПа

c, кПа

90º

75º

60º

45º

30º

15º

0º

φº(α)

10º

20º

30º

φº

φº(α)

с(α), кПа

90º

75º

60º

45º

30º

15º

0º

φº(α)

10º

20º

30º

φº(α)

90º

75º

60º

45º

30º

15º

0º

с(α),

кПа

4,0

с(α), кПа

2,0

4,0

2,0

Рис. 4. 23. Приклади квадрантів годографів характеристик міцності для ґрунтів

з природною анізотропією: а, б – за даними професора О. В. Школи; в, г –

за

даними професора М. Ю. Абелєва: 1 –

лесовий суглинок у природному стані;

2 – він же у зволоженому стані; 3 – лесоподібний супісок у природному стані

118

квадрантів годографів для ґрунтів із природною анізотропією подані на рис. 4.23, а для ґрун-

тів з наведеною анізотропією – на рис. 4.24.

Коефіцієнти анізотропії механічних характеристик ґрунту звичайно визначають за

формулами:

−

E/En

,E αα

;

−

c/cn

,c αα

;

−

ϕϕ

ααϕ

tg/tgn

;

−

R/Rn

,R αα

, (4.85)

де

−

– модуль деформації ґрунту в площині ізотропії від дії напруг у цій же площині, отже,

при орієнтації кілець під кутом α=0° відносно горизонтальної площини; E

– те ж для пло-

щини, нахиленої до площини ізотропії під кутом α;

−

;

−

;

– питоме зчеплення та

кут внутрішнього тертя ґрунту в площині зрушення відповідно паралельній (α=0°) і нахиле-

ній до площини ізотропії під кутом α;

−

та

– питомий опір пенетрації за результатами

випробувань відповідно під кутами α=0° та α≠0° до горизонтальної площини.

Зокрема, експериментальними дослідженнями встановлено, що для лесового суглинку

природної структури найбільші значення механічних властивостей у більшості випадків ха-

рактерні для зразків, відібраних і досліджених під кутом α=0° до горизонтальної поверхні, а

найменші – при α=45° (коефіцієнти анізотропії дорівнюють 0,6-0,9). При ущільненні ґрунту

пріоритетні напрямки годографів звичайно відповідали напрямкам витиснення ґрунту трам-

бівкою, збірним елементом, пневмопробійником тощо. Коефіцієнти анізотропії приймали

Рис. 4.24. Приклади годографів механічних характеристик лесового суглинку в

характерній точці ущільненого шару ґрунтової подушки (за даними

Ю. Л. Винникова): а – модуль деформації; б – питоме зчеплення; в – кут внут-

рішнього тертя; г – питомий опір пенетрації

90º

45º

1,0

0º

R(α),

МПа

1,0

0,99

1,08

1,44

1,5

2,0

0,5

1,5

2,0

0,5

90º

45º

0º

φ(α),

90º

45º

0º

с(α),

кПа

65,6

67,0

85,0

75 100 25

100

90º

45º

0º

Е(α),

МПа

13,1

13,5

18,7

119

значення 0,5-2. З віддаленням від трамбівки, збірного елемента, пневмопробійника анізотро-

пія ґрунту поступово набуває природного характеру.

Аналогічний ефект спостерігається й для ґрунту під підошвою завантаженого фунда-

менту. В процесі зведення ущільненої ґрунтової подушки з лесового ґрунту відбувається

процес формування анізотропного середовища, за своєю природою аналогічного природному

лесу чи лесовій основі під низом фундаментів ущільнення. У разі ж замокання лесового ґру-

нту його первинна анізотропія зменшується (коефіцієнти анізотропії наближаються до оди-

ниці), але повністю не зникає.

Насипний суглинок, який спершу був ізотропним, за 10-40 років ущільнення під влас-

ною вагою теж отримує анізотропні властивості (в дослідах коефіцієнти анізотропії дорів-

нювали 0,65-0,95). Параметри анізотропії насипних ґрунтів певною мірою залежать від три-

валості їх самоущільнення. А от при силікатизації цей ґрунт набував ізотропні властивості.

4.11. РЕОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТІВ

Реологія (від грецьких слів “рео” – текти та “логос” – вчення) ґрунтів – розділ механі-

ки ґрунтів, у якому розглядається утворення і зміни в часі напружено-деформованого стану

ґрунту. Сучасні положення цієї науки розроблені В. М. Броніним, А. Я. Будіним,

С. С. Вяловим, О. Л. Гольдіним, М. Н. Гольдштейном, Л. В. Гореліком, С. Є. Гречищевим,

М. Я. Денисовим, Ю. К. Зарецьким, М. М. Масловим, С. Р. Месчяном, П. А. Ребіндером,

Л. Т. Роман, З. Г. Тер-Мартиросяном, Г. І. Тер-Степаняном, В. А. Флоріним,

М. О. Цитовичем, Л. Шукле й іншими.

Реологічні явища в ґрунтах і гірських породах спостерігаються дуже часто. Солі-

флюкція, сповзання укосів ґрунту, течія льодовиків – усе це реологічні процеси, що відбува-

ються впродовж від кількох годин до сторіч.

Найбільшу увагу реологічні процеси викликають, якщо вони відбуваються протягом

експлуатації споруд. Таким прикладом є деформації глинистих мулів, що залягають в основі

ґрунтових гребель Каховської ГЕС на Дніпрі. Шар мулу товщиною від 1 до 4 м осів на 970

мм при загальному осіданні основи 1120 мм. Ці осідання на окремих ділянках не припинили-

ся навіть після 15 років експлуатації. Класичним прикладом реологічного процесу є тривале

осідання відомої пам’ятки архітектури – Пізанської башти (Італія), будівництво якої було

розпочато в 1174 р. і закінчено в 1350 р. Протягом наступних шести століть Пізанська башта

продовжувала осідати з середньою швидкістю 2 мм/рік. До проведення наприкінці XX сто-

ліття робіт з її стабілізації та часткового виправлення відхилення башти від вертикалі скла-

дало більше від п’яти метрів.

Як показують натурні спостереження, додаткові деформації глинистих ґрунтів мо-

жуть досягти 36-165% від деформації, яка має місце на кінець фільтраційної консолідації.

Тому важливо їх ураховувати при проектуванні ґрунтових споруд, основ фундаментів тощо.

Згідно з класичною теорією пружності та пластичності, котра розглядає ідеалізовані

тіла, закони деформування однакові для простих і складних видів навантаження. Насправді

ж для багатьох реальних тіл зв’язок між напругами, деформаціями та їх швидкостями нелі-

нійний і, крім того, залежить від виду напруженого стану й послідовності прикладання нава-

нтажень. Інакше кажучи, реологія прогнозує напруги та деформації, що виникають у ґрунті

при будь-якій залежності між складовими напруг, деформацією і часом.

Залежно від підходу до розв’язання поставлених завдань розрізняють макро- та мік-

рореологію. Макрореологія розглядає зовнішні прояви процесів, що виникають у реальних

тілах, тобто ті явища (деформації, напруги), які можна спостерігати за допомогою вимірюва-

льних приладів. Закономірності, що зв’язують поведінку тіла від зовнішнього впливу з його

властивостями, визначають у макрореології на основі феноменологічного підходу. Цим шля-

хом можна, не враховуючи особливостей фізичних процесів, котрі виникають під час дефор-

мування, на основі макроексперименту (наприклад, лабораторних досліджень зразків чи

польових випробувань ґрунтів статичними навантаженнями) скласти математичне відобра-