Jun
22
2.2.4. Структурная прочность грунта

2.2.4.   Структурная прочность грунта

Выше была рассмотрена деформация грунта, не обладающего структурной прочностью, т. е. уплотняющегося под действием небольшого давления. Такое явление обычно свойственно очень слабым грунтам.
Чаще всего грунты природного сложения уплотнены давлением вышележащих слоев. В некоторых же случаях уплотнение происходит под действием капиллярного давления, развивающегося при высыхании грунта, или вследствие понижения уровня подземных вод (снятие взвешивающего действия воды). В результате уплотнения частицы грунта сблизились и между ними образовались водно-коллоидные связи. В процессе длительного существования грунтов при определенных условиях в них дополнительно могли возникнуть хрупкие кристаллизационные связи. Суммарно эти связи придают грунту некоторую прочность, которую называют структурной прочностью грунта pstr.
 При давлении, меньшем структурной прочности (p<pstr), когда оно воспринимается водно-коллоидными и кристаллизационными связями, процесс уплотнения практически не развивается. Лишь после разрушения этих связей при р > pstr происходит уплотнение грунта. Компрессионная кривая, для такого грунта имеет вид, показанный на рис. 2.3, а.


Рис. 2.3. Компрессионные кривые грунта, обладающего структурной прочностью, в простой (а) и полулогарифмической (б) системе координат

Картинка

 

Казалось бы, по компрессионной кривой легко определить структурную прочность грунта, так как при изменении давления до pstr экспериментальные точки должны образовывать слегка наклонную прямую. Однако в действительности этот участок кривой обычно имеет выпуклость, направленную вверх. Объясняется это частичным нарушением структуры грунта (нарушение происходит при отборе монолитов грунта из скважины, хранении их и взятии образца в одометр), тем, что при сжатии образца разрушение структуры происходит сначала в отдельных наиболее напряженных точках контактов частиц даже при незначительном давлении. По мере увеличения давления разрушение в точках контактов быстро возрастает и процесс переходит в стадию уплотнения грунта во всем объеме образца.
Из-за выпуклости начального участка компрессионной кривой точно установить по ее изображению в простой системе координат структурную прочность грунта pstr и, следовательно, начало первичного сжатия при р > pstr в большинстве случаев затруднительно. Под первичным сжатием понимают процесс уплотнения грунта давлением, превышающим его структурную прочность, обусловленную уплотнением грунта обычно в природных условиях и связями между частицами грунта, возникшими в процессе его диагенеза.
Более четко начало первичного сжатия грунта выявляется при использовании компрессионной кривой, построенной в полулогарифмической системе координат (рис. 2.3,6). В этом случае компрессионной, кривой первичного сжатия будет прямая CD. Продолжение этой прямой вверх до пересечения с горизонтальной (пунктирной) линией ЕС’ соответствующей значению начального коэффициента пористости e0, позволяет найти величину p0, которую можно рассматривать как значение структурной прочности.
Структурная прочность грунта может быть определена также по результатам измерения бокового давления грунта при испытании его в приборе трехосного сжатия (по Е. И. Медкову) или по моменту возникновения давления в поровой воде (по Н. А. Цытовичу и М. Ю. Абелеву).
Действительно, при загружении образца водонасыщенного грунта в одометре или приборе трехосного сжатия давлением менее pstr оно воспринимается скелетом грунта, и поэтому давление в поровой воде равняется нулю. Как только давление превысит структурную прочность, образец грунта начнет уплотняться и значительная часть давления будет передаваться на поровую воду. При медленном увеличении давления на образец или при приложении нагрузки небольшими ступенями можно зафиксировать момент возникновения давления в поровой воде. Это давление, как считают Н. А. Цытович и М. Ю. Абелев, и будет соответствовать структурной прочности водонасыщенного грунта pstr.
Если скелет грунта обладает ползучестью, то определение структурной прочности по рассмотренным методикам не дает точного значения последней из-за малой деформируемости образца в период действия отдельной ступени давления до условной стабилизации. Если бы каждая ступень давления выдерживалась длительный период времени (например, год), то компрессионная кривая первичного сжатия располагалась бы ниже.
Пусть грунт после его образования уплотнялся непродолжительное время нагрузкой p1 (рис. 2.4). В таком случае на полулогарифмической сетке компрессионной кривой первичного сжатия будет прямая CD. Если бы грунт, обладающий ползучестью, при каждой нагрузке уплотнялся в течение года, коэффициент пористости грунта характеризовался бы прямой, параллельной линии CD.


Рис. 2.4. Семейство компрессионных кривых первичного сжатия с учетом ползучести скелета грунта:

Картинка

 Аналогичные прямые, как указал Л. Бьеррум, получаются при более продолжительном действии нагрузок. В результате имеем семейство параллельных прямых (см. рис. 2.4). Их взаимное расположение зависит от развития деформаций ползучести грунта при сжатии без возможности бокового расширения. Примем, что грунт уплотнялся под действием природного давления р1 в течение 10 000 лет до коэффициента пористости еn. В таком случае при испытании образцов грунта ненарушенной структуры в одометрах получается компрессионная кривая MND. Казалось бы, в качестве структурной прочности можно принять давление р0. Однако поскольку возводимое сооружение должно существовать в течение ряда десятилетий, нам представляется, что за структурную прочность следует принять давление, которое не вызовет деформации грунтов в течение расчетного периода существования сооружения. Это давление на рис. 2.4 обозначено p0 str.

Таким образом, для грунтов, обладающих ползучестью при уплотнении, компрессионные кривые приводят к завышенным значениям их структурной прочности, т. к. р0 > p0 str.