Под механическими свойствами грунтов понимают их способность сопротивляться изменению объема и формы под действием внешних силовых и физических (изменение влажности, температуры и др.) воздействий. Характеристики этих свойств различаются для разных видов и состояний грунтов и зависят от величины действующих напряжений. В допредельном напряженном состоянии характеристики механических свойств называются деформационными. Они определяют способность грунтов сопротивляться развитию деформаций (осадок, горизонтальных смещений и др.). В предельном состоянии характеристики механических свойств называются прочностными и определяют способность грунтов сопротивляться разрушению.
Механические свойства грунтов зависят от их состава (гранулометрического, минерального), физического состояния (плотности, влажности) и структурных особенностей, обусловленных условиями образования и последующего изменения под действием природных явлений или техногенной деятельности. Обычно механические свойства грунтов определяются экспериментально: лабораторными или полевыми исследованиями.
Иногда показатели механических свойств грунтов могут быть определены косвенным путем по их физическим характеристикам. Так, СНиП 2.02.01-83* "Основания зданий и сооружений" допускает для предварительных расчетов оснований, а также для окончательного расчета оснований зданий и сооружений II и III классов и опор линий электропередач и связи независимо от их класса определять значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по показателям их физического состояния. С этой целью в СниП 2.02.01-83* приводятся таблицы нормативных значений прочностных и деформационных характеристик песков и глинистых грунтов.
Сжимаемость грунтов
Сжимаемостью грунтов называется их способность уменьшаться в объеме, давая осадку, под действием внешней нагрузки. Сжимаемость происходит в основном за счет уменьшения объема пор, так как твердые минеральные частицы и вода считаются практически несжимаемыми в диапазоне распространенных в строительной практике давлений (0,1-0,5 МПа).
Рассмотрим деформации сжатия выделенного в грунте объема, размеры которого таковы, что в его пределах напряжения от действующих на грунт внешних нагрузок постоянны.
Выделенный объем грунта сжимается в направлении большего из действующих напряжений и расширяется в перпендикулярных ему направлениях.Но поскольку расширению грунта препятствует реакция окружающего грунта, то деформация его происходит при ограниченной возможности бокового расширения. В связи с неопределенностью деформации такого вида рассмотрим деформацию грунта при граничных условиях: 1) при свободном боковом расширении и 2) при полной невозможности бокового расширения.
В первом случае (рис. 4) относительные деформации грунта будут:
εx = εy = νεz (16)
или ν = (16')
где εx, εy, εz — относительные деформации грунта по осям X, Y и Z
соответственно;
ν - коэффициент бокового расширения (коэффициент Пуассона)
Рис. 4. Схема деформации грунта
при свободном боковом расширении
Значения v принимаются равными для грунтов: крупнообломочных - 0,27; песков и супесей - 0,30; суглинков - 0,35; глин - 0,42.
При сжатии в условиях полной невозможности бокового расширения (рис. 5) грунты испытывают одноосное сжатие в направлении приложения вертикальной нагрузки Nz и расширение в горизонтальном. Однако этому расширению препятствует реакция окружающего грунта, вызывая горизонтальные сжимающие напряжения σх и σу.
Величина бокового давления грунта при невозможности бокового расширения характеризуется коэффициентом бокового давления ζ:
,
отсюда следует, что
Значения коэффициента бокового давления ζ, полученные экспериментально, следующие: для песков - 0,25+0,37; для глинистых грунтов (в зависимости от консистенции) - 0,11+0,82.
Для глинистых грунтов текучепластичной консистенции ζ приближается к единице.
Рис. 5. Схема деформации грунта при полной невозможности
бокового расширения
Для установления связи между коэффициентом бокового расширения ν и бокового давления ζ к мысленно выделенному в массиве грунта элементарному кубу, находящемуся в равновесии в условиях свободного бокового расширения, приложим вертикальную нагрузку Nz, под действием которой грань куба будет испытывать напряжение σZ, вызывающее деформацию боковых граней куба. Не снимая напряжения σZ, к боковым граням куба приложим нагрузки Nx и Ny, вызывающие напряжения по граням σX и σY. При этом σX = σY=ζ∙σZ. Напряжения σX и σY создадут дополнительное обжатие грунта, возвращая боковые грани куба в первоначальное состояние. Так как объем куба под действием этих напряжений остается постоянным, то сумма деформаций будет равна нулю.
Рассмотрим деформацию одного из ребер I куба (например, по оси X) от действующих напряжений (рис. 6). Если относительное удлинение ребра I при действии напряжения составит ε, то напряжение σZ вызывает удлинение ребра на величину
,
где - коэффициент Пуассона.
Рис. 6. Деформация грунта от действия напряжений
по трем направлениям
Под действием напряжения ребро I удлинится на величину
Действие напряжения вызывает сжатие ребра I на величину
Так как сумма деформаций равна нулю, то
отсюда,
+
Решая равенство, получим
+ = ; ,
откуда
; , (17)