Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Физико-механические свойства и деформативная способность грунтов

22.11.2018

В любом грунтовом объеме содержатся минеральные частицы, защемленный воздух и вода в различных пропорциях (рис. 2.8). Прочносвязанная вода обладает прочностью при сдвиге и более низкой температурой замерзания, чем обычная вода. Толщина слоя этой воды — около 0,2 мкм. Рыхлосвязанная вода может переходить в свободную, подверженную гравитационным воздействиям влагу.

Качество уплотнения зависит от типа и физических свойств грунта, технологии уплотнения и прикладываемой энергии. Значительное влияние на уплотняемость и несущую способность оказывают гранулометрический состав грунтов и форма минеральных частиц.

По размерам частиц грунты подразделяются:

• на галечниковые — более 20 мм;

• гравелистые — от 2 до 20 мм;

• песчаные — от 0,5 до 2,0 мм;

• пылеватые — от 0,005 до 0,500 мм;

• глинистые — менее 0,005 мм.

Минеральные частицы, из которых состоят грунты, подразделяются:

• на угловатые, окатанные, округлые — достаточно крупные частицы;

• пластинчатые, чешуйчатые — мелкие частицы.

Толщина пластинок грунта в 20 раз (иногда — до 300 раз) меньше их поперечных размеров. Глинистые грунты имеют форму пластинок (чешуек). Ввиду большой удельной поверхности таких частиц свойства грунтов определяются содержанием глинистых частиц. В процессе уплотнения силы трения и сцепления препятствуют объединению отдельных частиц грунта в плотный массив.

В дискретных, несвязных грунтах преобладают силы трения, а в связных — силы сцепления. Разделение грунтов на связные и несвязные достаточно условное, так как не существует резких отличий в свойствах грунтов в их пограничной области. Кроме природных грунтов есть еще и техногенные грунты — это естественные грунты, измененные и перемещенные в результате хозяйственной деятельности человека (дробленый песок, щебень), а также твердые отходы производственной деятельности (зола, шлаки, шламы).

Уплотнение грунтов часто связано с приложением к ним быстродействующей повторяющейся нагрузки. Способность рыхлосвязанной воды под действием внешних воздействий (вибраций, ударов) переходить из связного состояния в свободное приводит к резкому снижению структурных сопротивлений в грунтах, что облегчает их уплотнение. Такие изменения в грунтах называются тиксотропными. Это обратимый процесс, т.е. вслед за разупрочнением по прекращению действия нагрузки начинается период тиксотропного упрочнения.

Влажность относится к факторам, влияние которых на физикомеханические свойства грунта особенно велико. По мере повышения влажности связный грунт из монолитного, сравнительно прочного, но вместе с тем и хрупкого состояния постепенно переходит в пластическое (превращается в пасту), а затем в текучее состояние. Влага обусловливает силы связи между частицами, главным образом глинистыми.

Возьмем навеску грунта в воздушно-сухом состоянии. Постепенно добавляя в грунт воду, будем наблюдать за его состоянием, отмечая характерные влажности (ГОСТ 5180—84).

Предел раскатывания (нижний предел пластичности) соответствует такой влажности грунта в процентах, при которой изготовленное из грунта и воды тесто, раскатанное в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на кусочки длиной 3... 10 мм.

Предел текучести (верхний предел пластичности) соответствует такой влажности грунта, при которой стандартный прибор (конус Абрамса) под действием силы тяжести за 5 с погружается в грунт на глубину 10 мм.

Число пластичности представляет собой разность между пределом текучести и пределом раскатывания, выраженных в процентах.

Число пластичности J — показатель, используемый как критерий для разделения грунтов на виды: J > 17 — глина; J = 17...7 — суглинок; J < 7 — супеси; J = 0 — непластичные грунты (пески).

Влажность W — это отношение массы воды (m2) к массе твердых частиц (m1), %:

Объемная масса (плотность) скелета грунта bск — это масса твердых частиц в объеме этих же частиц V1, %:

Плотность скелета грунта bск может быть определена через объемную массу сырого грунта b и влажность W, %:

Нормы плотностей отличаются в зависимости от назначения земляных инженерных сооружений. Применяемые для уплотнения машины должны обеспечивать требуемые плотности грунтов, которые устанавливаются соответствующими нормативными документами.

Требуемые плотности грунтов устанавливают по результатам испытаний их в приборе стандартного уплотнения, представляющем собой стальной стакан, внутренний диаметр и высота которого составляют соответственно 100 и 127 мм, а объем — 1 л. Грунт уплотняют в этом стакане послойно в три слоя специальной трамбовкой. Работа на уплотнение каждого слоя одна и та же. Она определяется числом ударов гири массой 2,5 кг, сбрасываемой с высоты 30 см, — по 40 ударов на слой (ГОСТ 22733—77). За рубежом подобные испытания проводят с помощью обычного или модифицированного прибора Проктора.

В конце процесса уплотнения измеряют полученную плотность грунта. Уплотнение грунта в этом стакане каждый раз производят при разной влажности, постепенно увеличивая количество влаги в исходном грунте на 1...2%. По результатам испытаний строят кривую, устанавливающую зависимость достигнутой плотности скелета грунта bск от его влажности W (рис. 2.9).
Физико-механические свойства и деформативная способность грунтов

Из графика видно, что при определенной для данной нагрузки влажности плотность грунта приобретает максимальное значение. Эта плотность называется максимальной стандартной, а соответствующая ей влажность — оптимальной влажностью Wо.

При более высоких нагрузках уплотнения (путем увеличения массы гири или высоты падения) можно достичь более высокой максимальной плотности грунта. При этом оптимальная влажность будет меньше. Например, кривая 1 имеет bmax' и Wo'. Требуемую плотность, которую нужно обеспечить в инженерных грунтовых сооружениях, определяют как долю от максимальной стандартной плотности:

где Kу — коэффициент уплотнения, значения которого для каждого земляного сооружения устанавливаются в пределах 0,9...1,0 (СниП 2.05.02-85).

При выборе параметров машин для уплотнения грунта очень важно оценивать способность грунта сопротивляться внешним нагрузкам. Во время уплотнения рабочие органы машин воздействуют на полупространство грунта, поэтому и сопротивляемость грунтов деформированию следует определять в этих координатах.

Взаимодействие с грунтом рабочих органов машин аналогично деформированию полупространства грунта или слоя конечной толщины жестким круглым штампом, что исследовано достаточно хорошо. Отступление от этой схемы учитывается в каждом конкретном случае.

Уплотнение непосредственно связано с развивающейся деформацией, а следовательно, и с теми давлениями, которые имеют место на поверхностях контактов рабочих органов машин с грунтом. В результате действия контактного давления под штампом в расположенном вблизи от поверхности объеме грунта возникают напряжения, под влиянием которых и происходят взаимные перемещения частиц.

Оказываемая на грунт нагрузка воспринимается не только минеральными частицами, но и водой, и воздушными пузырьками.

При деформировании грунта находящийся в нем воздух в основном удаляется, но часть его остается в закрытых порах. Этот воздух называется защемленным. По мере развития деформации защемленный воздух сжимается, что повышает давление в порах грунта и напряжение в водно-коллоидных пленках.

При сближении частицы или их агрегаты сначала соприкасаются окружающими их водными пленками, которые в местах контактов начинают испытывать возрастающие местные давления. В результате происходит утоньшение этих пленок на контактах за счет утолщения их в других, менее напряженных местах. Происходит миграция пленочной влаги под нагрузкой, и скорость развития деформации становится зависимой от скорости этой миграции.

Вязкость водно-коллоидных пленок вокруг частиц грунта превышает вязкость свободной воды, потому что они состоят из структурированной жидкости (рыхлосвязанной и прочносвязанной воды), связанной силами физико-химического взаимодействия, которые развиваются между твердой и жидкой фазами грунта. Поэтому миграция пленочной влаги происходит с гораздо меньшими скоростями, чем миграция свободной воды, что в значительной мере снижает скорость развития деформации грунта.

После прекращения действия нагрузки перемещения частиц и их агрегатов, а также миграция влаги происходят в обратном направлении. При этом водно-коллоидные пленки стремятся восстановить свою первоначальную толщину.

Деформации грунтов, как и всех других материалов, могут быть обратимыми и необратимыми (рис. 2.10). После снятия нагрузки обратимая деформация исчезнет, а необратимая останется.

При деформировании грунтов обратимая деформация не всегда идет с высокими скоростями (упругая деформация протекает со скоростями, близкими к скорости звука), поэтому часто ее развитие отстает от изменения напряжения, что особенно заметно при разгрузке грунта.

Необратимая часть деформации может быть названа также пластической при условии, что она не сопровождается нарушением сплошности грунта. При нагружении полупространства жестким круглым штампом в объеме грунта непосредственно под штампом происходит сближение частиц и развиваются деформации, которые протекают в основном с изменением объема грунта, т. е. его уплотнением. По мере роста нагрузки под штампом область, в которой протекают деформации, с изменением объема грунта растет и достигает своего максимального значения. Эта область под штампом имеет форму, близкую к сферической, и называется уплотненным ядром (рис. 2.11).

При дальнейшем увеличении нагрузки на штамп роста уплотненного ядра уже не происходит и не наблюдается деформаций с изменением объема, но развиваются деформации без изменения объема грунта. В этот период начинаются пластические сдвиги по плоскостям скольжения и выпирание грунта в стороны из-под штампа.

Нагрузка, при которой происходит качественное изменение характера деформации, т.е. изменение объема (пластические сдвиги), соответствует пределу прочности грунта bп.п, Нагрузка при уплотнении грунта не должна превышать его предела прочности: ок < оп.п, т. е. ок — контактное давление под рабочим органом уплотняющих машин — должно быть меньше или равно пределу прочности грунта.


Уплотненное ядро образуется также и при качении вальца или пневматического колеса. При этом в верхней части полупространства формируется слой уплотненного грунта определенной толщины и плотности, которые зависят от свойств уплотненного ядра:

• размер уплотненного ядра определяет глубину активной зоны, которая зависит от диаметра штампа и составляет (1,5...2,0)d;

• в пределах активной зоны (уплотненного ядра) плотность грунта во всех точках одинакова и выше плотности окружающего его грунта;

• предельная глубина, на которую еще распространяется действие нагрузки, составляет 3,5d.

Эффективность работы грунтоуплотняющих машин зависит от правильности выбора толщины уплотняемого слоя. При излишне большой толщине слоев требуемая плотность грунтов не достигается, поэтому толщина уплотняемого слоя не может быть больше глубины активной зоны.

При наличии жесткого основания можно подобрать такие предельные толщины слоев, для которых напряжения по глубине будут распределяться равномерно, что обеспечит однородное уплотнение грунта.

В практике дорожного строительства грунты всегда уплотняют послойно. В основании уплотняемого слоя находится ранее уплотненный более жесткий грунт.

Влияние жесткого основания приводит к концентрации сжимающих напряжений по оси сосредоточенной нагрузки, а также к меньшему перепаду напряжений по глубине, т.е. к их выравниванию.

Распределение напряжений а по глубине грунта h представлено на рис. 2.12. Выравниванию способствуют также и развивающиеся в грунте пластические сдвиги. В результате такого выравнивания кривая распределения напряжений по глубине значительно отличается от классической кривой Буссинеска.

Сопротивление деформированию и предел прочности грунта в процессе уплотнения возрастают, поэтому для дальнейшего повышения плотности грунта необходимо повышать контактные давления. Другими словами, давление рабочего органа машины должно постепенно повышаться от прохода к проходу при использовании катков или от удара к удару при использовании трамбующих машин. Плотность, а следовательно, и объем грунта зависят от того, в каком состоянии грунт находится: в естественном, насыпном или уплотненном. При возведении земляного полотна всегда устанавливается требуемая толщина слоя. Необходимый для этого объем грунта может быть определен по представленным в табл. 2.3 соотношениям.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: