Процессы, происходящие в грунте при действии нагрузки

Деформация грунта, заметная при погружении в грунт сооруже­ния или колеса, передающего на него давление, является внешним проявлением процессов, протекающих в грунте под действием поля напряжений, создаваемого внешней нагрузкой. Напряжения вызы­вают перемещения структурных агрегатов и отдельных частиц, из которых состоит грунт, сопровождающиеся изменением их взаим­ного расположения и частичным разрушением.

Все деформации независимо от вызывающих их причин могут быть разделены на две группы: объемные деформации сжатия, при которых грунтовые частицы преимущественно сближаются, уклады­ваясь более плотно, и деформации сдвига, сопровождающиеся сме­щениями частиц с изменением взаимного их расположения.

В толще деформируемого грунта происходят следующие виды перемещений:

1) взаимные смещения структурных агрегатов и от­дельных грунтовых частиц с разрушением удерживающих их свя­зей, сопровождающиеся их более плотной укладкой и изменением ориентации глинистых частиц;

2) обжатие и разрушение структур­ных агрегатов, обычно связанное с уплотнением грунта (сами грун­товые частицы при давлениях, встречающихся в строительной практике, как правило, не деформируются);

3) выжимание сво­бодной воды и воздуха из пор грунта, сопровождающее более плотную укладку структурных агрегатов и грунтовых частиц, при­водящее к уменьшению пористости грунта;

4) сжатие и выжимание пленок адсорбированной воды в точках взаимного соприкасания глинистых и пылеватых частиц («точках контакта»);

5) сжатие и частичное растворение в воде пузырьков воздуха, защемленных в порах грунта и не имеющих возможности выжимания. Роль каж­дого из этих явлений в общем процессе деформации зависит от зер­нового состава, сложения, степени уплотнения и влажности грунта.

Взаимные смещения грунтовых частиц и структурных агрегатов имеют решающее значение при деформациях несвязных и макро­пористых грунтов (например, лёссов) или грунтов с нарушенной структурой, из которых возвели инженерные сооружения — плотины, насыпи, дамбы. Для таких грунтов характерно малое количе­ство связей между отдельными элементами грунтового скелета. Напряжения, возникающие в грунтовом массиве при действии на­грузок, преодолевают связи, существующие в точках контакта между отдельными частицами и структурными агрегатами, и выну­ждают их перемещаться в новое, более устойчивое положение. При влажности грунтов, меньшей капиллярной влагоемкости структурные агрегаты обычно более прочны, чем связи между ними и деформации грунта сводятся в основном к перемещениям и дроб­лению структурных агрегатов.

Прекратившаяся деформация грунта под внешней нагрузкой может вновь возникнуть при дополнительном воздействии новых факторов, снижающих прочность структурных агрегатов (например, просадки лёссовых грунтов при увлажнении или осадки мерзлых грунтов, содержащих включения льда, при оттаивании).

При уплотнении водонасыщенных грунтов происходит вытесне­ние воды, заполняющей поры, и более плотная укладка грунтовых частиц. Этот процесс в слабоводопроницаемых грунтах иногда за­тягивается на длительное время.

Изменение толщины пленок связанной воды имеет значение при деформациях высокодисперсных глинистых грунтов. У пластинча­тых глинистых частиц толщина водных пленок соизмерима с толщи­ной самих частиц, поэтому сближение частиц при выжимании пле­нок может играть существенную роль в общей величине сжатия грунта. Пленка воды имеет вязкость, уменьшающуюся по мере уда­ления от поверхности частицы. При сближении двух частиц действующими на них силами происходит частичное выжи­мание воды в местах контакта между частицами. При снятии на­грузки происходит упругое восстановление пленки.

Содержание в грунте воздуха не отражается на протекании в нем деформаций. При перемещениях грунтовых частиц воздух может сжиматься, а в дальнейшем (частично уже после снятия на­грузки), просачиваясь через грунт, постепенно выходить в атмо­сферу.

Для грунтов характерна значительная объемная сжимаемость, отличающая их от других строительных материалов, у большин­ства которых изменение формы практически не сопровождается изменением плотности. При уплотнении грунтов более компактная укладка грунтовых частиц приводит к изменению их механических свойств. При этом прочность их обычно увеличивается.

Некоторые из указанных выше деформаций являются необрати­мыми, другие часто восстанавливаются при удалении нагрузки (т.е. являются упругими). Полностью необратимые деформации грунта: взаимные сдвиги грунтовых частиц и структурных элементов; разрушение структурных элементов и грунтовых частиц; вы­жимание из грунта воздуха. Деформации грунта, частично восста­навливающиеся при удалении нагрузки: сжатие в результате вы­жимания воды; сжатие защемленных объемов воздуха; упругие деформации грунтовых частиц; деформации пленок связанной воды.

Особенность упругих деформаций грунтов — замедленность их протекания в отличие от упругих деформаций других материалов, происходящих весьма быстро и принимаемых в строительной ме­ханике мгновенными. Необратимые деформации грунтов называют обычно пластическими, хотя это и не вполне соответствует по­нятию, вкладываемому в этот термин в строительной механике, где к категории пластических относят только необратимые деформации изменения формы тела при сохранении постоянного объема.