Реология грунтов

1. Особенности состава грунтов. Основной особенностью грунтов является их раздробленность, т.е. грунт состоит из отдельных частиц различной крупности либо не связанных между собой, либо связанных, но с прочностью связей, много меньшей прочности самих частиц грунта. Между частицами имеются поры, которые могут быть заполнены полностью или частично газом или жидкостью. Таким образом, грунт в общем случае представляет собой трехкомпонентную (трехфазную) среду, состоящую из твердых частиц, жидкости и газа. Грунты с отрицательной температурой, выделяя замерзшую часть воды (лед), можно рассматривать как четырехкомпонентные. Все компоненты грунта находятся в сложном взаимодействии.
1.1. Твёрдая составляющая грунта. Все горные породы и грунты – это в основном продукты физического и химического выветривания скальных горных пород литосферы, поэтому твердые частицы представлены отдельными минералами или обломками горных пород сцементированных друг и другом в монолитную массу (в магматических, метаморфических и части осадочных пород) или же не связанных друг с другом прочными кристаллизационными связями (обломочные несцементированные породы). Минералами называют природные химические образования (соединения) или самородные элементы, являющиеся продуктами сложных физико-химических процессов, протекающих в земной коре. В настоящее время известно более 2500 природных минералов. Содержание некоторых из них составляет целые проценты и даже десятки процентов, поэтому они называются главными породообразующими минералами. Другие содержаться в весьма незначительных количествах (не более 1 %) и называются второстепенными или акцессорными минералами. Наконец, встречаются так называемые случайные минералы, составляющие крайне незначительную часть в общем составе породы. Все грунты различаются по своему минералогическому составу, определяющему их химический или солевой составы, и по состоянию (плотность сложения, влажность, степень выветрелости и пр.), а также по своим структурным и текстурным особенностям. Почти все минералы имеют кристаллическое строение, выражающееся в строго определенных закономерностях их внутреннего строения и внешней формы. Лишь незначительное строение минералов встречается в виде аморфного вещества. Характер строения и природа химической связи между материальными частицами кристаллической решетки минералов лежат в основе многих физических и механических свойств грунта. Минералы классифицируются по различным признакам: по происхождению, химическому составу, кристаллохимическим и кристаллографическим особенностям, сопротивляемости к выветриванию, растворимости и др. Наиболее важной с инженерно-строительной точки зрения является классификация по химическому составу, согласно которой выделяется 10 классов минералов в соответствии с их распространением в земной коре. Классы Минералы I Силикаты II Карбонаты III Окислы IV Гидроокислы V Сульфиды VI Сульфаты VII Галоиды VIII Фосфаты IX Вольфраматы X Самородные элементы Силикаты. В этот класс входят наиболее распространенные породообразующие минералы, очень сложные по химическому составу и участвующие в строении всех типов горных пород, особенно магматических и метаморфических. В основе кристаллической решетки всех силикатов лежит ионная четырехвалентная группировка SiO2, образующая тетраэдры, различное сочетание которых определяет структуру силикатов. Все силикаты по внутренней структуре подразделяются на островные, цепочечные, ленточные, слоевые и каркасные. Островные силикаты имеют структуру из изолированных тетраэдров (SiO2) с присоединенными к ним ионами других элементов. Среди них наиболее распространен оливин (Mg, Fe)2 [SiO4]. Цепочечные силикаты – это те, в которых тетраэдры соединяются в непрерывные цепочки. К ним относятся группы пероксенов. Здесь следует назвать минерал авгит (Ca, Na) (Mg, Fe2+, Al, Fe3+) [Si, Al2O6], отличающийся более сложным химическим составом и частичной заменой кремнезема алюминием. В ленточных силикатах кремнекислородные тетраэдры, соединяясь, образуют обособленные ленты, или полосы (присоединение одной цепочки к другой). Наиболее распространенным примером таких минералов является роговая обманка. Слоевые, или листовые, силикаты объединяют многие минералы, структура которых обусловлена сцеплением лент в виде одного непрерывного слоя. Среди них важное породообразующее значение имеют слюды; мусковит – калиевая бесцветная слюда; биотит – черная железисто-магнезиальная слюда; тальк и хлориты, представляющие собой алюмосиликаты Mg и Fe сложного меняющегося состава. Каркасные силикаты объединяют наиболее важную группу породообразующих минералов – полевые шпаты. В них кремнекислородные тетраэдры сцеплены через все четыре вершины, что создает каркас. Полевые шпаты характеризуются высокой твердостью, совершенной спайностью и хорошо заметным стеклянным блеском. Некоторые классы представляют собой водорастворимые минералы, например галоиды и сульфаты. Галоидные соединения. Относятся к легкорастворимым в воде минералам. Минералы этого класса в химическом отношении представляют собой соли галоидно-водородных кислот. Наиболее распространенные хлористые и фтористые соединения. К ним относятся галит (поваренная соль) NaCl, сильвин KCl и флюорит (плавиковый шпат) CaF2. Сульфаты. Тоже водорастворимые минералы, но они относятся к среднерастворимым. Этот класс минералов представляет собой соли серной кислоты: гипс CaSO4 · 2H2O, ангидрит (безводный сульфат кальция) CaSO4. Водорастворимые минералы ввиду их растворимости встречаются в грунтах преимущественно в зоне сухого и жаркого климата. При содержании в грунтах легкорастворимых минералов более 7 % по массе и среднерастворимых минералов более 10 % по массе грунты отличаются пониженными значениями показателей физико-механических свойств. Поэтому такие грунты не рекомендуется применять для устройства земляного полотна или подвергать их укреплению добавками различных вяжущих веществ.
Карбонаты. В класс входят минералы: кальцит (известняковый шпат) CaCO3 и доломит (CaMg)CO3. Наличие карбонатов в глинистых грунтах обуславливает меньшую смачиваемость грунта водой и способствует улучшению других свойств. Окислы и гидроокислы. Эти минералы представляют собой соединения различных элементов с кислородом (окислы) и соединения с кислородом и гидроксильной группой OH (гидроокислы). Данные минералы подразделяются на две группы:
- окислы и гидроокислы кремния (группа кварца); - окислы и гидроокислы металлов. Сульфиды. Эти минералы представляют собой соединения различных элементов с серой. Они имеют не большое значение в строении земной коры, но включают ряд минералов – важнейших руд, таких как свинец, медь, цинк, молибден и др. Самородные элементы. В этот класс входят минералы, состоящие из одного химического элемента. Минералы этого класса составляют очень маленькую долю в строении земной коры. К ним относятся: самородное золото, серебро, медь, платина, графит, алмаз, сера и др. Минеральный состав грунта оказывает значительное влияние на устойчивость грунта в инженерных сооружениях. Он резко изменяется в зависимости от исходного состава горной породы, степени ее дробления, условий формирования и залегания. Крупнообломочные грунты сложены частицами наиболее стойких и прочных горных пород, состоящих обычно из групп минералов. С увеличением степени раздробленности, частицы грунта оказываются состоящими из отдельных стойких материалов, например кварца. Кварц представляет собой двуокись кремния (SiO2) и широко распространен в природе. В классификации минералов относится к окислам. Кварц чаще всего бесцветный или белый, но может быть окрашен в различные цвета. Преобладание кварца наиболее характерно для песчаных грунтов. В месте с пылевым шпатом и слюдой, кварц является породообразующим минералом для песчаных и более крупнозернистых грунтов. В глинистых грунтах минеральный состав существенно изменяется. При дальнейшем увеличении степени раздробленности в наиболее тонкой глинистой части грунтов накапливаются вторичные, так называемые глинистые минералы. Глинистые минералы образуются в процессе выветривания различных горных пород, особенно магматических и метаморфических, содержащих полевые шпаты, слюды и другие минералы. Они придают грунтам совершенно новые физико-механические свойства. Глинистые минералы относятся к слоевым силикатам. Основное влияние на свойства грунта оказывают глинистые минералы высокой степени раздробленности (размер частиц глинистых минералов обычно не превышает 0,001 мм). По совокупности признаков многочисленные глинистые (коллоидно-дисперсные) минералы разделяют на три основные группы: каолинита, гидрослюд и монтмориллонита. Каолинит – относительно стойкий минерал, содержащийся в довольно большом количестве во многих глинистых грунтах. Образуется в результате выветривания пылевых шпатов и других алюмосиликатов и представляет собой по внешнему виду землистый минерал. Обычно белого цвета, иногда желтоватого. По своему химическому составу представляет собой комплексную алюмокремниевую кислоту. По сравнению с другими глинистыми минералами каолинит обладает небольшой набухаемостью при смачивании водой и малой способностью к поглощению (адсорбции на поверхности) различных веществ. Монтмориллонит в отличие от каолинита характеризуется более высокой дисперсностью (раздробленностью) частиц, чрезвычайно большой пластичностью и способностью в 10-20 раз увеличивать объем при увлажнении. Наличие в грунтах большого количества монтмориллонита придает им при увлажнении резко выраженные отрицательные свойства: чрезмерную липкость, сильное набухание и отсюда быструю потерю несущей способности. Размеры минералов монтмориллонита крайне незначительны и, как правило, не превышают 1 мкм. Гидрослюды представляют собой измененные слюды и по своим свойствам занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом. 1.2. Жидкая составляющая грунта. Ряд важных свойств, таких как прочность при сжатии и сдвиге, липкость, пластичность, набухание в значительной степени зависит от степени увлажнения грунтов. В природных условиях в грунтах всегда содержится вода, однако ее количество, т. е. влажность, может изменяться в широких пределах. Вода в грунтах может быть в парообразном, жидком и твердом состоянии. На основании классификации А. Ф. Лебедева, предложенной в 1936 г., различают следующие категории воды в грунте: - вода в виде пара; - вода в твердом состоянии; - связанная вода; - свободная вода; - кристаллизационная и химически связанная вода. Водяной пар является одной из составных частей грунтовой атмосферы. Общее количество водяного пара в грунте не превышает 0,001 % от всего веса грунта. Вода в форме пара играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, т. к. она, во-первых, является единственной формой воды, которая способна передвигаться в грунте при незначительной ее влажности, и, во-вторых, потому, что путем конденсации паров на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды. При температуре грунта ниже 00 С замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед может содержаться в грунте в виде отдельных кристаллов или в виде прослоев чистого льда, достигающего местами значительной мощности. Кристаллы льда в большинстве случаем играют роль цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом. Благодаря присутствию льда резко изменяются свойства грунта. Свойства мерзлых грунтов очень чувствительны к изменениям температуры, особенно при переходе ее через нуль градусов, т. к. при этом изменяется содержание не замерзшей воды. Изменение количества не замерзшей воды влияет на большую часть физических и химических свойств дисперсных мерзлых грунтов. При промерзании дисперсных и особенно глинистых пород происходит миграция влаги и льдовыделение, которое резко изменяет строение грунтов, что влияет на их физические и механические свойства. При этом повторное замерзание и оттаивание дисперсных пород может привести к увеличению количества свободной воды, возрастанию фильтрационной способности, изменению прочности и электрических свойств. Связанная вода, составляет 42 % от всей воды, содержащейся в земной коре. Особенно много ее содержится в глинистых грунтах. Связанную воду можно разделить на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Молекулы вязанной воды прочно удерживаются адсорбционными силами. Электромолекулярное притяжение непосредственно около поверхности частиц достигает нескольких сотен мегапаскалей. Поэтому первые слои молекул воды притягиваются к поверхности частицы особенно сильно и образуют слой прочносвязанной воды. Прочносвязанная вода поглощается поверхностью грунтовых частиц из воздуха, содержащего водяные пары и удерживается на поверхности частиц с большой силой. Передвигается и удаляется только переходя в пар. Электромолекулярные силы с расстоянием от частицы резко убывают, поэтому более удаленную часть слоя связанной воды иногда называют рыхлосвязанной. Рыхлосвязанная вода образуется в грунте при сгущении водяных паров или остается в нем после удаления капельно-жидкостной воды. Удерживается силами молекулярного притяжения на поверхности грунтовых частиц, но связана меньше, чем связанная адсорбционными силами прочносвязанная вода. Образует слой пленочной воды, которая передвигается очень медленно из мест, где пленки воды толще, в места, где они тоньше.
Связанная вода, особенно вблизи от поверхности частиц, обладает повышенной плотностью, имеет большую вязкость, а температуру замерзания ниже 00 С. Количество связанной воды в грунте и в особенности ее отношение с количеством свободной воды в грунте в значительной мере определяет свойства грунтов. В песчаных и тем более в крупнообломочных грунтах благодаря относительно малой удельной поверхности частиц объем связанной воды, распределенной по поверхности частиц, очень мал. В глинистых грунтах, наоборот, а результате колоссальной удельной поверхности частиц объем связанной воды велик и в плотных глинах или суглинках почти все пора могут быть заполнены связанной водой.
Свободная вода подразделяется на капиллярную и гравитационную. Капиллярная вода в свою очередь состоит из: воды углов пор, подвешенной и собственно капиллярной воды. Вода углов пор, или стыковая вода, образуется в местах соприкосновения частиц в виде отдельных капель, занимающих суженные части пор. Содержание этого вида воды в песках составляет 3-5 %, в супесях – 4-7 %. Участки, занимаемые водой углов пор, изолированы друг от друга и занимают незначительное пространство по отношению ко всему объему пор. Подвешенная вода чаще всего встречается в песках. Она возникает как в однородной, так и в слоистых толщах при промачивании их сверху. В однородной толще образование подвешенной воды зависит от гранулометрического состава песка и его исходной влажности. В грубозернистых песках подвешенная вода не образуется. Собственно капиллярная вода поднимается к верху от уровня грунтовых вод. При уменьшении количества капиллярной воды в связи с высыханием грунта наблюдается восстановление ее благодаря подъему по капиллярным порам новой части грунтовой воды под действием сил капиллярного натяжения, подобно тому, как это происходит в капиллярной трубке, опущенной одним концом в воду. Капиллярная вода замерзает примерно при температуре -1°С. Над поверхностью свободных грунтовых вод образует зону капиллярно увлажненного грунта. Гравитационная вода обладает обычными свойствами жидкой воды и подразделяется на просачивающуюся воду и воду грунтового потока. Просачивающаяся вода находится преимущественно в зоне аэрации и передвигается под влиянием силы тяжести сверху вниз. Это движение продолжается до тех пор, пока она не встретит на своем пути слой грунта, обладающий малой проницаемостью. После этого дальнейшее движение воды происходит под влиянием напора в виде грунтового потока. Просачивающаяся вода оказывает локальное воздействие на толщу пород. В частности, глинистые, лессовые и другие связные грунты теряют прочность лишь на пути ее движения. В других зонах пласта прочность породы сохраняется. Вода грунтового потока оказывает воздействие на весь пласт, по которому она движется. Содержание гравитационной воды в грунте зависит от характера его пористости. В глинистых грунтах, где количество макропор незначительно, гравитационная вода находится в небольшом количестве и при большом уплотнении грунта может совсем отсутствовать. В крупнообломочных грунтах (гравий, галечник) и в крупнозернистых песках гравитационная вода может преобладать над другими видами воды. Насыщение грунта свободной водой снижает его прочность. Кристаллизационная вода и химически связанная вода принимают участие в строении кристаллических решеток различных минералов. Удаление кристаллизационной воды из минералов заметно отражается на многих их химических и физических свойствах. Выделение химически связанной воды из минералов приводит к их распаду. Максимально возможное содержание в грунте связанной, капиллярной и гравитационной воды при полном заполнении его пор называют полной влагоемкостью грунта. Вода, находящаяся в грунте в жидком состоянии, обладает различными свойствами. При незначительном увлажнении глин или суглинков, ввиду их большой удельной поверхности, вода распределяется в массе грунта в виде очень тонких пленок, заполняя тончайшие поры между частицами. Находясь в таком состоянии, вода характеризуется ничтожной подвижностью, замедленной испаряемостью, относительно более высокой вязкостью, пониженной температурой замерзания. Вода в состоянии таких пленок способствует повышению связности грунта. С увеличением содержания воды в грунтах происходит заполнение более крупных пор и увеличение толщины водных пленок на частицах грунта. При переходе определенных пределов влажности, характерных для каждого грунта, происходит резкое, по существу скачкообразное изменение ряда свойств и консистенции. 1.3. Газообразная составляющая грунта.Содержание воды и газа в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом – воздух проникает в поры грунтов из атмосферы. Газообмен между атмосферой и толщей пород вызывается рядом факторов: диффузным перемешиванием газов, колебаниями температуры и давления воздуха, атмосферными осадками и ветром. Ниже газообразная составляющая представлена азотом, метаном, сероводородом и другими газами. Необходимо подчеркнуть, что метан, сероводород, угарный газ ядовиты и могут содержаться в грунте в концентрациях, опасных для жизни работающих в слабо проветриваемых выемках. Интенсивность газообмена между грунтом и атмосферой зависит от состава и строения пород. В монолитных скальных грунтах газообмен затруднен, а в дисперсных он протекает интенсивно, при этом интенсивность тем выше, чем больше содержание макропор, трещин и пустот. В газообразной составляющей всегда присутствуют пары воды. Газы в порах грунтов могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Свободный газ подразделяется незащемленный, сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится то или иное количество растворенного газа. Повышение давления или понижение температуры приводит к увеличению количества растворенного газа. Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах грунта и протекающих в нем процессах. Уменьшение давления вследствие разработки котлована или извлечения образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной текстуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В тоже время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость вода в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта. При подтоплении территории подземными водами в обводненном грунте на многие годы, если не на десятилетия, задерживается защемленный газ. Это имеет большое значение, в частности, при сейсмическом микрорайонировании. На обводненных грунтах сейсмическая балльность выше. Защемленный воздух поднимает ее дополнительно, так как снижает скорость прохождения сейсмических волн.
1.4. Органическая составляющая грунта. Органические вещества являются существенной и неотъемлемой частью почвы. При этом некоторые из них часто отрицательно сказываются при использовании почвы в строительных целях. Наличие органических веществ придает грунту чрезмерную влагоемкость и пластичность, сильное набухание, плохую водопроницаемость и водоотдачу.
Органические вещества почв очень разнообразны по физическому состоянию и химическому составу. В них на ряду с малоразложившимися остатками растительного и животного происхождения встречаются органические вещества сложного состава, являющиеся продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, перерабатывающих органические остатки. В зависимости от состояния, в котором находятся органические вещества, они называются торф и гумус. Торф представляет собой грубую полуразложившуюся в условиях повышенной влажности массу остатков болотных растений, в которых в зависимости от степени разложения иногда можно различить строение веществ, послуживших продуктами его образования. Гумусом называют сложный комплекс органо-минеральных соединений почвы, образовавшихся в результате сложных биохимических превращений, связанных с жизнедеятельностью различных микроорганизмов. В состав гумуса в основном входят углерод, кислород, водород и азот, сочетания которых и дают различные органические вещества. Создание и разрушение органического вещества – это основа процесса почвообразования. В природе можно выделить два пути биологического распада и последующего синтеза гумусовых веществ: - аэробный процесс, протекающий при свободном доступе кислорода; - анаэробный процесс - без доступа кислорода. В условиях избыточного увлажнения, последний приводит к накоплению торфа. В результате этих процессов в почве накапливаются следующие органические соединения сложного химического состава: 1) ульминовая кислота, являющаяся продуктом анаэробного превращения органического вещества, она хорошо растворима в воде о образует истинные растворы; 2) гуминовая кислота, образующаяся при аэробном бактериальном превращении органического вещества, имеет черный цвет, ее соли щелочноземельных металлов, железа и алюминия в воде не растворимы; 3) креновая кислота, образующаяся при разложении остатков древесных растений под влиянием грибов и имеющая резко выраженную кислотную реакцию, легко растворяется в воде. Наличие в грунтах органических веществ в количестве более 2 % по массе, особенно кислого типа, оказывает отрицательное действие при укреплении грунтов цементами.
2. Реологические свойства грунтов.
Под реологическими свойствами грунтов понимают закономерности протекания деформации и изменение прочности грунта во времени под действием приложенных нагрузок. Реология это, соответственно, область науки, которая рассматривает данный процесс деформации (от греч. «рео» - течь). В дисперсных грунтах эти свойства проявляются в виде релаксации, ползучести и длительной прочности. Под релаксацией понимают процесс перехода упругой деформации в необратимую пластическую, причем этот процесс протекает длительно и сопровождается постепенным уменьшением напряжений, вследствие раздробления части агрегатов, смещения частиц, выравнивания местных напряжений на контактах ид друг с другом. Ползучестью называют способность грунтов длительно деформироваться при постоянной нагрузке, меньшей, чем разрушающая. Длительной прочностью называется постепенно уменьшающаяся прочность грунта при длительном действии нагрузки. Реологические свойства зависят от структуры грунта в образце или массиве, неравномерности распределения напряжений на контактах частиц, неравнопрочности этих частиц и их агрегатов, а также от величины прилагаемых нагрузок. При сравнительно небольших давлениях деформации обусловлены, в основном, увеличением числа контактов частиц, уплотнением, а иногда и упрочнением грунта. Они затухают через какой-то промежуток времени. В случае значительных по величине нагрузок скорость деформации становится практически постоянной в течение длительного времени (пластическое течение). При больших, длительно действующих нагрузках прочность материала грунта постепенно уменьшается и будет меньше, чем его прочность при кратковременно действующих давлениях. Это падение прочности у различных грунтов может достигать 30 – 70 % по сравнению с мгновенной прочностью. Реологические свойства имеют большое значение при расчетах прогноза осадки и прочности оснований сооружений, особенно на слабых грунтах. При оценке реологических свойств грунтов следует помнить, что эти свойства могут изменяться во времени в силу воздействия процессов выветривания и многолетнего воздействия больших нагрузок. Все это приводит к «усталости» грунтов, их структура расслабляется. В грунтах возникают деформации в виде ползучести и даже текучести, т. е. начинает протекать реологический процесс. В результате грунт разрушается и здание деформируется. 2.1. Основные стадии ползучести. Рассмотрим кривую изменения деформации грунтов во времени при неизменном физическом состоянии и нагрузке, большей ркр (рис. 1). а) б)
a
a 0 t
I
I
e0
b
b
II

c
III e
d

Рис. 1. Деформации ползучести грунта:
а – незатухающей; б – затухающей На кривой ползучести можно выделить три основные стадии. Стадия I (отрезок ab) – стадия неустановившейся ползучести. Важное значение в развитии стадий ползучести имеет перестройка структуры грунтов, возникновение и развитие микротрещин. При действии внешних нагрузок жесткие связи постепенно разрушаются и в агрегатах частиц возникают микротрещины с одновременным появлением новых водно-коллоидных и молекулярно-контактных связей за счет уменьшения расстояния между частицами. Первая стадия характеризуется закрытием существующих микротрещин, которое сопровождается уменьшением объема грунта. Стадия II (участок bc) – стадия установившейся ползучести или пластического течения с постоянной скоростью деформирования . В ней происходит перестройка структуры при неизменном объеме грунта и вязкая деформация (в основном водно-коллоидных оболочек, прочно связанных с минеральными частицами грунта). Нарушение жестких или полужестких связей полностью компенсируется возникновением новых водно-коллоидных и молекулярно-контактных связей. В результате указанных процессов формируется новая структура грунта, которая в меньшей степени сопротивляется действию внешних сил. Стадия III (отрезок cd) – стадия прогрессирующего течения. Характеризуется все нарастающей скоростью деформации . В ней увеличивается объем грунта и уменьшается его сопротивление внешним нагрузкам. Это происходит вследствие появления новых микротрещин, которые развиваются и обуславливают возрастающую деформацию. Это приводит грунт в хрупкое разрушение или вязкое течение, которое сопровождается выдавливанием его в стороны от нагруженного участка. Из опытов видно, что установившаяся ползучесть всегда переходит в прогрессирующую. Это происходит при разной длительности действия нагрузки. Чем больше время действия нагрузки, тем при меньшем ее значении достигается прогрессирующая ползучесть. При этом деформация грунта должна достичь определенного значения, характерного для данного грунта или его физического состояния. 2.2. Релаксация напряжений. Она представляет собой процесс уменьшения во времени (расслабления) действующих напряжений при неизменной деформации. В связных грунтах релаксация напряжений, обусловленная разрушением структурных связей, всегда имеет место в процессе ползучести. При этом напряжения падают не до нуля, а до постоянной величины, которая в дальнейшем сохраняет постоянное значение. В процессе ползучести сопротивление глинистых грунтов при длительных нагрузках значительно меньше мгновенного. Мгновенной прочностью s0 называется мгновенное сопротивление грунта в самом начале нагружения (рис. 2). Различают также временную прочность st, которая изменяется во времени и характеризуется разрушением грунта за промежуток времени t. И наконец, длительная прочность s¥ рассматривается как наименьший предел прочности при релаксации напряжений.
s t
Рис. 2. Изменение прочности мерзлых грунтов во времени 2.3. Деформации ползучести глинистых грунтов. Для тугопластичных, полутвердых и твердых глинистых грунтов в практике большое значение имеет затухающая ползучесть. Прогрессирующую ползучесть оснований допускать нельзя, так как она приводит к аварийному состоянию зданий и сооружений. Что касается установившейся ползучести, то она может быть допущена в отдельных случаях для сооружений, у которых величина деформаций приемлема за срок его существования. Затухающая ползучесть бывает в основаниях сооружений только при такой величине внешних давлений, которая соответствует наступлению стадии пластично-вязкого течения. При этом коэффициент вязкости глинистых грунтов возрастает. Это вызвано тем, что в процессе затухающей ползучести происходит уплотнение и упрочнение водно-коллоидных оболочек минеральных частиц, закрытие микротрещин и, следовательно, возникновение новых структурных связей. При затухающей ползучести уравнение напряженно-деформированного состояния при однократном нагружении имеет вид
Эта формула получена на основе теории наследственной ползучести Больцмана-Вольтера и выражает деформируемость скелета дисперсных грунтов. В формуле приняты обозначения: e(t) – относительная деформация скелета грунта; - мгновенная деформация скелета грунта в момент t; - деформация, которая накапливается во времени и пропорциональна напряжению , промежутку времени действия ;
- ядро ползучести, которое характеризует скорость ползучести при постоянном напряжении, отнесенную к единице действующего давления:

где d - коэффициент ядра ползучести; d1 – коэффициент затухания ползучести. Значения коэффициентов d и d1 определяются опытным путем и носят название параметров ползучести. Для их нахождения проводятся дренированные компрессионные испытания при полном насыщении образцов грунта водой (это соответствует отсутствию пузырьков воздуха в поровой воде). При расчете осадок сооружений во времени с учетом ползучести грунтов необходимо в самом начале выбрать ту или иную теорию деформирования грунтов. На выбор теории расчета в значительной степени влияют два основных фактора: природная уплотненность и степень водонасыщенности грунтов. Грунты текучепластичной и мягкопластичной консистенции, содержащие в порах свободную и слабосвязанную с минеральным скелетом грунта воду и обладающие незначительными структурными связями, можно рассчитывать по теории фильтрационной консолидации для первой ступени нагрузки или при однократном нагружении (неуплотненные суглинки, супеси, мелкие пески или слабые глины ниже уровня грунтовых вод). При уплотнении указанных грунтов (даже незначительном) они будут обладать структурными связями, и это тоже необходимо учитывать при расчете изменения осадок во времени. В этом случае учитывается неполная передача давления на поровую воду в первый момент нагружения, структурная прочность и начальный градиент напора. При прогнозе осадок сооружений на глинистых грунтах тугопластичной, полутвердой и твердой консистенций применений фильтрационной теории консолидации будет недостаточно, так как в самом начале нагружения значительное влияние оказывает структурность и деформируемость всех элементов, особенно ползучесть скелета грунта. Для применения различных теорий консолидации большое значение имеет учет степени водонасыщения и завершенности процесса фильтрационной консолидации: 1) однокомпонентная (квазиоднофазная) система частиц; 2) двухкомпонентная или грунтовая масса; 3) трехкомпонентная система. Могут быть и переходные системы, которые формируются с течением времени. Например, трех- или двухкомпонентная система при высыхании переходит в однокомпонентную и т. д. Полученные решения для однокомпонентных систем применяются в следующих случаях: 1) для неводонасыщенных (Sr 2) для тех же, но водонасыщенных грунтов и содержащих в очень небольшом количестве газы (менее 1%). В обоих случаях характеристиками деформируемости грунтов являются d и d1. Для двухкомпонентных систем решения получены для водонасыщенных грунтов с учетом ползучести скелета грунта и его структурности. Наиболее общими являются решения для трехфазных водонасыщенных систем. Они применяются при степени влажности Sr > 0,9 глинистых грунтов с учетом ползучести скелета, сжимаемости поровой воды и природной структурности.
















3. Складчатые и разрывные дислокации пластов, особенности их влияния
на инженерно-геологические условия строительных площадок, эксплуатацию
зданий и сооружений.
Земная кора обладает различной подвижностью. На поверхности Земли постоянно возникают горные системы и океанические впадины. Осадочные породы первоначально залегают горизонтально. Тектонические движения (сейсмические явления, землетрясения, вулканизм) выводят пласты из горизонтального положения, нарушают первичную форму залегания. Эти нарушения получили название дислокации (или вторичные формы залегания). Дислокации в зависимости от вида тектонических движений разделяют на складчатые (не разрывные) и разрывные. Складчатые дислокации формируются без разрыва сплошности слоев. К ним относятся моноклиналь, складка и антиклиналь (рис. 1).


Рис. 1. Складчатые дислокации:
1 – моноклиналь, 2 – флексура Моноклиналь – наиболее простая форма связанных тектонических нарушений в слоистых горных породах, связанная с наклонным залеганием слоев, которые однообразно падают в одном направлении (от 5 и более градусов). Флексура – моноклинальное и горизонтальное залегание слоев нарушается коленообразным изгибом, обусловленным возведением на породы тангенциальных тектонических сил. Складки – тектонические нарушения представляют собой волнообразные изгибы слоев горных пород, среди которых выделяют выпуклые (антиклинали – замок расположен вверху, крылья – внизу) и вогнутые (синклинали – замок расположен внизу. А крылья – вверху) (рис. 2).




Рис. 2. Складчатые дислокации:
1 – антиклиналь, 2 - синклиналь Разрывные дислокации образуются в результате интенсивных тектонических движений, сопровождающиеся разрывом сплошности пород и смещением слоев относительно друг друга. Амплитуда смещения может быть от нескольких сантиметров до километров при ширине трещин до нескольких метров. К разрывным дислокациям относятся сбросы, взбросы, грабены, горсты, сдвиги и надвиги (рис. 3: а – неподвижная часть земной коры, б – подвижная часть).
Рис. 3. Разрывные типы дислокаций Сбросы – разрывные нарушения, когда подвижная часть земной коры опустилась вниз по отношению к неподвижной. Взброс – разрывное нарушение, когда подвижная часть земной коры поднялась в результате тектонического движения по отношению к неподвижной. Грабен – когда подвижный участок земной коры опустился по отношению к двум неподвижным участкам в результате тектонического движения. Горст – обратное грабену движение. Сдвиг – представляет собой разрывное нарушение, в котором происходит горизонтальное смещение горных пород по простиранию. Надвиг – обратное сдвигу перемещение. С инженерно-геологической точки зрения наиболее благоприятными местами строительства являются горизонтальное залегание горных пород, где присутствует большая их мощность, однородность состава. Фундаменты зданий и сооружений располагаются в однородной грунтовой среде, при этом создается равномерная сжимаемость слоев под весом сооружения и создается наибольшая их устойчивость (рис. 4).
Наличие дислокации резко изменяет и усложняет инженерно-геологические условия строительства – нарушается однородность грунтов основания фундамента сооружений, образуются зоны дробления (разрывы), снижается прочность пород, по трещинам разрывов происходят смещения, нарушается режим подземных вод. Это вызывает неравномерную сжимаемость грунтов и деформацию самого сооружения вследствие неравномерной осадки различных его частей (рис. 4).

Рис. 4. Неблагоприятные (а) и благоприятные (б) условия строительства.