Сжимаемость грунтов

Сжимаемостью грунтов называют способность их уменьшаться в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления.

Степень сжимаемости и явления, происходящие при сжатии, зависят от характера и структуры грунта.

Сжимаемость песчаных грунтов невелика и зависит от их гранулометрического, минералогического состава и плотности сложения. Сжатие песчаных грунтов связано с взаимным перемещением отдельных зерен, а при больших давлениях - и с их раздроблением. Сжатие этого типа грунтов протекает быстро и независимо от влажности.

Сжимаемость глинистых пород зависит от их минералогического состава, степени дисперсности, состава обменных катионов, пористости, а также от состояния породы и условий сжатия. Наиболее гидрофильные монтмориллонитовые глины характеризуются большей сжимаемостью по сравнению с каолинитовыми. При одинаковых условиях проведения опыта сжимаемость глинистых пород тем больше, чем выше их дисперсность. Глины, насыщенные Na , более сжимаемы, чем глины, насыщенные Са. Чем больше пористость, тем больше абсолютная величина сжатия.

При сжатии глинистых пород большую роль играют гидратные оболочки вокруг минеральных частичек, воспринимающие часть нагрузки и деформирующиеся при сжатии, а также непосредственное взаимодействие частиц, притягивающихся друг к другу молекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса); при ненарушенной структуре иногда имеют значение и цементационные связи.

Сжимаемость одной и той же глины может быть резко различной в зависимости от нарушенности структуры: при равной начальной пористости и влажности и одинаковом составе воды образцы с нарушенной структурой сжимаются больше.

Значительное влияние на сжимаемость оказывают скорость нарастания нагрузки и размеры ее ступеней. Опыты показывают, что увеличение ступеней и скорости нарастания нагрузки увеличивает сжатие глинистых пород.

Так как в лабораторных условиях нарастание нагрузок происходит значительно быстрее, чем в природных условиях и при строительстве, получаемые показатели сжатия оказываются завышенными; поэтому действительные осадки сооружений очень часто оказываются значительно меньше рассчитанных по данным компрессионных испытаний.

Скорость сжатия глинистых грунтов зависит от влажности грунта и от мощности сжимаемого слоя.

При полном насыщении образца водой скорость сжатия грунтов до известной степени определяется их водопроницаемостью. При малых значениях коэффициента фильтрации и большей мощности сжимаемого слоя процесс сжатия может длиться многие годы. При этом сжатие происходит до наступления состояния гидростатического равновесия, т. е. такого состояния, когда из грунта отжата часть воды, оказывавшая сопротивление сжатию, и внешняя нагрузка целиком воспринимается скелетом грунта.

В трехфазном состоянии, когда в порах глинистого грунта, кроме воды, находится воздух, имеющий возможность свободно выходить из грунта, сжатие происходит более быстро и независит от водопроницаемости. Гидратные оболочки при этом деформируются, но влажность породы в первый период опыта не ме няется.

Графически зависимость пористости (или влажности) от давления изображают компрессионной кривой .

Следует отличить компрессию грунта от более общего понятия - сжимаемости . При компрессии исключена возможность бокового расширения грунта; в отличие от этого, при испытаниях на сжатие отсутствует жесткая обойма, сохраняющая неизменным поперечное сечение образца, причем боковая поверхность его либо свободна от нагрузки (одноосное сжатие), либо также подвергается давлению (трехосное сжатие).

Если первоначально нагруженный грунт постепенно разгружать, то его объем и пористость будут увеличиваться. Это явление, обратное компрессии, носит название декомпрессии , или набухания . Однако объем (пористость) образца в процессе декомпрессии часто не достигает первоначальных размеров.

Увеличение объема грунта при снятии нагрузки характеризует упругие деформации, а разность между первоначальным объемом грунта и его объемом после декомпрессии - остаточные деформации. Остаточные деформации обусловлены перемещением частиц грунта и нарушением связей между ними. Упругие (обратимые) деформации пород связаны с упругими деформациями водно-коллоидных и кристаллизационных связей между частицами, а в породах, не полностью насыщенных водой, - с упругими деформациями пузырьков газов в поровом растворе.

Степень сжимаемости грунтов при невозможности бокового расширения грунта обычно выражают через так называемый коэффициент компрессии (иначе коэффициент уплотнения; коэффициент сжимаемости) а .

Для изучения сжимаемости грунтов в настоящее время пользуются несколькими типами приборов, которые могут быть объединены в две группы:

•   одометры - приборы, типа прибора Терцаги, с жесткими металлическими стенками, препятствующие боковому расширению образца при сжатии его вертикальной нагрузкой;
•   стабилометры - приборы с боковым гидростатическим или аэростатическим обжатием образца, заменяющим действие жестких стенок в приборах первого типа.