Модуль деформации (Ео) – это основная характеристика изменений грунта, возникающих под воздействием разных типов нагрузок. Она показывает прямо пропорциональную зависимость между напряжением и деформацией. Единица измерения показателя – мегапаскали (МПа).
Значение модуля важно знать при планировке фундаментов, чтобы правильно рассчитать осадку, избежать перекосов здания.
Показатель зависит от многих параметров:
- Дисперсности грунта
- Пористости
- Влажности
- Насыщенности водой
- Размера частиц
Для получения достоверных данных характеристику нужно определять в полевых и лабораторных условиях для каждого конкретного массива.
Чтобы понять суть показателя, нужно знать, какими бывают деформации грунтов и от чего они зависят. Об этом мы расскажем в следующем разделе статьи.
Виды деформаций
Грунт деформируется (меняет свою форму и объем) под воздействием механических нагрузок или воды.
Увлажнение может вызвать:
- Набухание
Деформация свойственна глинистым грунтам. При насыщении влагой они увеличиваются в объеме. - Просадочность
Свойство характерно для лёссов, лёссовидных суглинков с высоким содержанием пылеватых частиц. При замачивании они резко уменьшаются в объеме – проседают. - Морозное пучение
Когда вода превращается в лед, ее объем увеличивается, и грунт начинает пучиниться. Деформация характерна для всех дисперсных грунтов, а также трещиноватых скальных. Чем выше пористость и влажность, тем более выражена пучинистость.
В этой статье мы больше внимания уделим деформации от механических нагрузок. Именно они учитываются в полевых и лабораторных испытаниях. По их величине рассчитывается модуль. Чаще всего изменение формы или объема грунта происходит под давлением собственного веса, массы построек, под колесами автотранспорта.
При механической нагрузке в грунте происходят следующие процессы:
- Частицы смещаются относительно друг друга, их расположение становится более компактным
- Крупные зерна под давлением разрушаются
- Уменьшается пористость и увеличивается плотность
- Часть закрытых пор становится открытыми
- Из пор сначала вытесняется воздух, потом вода
Механическая сила может воздействовать на грунт с разных сторон.
В зависимости от способа ее приложения, деформации разделяют на:
- Линейные
- Касательные
- Объемные
Линейной называется деформация, которая возникает при нормальном напряжении. Сила прилагается под прямым углом. Она бывает отрицательной (при сжимании грунта) или положительной (при растягивании). Числовое выражение таких изменений – относительная линейная деформация (Ɛ).
Формула для ее расчета следующая:
Касательные деформации — это результат действия силы под углом к поверхности. Грунт смещается, его частицы уплотняются, незначительная часть разрушается. Для измерения применяют показатель относительной деформация сдвига (γ). Нарушенный участок грунта условно помещают на графике между абсциссой и ординатой.
Затем проводятся вычисления с помощью уравнения:
Объемные деформации происходят в том случае, если грунт сжимается с трех разных направлений. Их величину определяют с помощью относительной объемной деформации (Ɛv). Она равна сумме линейных по трем осям (высоте, ширине и длине).
Для вычисления применяют формулу:
Все три показателя измеряются в процентах или долях единицы. При сжимании они будут меньше 100% или меньше 1, при растяжении – больше 100% или больше 1.
После снятия нагрузки форма или объем грунтового массива восстанавливаются или остаются без изменений. При увеличении давления материал в конечном итоге разрушается.
В зависимости от того, как грунт ведет себя после устранения нагрузки, деформации разделяют на:
- Остаточные, или необратимые
После снятия нагрузки деформация сохраняется. Это происходит за счет разрушения связей между молекулами и атомами вещества, дробления и смещения частиц, вытеснения из пор воды и воздуха. Со временем возникает значительная усадка грунта, разрушаются фундамент и дорожное полотно. Необратимые деформации в большей мере свойственны дисперсным несвязным и связным грунтам, скале из слабых осадочных пород. - Упругие
Изменения в грунте полностью восстанавливаются после уменьшения или полного снятия нагрузки. Основная причина – отталкивание атомов и молекул друг от друга после сближения. Упругостью также обладает поровая вода и воздух. - Пластичные
Это деформации, связанные с изменением формы при стабильном объеме и без видимых разрушений целостности материала. Они характерны для глинистых грунтов. Детальнее о них вы можете прочитать в статье Пластичность грунта.
Сумма остаточных и упругих деформаций, которая наиболее реально отображает изменения в грунтовом массиве, связанные с воздействием нагрузок, называется общей деформацией.
В зависимости от нагрузок, деформации могут быть:
- Допускаемые
Деформации, которые не снижают прочность грунта, не ведут к ослаблению основания, разрушению зданий или дорог. - Относительные допускаемые
Понятие используется в дорожном строительстве и равно соотношению между вертикальной нагрузкой и диаметром отпечатка колеса автомобиля. Эта деформация может быть упругой или общей. - Предельные
Деформации, которые значительно ослабляют прочность грунтовых оснований и провоцируют разрушение дорожного полотна, фундамента. - Разрушающие
Они ведут к нарушению целостности массива, появлению трещин, проломов, провалов. Сила, которая вызвала данные изменения, называется разрушающей нагрузкой. Детальнее об этом читайте в статье Прочность грунта.
Проблема деформаций грунта в естественных условиях – неравномерность. Массив часто состоит из пород разного состава, с разной плотностью, пористостью и влажностью. При давлении одни части оседают и разрушаются быстрее, чем другие. Это провоцирует перекосы зданий, ямы и провалы на дорогах.
Под влиянием любой нагрузки в грунте возникает напряжение между частицами. От его величины зависит, насколько сильно будет деформироваться массив. Об этом мы поговорим в следующей части статьи.
Зависимость деформации и напряжения
Напряжение в грунте после нагрузки вызвано сопротивлением частиц разрушению. Оно обеспечивается связями между атомами и молекулами внутри зерен, агрегатов, конгломератов и силой трения между отдельными элементами. Когда напряжение возрастает, связи начинают ослабляться или разрушаться, и грунт деформируется. В критической точке материал разрушается.
Количественную зависимость напряжения и деформации можно выразить функциями:
- Ɛ=ƒ(σ) – линейная,
- γ=ƒ(τ) – касательная,
где σ – это нормальное напряжение, τ – касательное напряжение, ƒ – знак функции.
Деформация не зависит от напряжения линейно, и выразить взаимосвязь двух показателей единым уравнением невозможно.
На практике обычно проводят серию опытов, и для каждого определяется взаимосвязь двух показателей.
Она подчиняется закону Гука:
- σ=ЕƐ,
- γ=Gγ,
- τ=KƐv,
где Е – модуль Юнга (упругости), G – модуль упругого сдвига, К – модуль объемной упругости.
Даже при сжимании по одной оси в грунте возникают продольные и поперечные деформации. При определенной силе давления линейный закон Гука перестает выполняться. Тогда соотношение деформаций в продольной и поперечной плоскости выражают уравнением:
Данные вычисления подходят для упругих деформаций – обратимых изменений. Но даже при незначительном напряжении в грунте возникают остаточные изменения – частицы смещаются, разрушаются, и первоначальный вид (форма и объем) не восстанавливаются.
Поэтому больше информации дает показатель общей деформации:
Ɛ общая=Ɛ упругая + Ɛ остаточная
Он также используется для вычисления касательной (γ) и объемной (Ɛv) деформаций.
Когда величина общей деформации найдена, высчитывают модуль:
Е₀=σ/Ɛ общая
Показатель не является константой. Он зависит от нагрузки на массив, разновидности грунта и его состояния в конкретный момент времени. Поэтому модуль вычисляют только после серии испытаний в лабораторных и полевых условиях. О них мы поговорим в наших следующих статьях.
Практическое значение модуля деформации
Грунт под зданиями или дорожным полотном всегда дает усадку. Это происходит вследствие деформации массива. Лишь незначительная часть усадок восстанавливается. Большинство деформаций в грунте устойчивые.
Модуль помогает предвидеть степень изменений в основании под фундаментом.
Он активно используется в таких сферах:
- Частном и промышленном строительстве
- Дорожном и железнодорожном строительстве
- При возведении дамб, плотин и других инженерных конструкций
- При благоустройстве территории
В частном и промышленном строительстве, при возведении инженерных конструкций модуль деформации помогает рассчитать время и степень усадки под давлением фундамента и самого здания. Также с его помощью можно определить, как и насколько необходимо трамбовать грунт, каким образом его можно укрепить.
В дорожном строительстве важно определить предельные нагрузки на дорожное полотно, при котором оно не будет деформироваться. Модуль вычисляют как для самого грунтового основания, так и для разных слоев дорожной одежды.
При благоустройстве территории важно, чтобы тротуары и пешеходные зоны не проваливались и не деформировались. Разумеется, нагрузки на этих участках меньше, чем на проезжей части. Но грунт способен оседать от массы самого покрытия (асфальта, плитки). Поэтому так важно рассчитать, какой вес он способен выдержать. Это может стать решающим фактором при выборе типа покрытия.
Полную версию данной статьи вы найдете на этой странице.
Также мы рекомендуем ознакомиться с другими полезными статьями на нашем сайте.
#грунты #полезные советы #свойства грунтов #модуль деформации #характеристики грунтов #строительные советы #грунт #строительный грунт #Модуль деформации грунтов #деформации грунта