Прочность грунта – это его свойство сопротивляться разрушительному действию факторов внешней среды. К ним относятся механические нагрузки, воздействие температуры, электрического и магнитного поля, химических веществ.
На практике грунт чаще всего подвергается механическим нагрузкам – давлению фундамента, сдвигу при передвижении автомобилей.
Прежде всего давайте разберемся в терминологии.
Чем отличаются деформируемость и прочность грунтов
Прочность очень часто трактуют как деформируемость – и наоборот. Но это разные понятия.
При воздействии внешних нагрузок в грунте появляется напряжение, что ведет к смещению его частиц относительно друг друга. В результате возникают упругие и остаточные деформации – изменение формы или объема грунта без критического разрушения связей между его элементами. При упругом деформировании после снятия нагрузки объем и форма восстанавливаются. Остаточные деформации провоцируют необратимые изменения в грунте, так как связи между частицами сильно ослабевают и уже не восстанавливаются.
Кроме того, существуют деформации пластичные, осадки и набухания. Первые характерны для глинистых грунтов и возникают за счет образования вокруг мелких частиц водной пленки, которая до определенного момента выступает связующим звеном между ними. Грунт меняет форму без разрушения. Деформации осадки и набухания связаны с изменением объема за счет уменьшения пористости или заполнения пор и капилляров водой. При этом связность грунта не нарушается. Детальнее о деформациях вы можете прочитать в соответствующей статье на нашем сайте.
В отличие от деформаций, прочность измеряется критическими нагрузками. После их воздействия необратимо разрушаются связи между отдельными элементами грунта, и он теряет свою целостность. Как именно это происходит, вы можете узнать в следующих частях этой статьи.
Факторы прочности
Прочность грунта зависит в первую очередь от его структуры, гранулометрического и минерального состава. Она обеспечивается взаимодействием между атомами и молекулами образующей породы, отдельными частицами, агрегатами и конгломератами.
Связи между элементами грунта бывают нескольких типов:
- Кристаллические
Это самый прочный тип связей, характерный для магматических и метаморфических грунтов. Он возникает между отдельными молекулами породы. Связи выстраиваются в кристаллические решетки разной формы. Чтобы их разорвать, необходимо приложить большое усилие. - Цементационные
Они встречаются в скальных и связных грунтах, часто скрепляют отдельные частицы в агрегаты и конгломераты. В качестве цементирующего вещества выступают глинистые минералы (гидрослюда, каолинит), известняк, доломит, железистые и кремнистые соединения (опалы, кварц, халцедон, оксиды железа). По прочности цементационные связи почти не уступают кристаллическим. - Коагуляционные
Они характерны для связных глинистых и пылеватых грунтов, образуются за счет взаимного сближения молекул. Усиливаются они при наличии связанной воды, но быстро разрушаются при увеличении влажности и появлении свободной воды. - Физические (за счет силы трения)
Они встречаются в несвязных дисперсных грунтах. Такие связи очень слабые и разрываются при незначительных нагрузках.
Грунт – это неоднородная структура. В нем встречаются элементы с разными типами связей. Чем слабее соединения, тем быстрее они поддаются разрушению. В результате на фоне целостного массива появляются дефекты.
Их принято разделять на несколько рангов:
- Первый ранг – это дефекты кристаллической структуры минерала; они бывают точечными, линейными, плоскими или объемными
- Второй ранг – дефекты в агрегатах или нарушение связей между отдельными зернами
- Третий ранг – плоские и объемные дефекты массива грунта в форме трещин разной формы и другие изъяны
В скальных и крупнообломочных грунтах преобладают кристаллические связи. Поэтому их разрушение идет на всех уровнях. В дисперсных встречаются только дефекты второго и третьего ранга. Сами частицы в материале довольно прочные и редко разрушаются под воздействием нагрузок.
Кроме типа связей на прочность грунта влияют другие внутренние и внешние факторы:
- Гранулометрический состав
Крупнообломочные грунты проще теряют прочность, чем мелкозернистые. Это связано с тем, что большие частицы быстрее разрушаются под воздействием различных нагрузок. Также нарушает прочность неоднородный гранулометрический состав. При наличии крупных включений показатель падает. - Текстура и структура
Грунт состоит из отдельных частиц, которые могут быть по-разному ориентированы. Если структура анизотропная (частицы ориентированы в разные стороны), то прочность низкая. При слоистой структуре показатель повышается. Но он зависит от того, в каком направлении по отношению к слоям направлена нагрузка. - Минеральный состав
Прочность грунта напрямую зависит от прочности минералов, входящих в его состав. Один из самых высоких показателей у кварца – его примеси всегда улучшают способность сопротивляться нагрузкам. Среди глинистых минералов большей прочностью обладает монтмориллонит, чем каолинит. - Засоленность
Грунты с высоким содержанием растворимых солей быстро теряют прочность при увлажнении. В мерзлых засоленных грунтах понижается температура замерзания воды, даже при низких температурах в них остается жидкость. Это снижает устойчивость к разным типам нагрузок. - Пористость и трещиноватость
Наличие пор и трещин – это признак выветривания породы. Чем больше таких элементов, тем слабее грунт. - Сила и тип нагрузки
Грунты по-разному реагируют на удары, касательное, боковое и вертикальное напряжение. Быстрые периодические удары интенсивнее разрушают материал, чем постоянное давление. - Поровое давление
Оно зависит от количества жидкости в порах. Прочность водонасыщенного материала выше, так как напряжение в меньшей мере передается скелету грунта. Но показатель падает при влажности, не достигающей полного водонасыщения. - Влажность
Полностью сухие связные грунты прочнее, чем влажные. Чаще всего они имеют более компактную структуру и прочные связи между частицами, которые разрушаются при увлажнении. При полном водонасыщении прочность увеличивается (особенно у несвязных дисперсных грунтов). Но показатель водонасыщенного связного грунта будет ниже, чем у полностью сухого. - Температура
При повышении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул и атомов. Это ведет к ослаблению химических связей внутри элементов грунта и падению прочности. В мерзлых образцах показатель снижается после таяния льда.
На грунт действует вся совокупность перечисленных факторов. Прочность будет зависеть от их соотношения.
Механизм разрушения грунта
Механизм потери грунтом прочности стадийный. На каждом этапе – всего их три – разрушаются определенные типы связей, усугубляются дефекты и деформации.
Первая стадия
После приложения нагрузки в грунте сначала возникают упругие деформации, которые со временем переходят в пластические. В местах с неоднородной структурой (разными типами связей и минеральным составом, дефектами) возникает усиленное напряжение. Именно здесь появляются первые микротрещины и деформации.
Количество и объем первых дефектов зависит от степени неоднородности грунта. Напряжение на первой стадии еще не критичное, оно не ведет к разрушению грунта. Энергия, которая выделяется при образовании трещин или деформаций, расходуется на восстановление поверхности грунта.
Первая стадия сопровождается выделением разных типов энергии – звуковой, тепловой, магнитной, химической. Ее можно рассматривать как подготовительный этап к дальнейшему нарушению целостности грунта.
Вторая стадия
На второй стадии количество дефектов увеличивается. При этом часть трещин может исчезать. Дальнейшее разрушение грунта зависит от соотношения новых и старых трещин. Когда новых дефектов становится значительно больше, прочность грунта резко падает, и он теряет свою целостность.
Между кристаллическими решетками скальных грунтов и зернами дисперсных появляются пустоты. При увеличении нагрузки и деформации меняются их размеры и формы. Расширение объема пустот – еще один этап, ускоряющий разрушение.
Третья стадия
Третья стадия завершается необратимым разрушением грунта. Мелкие трещины сливаются в одну большую, которая раскатывает породу. В дисперсных грунтах возникают стойкие пластические деформации.
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 #прочность #характеристики грунтов #строительные советы #грунт #строительный грунт #прочность грунтов #показатели прочности грунта