Задать вопрос
+7-932-129-43-76
+7-932-129-48-92
Задать вопрос
Быстро и надежно

Прочность грунта

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. Поэтому в статье мы подробно расскажем именно о механической прочности, коротко упомянем о других видах. Вы узнаете, от чего зависит показатель, как он измеряется. В конце вы узнаете о значении прочности грунта в строительстве и других сферах. Но 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.

Дальше мы рассмотрим основные типы нагрузок и показателей, которые используются при изучении прочности грунта.

Основные виды и показатели прочности

Не существует единой классификации прочностных характеристик грунта. Во время эксплуатации массив подвергается разным нагрузкам – горизонтальным (касательным или разрывающим), вертикальным (сжимающим), постоянным, периодическим. Грунт по-разному реагирует на каждую из них.

Выделяют различные виды прочности.

Так, она может быть:

  • Стандартная – это прочность при медленном сдвиге уплотненного предварительно образца грунта
  • Фильтрационная – свойственна главным образом песчаным грунтам, измеряется при действии фильтрационных потоков воды, проходящих через массив
  • Пластическая – это прочность при сдвиге глинистого грунта
  • Контактная – определяется при вдавливании штампа в необработанную поверхность грунта, свидетельствует о твердости минеральной породы

Также прочность бывает:

  • Структурная – зависит от сложения и типа связей между твердыми частицами; на нее влияет минеральный состав и дисперсность грунта
  • Остаточная – это минимальное напряжение, которое способен выдержать грунт без разрушения

В зависимости от времени нагрузок она может быть:

  • Длительная – прочность при длительных нагрузках (например, при постоянном давлении фундамента здания)
  • Мгновенная – прочность при коротком воздействии нагрузки (при ударе или проезде автомобиля)

В зависимости от типа воздействия прочность бывает:

  • Механическая
    Это устойчивость грунта к механическим нагрузкам. Именно этот показатель определяют чаще всего.
  • Термическая
    Это устойчивость к воздействию высоких или низких температур. Выражен показатель в мерзлых грунтах. При снижении температуры прочность увеличивается, при повышении – уменьшается из-за таяния льда. Показатель также зависит от термической устойчивости минералов, входящих в состав породы.
  • Электрическая, магнитная и электромагнитная
    Это устойчивость к воздействию электрического тока, магнитного и электромагнитного поля.
  • Химическая
    Это устойчивость к воздействию различных химических веществ – кислот, щелочей, растворителей. Она зависит от минерального состава, наличия в грунте растворимых солей.

Для проверки прочности грунт подвергают критической нагрузке. Под ее воздействием упругие разновидности (скала, крупнообломочный грунт) разрываются и теряют свою целостность. Пластичные грунты (глины, супеси, суглинки, лёссы) сначала необратимо меняют свою форму, а затем также теряют целостность.

Для определения устойчивости грунта к разрушениям используют несколько показателей:

  • Одноосное сжатие
  • Одноосное растяжение
  • Сопротивление сдвигу

О них читайте далее.

Одноосное сжатие

При одноосном сжатии грунт подвергается вертикальной нагрузке, фиксируется давление, при котором начинается разрушение образца. Затем показатель определяется по соотношению давления и площади сечения образца грунта. Испытания проводятся согласно ГОСТ 12248-2010.

Прочность на сжатие отражает, как реагирует грунт на давление фундамента зданий. Показатель высокий у скальных грунтов магматического и метаморфического происхождения, немного ниже у осадочных. Крупнообломочные грунты хуже переносят вертикальные нагрузки, так как большие куски породы быстрее разрушаются, чем мелкие. Прочность мелкозернистых несвязных грунтов зависит от их плотности, у связных – от консистенции. Детальнее о показателе вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сжатие.

Одноосное растяжение

Показатель определяется силой, которую следует приложить для разрыва образца грунта. Его определяют у скальных и связных дисперсных грунтов. Методики описаны в ГОСТ 21153.3-85.

В природных условиях растяжение грунта чаще всего вызывает гравитация. Поэтому показатель важно определять для предотвращения оползней, при планировке строительства на склонах, для укрепления берегов, при создании креплений в подземных выработках. Подробно об этом вы можете прочитать в статье Прочность грунта на растяжение.

Сопротивление сдвигу

Сопротивление сдвигу определяется по соотношению вертикальных и горизонтальных (касательных) нагрузок. Показатель зависит от силы трения и сцепления между частицами грунта. Он высокий у скальных и связных грунтов. В дисперсных несвязных показатель зависит от формы и текстуры частиц. Метод определения характеристики описан в ГОСТ 12248-2010.

Прочность на сдвиг важно определять при строительстве объектов, которые будут подвергаться динамическим касательным нагрузкам (трасс, железных дорог, взлетных полос). Его также учитывают при закладке фундаментов. Детальнее о нем вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг.

Прочность при каждом из этих испытаний может отличаться.

Практическое значение показателя прочности

Определение прочности грунта – это обязательный этап геологических изысканий перед началом строительных работ. От этого свойства зависит несущая способность грунта, устойчивость к статическим и динамическим нагрузкам.

Определяют прочность в таких ситуациях:

  • Перед возведением любых зданий и сооружений
    Здания оказывают сильное давление на основание. Поэтому от прочности грунта зависит план сооружений, их размеры и высота. Если неправильно определить прочность, массив под весом сооружений повредится. Это повлечет за собой перекосы, появление трещин на стенах и фундаменте и даже полное разрушение здания.
  • При строительстве дорог любого класса
    В этом случае важно определить прочность на сдвиг, растяжение и сжатие. На грунт в основании оказывают давление дорожная одежда (статическая вертикальная нагрузка) и проезжающие автомобили (динамическая горизонтальная нагрузка). Если прочность грунта будет слабой, дорожное полотно быстро деформируется, на нем появятся ямы.
  • При строительстве насыпей
    При возведении грунтовых насыпей важно учитывать прочность на сдвиг и растяжение. От этого будет зависеть угол наклона и высота. Неправильные расчеты приведут к просадке насыпей и оползням.
  • При разработке карьеров и подземных выработок
    Чтобы правильно рассчитать угол наклона стенок карьера, продумать укрепление стен и сводов, важно определить прочность на сдвиг и растяжение. При планировке креплений важно узнать прочность на сжатие грунта, на котором будут стоять опоры.
    Разработка карьеров и подземных выработок без изучений прочностных характеристик грунта приведет к обвалам. Особенно опасны они в закрытых пространствах.
  • При строительстве плотин
    На плотины воздействуют горизонтальные потоки воды. Поэтому грунт под ними должен быть устойчивым к сдвигу и растяжению. Кроме того, вода является универсальным растворителем, поэтому не лишним будет узнать химическую прочность грунта (особенно содержание в нем растворимых солей). Низкая механическая и химическая прочность грунта приведет к разрушению плотин.
  • При укреплении берегов и склонов
    Разрушение берегов и оползни на склонах возникают там, где прочность грунта на сдвиг и растяжение слабая. Определение этих показателей позволяет правильно разработать стратегии по укреплению объектов.
  • Для предотвращения ветровой и водной эрозии
    Грунты часто подвергаются разным видам эрозий. Особенно подвержены им материалы с низкой прочностью на сдвиг и растяжение.

Характеристики прочности – одни из самых важных для строительного грунта. Они позволяют правильно спроектировать здания, дороги и другие конструкции. Определить показатели можно только в лаборатории. Поэтому перед началом строительства лучше обратиться к специалистам.