Сжимаемость грунтов

Сжимаемость грунтов – это компрессионное механическое свойство грунта. Оно подразумевает уменьшение материала в объеме под воздействием внешнего давления. Процесс сопровождается уменьшением пористости, вытеснением воды и воздуха, разрушением и смещением твердых частиц. Сжимаемость характерна только для дисперсных грунтов – состоящих из отдельных зерен разного размера – и зависит от ряда факторов. Об этом мы подробно поговорим в нашей статье.

Механизм возникновения сжимаемости

Сжимаемость – это явление, связанное с деформациями в грунте. Они возникают под воздействием внешнего давления.

Деформации бывают:

• Обратимыми, или упругими
  Они частично устраняются после снятия нагрузки. Обратимые деформации обусловлены изменением формы и объема самих твердых частиц, пленочной влаги, вытеснением растворенного в капиллярной воде воздуха.
• Необратимыми, или остаточными
  Эти деформации остаются и после прекращения давления. Они характеризуются смещением твердых частиц относительно друг друга, вытеснением воды и воздуха из пор.

Для грунтов более характерны необратимые деформации. Даже после снятия нагрузки материалы остаются сжатыми или уплотненными, их объем не возвращается к исходному и почти не увеличивается.

Как мы уже сказали, сжиматься под внешним давлением способны дисперсные грунты, состоящие из отдельных частиц.

Они бывают:

• Связными
• Несвязными

Механизм сжимаемости в этих двух группах разный. При этом у связных грунтов свойство более выражено. Подробно о них мы расскажем ниже.

Сжимаемость несвязных грунтов

К несвязным материалам относятся крупнообломочные грунты и пески. Они состоят из отдельных частиц, которые скрепляются между собой только за счет силы трения. Такие грунты имеют сыпучую консистенцию, хорошо пропускают воду и не впитывают ее. Пористость у них зависит от формы и размера твердых частиц.

Под давлением частицы несвязных грунтов могут разрушаться. В первую очередь это относится к крупнообломочным грунтам, гравию и гальке, состоящим из слабых пород. В результате окатанные частицы обретают новую форму, их грани становятся острыми и шероховатыми. Изменяется укладка зерен, грунт становится более плотным, уменьшается его пористость.

Под давлением почти не разрушаются прочные и мелкие песчаные частицы. Но их ориентация в пространстве и сложение меняются. Зерна уплотняются, объем грунта уменьшается, и он сжимается.

После устранения давления происходит частичная декомпрессия и разрыхление материала. В несвязных грунтах она слабо выражена, их объем практически не изменяется.

Сжимаемость связных грунтов

К связным материалам относятся глинистые и пылеватые грунты. Они состоят из мелких частиц, между которыми возникают дополнительные химические связи. В основном их обеспечивает тонкая прослойка воды вокруг глинистых частиц и коллоиды. В результате образуются крупные конгломераты и мелкие агрегаты. В некоторых грунтах (например, литифицированных глинах) возникают прочные цементационные связи.

Механизм сжимаемости у связных грунтов более сложный. Под воздействием внешнего давления частицы не разрушаются. Но сжимаемость приводит к ослаблению структурных связей в материале. В результате конгломераты и агрегаты распадаются, повышается дисперсность грунта.

При сжатии уменьшается пористость. Это ведет к вытеснению свободной воды и воздуха. Пустующее пространство занимают твердые частицы. Таким образом объем грунта уменьшается.

В глинистых и пылеватых грунтах большое количество воды находится в связанном состоянии или в мелких капиллярах. Часть влаги тонким слоем обволакивает мелкие частицы. При сжатии и разрушении связей внутри агрегатов лишь часть этой воды переходит в свободное состояние и вытесняется.

Остаточная влага способствует взаимному перемещению частиц грунта относительно друг друга и лучшему уплотнению. Но при снятии давления зерна также легко возвращаются в начальное положение – происходит декомпрессия и разрыхление. Как мы и говорили, в связных грунтах это явление более выражено, чем в несвязных.

Чем обусловлена сжимаемость грунтов

Сжимаемость грунтов и ее выраженность зависит от ряда факторов:

• Исходной пористости и плотности
• Фазового состава
• Влажности
• Гранулометрического состава
• Структурной прочности
• Химического состава
• Температуры
• Давления

Детальнее об этих факторах вы можете прочитать дальше.

Исходная пористость и плотность

Сжатие грунта происходит за счет уменьшения пористости и увеличения плотности. Это связано с тем, что под давлением частицы укладываются максимально плотно, заполняя собой пустые пространства.

Чем больше в грунте пор, тем сильнее он будет уплотняться при нагрузке. При этом сжимаемость у грунта с естественным сложением будет всегда ниже, чем с нарушенным. В массиве под давлением собственного веса грунт уплотняется, а при извлечении всегда разрыхляется. Частицы становятся более подвижными и лучше прессуются.

Фазовый состав

Любой грунт состоит из трех фаз – твердой, жидкой и газообразной. Твердая фаза – это минеральные либо органические частицы грунта. Их объем при сжатии не изменяется. Они могут поддаваться лишь незначительной упругой деформации. После снятия нагрузки объем восстанавливается.

Жидкость и газ заполняют поры. При сжатии из пустого пространства между твердыми частицами в первую очередь выходит газ. Поэтому сухой пористый грунт уплотняется сильнее, чем влажный.

Самой высокой сжимаемостью обладает грунт, в котором преобладает газообразная фаза. Она немного снижается при увеличении жидкой фазы. Грунты, в которых большую часть занимают твердые частицы, плохо поддаются сжатию.

Влажность

На сжимаемость несвязных грунтов влажность влияет мало. В них много крупных открытых пор, через которые свободно проходит вода. Она не связывается с частицами и не заполняет капилляры. При малейшем давлении жидкость легко удаляется.

Несвязные грунты состоят из мелких зерен, вокруг которых образуется водная пленка. Она играет роль связующего звена между частицами. Сначала при повышении влажности они сближаются друг с другом, но в определенный момент это сближение прекращается. Грунт достигает точки самого большого уплотнения, после чего переходит в текучее состояние. Пленочная вода не дает глинистым частицам вступить в более близкий контакт между собой.

Вода также находится в мелких порах – капиллярах. Часть из них закрыта, и жидкость не может из них выйти. Под давлением такие закрытые поры могут становиться открытыми, и тогда сжимаемость грунта резко увеличивается.

Показатель сжимаемости глинистых и пылеватых грунтов зависит и от химического состава воды. В ней всегда присутствуют растворенные соли. Чем выше концентрация раствора, тем лучше сжимается грунт под нагрузками. Показатель ниже у грунтов с одновалентными катионами (натрием, калием). Растворы таких солей лучше удерживают воду.

Влажность влияет на разуплотнение грунта при снятии компрессии. Тонкие пленки воды с растворенными газами имеют упругие свойства. При уменьшении давления они увеличиваются в объеме, способствуют отдалению частиц друг от друга.

Гранулометрический состав

Сжимаемость зависит от размеров и формы твердых компонентов. В крупнообломочных грунтах она увеличивается за счет разрушения крупных частиц. Показатель ниже, когда в материале есть круглые окатанные зерна. Сжимаемость повышается при наличии частиц неправильной формы с шероховатыми гранями. Например, свойство будет выше у гравия и карьерного песка, чем у гальки и речного песка.

Показатель также зависит от фракций, присутствующих в грунте. Он снижается при наличии мелкого заполнителя. Но это больше проявляется, если заполнителем выступает песок. Глинистые и пылеватые частицы, наоборот, повышают сжимаемость крупнообломочного грунта.

Структурная прочность

Твердая фаза дисперсного грунта состоит из разрушенных горных пород. В процессе выветривания они теряют свою прочность, поэтому легче разрушаются под давлением. Хотя грунты из магматических или метаморфических пород (гранитные, базальтовые, серпентинитовые) будут более прочными, чем осадочные (сланцевые, известняковые).

Если частицы не разрушаются, они хуже уплотняются. Это значит, что в прочных грунтах сжимаемость будет ниже, чем в более слабых.

Зерна крупнообломочных грунтов могут связываться между собой цементирующими связями, образуя прочные конгломераты и брекчии. В глинистых грунтах более распространены коагуляционные (слипающиеся) и коллоидные (дисперсные) связи.

Структурная прочность глинистых грунтов зависит от возраста и степени литификации – процесса превращения рыхлых осадков в твердые горные породы. В молодых глинах преобладают слабые коллоидные связи, которые легко разрушаются под внешним воздействием. В старых массивах наблюдается высокая степень литификации. Между глинистыми частицами возникают цементирующие связи, поэтому их структурная прочность очень высокая.

Под давлением конгломераты и агрегаты грунта сохраняют целостность до определенного момента. Когда единство разрушается, грунт переходит предел структурной прочности. В этот момент сжимаемость его резко возрастает.

Химический состав

Химический состав больше всего влияет на сжимаемость глинистых и органических грунтов. Частицы с высокой смачиваемостью водой – гидрофильностью – способствуют повышению показателя (характерно для смектитов, монтмориллонитов). Каолинит, наоборот, снижает характеристику.

Падает сжимаемость и в грунтах, богатых одновалентными катионами. Они лучше связывают и задерживают воду, которая впоследствии препятствует сближению частиц. В материалах, насыщенных двухвалентными кальцием и железом, а также трехвалентным алюминием, показатель значительно выше.

Хорошо сжимаются под давлением плодородные, богатые гумусом почвы и торф. Это связано с тем, что органические соединения имеют низкую прочность и плотность, легко деформируются под нагрузками. Эти деформации упругие, особенно у сухого торфа. При декомпрессии объем почвы частично восстанавливается.

Температура

Влияние температуры наиболее выражено у глинистых грунтов. При ее повышении разрушаются связи между частицами, меняются свойства водной пленки, быстрее разрушается структура. В результате грунт легче и сильнее сжимается.

Но температура неодинаково действует на разные виды грунта. Если коагуляционные связи прочные, а количество пленочной воды вокруг частиц незначительное, то влияние этого фактора снижается. Сжимаемость при нагревании сильнее повышается у грунтов с текучей или пластичной консистенцией и меньше изменяется у твердых и полутвердых.

Имеет значение и химический состав. Сильнее реагируют на изменение температуры грунты с высоким содержанием одновалентных ионов.

При отрицательных температурах сжимаемость падает, так как поры заполняются кристаллами льда. Она выше в грунтах, где ледяные включения небольшого размера, и практически отсутствует, если в грунте есть глыбы льда. При повышении температуры и таянии замерзших частиц сжимаемость резко возрастает.

Давление

Сжимаемость также зависит от силы давления, воздействующего на грунт. Пока материал сохраняет свои пористую структуру, показатель резко возрастает при увеличении нагрузки. После уплотнения эта зависимость снижается и в определенный момент грунт перестает сжиматься даже при сильном давлении.

Значение имеет и способ воздействия на образец. Если давление периодическое, чередуется с периодами декомпрессии, сжимаемость увеличивается. Именно поэтому для трамбовки грунта используются ударные механизмы.

Далее мы поговорим о том, при помощи каких приборов и методов происходит определение и оценка сжимаемости материала.

Оценка сжимаемости грунта

Для определения и оценки сжимаемости грунта используются два разных прибора:

• Одометр
  Это металлический цилиндр с жесткими стенками. В нем проводятся испытания на одноосное сжатие без возможности бокового расширения.
• Стабилометр
  Это двухкамерный цилиндр. Внешняя камера в нем заполнена водой или воздухом. У грунта при сжатии есть возможность бокового расширения.

Испытания в стабилометре больше приближены к естественным природным условиям, так как в них грунт всегда может расширяться в стороны.

Сжимаемость оценивают по изменению пористости под определенным давлением. Данные отмечают на графике: на оси ординат – пористость, на оси абсцисс – давление.

Исходная пористость обозначается е0, последующие – е1, е2, е3 и т.д. Давление обозначают Р1, Р2, Р3. Пористость е1 должна соответствовать давлению Р1.

После получения данных вычисляют ряд показателей, которые характеризуют сжимаемость.

Среди них:

• Коэффициент сжимаемости
• Коэффициент относительной сжимаемости
• Модуль общей деформации
• Структурная прочность

О том, как высчитываются эти показатели, читайте далее.

Коэффициент сжимаемости

Коэффициент сжимаемости показывает зависимость конечной деформации грунта от давления.

Его высчитывают по формуле:

В зависимости от коэффициента сжимаемости, выделяют три категории грунтов. Данные о них приведены в таблице ниже.

Коэффициент относительной сжимаемости

На практике чаще всего используют этот показатель – коэффициент относительной сжимаемости. Он показывает изменение объема грунта относительной единицы давления.

Определяется коэффициент по формуле:

Коэффициент сжимаемости тесно связан с модулем поперечной деформации, или упругости, которая обозначается E0. Говорить об этом показателе в рамках данной статьи мы не будем.

Модуль общей деформации

Модуль общей деформации характеризует упругие и остаточные деформации грунта в процессе компрессионных испытаний.

Он определяется по следующей формуле:

Коэффициент β определяют по формуле:

Значение коэффициента Пуассона для разных грунтов мы разместили в таблице.

Структурная прочность

Показатель структурной прочности определяют испытательными методами. Для этого на грунт с ненарушенной структурой оказывают очень слабое давление. При каждом следующем подходе давление незначительно увеличивают. Затем необходимо зафиксировать момент, когда структурные элементы начнут разрушаться. На графике это будет заметно по резкому увеличению сжимаемости (уменьшению объема образца).

В заключении статьи мы скажем, какое практическое значение имеет сжимаемость грунта.

Практическое значение показателя

Определение сжимаемости грунта – это один из этапов геодезических работ. Показатель влияет на характеристики оснований фундаментов, насыпей, дорожного полотна.

От него зависят следующие характеристики:

• Усадка
  Чем больше сжимаемость, тем легче грунт дает усадку.
• Деформация
  Сжатие обычно происходит неравномерно, поэтому в грунте могут возникать деформации. Это ведет к перекосу фундаментов, появлению трещин на дорожном полотне.
• Уплотнение
  Показатель помогает определить, насколько грунт поддается трамбовке. Благодаря этому можно правильно рассчитать объем работ.
• Несущая способность
  При повышении сжимаемости несущая способность падает.

Грунты с высокой сжимаемостью под фундаментами могут стать серьезной проблемой во время строительных работ. Чтобы избежать неприятностей, основания дополнительно укрепляют другими материалами, трамбуют их в несколько заходов. Иногда грунт приходится полностью заменять. Но если на материале с высокой сжимаемостью все-таки возводят здание и сооружения, фундаментам дают больше времени для усадки.

Самостоятельно определить и рассчитать показатель сжимаемости очень трудно. А в полевых условиях получить достоверные данные невозможно. Поэтому, для надежности, лучше воспользоваться услугами специалистов.