Прочностные свойства грунтов. Природа прочности и механизм разрушения грунтов

3 Прочностные свойства грунтов

3.1 Природа прочности и механизм разрушения грунтов.

Прочность грунтов в широком смысле – это их способность сопротивляться разрушению. В общем случае разрушение грунта может быть вызвано силами разной природы (механическими, термическими, электрическими). Поэтому выделяют соответствующие  типы прочности грунтов по природе разрушающих воздействий. В инженерно-геологических целях, в первую очередь, важно знать механическую прочность грунтов, то есть их способность сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Причем, если деформационные характеристики грунтов определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению, то параметры прочности грунтов соответствуют критическим разрушающим напряжениям и определяются при придельных нагрузках, вызывающих либо разделение тела на части, либо необратимое изменение формы тела в результате деформаций пластического течения.                                                                                                                     Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между их структурными элементами – кристаллами, зернами, обломками, агрегатами, частицами, то есть зависит от  типа  особенностей структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между структурными элементами грунта, тем выше его прочность в целом. Поэтому скальные грунты, в которых преобладают прочные химические структурные связи, имеют большую прочность, чем дисперсные грунты со слабыми физическими и физико-химическими структурными связями. Изучению природы прочности различных грунтов посвящены работы Ю.А.Векслера, С.С.Вялова, И.М.Горьковой, М.Н.Гольдштейна, Н.Я.Денисова и другие.                             Разрушение грунта по современным представлениям является стадийным процессом, протекающим во времени. На первой (начальной) стадии после приложения к образцу грунта напряжения он начинает деформироваться сначала упруго, затем пластически. При этом вокруг структурных неоднородностей возникают большие локальные напряжения, вызывающие рост дислокаций. В этих местах зарождаются новые микротрещины или увеличиваются же существующие. Их концентрация в единице объема может быть очень большой, однако их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей, не превышают критической величины и разрушения образца при этом пока не происходит.              

Освобождающая при росте трещины упругая энергия расходуется на энергию образования новой поверхности. Росту трещины всегда предшествует пластическая деформация, которая в дисперсных грунтах играет основную роль. Таким образом, начальная стадия разрушения характеризует лишь подготовку и зарождение дефектов в структуре грунта. Образование дефектов сопровождается различными явлениями: выделением звуковой энергии, выделением тепла, пьезоэффектом, магнитными эффектами и химическими преобразованиями. Все они могут быть оценены независимыми способами.           На второй стадии разрушения происходит увеличение концентрации дефектов в грунте. При этом часть из них в процессе деформирования может «залечиваться». Соотношение скоростей образования и роста дефектов и их «залечивания» определяет дальнейшую «судьбу» образца грунта. В поликристаллических грунтах при этом на границах зерен образуются различные пустоты, а в дисперсных – пустоты между частицами и агрегатами. Форма пустот закономерно меняется в процессе деформирования.                                        Третья стадия – стадия необратимого разрушения грунта. При этом благодаря последовательному слиянию близко расположенных микротрещин одна их них достигает критического размера, после чего она превращается в магистральную трещину, приводящую к необратимому разрушению образца на части. Если пластическая деформация велика не только вблизи поверхности разрушения, но и в объеме грунта, то разрушение называется вязким, а разрушения без заметных следов пластического деформирования – хрупким.      Длительность протекания указанных трех стадий зависит от условий испытаний и типа грунта, а их особенности изучаются реологией грунтов. Таким образом, в процессе разрушения грунта происходит существенная перестройка его структуры, особенно в окрестности поверхности нарушения сплошности. Изменения структуры и текстуры дисперсных грунтов в зоне сдвига изучали С.С.Вялов, В.А.Королев, Р.В.Максимяк, Н.Р.Моргенштерн и другие.                                                                                                                        

3.2 Критерии и параметры прочности грунта        

Прочность грунтов определяется при действии на них критических механических напряжений, приводящих к разрушению образца. Поскольку на испытываемый образец могут действовать разные по виду напряжения, то в качестве меры прочности грунта могут быть выбраны и разные виды критических напряжений или их соотношения. Именно такие меры являются техническими параметрами прочности. Кроме того, условия приложения напряжений к образцу также могут быть различны. В силу этих причин не существует какого-либо одного универсального технического параметра прочности грунтов.                                                                                                                               Поэтому при оценке прочности грунтов чаще всего используют теорию предельного состояния, согласно которой определяют те или иные параметры критических значений напряжений, которые может выдержать образец грунта без разрушения. Они соответствуют разным типам напряженного состояния грунта, в котором может находиться грунт и которое может характеризоваться величинами главных напряжений.