© 1992-2026, «Грин-Тех» – разработка и обслуживание опытного оборудования
Телефон:
+7 (963) 026-61-61Эл.почта:
Адрес:
г.Ижевск
ул. Холмогорова, 20
ул. Холмогорова, 20
К основным механическим свойствам грунтов относятся деформируемость, прочность и реологическое поведение. Их характеризуют модулем деформации, удельным сцеплением, углом внутреннего трения, сопротивлением недренированному сдвигу, параметрами консолидации и другими показателями.
Полученное значение всегда связано с состоянием грунта, схемой нагружения, условиями дренирования и методом испытания. Поэтому для инженерного расчёта недостаточно определить только плотность, влажность или один механический показатель.
Механические свойства описывают реакцию грунта на внешнюю нагрузку.
Под давлением грунтовый массив может:
Поведение грунта зависит от минеральных частиц, пор, воды, воздуха и структурных связей. Поэтому его нельзя рассматривать как однородное твёрдое тело с постоянными характеристиками.
Для расчёта требуется набор прочностных и деформационных показателей, соответствующих конкретному инженерно-геологическому элементу и принятой расчётной модели.
Физические характеристики описывают состав и состояние грунта. К ним относятся:
Классификацию грунтов выполняют по ГОСТ 25100-2020.
Механические характеристики показывают, как грунт ведёт себя при нагружении: насколько он сжимается, сопротивляется сдвигу, восстанавливается после разгрузки и изменяет свойства во времени.
Физические показатели влияют на механическое поведение, но не заменяют результаты испытаний. Например, влажность не является показателем прочности, однако её увеличение может снизить сопротивление сдвигу глинистого грунта. Плотность песка относится к характеристикам состояния, но влияет на его жёсткость и угол внутреннего трения.
Механические характеристики зависят не только от названия грунта. На результат влияют:
Уплотнение песчаного основания обычно повышает его жёсткость и сопротивление сдвигу. Замачивание просадочного грунта, напротив, может вызвать дополнительную осадку и изменение структуры.
Эти понятия нельзя считать равнозначными.
Свойство описывает характер поведения грунта. Например, прочность, сжимаемость или ползучесть.
Показатель выражает свойство численно. Например, модуль деформации E, удельное сцепление c′ или угол внутреннего трения φ′.
Расчётный результат получают на основе комплекса характеристик. К таким результатам относятся:
Несущая способность не является отдельным механическим свойством грунта. Она зависит от размеров и глубины заложения фундамента, схемы нагружения, инженерно-геологического строения участка, уровня подземных вод и принятого метода расчёта.
Механические свойства удобно разделить на три основные группы.
| Группа | Что характеризует | Основные показатели |
|---|---|---|
| Деформационные | Изменение формы и объёма под нагрузкой | модуль деформации, сжимаемость, параметры консолидации |
| Прочностные | Сопротивление сдвигу и разрушению | c′, φ′, cu, предел одноосного сжатия |
| Реологические | Развитие деформаций и напряжений во времени | ползучесть, релаксация, длительная прочность |
Просадочность, набухание, усадку и морозное пучение рассматривают отдельно как особые деформационные процессы, возникающие при изменении влажности или температуры.
Деформационные свойства характеризуют изменение формы и объёма грунта под нагрузкой.
Общая деформация дисперсного грунта может включать:
К основным показателям относятся:
В упругой модели поперечное деформирование описывается коэффициентом Пуассона. Для первичного нагружения дисперсного грунта такое отождествление требует осторожности, поскольку одновременно возникают обратимые и остаточные деформации.
Модуль деформации используют при расчёте осадок оснований, насыпей и дорожных конструкций. Модуль упругости относится к обратимой части деформации и чаще определяется по разгрузке или повторному нагружению.
Значения, полученные при компрессионном, трёхосном или полевом штамповом испытании, не являются взаимозаменяемыми. Каждый метод создаёт свою схему напряжений и деформаций.
Сжимаемость характеризует уменьшение объёма грунта под давлением. Деформация развивается за счёт сокращения порового пространства, перестройки частиц и вытеснения воды или воздуха.
В песчаных грунтах осадка обычно формируется сравнительно быстро. В водонасыщенных глинистых грунтах отток поровой воды происходит медленнее, поэтому деформация может развиваться длительное время.
Постепенное уплотнение водонасыщенного грунта при рассеивании порового давления называют консолидацией. Её параметры используют при прогнозировании осадки во времени.
Прочность характеризует способность грунта сопротивляться сдвигу и разрушению.
Для дисперсных грунтов предельное сопротивление сдвигу в эффективных напряжениях часто описывают критерием Мора — Кулона:
τf = c′ + σ′ tan φ′
где:
Это расчётная модель предельного состояния. Значения c′ и φ′ зависят от состава и состояния грунта, истории нагружения, метода испытания и условий дренирования. Их нельзя воспринимать как неизменные константы материала.
При расчёте в полных напряжениях, в том числе при быстром недренированном нагружении водонасыщенных связных грунтов, применяют характеристики, соответствующие выбранной расчётной схеме. Одним из таких показателей является сопротивление недренированному сдвигу cu.
Удельное сцепление выражают в кПа. В расчёте по эффективным напряжениям используют обозначение c′.
Сцепление нельзя объяснять только как силу, «склеивающую» частицы. Это параметр принятого критерия прочности, который определяют совместно с углом внутреннего трения по результатам серии испытаний.
На полученное значение влияют:
Для идеализированного чистого сухого песка сцепление обычно принимают близким к нулю. Глинистые примеси, капиллярная влага или цементация могут изменить результат.
Угол внутреннего трения φ′ выражают в градусах. Он показывает, как изменяется сопротивление сдвигу при увеличении эффективного нормального напряжения.
На показатель влияют:
Плотный песок обычно сопротивляется сдвигу сильнее рыхлого. Однако единое справочное значение нельзя использовать для всех песчаных грунтов без учёта плотности, состава и условий испытания.
При сдвиге грунт может сначала достигнуть максимального сопротивления, а затем ослабнуть.
Пиковая прочность соответствует наибольшему сопротивлению до формирования выраженной поверхности скольжения. Остаточную прочность определяют после значительного смещения вдоль уже сформированной поверхности.
Различие учитывают при расчётах:
Для нового основания и ранее нарушенного массива могут потребоваться разные прочностные характеристики.
Поведение водонасыщенного грунта зависит от того, успевает ли вода выходить из пор во время нагружения.
При дренированном испытании поровое давление успевает рассеиваться. Расчёт ведут в эффективных напряжениях с использованием c′ и φ′.
При недренированном нагружении отток воды ограничен. Избыточное поровое давление влияет на прочность, которая может характеризоваться сопротивлением недренированному сдвигу cu.
Режим выбирают с учётом:
Поэтому протоколы испытаний одного грунта могут содержать разные значения прочностных показателей. Это не обязательно означает ошибку: характеристики могли быть получены при разных режимах дренирования.
Реологические свойства описывают изменение деформаций и напряжений во времени.
К ним относятся:
Ползучесть проявляется как развитие деформации при постоянной нагрузке. Релаксация означает снижение напряжений при сохраняющейся деформации. Длительная прочность учитывает возможность разрушения спустя некоторое время после приложения нагрузки.
Реологическое поведение особенно заметно у глинистых, органоминеральных, заторфованных и слабых водонасыщенных грунтов. Для таких оснований расчёта мгновенной осадки недостаточно.
Особые деформационные процессы возникают при изменении влажности или температуры.
Просадочность проявляется дополнительным уплотнением грунта при замачивании под нагрузкой или под действием собственного веса.
Набухание связано с увеличением объёма глинистого грунта при увлажнении.
Усадка возникает при высыхании и уменьшении влажности.
Морозное пучение развивается при замерзании воды и миграции влаги к фронту промерзания.
Эти процессы нельзя оценить только по модулю деформации. Для каждого из них применяют специальные показатели и методы испытаний.
В учебной литературе водопроницаемость иногда включают в общий перечень механических закономерностей. В инженерной практике коэффициент фильтрации чаще рассматривают как отдельную фильтрационную или гидрофизическую характеристику.
Фильтрация при этом напрямую связана с механическим поведением грунта. Она определяет скорость рассеивания порового давления, развитие консолидации, условия дренирования и устойчивость грунтового массива.
Поэтому водопроницаемость не следует смешивать с прочностью или деформируемостью, но её необходимо учитывать при оценке работы водонасыщенных оснований.
Поведение песка определяется трением и взаимным зацеплением частиц. На характеристики влияют плотность сложения, гранулометрический состав, форма зёрен, шероховатость поверхности, содержание примесей и степень водонасыщения.
Рыхлый песок при сдвиге обычно уплотняется. Плотный может увеличиваться в объёме — этот процесс называют дилатансией.
При быстром динамическом воздействии в водонасыщенном рыхлом песке может увеличиться поровое давление и снизиться сопротивление сдвигу. Такой механизм учитывают при оценке сейсмических, вибрационных и циклических нагрузок.
Характеристики песка нельзя назначать только по его наименованию. Требуются данные о плотности, крупности, однородности, водонасыщении и напряжённом состоянии.
Для определения прочностных и деформационных характеристик применяют разные схемы испытаний.
Одноплоскостной срез
Образец разрушают по заданной плоскости при нескольких значениях нормального давления. По результатам серии испытаний определяют параметры сопротивления сдвигу.
Метод регламентирован ГОСТ 12248.1-2020.
Одноосное сжатие
Образец нагружают по вертикальной оси без бокового давления. Испытание применяется для грунтов, способных сохранять форму образца, и используется для определения предела прочности при одноосном сжатии.
Метод установлен ГОСТ 12248.2-2020.
Трёхосное сжатие
Образец помещают в камеру с контролируемым боковым давлением. Метод воспроизводит сложное напряжённое состояние и применяется для определения прочностных и деформационных характеристик.
ГОСТ 12248.3-2020 предусматривает разные режимы консолидации и дренирования. Условия испытания должны быть указаны в протоколе.
Компрессионное сжатие
Образец нагружают без возможности бокового расширения. По зависимости деформации от давления определяют сжимаемость и параметры консолидации.
Метод регламентирован ГОСТ 12248.4-2020.
Результаты разных методов можно сопоставлять только с указанием схемы испытания, состояния образца и режима дренирования. Взаимозаменяемыми такие значения не являются.
Лабораторное испытание характеризует отобранный образец. Полевые методы оценивают грунт в естественном залегании или непосредственно в подготовленном основании.
Применяются:
При штамповом испытании фиксируют осадку грунтового массива при ступенчатом нагружении. По зависимости «нагрузка — осадка» определяют деформационные характеристики. Метод установлен ГОСТ 20276.1-2020.
Полевые и лабораторные результаты дополняют друг друга. Различия могут быть связаны с масштабом испытания, нарушением структуры образца, неоднородностью массива и разными схемами нагружения.
Механические показатели выбирают под конкретную инженерную задачу.
Модуль деформации используют при прогнозе осадок и перемещений основания.
Удельное сцепление и угол внутреннего трения применяют в расчётах:
Параметры консолидации нужны для оценки развития осадки во времени. Недренированную прочность используют при кратковременном нагружении водонасыщенных связных грунтов, когда поровая вода не успевает отводиться.
Характеристики назначают для конкретного инженерно-геологического элемента. Усреднять показатели разных слоёв или переносить результаты между участками без обоснования нельзя.
Для статического определения деформационных характеристик грунтов и дорожных оснований применяют штамповые установки. УПОР-1 фиксирует нагрузку и осадку при ступенчатом нагружении и используется при испытаниях по ГОСТ 20276.1-2020 и другим профильным методикам.
Для динамического контроля подстилающих грунтов, грунтовых оснований дорог и несущих слоёв применяется Импульс-1Д. Прибор используют для определения динамического модуля деформации и оценки однородности основания по принятой методике.
Оба метода характеризуют деформируемость основания, но не определяют напрямую удельное сцепление и угол внутреннего трения.
Какие свойства относятся к механическим?
К основным механическим свойствам относятся деформируемость, прочность и реологическое поведение грунта.
Чем механические свойства отличаются от физических?
Физические характеристики описывают состав и состояние грунта. Механические показывают его реакцию на нагрузку.
Можно ли определить все характеристики одним испытанием?
Нет. Прочностные, деформационные, фильтрационные и реологические показатели определяют разными методами.
Почему результаты одного грунта могут различаться?
На них влияют состояние образца, схема нагружения, режим дренирования, масштаб и метод испытания.
Механические свойства грунтов описывают их деформирование, сопротивление разрушению и изменение поведения во времени. Для расчёта используют не один универсальный показатель, а набор характеристик, полученных при лабораторных и полевых испытаниях.
На практике грунт сначала классифицируют, затем выделяют инженерно-геологические элементы, выбирают методы испытаний и получают показатели для конкретной расчётной модели. Только такая последовательность даёт обоснованные данные для расчёта осадок, несущей способности и устойчивости.
