Сжимаемость грунтов

Все грунты в той или иной степени способны сжиматься. Эту их черту называют сжимаемостью. Под этим понятием подразумевают способность грунтов уменьшаться в объеме или оседать впоследствии определенного внешнего давления. На степень этой сжимаемости в большой мере влияет структура грунта.

Если говорить о песчаных грунтах, то их сжимаемость незначительна. На этот процесс сильно влияют гранулометрический и минералогический состав песка и плотность его сложения. Песок – это набор отдельных песчинок и при сжатии они взаимно перемещаются, а если давление чуть больше, то раздробляются. Поэтому сжимаемость таких грунтов происходит быстро и не зависит от влажности.

Что касается глинистых грунтов, то на процесс их сжатия влияют минералогический состав глины, степень ее дисперсности, пористости и состава обменных катионов. Также важны состояние породы и условия, при которых происходит сжатие. Гидрофильные монтмориллонитовые глины имеют большую сжимаемость, чем каолинитовые. На сжатие глинистых пород влияет дисперсность и чем выше она, тем сжимаемость больше. Насыщенность глины Na делает ее более сжимаемой, чем глины с содержанием Са. Пористость глины влияет на величину ее сжатия.

На процесс сжатия также имеют влияние гидратные оболочки, расположенные вокруг минеральных частиц. Они берут на себя часть нагрузки и при сжатии деформируются. Частицы в процессе взаимодействия притягиваются друг к другу с помощью молекулярных сил или так званых сил Ван-дер-Ваальса.

Способность к сжимаемости одного и того же вида глины может быть разной, поскольку здесь играет роль степень нарушенности структуры. Если провести опыт на двух образцах с одинаковой начальной пористостью и влажностью и равным составом воды, то те, у кого структура нарушена, будут поддаваться сжатию больше.

На сжимаемость грунтов влияют также размеры ступеней нагрузки и скорость ее нарастания. Увеличение этих данных приводит к увеличению сжатия глинистых пород.

Геологические изыскания содействуют более быстрым нарастаниям нагрузок, чем природные условия. Например, при строительстве полученные показатели сжимаемости немного завышены, и как результат осадок сооружения получается меньше, чем было рассчитано по компрессионным испытаниям.

На скорость сжатия таких видов грунтов сильно влияет уровень влажности грунта, а также мощность сжимаемого слоя.

Если образец грунта будет полностью насыщен водой, то скорость его сжатия до определенной степени будет определяться водопроницаемостью грунта. Если коэффициент фильтрации незначительный, а мощность слоя, который сжимается, будет больше, то процесс сжимаемости может происходить на притяжении многих лет. Процесс сжатия длится до той степени, пока не наступит состояние гидростатического равновесия. Это состояние, при котором из грунта отжимается часть воды, которая оказывает сопротивление на сжатие, и тогда внешнюю нагрузку на себя берет скелет грунта.

Состояние глинистого грунта, при котором в его порах, кроме наличия воды, есть еще и воздух, называют трехфазным. При этом состоянии воздух способен выходить из грунта свободно, что приводит к ускорению процесса сжатия независимо от водопроницаемости. В таком случае происходит деформация гидратных оболочек, а влажность самой породы при первом периоде опыта остается прежней.

Графическую схему зависимости пористости грунта или его влажности от давления изображает компрессионная кривая.

Понятия компрессии и сжимаемости немного отличаются друг от друга. В процессе компрессии исключается возможность расширения грунта в боковые стороны, в то время как при сжатии грунтов жесткая обойма, которая сохраняет поперечное сечение образцов, отсутствует. При этом боковая поверхность грунта поддается либо одноосному сжатию, при котором она не поддается нагрузке, либо трехосному сжатию, при котором она также переносит давление.

Явление, обратное понятию компрессии, называют декомпрессией или набуханием. Пример этого явления можно увидеть при разгрузке грунта, который был первоначально нагруженным. Разгружая грунт, его объем и пористость постепенно увеличиваются, но часто не возвращаются к своим первоначальным размерам.

Если грунт увеличился в объеме, а нагрузка при этом не была снята, то имели место так называемые упругие деформации. А если размеры начального объема грунта и объема после декомпрессии отличаются, то происходят остаточные деформации. Эти деформации вызваны перемещением частичек в грунте, которое приводит к нарушению связи между этими частицами. Упругие деформации пород связываются с деформациями водно-коллоидных и кристаллизационных связей, которые происходят между частицами, а в случае если порода насыщена водой лишь частично, то они связаны с упругими деформациями пузырьков в газах, которые находятся в поровом растворе.

Если боковое расширение грунта невозможно, то степень его сжатия определяется коэффициентом компрессии или коэффициентом уплотнения.

Для проведения экспериментов с грунтами в целях изучения их сжимаемости используют следующие приборы, которые для удобства определили в две группы: одометры и стабилометры. К первой группе относятся приборы, имеющие жесткие металлические стенки, которые не допускают боковое расширение исследуемого образца грунта при вертикальном сжатии нагрузкой. Стабилометры – это приборы, которые имеют боковую гидростатическую или же аэростатическую систему обжатия образца, которая заменяет жесткие стенки приборов первой группы.