Грунты: модуль деформации для разных типов. Свойства и характеристики грунтов

Модуль деформации - важнейший показатель, характеризующий способность грунта сопротивляться деформациям при нагрузках. Знание этой характеристики критически необходимо для расчетов осадок и устойчивости фундаментов, оползней, уплотнения грунтов и многих других инженерных задач. В этой статье мы подробно разберем, что такое модуль деформации, от чего он зависит для разных типов грунтов и как его можно определить.

1. Основные понятия о деформациях грунтов

Деформация грунта - это изменение формы или объема грунтового массива под воздействием механических нагрузок или влаги. Существует несколько видов деформаций:

• Линейная - изменение линейных размеров при сжатии или растяжении;
• Сдвиговая - смещение частиц при действии касательных сил;
• Объемная - изменение объема при сжатии со всех сторон.

Причины деформаций грунтов:

1. Собственный вес грунта и вес сооружений;
2. Движение транспорта;
3. Строительство подземных коммуникаций;
4. Изменение влажности при замачивании или осушении.

Различают природные и искусственные деформации. По характеру проявления бывают упругие, остаточные и общие. По времени развития - мгновенные и отсроченные.

Деформации грунтов могут стать причиной разрушения зданий и сооружений, провалов на дорогах, оползней и других негативных последствий.

2. Факторы, влияющие на величину деформаций

На величину деформаций грунта влияют:

• Величина напряжений в грунте после приложения нагрузки;
• Нелинейная зависимость между напряжением и деформацией;
• Прочность связей между частицами;
• Неоднородность грунта по составу и свойствам.

Чем выше напряжение, тем сильнее разрушаются связи между частицами грунта и возрастает его деформация. Эта зависимость нелинейна. На определенном этапе происходит хрупкое разрушение материала.

Неоднородные участки грунтового массива по-разному реагируют на одинаковые нагрузки, что приводит к неравномерным осадкам.

Для количественной оценки деформируемости грунтов используют модуль деформации - отношение приращения напряжения к вызванному им приращению деформации.

3. Методы лабораторного определения модуля деформации

Существует несколько стандартизованных методов лабораторного определения модуля деформации грунтов:

1. Одноосное сжатие;
2. Сжатие со измерением бокового давления;
3. Сдвиг;
4. Трехосное сжатие.

При этом используют образцы грунта ненарушенного сложения с естественной влажностью. На них воздействуют возрастающей статической нагрузкой вплоть до разрушения.

По результатам испытаний строят графики зависимости деформаций от напряжений. Модуль деформации рассчитывают в диапазоне упругих деформаций по формулам, приведенным в ГОСТ:

Здесь σ - нормальное напряжение, ε – деформация, μ - коэффициент Пуассона.

Для каждого типа грунта определяют свой диапазон допустимых напряжений и особенности методики испытаний.

4. Определение модуля деформации грунта в полевых условиях

Для определения модуля деформации грунтов в полевых условиях используют два основных метода:

1. Штамповые испытания;
2. Испытания прессиометром.

При штамповых испытаниях на поверхность грунта или в скважину устанавливают штамп и поэтапно нагружают его статической силой. Фиксируют осадку штампа на каждой ступени нагрузки. По полученным данным строят график и рассчитывают модуль деформации по формуле:

E = Kp (p1 - p0) / (S1 - S0)

Здесь Е – модуль деформации грунта, МПа; Kp – безразмерный коэффициент, зависящий от глубины опыта; p0 и p1 – начальное и конечное давление, МПа; S0 и S1 – начальная и конечная осадка штампа, см.

При испытаниях прессиометром в скважину опускают зонд, который расширяется в горизонтальной плоскости, создавая боковое давление на стенки. Фиксируют приращение давления и деформации скважины. Модуль деформации Е рассчитывают аналогично штамповым испытаниям.

5. Значения модуля деформации для различных грунтов

Модуль деформации существенно зависит от типа грунта, его плотности и влажности. Для разных грунтов характерны следующие диапазоны значений модуля деформации (МПа):

• Глины - 1-10
• Суглинки - 5-20
• Супеси - 10-30
• Пески - 20-100

Чем плотнее сложение грунта и меньше его влажность, тем выше значение модуля. Для типичных грунтов можно использовать усредненные, ориентировочные значения модуля деформации:

6. Корреляционные зависимости модуля деформации

Если нет возможности определить модуль деформации экспериментально, можно использовать корреляционные зависимости между модулем деформации и другими характеристиками грунта:

• Модуль общей деформации пропорционален пределу прочности на одноосное сжатие;
• Существует связь между модулем деформации и плотностью грунта;
• Модуль коррелирует с показателями зондирования (удельным сопротивлением).

7. Рекомендации по определению модуля деформации

Для надежного определения модуля деформации грунтов рекомендуется:

• Комбинировать лабораторные и полевые методы;
• Учитывать реальные нагрузки на грунты;
• Проводить испытания в нескольких точках из-за неоднородности;
• Определять модуль при разных уровнях нагрузок.

Это позволит получить наиболее достоверные исходные данные для расчетов.

8. Применение модуля деформации в геотехнике

Модуль деформации широко используется при:

• Расчете осадок фундаментов зданий и сооружений;
• Оценке несущей способности грунтов оснований;
• Проектировании уплотнения грунтов;
• Оценке устойчивости откосов и склонов.

Знание этого важного параметра позволяет обеспечивать надежность и долговечность строительных объектов на любых типах грунтов.