2. Реологические процессы в грунтах

Реологией называется область механики, которая изучает протекание деформаций различных материалов во времени под действием приложенных нагрузок (от греч. - течь). Реологические процессы особенно характерны для насыщенных водой пылевато-глинистых грунтов, а также для любых грунтов, находящихся в мерзлом состоянии. Физическими причинами реологических процессов являются деформации ползучести и релаксация напряжений.

Ползучестью материала называется увеличивающаяся деформация под действием постоянной нагрузки. Релаксацией напряжений называется уменьшение напряжений при постоянной деформации. Как показали опыты, деформации ползучести для уплотненных глин могут составить 36…165% от деформации при фильтрационной консолидации.

Реологические процессы в глинистых грунтах протекают одновременно с фильтрационной консолидацией, но не заканчиваются вместе с ней, а продолжаются иногда весьма длительное время и по окончании фильтрационного уплотнения.

Если к двум образцам одного и того же грунта приложить различную нагрузку, то их относительная деформация будет развиваться, как показано на Рис. 6 .45.

Рис. 6.45. Кривые деформации во времени

1 – затухающая ползучесть; 2 – установившаяся ползучесть; 3 – прогрессирующее течение

На кривых можно выделить мгновенную деформацию и три стадии ползучести:

1. затухающая ползучесть - происходит постепенное уменьшение скорости развития деформаций во времени;

2. установившаяся ползучесть – деформации пластического течения развиваются практически с постоянной скоростью;

3. стадия прогрессирующего течения – скорость пластического течения нарастает, что приводит к разрушению образца.

1. Длительная прочность и релаксация напряжений

Если проводить испытания серии образцов, нагружая их в начале испытаний все уменьшающимися нагрузками, то можно отметить, что чем большая нагрузка приложена к образцу, тем скорее наступит стадия прогрессирующего течения и происходит разрушение образца. При этом образец можно нагрузить такой нагрузкой, при которой не возникнет установившейся ползучести и прогрессирующего течения, а будет развиваться только затухающая ползучесть и разрушение образца не произойдет (нижняя кривая на рис. 6 .45).

При этом можно выделить следующие прочностные показатели грунта:

мгновенную прочность – практически мгновенное сопротивление грунта в самом начале загружения;

временную прочность - напряжение, вызывающее разрушение грунта за определенный отрезок времени;

пределом длительной прочности называется напряжение, при котором происходит разрушение образца через бесконечно большой промежуток времени (максимальное напряжение, при котором образец не разрушится).

По результатам испытаний грунтов, обладающих ползучестью, можно построить кривую длительной прочности для этого грунта (Рис. 6 .46). Имея такую кривую, можно определить разрушающее напряжение по заданному времени действия нагрузки за период эксплуатации сооружения.

Рис. 6.46. Кривая длительной прочности

- мгновенное сопротивление грунта; - временная прочность; - предел длительной прочности

При проектировании сооружений, передающих постоянную нагрузку, необходимо выполнение условия:

, а для переменной нагрузки (например, порывы ветра) – условия:

,

Для определения релаксации напряжений грунта, обладающего ползучестью, образец помещают в прибор (Рис. 6 .47) и нагружают его напряжениями, несколько меньше мгновенной прочности .

Рис. 6.47. Прибор для измерения релаксации напряжений

1 – исследуемый образец; 2 – измерительные тяги с наклеенными датчиками сопротивления

Высота образца с течением времени изменяться не будет, но измерение усилий по динамометру покажет, что напряжения в грунте будут уменьшаться до .

Прибор отличается от обычного уплотняющего пресса тем, что тяги прибора выполнены в виде трубок, разрезанных вдоль оси на четыре равные части, на которые наклеиваются проволочные датчики сопротивления для измерения релаксации напряжений в образце грунта при неизменной деформации.