Основні явища, що визначають реологічні властивості ґрунтів: повзучість грунту, релаксація і тривала міцність. Під ползучестью розуміють деформованість скелета грунту в часі при постійному навантаженні. Релаксацією називають процес розслаблення (зменшення) напружень в грунтах при заданій незмінною деформації. Тривала міцність - міцність грунтів при тривалій дії на них навантаження.
Повзучість грунтів при стисненні. В умовах компресійного стиску будь-якої постійної навантаженням про досить тонкого зразка трифазного щодо щільного глинистого грунту поровое тиск мало і при цьому виявляються властивості повзучості його скелета (рис. 1.45). Швидко протікає частина деформації відносять до миттєвої (^ »0), а решту - до деформації повзучості. Причому деформації повзучості в умовах компресійного або всебічного стиснення завжди затухаючі в часі.
Як показали численні експерименти, зокрема С. Р. Місцем чяна, криві повзучості більшості грунтів задовільно описуються рівнянням
де другий член відповідає миттєвому зміни коефіцієнта пористості, а третій - зміни коефіцієнта пористості в часі, т. е. власне повзучості грунту. Коефіцієнт а0 можна назвати коефіцієнтом миттєвого ущільнення, а аг і ^ є параметрами повзучості. Дослідами також підтверджено подобу кривих повзучості грунту при різних постійних напружених а (рис. 1.45), що і закладено в рівняння (1.38).
Мал. 1.45. Криві компресійного стиснення (а) і повзучості (б) при «миттєвої» деформируемости і до моменту Ь 'умовної стабілізації деформацій
Чим менше величина тим повільніше розвиваються деформації повзучості. при вся
деформація стає миттєвою і рівняння (1.38), з огляду на, що при цьому а = а0 + а'перетворюється в рівняння (1.27) спрямленной компресійної кривої (рис. 1.45). Можливість використання рівняння (1.38) визначає придатність до ґрунтів теорії лінійної ^ спадкової повзучості (див. § 8.5).
Широкі експериментальні дослідження повзучості ґрунтів з випробуванням деяких зразків більше десятка років проводилися С. Р. Месчяном. Розвиток реологии грунтів багато в чому зобов'язане робіт С. С. В'ялова, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, Г. І. Тер-Степаняна, Ю. К. Зарецького, А. Я. Будіна та ін.
Всі грунти мають властивість повзучості, але найбільш яскраво вони проявляються в глинистих ґрунтах. В результаті цього у споруд, що зводяться на таких грунтах, спостерігаються опади, які тривають десятками років. Менш істотні деформації повзучості в піщаних грунтах, але греблі з кам'яної начерки деформуються роками. Природа повзучості в таких грунтах інша, хоча зовнішні прояви однакові - тривала деформація в часі. У великоуламкових гострокутих грунтах руйнуються контакти, зрізаються кути найбільш напружених частинок, в результаті відбувається перебудова структури і виникають великі напруги в інших частинках, потім їх злам і т. Д.
Характеристики повзучості а'У] визначаються з результатів спеціальних тривалих компресійних випробувань грунтів з обов'язковим контролем порового тиску.
Повзучість грунтів при зсуві. Розвиток зсувних деформацій повзучості можна досліджувати на зсувних приладах при постійних горизонтальних навантаженнях, менших граничних. Для цього більше підходять прилади кільцевого зсуву (див. Рис. 1.19, а), що дозволяють здійснювати необмежені зміщення без зміни площі зразка в зоні фіксованою поверхні зсуву.
Розвиток деформацій зсуву в залежності від прикладених ка
сательних напружень має характер, наведений на рис. 1.46. На них можна виділити ділянку миттєвої деформації (ОА), потім обов'язковий період зменшення швидкості розвитку деформації, т. Е. Стадію несталої - загасаючої повзучості [АВ). При малих дотичних напруженнях т вся крива повзучості є загасаючої, а при їх збільшенні т 'стадія загасаючої повзучості переходить до розвитку деформацій з постійною швидкістю, т. Е. В
Мал. 1.46. Розвиток горизонтальних зсувів 5Х в залежності від величини постійних дотичних напружень т в зсувних приладах
Мал. 1.47. Крива тривалої міцності
стадію усталеною повзучості (ВС). Встановлена повзучість може привести до початку прискореного деформування (стадія прогресуючого перебігу) і руйнування зразка (при% "і на рис. 1.46). Такий характер повзучості глинистого грунту при зсуві пояснюється перебудовою структури грунту з руйнуванням існуючих і утворенням нових структурних зв'язків, а також утворенням мікротріщин (дефектів), з подальшим частковим їх закриттям, або, навпаки, розвитком (М. Н. Гольдштейн, С. С. В'ялов, Ю. К. Зарецький, С. С. Бабицька, А. Я- Туровська і ін.) .
На стадії несталої загасаючої повзучості руйнуються тендітні зв'язку, але закриваються деякі мікротріщини і в результаті подальшого зближення частинок виникає велике число нових вузьких водно-колоїдних зв'язків, і швидкість наростання деформації зсуву зменшується. У період сталої ползу- '.Есть продовжують руйнуватися тендітні і в'язкі зв'язку повністю компенсуються утворюються новими водно-колоїдними і молекулярними зв'язками, але одночасно відбувається перебудова структури грунту. Наприклад, лускаті глинисті частинки, до деформації грунту розташовувалися поперек площині зсуву, починають все більше вкладатися своїми площинами паралельно напрямку зсуву. Така структура грунту менше чинить опір зовнішнім зусиллям і тому розвивається стадія прогресуючого перебігу, що переходить в руйнування.
Чим більше т, тим за більш короткий період встановилася повзучість грунту переходить в стадію прогресуючого перебігу і раз
рушення (рис. 1.46, випадок т "і г '"). Проводячи досліди з все меншими навантаженнями, можна досягти такого т, при якому в умовах навіть дуже тривалого випробування не спостерігається переходу до руйнування.
В результаті випробувань грунту можна побудувати графік тривалої міцності (рис. 1.47). На ньому тривала міцність відповідає напрузі, при якому руйнування матеріалу відбудеться до заданого моменту I. Тривала міцність з плином часу знижується. Міцність при нескінченно великої тривалості дії навантаження називають межею тривалої міцності (т,: Х1 на рис. 1.47). Найбільша міцність відповідає моменту I = 0 і може бути умовно названа миттєвої міцністю. Міцність (рис. 1.47), що отримується при звичайних щодо короткочасних лабораторних дослідженнях грунту, зазвичай називають стандартною тс.
Явища релаксації напружень. Мають ту ж природу, що і описані вище явища повзучості. Якщо задати грунту швидким завантаженням ст деяку деформацію і закріпити його в цьому стані так, щоб деформація не змінювалася - зберігалася постійною, то з плином часу в грунті зменшуються напруги. В результаті виходить крива зменшення напружень в часі (рис. 1.48) зазвичай з зберігається частиною напружень навіть протягом дуже тривалого часу ст<х>- Процес зменшення напружень визначається внутрішньої повільної перебудовою структури грунту з подоланням міцності крихких і в'язких зв'язків між частинками і створенням нових. З огляду на єдину природу реологічних механічних властивостей ґрунтів, є пропозиції за даними випробувань на релаксацію оцінювати повзучість і тривалу міцність грунтів (С. С. В'ялов, Н. А. Цитовіч і ін.).
Встановлена, незатухаюче повзучість ґрунтів при зсуві яскраво проявляється в природі. Є численні приклади повільного, але постійного руху пологих схилів, складених глинистими грунтами. Так, деякі ділянки укосів Волго-Балтій- ського каналу щорічно зміщуються на 0,5. 1 м, і в каналі доводиться проводити систематичні днопоглиблювальні роботи. Портові набережні на Чорному морі при швидкості зсуву близько 1 см в рік змістилися в бік моря за 70. 100 років на 50. 80 см. Слід підкреслити, що ці укоси і набережні виходячи з критерію стандартної міцності є стійкими, причому зі значними запасами.
Методи проектування та будівництва підпірних або укісних споруд в грунтах з яскраво вираженими властивостями повзучості при зсуві можуть бути спрямовані двома шляхами. Перший - не допускати виникнення відчутних деформацій повзучості, що вимагає дуже великого уположенія укосів і створення важких або глибоко закладених підпірних споруд. Другий шлях, що розвивається в останні роки (А. Я- Будин), - це проектування порівняно легких споруд в припущенні розвитку деформацій повзучості виходячи з допустимих зміщень протягом заданого терміну існування споруди або, наприклад, для портових споруд,
жений заданого терміну міжремонтного періоду. Цей шлях, як
шра- вило, виявляється економічно більш виправданим.
Для деяких глин межа тривалої міцності знижується до 30% стандартної міцності. Облік при проектуванні тривалої міцності грунту і особливо межі тривалої міцності в порівнянні зі стандартною призводить до необхідності створення більш дорогих матеріаломістких споруд. Тому слід обов'язково враховувати, що при зведенні споруд одночасно відбуваються два протилежно спрямованих процесу. Грунт під виниклої нової навантаженням згодом ущільнюється, т. Е. Зміцнюється, а в разі розвитку деформації усталеної повзучості одночасно прагне разупрочніться. У більшості випадків процес зміцнення виявляється визначальним. Особливо яскраво прояв- лются процеси ущільнення - зміцнення в слабких грунтах. Крім того, при обгрунтованому обліку тривалої міцності завдяки уточненню розрахункових характеристик і процесів необхідно переходити на знижені коефіцієнти запасу стійкості споруд (див. § 7.2).