Изменяемость модуля упруго-мгновенной (условно-мгновенной) компрессионной деформации в зависимости от состояния грунта

Модуль мгновенной (условно-мгновенной) компрессионной деформации Eс,0 является переменной величиной, зависящей от состояния грунта — плотности, влажности и структурной прочности. Состояние грунта, в свою очередь, является функцией напряжения, времени его действия и температуры. Поэтому определение изменяемости Eс,0 сводится к определению зависимости напряжение — мгновенная (условно-мгновенная) деформация в различных состояниях грунта путем испытания нескольких серий образцов-близнецов, подвергнутых предварительному уплотнению под действием различных по величине давлений о1,0.
На рис. 54 приведены семейства кривых напряжение — относительная мгновенная деформация трех различных грунтов, определенные в четырех-пяти различных их состояниях. Образцы-близнецы нарушенного сложения (в виде пасты) грунтов (2—57 и 7— 57) подвергнуты двухмесячному предварительному уплотнению, а глины 4—57 — в течение 3; 9; 16 и 104—208 дней под действием четырех различных уплотняющих нагрузок. Значения модулей мгновенных компрессионных деформаций указанных грунтов приведены в табл. 18.

Эксперименты показывают, что при испытании образцов, приготовленных из пасты, изменяемость модуля Eс,0 в зависимости от уплотняющей нагрузки можно представить в виде кривой, показанной на рис. 55.
За изменяемостью модуля мгновенной компрессионной деформации глинистых грунтов в зависимости от их состояния, обусловленного величиной уплотняющей нагрузки, можно проследить не только их испытанием по изложенному выше методу, но и испытанием одного образца под действием ступенчато-возрастающей нагрузки. Если возрастание нагрузки на образец представить в виде графика, изображенного на рис. 55, в, то изменяемость мгновенных деформаций выразится кривой ес,0=ec,0(о1), где ес,00, ес,01 — относительные мгновенные деформации, соответствующие различным ступеням нагрузки. Зная величину относительной мгновенной деформации, можно по соотношению (5.1) определить соответствующее ей значение модуля и построить кривую его изменяемости (см. рис. 55, б).

Характерная кривая изменяемости ес,0 глинистого грунта нарушенного сложения 7—57 (см. табл. 16) приведена на рис. 56. Пример определения изменяемости ес,0 и Eс,0 глинистого грунта 3454 нарушенного сложения в виде пасты текучей консистенции приведен на рис. 57.

Экспериментами установлено, что величина и характер изменяемости ес,0 и Eс,0 зависят как от начального состояния грунта, так и от величины и интервала приложения ступени нагрузки. При всех равных условиях по мере увеличения интервала времени между моментами приложения ступеней нагрузки на глинистые грунты нарушенного сложения текучей и текучепластичной консистенции наблюдаются закономерное уменьшение мгновенных деформаций и возрастание их модулей от трех до пяти и более раз. Это возрастание, по известным причинам, в наибольшей степени проявляется у свежих глинистых паст и в наименьшей у грунтов, обладающих жесткими и прочными структурными связями, конденсационно-кристаллической структурой (по П.А. Ребиндеру), для которых процесс структурного упрочнения (старения) практически закончен.
Для иллюстрации влияния начального состояния и величины ступени нагрузки на свойства мгновенного деформирования глинистых грунтов на рис. 58 и 59 показаны кривые изменяемости ес,0 образцов диатомитовой глины 5—57. В одном случае (см. рис. 58) грунтовую пасту предварительно уплотняли в течение 24 ч под давлением 0,025 МПа, а в другом (см. рис. 59) — в течение 25 сут под давлением 0,225 МПа. Ступени нагрузки приложены через каждые сутки.
Эксперименты показывают (см. рис. 56—58), что при испытании слабоуплотненных глинистых паст изменяемость мгновенных деформаций в зависимости от внешней нагрузки выражается затухающей кривой. При этом величина ес,0 при переходе от одной ступени нагрузки к другой, постепенно уменьшаясь, стремится к некоторой постоянной величине. Иначе говоря, изменяемость ес,0 указанных грунтов подчиняется одному общему закону.
Для аппроксимации кривой Eс,0—о1 слабоуплотненных глинистых грунтов можно использовать следующее выражение:

где Ес,0 (о1,1) — начальный компрессионный модуль мгновений деформации, определяемый в начальном состоянии от действия а1 и а2 — эмпирические параметры; Ao1 = (о1—о1,1 — приращение напряжения.
Когда известен закон изменяемости внешней нагрузки, его можно выразить через параметр времени t и соотношение (5.2) записать в следующем виде:

На рис. 57 штриховыми линиями показана аппроксимация экспериментальной кривой изменяемости модуля мгновенной компрессионной деформации по соотношениям видов (5.2) и (5.3):


Изменяемость компрессионного модуля мгновенной деформации при заданном режиме нагружения можно определить также по следующим соотношениям:

где о1 — величина ступени нагрузки; еc,0(t) — выражение, полученное из аппроксимации кривой изменяемости еc,0 во времени; L0, К0, D0 и n — определяемые из опыта параметры.
На рис. 58 штриховыми линиями показаны кривые еc,0—t, построенные по соотношению (5.7). На том же рисунке сплошными линиями изображены кривые изменяемости во времени модуля мгновенной компрессионной деформации, построенные по соотношению (5.6).

Теперь посмотрим, какова закономерность изменяемости еc,0 в случае испытания образцов, подвергнутых длительному предварительному уплотнению под действием сравнительно высоких давлений и обладающих ощутимой структурной прочностью. Как видно на рис. 59, кривые еc,0—t диатомитового грунта 5—57 заметно отличаются друг от друга. Самым примечательным здесь является их экстремальный характер, чего не было обнаружено при испытании слабоуплотненных образцов. Интересным является и то, что пиковые значения мгновенных деформаций практически достигаются при одном и том же суммарном значении уплотняющей нагрузки. Описанную картину деформирования глинистого грунта легко объяснить из изложенных ниже позиций изменяемости его структуры и прочности под действием внешней нагрузки.
Характер изменяемости деформации уплотнения глинистых грунтов при компрессии вообще, мгновенной в частности обусловлен отношением внешней нагрузки к их структурной прочности.

Когда величина ступени нагрузки больше, чем структурная прочность грунта, в момент ее приложения происходит предельно возможное разрушение его структуры и вследствие этого наблюдается наибольшая мгновенная деформация. При приложении следующих равных ступеней нагрузки имеют место постепенное уплотнение и упрочнение грунта во времени и закономерное уменьшение мгновенных (и ползучих) деформаций до некоторого предельного значения (см. рис. 56—58). В случае же, когда величина ступени нагрузки меньше структурной прочности грунта и не в состоянии разрушить его структуру (устранить сцепление упрочнения, по Н.Я. Денисову), мгновенная деформация достигает своего наибольшего значения не в момент приложения первой ступени нагрузки, а под действием некоторой другой, равной структурной прочности. После разрушения начальной структуры грунта дальнейшее изменение мгновенных деформаций от действия нагрузки, возрастающей равными ступенями, происходит точно так, как в рассматриваемом выше случае.
После пикового значения изменяемость мгновенных деформаций не всегда протекает гладко, т. е. ес,0 от последующей ступени нагрузки часто меньше, чем от равной ее предыдущей. Однако совершенно ясно, что по мере возрастания внешней нагрузки мгновенная деформация имеет тенденцию постепенного уменьшения и стабилизации при достижении упруго-уплотненного состояния.
Данные о наибольших значениях Eс,0 ряда глинистых грунтов, полученных автором книги при испытании образцов нарушенного сложения после предварительного уплотнения под действием различных давлений в течение различных продолжительности времени, приведены в таблице 19.

Сопоставление данных табл. 17 и 19 показывает, что длительное уплотнение грунтов под нагрузками до 0,9 МПа приводит к весьма существенному возрастанию Ес,0 В частности, в результате десятимесячного уплотнения суглинка 2—57 под давлением 0,8 МПа его Eс,0 возрос в 70 раз и достиг величины 1000 МПа. Совершенно очевидно, что если в результате сравнительно непродолжительного уплотнения глинистых паст относительно небольшими нагрузками значения их Eс,0 могут достигнуть таких больших величин, то в природных условиях под действием больших давлений в течение очень длительного времени они должны обладать более высокими показателями свойств мгновенного деформирования. В этой связи интересно отметить, что, по данным скоростей распространения продольных волн в глинистых грунтах, их модули упругости (мгновенной деформации) Ес,0 = Eс,е должны быть примерно равны 3000 МПа.
Модули упругости, полученные Д.Д. Барканом при испытании грунтов в полевых условиях (табл. 20), значительно ниже полученных нами величин.
Как правильно отмечал Н.Я. Денисов (1951 г.), эти данные получены расчетом величины восстанавливающей деформации при разгрузке опытных штампов, которые являются следствием как упругого расширения частиц, так и влияния адсорбционных процессов. Поэтому они не могут рассматриваться как данные, характеризующие только упругие деформации.