A talajmechanika a talajfizika és az alkalmazott mechanika egyik ága , amely a talajok viselkedését írja le. Abban különbözik a folyadékmechanikától és a szilárd mechanikától, hogy a talajok folyadékok (jellemzően levegő és víz) és részecskék (jellemzően agyag, iszap, homok és kavics) heterogén keverékéből állnak, de a talaj szerves szilárd anyagokat és egyéb anyagokat is tartalmazhat. [1] [2] [3] [4]
A talajmechanika, mint tudomány a 19. század közepén keletkezett, és a 20. század elejére alakult ki , amikor szükségessé vált a szerkezetekkel kölcsönhatásba lépő talajtömegekben zajló folyamatok előrejelzése. A talajmechanika kialakulása a deformálható test mechanikája , valamint a geológia és a hidrogeológia területén végzett kutatásokon alapult . Ch. Coulomb , A. Darcy , E. Winkler, J. Boussinesq , M. Levy, D. Drucker , V. Prager , L. Prandtl , K. Terzagi [5] és orosz tudósok munkái nagy hatással voltak. a tudományág fejlesztéséről V. M. Karlovics , V. I. Kurdyumov, N. M. Gersevanov, N. A. Citovics , Z. G. Ter-Martirosyan N. N. Maslova, V. A. Florin , E. M. Szergejeva , N. Y. Denisov és mások.
1934- ben megjelent N. A. Tsytovich tankönyve, amelyet 1983-ig hétszer adtak ki, és a világ számos nyelvére lefordították.
Jelenleg a talajmechanika fejlett kísérleti bázissal és erős mechanikai és matematikai berendezéssel rendelkezik. A talajmechanika területén vezető kutatóintézet a NIIOSP im. N.M. Gersevanov . Speciális tanszékek működnek az MGSU -ban , a Moszkvai Állami Egyetemen , az SPbGASU -ban, a PGUPS - ben, a MADI -ban és más felsőoktatási intézményekben.
A talajmechanika vizsgálati tárgya maga a talaj és az általuk alkotott talajrétegek.
A talajmechanika egy összetett tudományág, amely a talajok terhelés alatti viselkedését és a terhelések szerkezetekről az alapozásra történő átvitelének módszereit egyaránt vizsgálja.
A vizsgálandó objektumok szemléltető példája a talajmechanikai tudományág előírásait figyelembe véve az úgynevezett ferde tornyok , amelyek lejtését a talaj vastagságának változása okozza, illetve történetiségükből adódóan. és művészi értéket, megdöntött modern állapotukban konzerválás tárgyát képezik.
Az ásványok (elsődleges szilikátok + agyagásványok + egyszerű sók + szerves anyagok) határozzák meg a kőzetek , a kőzetek pedig a talaj tulajdonságait.
A talaj tulajdonságai több kölcsönhatásban lévő tényező együttes hatásától függenek. Ezeket a tényezőket két csoportra oszthatjuk: összetételi tényezőkre és környezeti tényezőkre. Az összetételi tényezők közé tartoznak az ásványok típusai, az egyes ásványok mennyisége, az adszorbeált kationok típusai, a részecskék alakja és méretbeli eloszlása, porozitás, egyéb összetevők, például szerves anyagok, szilícium-dioxid, alumínium-oxid típusa és mennyisége.
Durva szemcsésnek, szemcsésnek és nem kohéziósnak minősül a talaj, ha a kavics és homok mennyisége meghaladja az 50 tömegszázalékot, illetve a finomszemcsés és kohéziós talaj, ha a finom szemcsék (iszap és agyaganyag) mennyisége meghaladja az 50 százalékot. A nem kohéziós és a kohéziós kifejezéseket óvatosan kell használni, mivel a durva szemcsés talajban az agyagásvány néhány százaléka is képes plasztikus jellemzőket adni. A plaszticitás a szerves anyagokkal, a szerves anyagok pedig a sűrűséggel társul.
Talaj diszperzió. A nátrium-pirofoszfát a talajt a talaj korlátozott diszperziójára hozza.
A sziklás talaj problémája a repedések jelenléte, mivel nagy szilárdságuk ellenére nincsenek monolitikus sziklás talajok.
A talajrészecskék felülete nem sima, különösen, ha kisebb léptékben nézzük. Egyre több bizonyíték van a felületi érdesség jelentős szerepére a szilárd részecskeminták mikromechanikai viselkedésében. [6]
Homokban a nyírószilárdság szöge attól is függ, hogy jó vagy rossz a talaj minősége, a szemcsék alakja (szögletes, kerek). A jól osztályozott homok nyírószilárdsági szöge nagyobb, mint a rosszul osztályozott homoké, és nagyobb a szögletes homok esetében, mint a kerek homoké.
A fraktálanalízist a talaj tulajdonságainak , például a részecskék gömbszerűségének , kerekségének és felületi érdességének vizsgálatára használják . [7] A homok érdessége megfelelően jellemezhető a felületbecslésből származó vágási hosszskálából számított teljesítményspektrummal és fraktáldimenzióval.
A nagy ellenállású talajokat viszonylag nagy elektromos ellenállási érték jellemzi. Ide tartozik a sziklás vagy sziklás talaj, a permafrost vagy a száraz homokos talaj.
Az elektroozmózis a talajban a víz mozgása a pórusokban külső elektromos mező hatására. A legtöbb esetben a talajban a víz elektroozmotikus mozgása az anódtól (+) a katódig (negatív elektród) történik. Az elektroozmózis jelenségének kialakításához anódot és katódot kell bevezetni a talajba. Az elektrokémiai védelemnél az elektródák szétválasztása történik egy katódra (negatív töltésű szerkezet, amelyet megakadályozunk a korrózió ellen) és egy anódra (pozitív töltésű, el kell helyezni valahova, el kell temetni).
A kutatás szempontjából a legfontosabb a víztartalom, vagyis a páratartalom. Ezt a mutatót százalékban határozzák meg, mint a mintában lévő víz tömegének a száraz talaj tömegéhez viszonyított arányát. Kísérleti úton nyerik a nedves és szárított talaj egymás utáni mérése után. Az építkezésnél fontosabb mutatók a páratartalomtól – a sűrűségtől és a teherbírástól függenek. A vizsgálatok azt mutatják, hogy ha a talaj nedvességgel telített, akkor sűrűsége először növekszik, majd csökken. Azt a nedvességtartalmat, amelynél a talaj a legnagyobb sűrűségű, optimális talajnedvességnek nevezzük . Ez a mutató a különböző anyagoknál jelentősen eltérhet. Homok esetében 8-14%, agyagnál - 16-26%.
A talaj pórusnyomása megnövekedett, ha a pórusokban lévő nyomás nagyobb, mint a hidrosztatikus nyomás . A kapilláris erők hatására pórusnyomás keletkezik, ami mintegy negatív, a szabad vízhorizont szintje felett van. A kapilláris víz szabad gravitációs víznek tűnik, erősen kötött, lazán kötött. A lazán megkötött víz néha elszakad a talajszemcséktől, néha megtapad. De a kapilláris víz szabad gravitációs víz, de Archimedes törvénye (ami érdekes) nem működik benne. Elméletileg, ha figyelembe vesszük valamilyen üvegcsövet, a tankönyvekben néha azt írják, hogy "a homokos vályogtalajban a víz 5 m-re emelkedik".
A kapillárisok a szabad víz szintje fölé emelkednek, és ennek eredménye az úgynevezett negatív nyomás. Vagyis mintha a hidrosztatikus víz lent próbálná széttolni a részecskéket, felülről pedig éppen ellenkezőleg, összenyomná őket ( hasonlóan egy zacskó kávéval ), összenyomja őket, és kiderül, hogy további nyomás nehezedik ezekre a részecskékre.
A talaj kapilláris nedvességtartalma idővel változó . A légköri nyomás megugrik és befolyásolja a kapilláris nyomást A negatív kapilláris nyomás folyamatosan változik. Ezt azonban semmiképpen nem veszik figyelembe, még a gödrök tervezésénél sem. Példa Gödör kirakodásánál igyekeztek figyelembe venni a kapilláris nyomást a lejtőstabilitás mellett. Gödröt ástak. Eleinte a látszólagos tapadás miatt a lejtők függőlegesen álltak. A kérdés az, hogy meddig bírja, amíg a víz kiszárad, miközben a kapilláris kohéziós erők hatnak. A lejtő azonban egyenetlenül szárad, így jelentős hibák voltak a számításban.
A talajvízszint alatt elhelyezkedő talajok fajsúlyát a víz súlyozó hatásával ( [8] ) kell figyelembe venni, ha a talajréteg szűrési együtthatója m/nap-nál nagyobb és >0,25 (agyagos talajoknál). Ha a talajvíz szintje alatt m/nap alatti és 0,25 -nél kisebb szűrési együtthatójú talajréteg (agyagos talajok esetén) helyezkedik el, a fajsúlyát a víz súlyozó hatásának ( ) figyelembe vétele nélkül kell meghatározni . rétegben és alatta a réteg felett elhelyezkedő vízoszlop nyomását kell figyelembe venni. [9] .
A talajok fajsúlya a víz súlyozó hatását figyelembe véve mindig nagyobb vagy egyenlő a talajok fajsúlyával, a víz súlyozó hatásának figyelembevétele nélkül .
Gyenge talajok az E<5 MPa talajok (például tőzeg ). Fontos megjegyezni, hogy az alakváltozási modulus függ az alkalmazott effektív feszültségektől, a feszültségtörténettől, a hézagviszonytól és a plaszticitási indextől. Nem kohéziós talajoknál a modulus megközelítőleg az effektív feszültség négyzetgyökével változik. A kohéziós talajok alakváltozási modulusa 0,5…1,0 effektív feszültség. A szennyeződés kis nyírási modulusa az érintkezési merevségtől és a szövet állapotától függ. Így a keresztirányú hullám sebességének változása korlátozó nyomással képet ad az érintkezési merevség nyomástól való függéséről.
Egyes talajokra jellemző, hogy egy bizonyos nyomásértékig - szerkezeti szilárdságig - nem változik a hézagtényező . A szerkezeti szilárdságnál kisebb nyomáson, amikor azt vízkolloid és kristályos kötések érzékelik, a tömörítési folyamat gyakorlatilag nem fejlődik ki [10] . Ismételt terhelési-ürítési ciklusok esetén az alakváltozás mértéke minden ciklussal csökken. Azokon a talajokon, amelyek mélyen vannak, és ahhoz, hogy zsugorodjanak, le kell győznie ezt az erőt.
A talaj alakváltozási modulusa (a feszültséggörbe relatív összenyomhatósági tényezőnkénti területe) függ az alkalmazott effektív feszültségektől, függ a feszültségtörténettől, a hézagaránytól és a plaszticitási indextől is. Nem kohéziós talajoknál a modulus megközelítőleg az effektív feszültség négyzetgyökével változik. Kohéziós talajok esetén az alakváltozási modulus egyenlő 0,5 ... 1,0 effektív feszültséggel .
Az alapok előzetes méretei tervezési okokból vagy az alap Rq tervezési talajellenállási értékei alapján vannak megadva, az SP 22.13330.2016 B. függelék B.1-B.3 táblázatai szerint. Az értékek felhasználhatók az 1. geotechnikai kategóriájú építmények alapjainak végleges méreteinek kijelölésére is, ha az alap vízszintes (legfeljebb 0,1 lejtős), vastagságban tartó talajrétegekből áll. [tizenegy]
A talaj viselkedése terhelés alatt az 1. szakaszban, a talaj lineáris testként viselkedik. Ha eltávolítjuk a terhelést, akkor az alakváltozások visszatérnek. R-számított talajellenállás. A lineáris és a képlékeny alakváltozás zónája közötti határ. R függ a b alapozás alapjának szélességétől, az alap mélységétől (általában ez adja a legnagyobb mértékben az alap teherbíró képességét és a talaj tervezési ellenállását), a talaj fajsúlyától az alap felett. az alapozás , a talaj fajsúlya az alap alapja alatt (kötőjel nélkül), a belső súrlódási szög, GWL (ha a talajok a talajvíz szintje felett helyezkednek el, akkor a fajsúly, figyelembe véve a víz súlyozó hatását) , az alapozás alján elhelyezkedő réteg sajátos kohéziója.
A tervezési ellenállás [12] feltételesen három részre osztható, amelyek mindegyike felelős a saját tényezőjéért: felelős az alapozás szélességéért, az alapozás mélységéért és a fajlagos tapadás hozzájárulásáért. alapítványunk munkájához. csak a belső súrlódási szögtől függ (semmi más). A fennmaradó együtthatók az alapozás geometriájától függenek, például létezik egy együttható az alapozásunk különféle típusainak (szalag, oszlop stb.) figyelembe vételéhez. A képletben elfogadott jelölések a talajok fajsúlyának, illetve a tapadásnak számított értéke az alapozás alapja alatt; a talp felett fekvő talajok fajsúlyának számított értéke; b - az alapítvány alapjának szélessége.
Vegyünk egy zacskó kávébabot. Ha egy zacskó kávéból levegőt pumpálunk ki, és az összes szemcsét összenyomja a légköri nyomás, akkor a zacskót semmilyen módon nem tudjuk mozgatni. A táska nem törhető össze. A szemcsék a közöttük lévő összenyomás miatt kapcsolódnak össze. Nos, amint kiengedjük a levegőt, a nyomás egyensúlyba kerül, és a szemcsék szétesnek. A táska, mint anyag szilárdsága drámaian csökken. Egyszerűen laza lesz, nem lesz egyetlen monolit. Ez csak a talajokra vonatkozik, az erő nagymértékben függ az igénybevétel mértékétől. Ha azt mondjuk, hogy a talaj erős, törékeny, ez a fogalom nagyon relatív. Bizonyos körülmények között erősnek (stressz által összenyomva), máskor törékenynek tekinthető.
Amellett, hogy a talaj alakváltozási modulusa (Eo) függ az alkalmazott effektív feszültségektől, függ a feszültségtörténettől, a hézagviszonytól és a plaszticitási indextől is. Nem kohéziós talajoknál a modulus megközelítőleg az effektív nyomás négyzetgyökével változik. A kohéziós talajok alakváltozási modulusa 0,5…1,0 effektív feszültség. A szennyeződés kis nyírási modulusa az érintkezési merevségtől és a szövet állapotától függ. Így a keresztirányú hullám sebességének változása korlátozó nyomással képet ad az érintkezési merevség nyomástól való függéséről.
Az áteresztőképességi együttható a talajrétegben lévő áramlási vonal irányától függően változhat. Az agyagnak nagyobb az ürege, mint a kavicsnak, de a kémiai kötések miatt a vízállóság magas.
A szervesanyag-tartalom növekedésével a kőzetek áteresztőképessége csökken. Például a homok több mint 3%-os humusztartalma vízállóvá teszi. A szerves anyagokban van egy szerkezet nélküli komponens is (humusz = szén + oxigén). Ő tartja a vizet. A humusz összenyomásakor a víz kinyomódik. Ennek eredményeként a szerves talaj összenyomhatósága magas a szervesanyag nélküli talajokhoz képest. A szervetlen agyagokhoz képest a szerves agyagok:
A hőmérséklet-eltolódás abból adódik, hogy télen a talaj hővesztesége nagyobb, mint a nyáron, az olvadáskor a talaj által felvett hő. Mivel a fagyott talajban a hővezető képesség nagyobb. Ezt figyelembe kell venni a fagyasztás-olvadás számításánál. Az eltolódás évi 1-2 fokkal csökkenti a talaj átlagos hőmérsékletét.
Amikor a talaj megfagy, hő szabadul fel.
A hőkapacitást Joule-ban, a hővezetőképességet wattban mérik. Ebben a tekintetben a kJ-t át kell számítani wattra. A szovjet SNiP-kben a kJ wattra való átalakítása a talaj nedvességtartalmától és hővezető képességétől függően könnyen elvégezhető táblázatokon keresztül. A modern vegyes vállalat megköveteli egy adott talaj hőkapacitásának kiszámítását. A hőkapacitás a talaj összetételétől, a hővezető képesség a sűrűségtől és a páratartalomtól függ.
Ha bármely levegőtartalmú közegben hőmérsékleti gradiens lép fel, a vízgőz a hőmérséklet csökkenésének irányába kezd el mozogni. Ebben a tekintetben feltételezhető, hogy a talaj a talajvíz szintje alatt megfagy.
Az agyagok konszolidáción , ülepedésen mennek keresztül, nemcsak "külső" terhelések hatására (további terhelések), hanem saját súlyuk vagy az agyag feletti talajok súlya hatására is. Az agyagok víztelenítéskor (talajvíz kiszivattyúzása) is ülepedést/zsugorodást tapasztalnak, mert megnő az agyagra ható hatásos feszültség. A durva szemcsés talajok nem ki vannak téve a tömörítésnek, süllyedésnek az agyagokhoz képest viszonylag magas vízvezető képessége miatt. Ehelyett a durva szemcséjű talajokat azonnali ülepítésnek vetik alá.
Az MPa összenyomhatósági együtthatót minden terhelési lépésnél 0,001 MPa pontossággal számítjuk ki : [13] , ahol a porozitási együtthatók különbsége.
A rugalmas féltér felületére ható függőleges koncentrált erő hatásának J. Boussinesq által 1885-ben kapott megoldása lehetővé teszi az összes feszültség- és alakváltozási komponens meghatározását a féltér bármely pontján. M tér az N erő hatásából. [14]