Հողի շփում և կոհեզիա

Եթե կապակցված հողում կտրենք գլան և դնենք այն նորմալ ճնշման P ազդեցության տակ (նկ. 1), գլանում կհայտնվեն նոր լարումներ՝ ուղղահայաց սեղմման լարում σ և հորիզոնական սմքման լարում։ Եթե P ճնշումը աստիճանաբար մեծացնենք, որոշ ժամանակ անց գլանի վրա կհայտնվեն թեք ճաքեր, իսկ անմիջապես հետո կտեղի ունենա գլանի կոտրումը։ Կոտրման պահին գլանը սմքված է P ճնշման ազդեցությամբ և նվազագույն դիմադրության N-N սմքող հարթությամբ։

Նկ. 1. Լճնշման ազդեցությունը կոհեզիվ հողից հանված գլանիկի վրա

Հողի դիմադրությունը, որը գլանը ցուցաբերել է P ուժի ներգործության դեմ կոտրվելու պահին, կոչվում է հողի սահման դիմադրություն, իսկ ամենափոքր դիմադրության հարթության α անկյունը հորիզոնականի նկատմամբ կոչվում է հողի սահման ամենափոքր դիմադրության հարթության անկյուն։

Կապակցված հողի կտրման դիմադրությունը բաղկացած է երկու տարրական դիմադրություններից՝ պինդ մասնիկների միջև ներքին շփումից և պինդ մասնիկները կապող կոհեզիայից։ Հողի կտրման ամրությունը ընդունվում է որպես խզման պահին ունեցած առավելագույն կտրման լարմանը հավասար և արտահայտվում է հետևյալ հավասարմամբ

τf = c + σ tg_φ_

որտեղ՝ τf հողի սահքային ամրությունն է [kp/cm2],

c հողի կապակցվածությունը [kp/cm3],

σ հողի նորմալ լարում [kp/cm3],

φ՝ հողի ներքին շփման անկյունը։

Վերին բանաձևը տվել է ֆրանսիացի Կուլոնը 1785 թ. Համաձայն այս բանաձևի՝ տվյալ հողի համար կպչունությունը c-ն հաստատուն է և անկախ նորմալ ճնշումից, մինչդեռ շփման դիմադրությունը σ tg_ϕ_ հենց համեմատական է լարմանը σ։ Իրականում կպչունությունը e-ն տվյալ հողի համար հաստատուն չէ, այլ նաև որոշ չափով կախված է նորմալ լարումից σ, որովհետև այդ ճնշման ազդեցությամբ պինդ մասնիկները պատող ջրային թաղանթի հաստությունը փոքրանում է, և այդպիսով կպչունությունը մեծանում է։ Կուլոնի բանաձևը կիրառելի է թափանցելի հողերի համար, որոնցում նորմալ ճնշման ազդեցությամբ ծակոտիներից ջուրը դուրս է մղվում առանց դիմադրության, ինչը բնորոշ է խիճային և ավազային հողին, սակայն չի բնորոշ կապակցված հողին, որը քիչ է թափանցելի, այդ պատճառով ծակոտիներից ջուրը դժվարությամբ է դուրս մղվում և ճնշման P ազդեցությամբ մնում է որպես լարված ծակոտկեն ջուր։

Հողի արդյունավետ և չեզոք լարումները

Նկ. 2. Հողի մեջ արդյունավետ և չեզոք լարումը

Եթե անոթի հատակին հողի նմուշ դնենք, օրինակ՝ չոր ավազ, և այն բեռնենք որևէ զանգվածով, օրինակ՝ կապարե գնդիկներով՝ W քաշով, ապա այդ քաշի ամբողջ բեռը կընդունեն հողի պինդ մասնիկները։ Նմուշի մակերեսի վրա հատուկ ճնշումը p0 = W/A kp/cm3-ում, որտեղ A-ն նմուշի հատույթի մակերեսն է, կհանգեցնի նմուշի նստեցման, այսինքն՝ նրա ծակոտկենության նվազման, բայց նաև կառաջացնի նմուշի այլ ֆիզիկական հատկությունների փոփոխություններ, ինչպիսիք են կտրման ամրության աճը, սեղմելիության մոդուլի աճը և այլն։ Մասնիկների միջև շփման մակերեսներում տիրող ճնշումը կոչվում է արդյունավետ կամ միջհատիկային ճնշում σ’։ Երբ հասվում է կոնսոլիդացիա, այսինքն՝ երբ նմուշը դադարում է նստել p0 ծանրաբեռնվածության տակ, արդյունավետ ճնշումը հավասար է այն ընդհանուր հատուկ ճնշմանը, որը գործում է այն խորության վրա, որտեղ հողը դիտարկվում է։ Այս դեպքում մակերևույթից ներքև գտնվող խորության վրա, նմուշի նկ. 2-ում՝ σ’ = W/A + hzγ, որտեղ γ-ն նմուշի ծավալային քաշն է։

Սակայն եթե անոթի մեջ գտնվող նմուշը, կապարե կոտորակի փոխարեն, լցնենք ջրով մինչև h բարձրությունը, այնպես որ այն լրացրած լինի նմուշի բոլոր ծակոտիները, ապա նմուշի վերևում գտնվող ջրի սյան ճնշումը hγw, որտեղ γw ջրի ծավալային քաշն է, չի առաջացնի նմուշի նստում և դրա ծակոտկենության նվազում, ինչպես նաև չի մեծացնի նրա սահքային ամրությունն ու սեղմելիության մոդուլը։ Այդ պատճառով հիդրոստատիկ ճնշումը hγw կոչվում է նեյտրալ ճնշում։ Նեյտրալ ճնշումը, որը նշվում է u-ով, նմուշի միջով փոխանցվում է բոլոր ուղղություններով՝ հավասար ինտենսիվությամբ։ Այս ճնշումը չի առաջացնի սահքային ամրության աճ, քանի որ ջուրն ինքնին որևէ սահքային ամրություն չունի։

Այսպիսով, արդյունավետ ճնշումը σ’ փոխանցվում է հողի պինդ մասնիկների միջև շփման մակերեսներով, իսկ չեզոք ճնշումը u փոխանցվում է ծակոտիներում գտնվող ջրի միջոցով։ Եթե անոթի ստորին մասը լցված է հագեցած հողի նմուշով, որի ծավալային քաշը γz է, իսկ նմուշի մակերևույթից մինչև N մակարդակը անոթը լցված է ջրով, որի ծավալային քաշը γw է, ապա նմուշի որևէ կետում ընդհանուր ճնշումը կլինի σ = σ’ + u.

hz խորության վրա, նմուշի մակերևույթից ներքև, արդյունավետ ճնշումը կլինի σ = σ’ - u

որտեղ σ = h γw + h γz

               u = (h + hz) γw.

Հետևաբար կլինի σ’ = hz γ’

γ’-ն ջրի մեջ սուզված հողի ծավալային քաշն է։

Հողի սահող ամրության ընդհանուր հավասարումը

Եթե կապակցված հողը բեռնավորենք P բեռնվածությամբ, այդ բեռնվածությունը կհանգեցնի հողի նստեցման, և սկզբում դրա ազդեցությամբ ծակոտիներից դուրս կմղվի օդը, այնպես որ շուտով ծակոտիներում կմնա միայն ջուրը։ Քանի որ կապակցված հողի փոքր ջրաթափանցելիության պատճառով ջուրը չի կարող անմիջապես դուրս մղվել, այն մնում է որպես ճնշված ջուր ծակոտիներում և սկզբում կրում է ամբողջ արտաքին P բեռնվածությունը։ Հետագա ժամանակում P բեռնվածության ազդեցությամբ սկսում է ծակոտիներից դուրս մղվել ջուրը, և տեղի է ունենում պինդ մասնիկների մոտեցում, որոնք այժմ ընդունում են P բեռնվածության մի մասը։ Այդ դեպքում ունենք τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ որտեղ σ-ն P բեռնվածությունից առաջացած ընդհանուր ճնշումն է, իսկ u-ն ծակոտիների ջրի ճնշումը։

Ծակոտկեն ջրի ճնշումը u կախված է մի քանի գործոններից, ինչպիսիք են կոնսոլիդացման ժամանակային ընթացքը, հողի թափանցելիությունը, հողի բեռի մեծությունը և այլն։ Հողի սահքային ամրությունը կախված է ծակոտկեն ջրի ճնշումից, և այն ամենամեծն է u=0-ի դեպքում, երբ տեղի է ունենում հողի կոնսոլիդացում։

Հողի կոլոիդային ակտիվությունը

Հողի ներքին դիմադրության տարրերը՝ կոհեզիան և շփումը, կարող են տարբեր լինել և մեծապես կախված են հողի պինդ մասնիկների խոշորությունից ու նրա պլաստիկ հատկություններից։ Կոհեզիայի ազդեցությունը համախմբված հողի ներքին շփման դիմադրության նկատմամբ որոշելու նպատակով Սկեմփթոնը ներմուծեց հողի կոլոիդային ակտիվության հասկացությունը _K_P, որը ներկայացվում է պլաստիկության ինդեքսի IP-ի հարաբերությամբ մինչև ամբողջ զանգվածի քաշի %-ով 0,002 mm-ից փոքր մասնիկների քանակին։ Ընդ որում ընդունվել է հետևյալ չափանիշը (նկ. 3):

Նկ. 3. Հողի կոլոիդային ակտիվությունը

KP < 0,75 դեպքում ոչ ակտիվ կավերն են,

KP = 0,75 – 1,25-ի դեպքում սովորական կավերն են,

Kp > 1,25 ակտիվ կավերի համար։

KP-ի աճի հետ համեմատաբար մեծանում է կոհեզիայի ազդեցությունը կոհերենտ հողի ներքին շփման նկատմամբ։

Հողի զգայունությունը

Եթե համակցված հողում վերցնենք 3—3,4 cm բարձրությամբ մոտ 5 cm տրամագծով գլան և այն բեռնավորենք նորմալ բեռնով, ապա գլանի կոտրման պահին կստանանք չխախտված վիճակում գտնվող հողի սեղմման ամրությունը σ__ₙ:

σn = P/A kp/cm2-ում,

որտեղ A գլանի խաչաձև հատույթն է։

Փորձի ավարտից հետո կոտրված նմուշը տեղափոխում ենք և նույն չափերի գլանը կրկին պատրաստում նույն գլանաձև կաղապարի միջոցով՝ այն պայմանով, որ նրա խոնավությունը մնա այնպիսին, ինչպիսին եղել է նախորդ փորձի ժամանակ։ Այնուհետև, խմորած գլանի պատրաստվելուց անմիջապես հետո փորձը կրկնվում է դրա վրա, որպեսզի ստացվի խանգարված վիճակում հողի սեղմման ամրությունը σ__ₚ.

Զգայունությունը (սենսիտիվություն) S__ₜ անհանգիստ վիճակում սեղմման ամրության և խանգարված վիճակում սեղմման ամրության հարաբերությունն է՝ St = σn/σp,

Ըստ մեկ չափանիշի՝ զգայունությունը S__ₜ գնահատվում է հետևյալ կերպ՝

• ₜ = 1 — 2 դեպքում կավի զգայունությունը փոքր է,
• S__ₜ = 2 — 4 դեպքում կավի զգայունությունը միջին է,
• S__ₜ = 4 — 8 դեպքում կավի զգայունությունը մեծ է,
• ՝ S__ₜ > 8 դեպքում կավը չափազանց զգայուն է։

Բնության մեջ պատահում է, որ մեխանիկական ազդեցության հետևանքով, օրինակ՝ երկրաշարժի, կավային հողը հանկարծ կորցնում է իր ամրությունը, որն այնուհետև հանգստի վիճակում կրկին ստանում է։ Այս հատկությունը կոչվում է հողի տիքսոտրոպիա։ Շատ կավեր որոշ չափով ունեն տիքսոտրոպ հատկություններ։ Հայտնի են փորվածքների լանջերի սահքի դեպքեր՝ Նորվեգիայում, Շվեդիայում և Ֆինլանդիայում տիքսոտրոպ կավի արտահոսքի հետևանքով, որտեղ հետազոտությամբ պարզվել է, որ այս գործընթացի ընթացքում կավի խոնավության փոփոխություն չի եղել, այսինքն՝ կավի խոնավությունը արտահոսքից առաջ և հետո եղել է հաստատուն։