ნიადაგის ხახუნი და შეჭიდულობა

თუ შემკრულ ნიადაგში გამოვჭრით ცილინდრს და მოვათავსებთ ნორმალური წნევის P მოქმედების ქვეშ (ნახ. 1), ცილინდრში წარმოიქმნება ახალი ძაბვები, კერძოდ ვერტიკალური შეკუმშვის ძაბვა σ და ჰორიზონტალური წანაცვლების ძაბვა . თუ წნევას P თანდათან გავზრდით, გარკვეული დროის შემდეგ ცილინდრზე წარმოიშობა დახრილი ბზარები, ხოლო მაშინვე შემდეგ მოხდება ცილინდრის გახლეჩა. გახლეჩის მომენტში ცილინდრი წნევის P მოქმედებით და უმცირესი წინააღმდეგობის წანაცვლების სიბრტყეზე N-N გადაიწევს.

სურ. 1. წნევის მოქმედება შეკრული ნიადაგიდან ამოღებულ ცილინდრზე

ნიადაგის წინააღმდეგობა, რომელიც ცილინდრმა ძალა P-ის მოქმედების წინააღმდეგობისას ნგრევის მომენტში გამოავლინა, ეწოდება ნიადაგის ჭრის წინააღმდეგობა, ხოლო α კუთხე, რომელიც ყველაზე მცირე წინააღმდეგობის სიბრტყეს ჰორიზონტალთან აქვს, ეწოდება ნიადაგის ჭრის ყველაზე მცირე წინააღმდეგობის სიბრტყის კუთხე.

შემკვრელი ნიადაგის წანაცვლებითი წინააღმდეგობა შედგება ორი ელემენტარული წინააღმდეგობისგან: შიდა ხახუნისა მყარ ნაწილაკებს შორის და კოჰეზიისგან, რომელიც მყარ ნაწილაკებს აკავშირებს. ნიადაგის წანაცვლების სიმტკიცედ მიღებულია მსხვრევის მომენტში არსებული მაქსიმალური წანაცვლებითი დაძაბულობა და ის გამოისახება განტოლებით

τf = c + σ tg_φ_

სადაც: τf ნიადაგის ჭრის სიმტკიცეა [kp/cm2],

c ნიადაგის კოჰეზია [kp/cm3],

σ ნიადაგის ნორმალური დაძაბულობა [kp/cm3],

φ ნიადაგის შიდა ხახუნის კუთხე.

ზემო ფორმულა შემოგვთავაზა ფრანგმა კულონმა 1785. წელს. ამ ფორმულის მიხედვით, მოცემული ნიადაგისთვის კოეზია c მუდმივია და დამოუკიდებელია ნორმალური წნევისგან, ხოლო ხახუნის წინაღობა σ tg_ϕ_ ზუსტად პროპორციულია დაძაბულობის σ. სინამდვილეში კოეზია e მოცემული ნიადაგისთვის მუდმივი არ არის, არამედ იგი გარკვეულწილად არის დამოკიდებული ნორმალურ დაძაბულობაზე σ, რადგან ამ წნევის ზემოქმედებით მცირდება წყლის ფირის სისქე, რომელიც ფარავს მყარ ნაწილაკებს, და ამით კოეზია იზრდება. კულონის ფორმულა ვრცელდება გამტარ ნიადაგებზე, რომლებშიც ნორმალური წნევის მოქმედებით ფორებიდან წყალი წინააღმდეგობის გარეშე გამოიდევნება, რაც ხრეშოვან და ქვიშიან ნიადაგებს ახასიათებს, მაგრამ არა შეკრულ ნიადაგებს, რომლებიც ნაკლებად გამტარია, რის გამოც ფორებიდან წყალი ძნელად გამოიდევნება და დატვირთვა P-ის მოქმედებით რჩება როგორც დაძაბული ფოროვანი წყალი.

ეფექტური და ნეიტრალური ძაბვები ნიადაგში

სურ. 2. ეფექტური და ნეიტრალური ძაბვა ნიადაგში

თუ ჭურჭლის ფსკერზე დავდებთ ნიადაგის ნიმუშს, მაგალითად მშრალ ქვიშას, და მას დავამატებთ რაიმე მასას, მაგალითად ტყვიის კვრითებს წონით W, ამ წონის მთელ დატვირთვას მიიღებს ნიადაგის მყარი ნაწილაკები. ნიმუშის ზედაპირზე სპეციფიკური წნევა p0 = W/A kp/cm3-ში, სადაც A ნიმუშის კვეთის ფართობია, გამოიწვევს ნიმუშის დაჯდომას, ანუ მისი ფორიანობის შემცირებას, მაგრამ ასევე გამოიწვევს ნიმუშის სხვა ფიზიკური თვისებების ცვლილებასაც, როგორიცაა წანაცვლების სიმტკიცის ზრდა, შეკუმშვადობის მოდულის ზრდა და სხვა. წნევას, რომელიც ნაწილაკებს შორის საკონტაქტო ზედაპირებზე მოქმედებს, ეწოდება ეფექტური ან ინტერგრანულარული წნევა σ’. როდესაც მიღწეულია კონსოლიდაცია, ანუ როდესაც ნიმუშმა შეწყვიტა დაჯდომა დატვირთვის p0 ქვეშ, ეფექტური წნევა უდრის მთლიან სპეციფიკურ წნევას, რომელიც მოქმედებს იმ სიღრმეზე, სადაც ნიადაგი განიხილება. ამ შემთხვევაში სიღრმეზე, ნიმუშის ზედაპირის ქვემოთ სურ. 2-ზე, σ’ = W/A + hzγ სადაც γ ნიმუშის მოცულობითი წონაა.

თუმცა, თუ ჭურჭელში ნიმუშს ტყვიის კენჭების ნაცვლად წყლით დავტვირთავთ h სიმაღლემდე, ისე რომ მან ნიმუშის ყველა ფორა შეავსო, ნიმუშზე ზემოთ არსებული წყლის სვეტის წნევა hγw, სადაც γw წყლის მოცულობითი წონაა, არ გამოიწვევს ნიმუშის დაჯდომას და მისი ფორიანობის შემცირებას და არც მის ჭრის სიმტკიცესა და შეკუმშვადობის მოდულს გაზრდის. ამიტომ ჰიდროსტატიკურ წნევას hγw ეწოდება ნეიტრალური წნევა. ნეიტრალური წნევა, რომელიც აღინიშნება u-ით, ნიმუშში გადაიცემა ყველა მიმართულებით ერთნაირი ინტენსივობით. ეს წნევა არ გამოიწვევს ჭრის სიმტკიცის ზრდას, რადგან თვითონ წყალს ჭრის სიმტკიცე საერთოდ არ გააჩნია.

შესაბამისად, ეფექტური წნევა σ’ გადაეცემა ნიადაგის მყარი ნაწილაკების შემხები ზედაპირების მეშვეობით, ხოლო ნეიტრალური წნევა u — ფორებში არსებულ წყალში. თუ ჭურჭლის ქვედა ნაწილი შევსებულია გაჯერებული ნიადაგის ნიმუშით, რომლის მოცულობითი წონაა γz, ხოლო ნიმუშის ზედაპირიდან N დონემდე ჭურჭელი შევსებულია წყლით, რომლის მოცულობითი წონაა γw, მაშინ ჯამური წნევა σ ნიმუშის ნებისმიერ წერტილში იქნება σ = σ’ + u.

hz სიღრმეზე, ნიმუშის ზედაპირის ქვემოთ, ეფექტური წნევა იქნება σ = σ’ - u

სადაც σ = h γw + h γz

               u = (h + hz) γw.

ამიტომ მიიღება σ’ = hz γ’

γ’ არის წყალში ჩაძირული ნიადაგის მოცულობითი წონა.

ნიადაგის ჭრის სიმტკიცის ზოგადი განტოლება

თუ შეკავშირებულ ნიადაგს დავტვირთავთ დატვირთვით P, ეს დატვირთვა გამოიწვევს ნიადაგის ჩაჯდომას და პირველ რიგში მისი მოქმედებით ფორებიდან გამოიდევნება ჰაერი, ასე რომ მალე ფორებში მხოლოდ წყალი დარჩება. რადგან შეკავშირებული ნიადაგის მცირე წყალგამტარობის გამო წყალი ვერ შეძლებს დაუყოვნებლივ გამოძევებას, იგი ფორებში რჩება როგორც დაძაბული წყალი და დასაწყისში მთლიან გარე დატვირთვას P იღებს. შემდგომ დროში, დატვირთვის P-ის მოქმედებით ფორებიდან წყლის გამოდევნა იწყება და ხდება მყარი ნაწილაკების მიახლოება, რომლებიც ახლა P-ის დატვირთვის ერთ ნაწილს იღებენ. მაშინ გვაქვს τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ სადაც σ არის P დატვირთვით გამოწვეული საერთო წნევა, u კი ფოროვანი წყლის წნევა.

ფოროვანი წყლის წნევა u დამოკიდებულია რამდენიმე ფაქტორზე, როგორიცაა კონსოლიდაციის დროითი მიმდინარეობა, ნიადაგის გამტარობა, ნიადაგის დატვირთვის სიდიდე და სხვ. ნიადაგის წანაცვლებითი სიმტკიცე დამოკიდებულია ფოროვანი წყლის წნევაზე და ის ყველაზე დიდია u=0-ისას, როდესაც ნიადაგის კონსოლიდაცია მიმდინარეობს.

ნიადაგის კოლოიდური აქტივობა

ნიადაგის შიდა წინააღმდეგობის ელემენტები კოჰეზია და ხახუნი შეიძლება სხვადასხვაგვარი იყოს და დიდწილად დამოკიდებულია ნიადაგის მყარი ნაწილაკების მსხვილობაზე და მის პლასტიკურ თვისებებზე. შეკრული ნიადაგის შიდა ხახუნის წინააღმდეგობასთან შედარებით კოჰეზიის გავლენის განსაზღვრის მიზნით, სკემპტონმა შემოიტანა ნიადაგის კოლოიდური აქტივობის ცნება _K_P, რომელიც წარმოდგენილია პლასტიკურობის ინდექსის IP-ის მიმართებით მთლიან მასაში წონის მიხედვით 0,002 mm-ზე მცირე ნაწილაკების რაოდენობასთან %. ამისთვის მიღებულია შემდეგი კრიტერიუმი (სურ. 3):

სურ. 3. ნიადაგის კოლოიდური აქტივობა

KP < 0,75-ისთვის არაქტიური თიხებია,

KP = 0,75 – 1,25-ისთვის ნორმალური თიხებია,

Kp > 1,25 აქტიური თიხისა.

KP-ის ზრდასთან ერთად კოჰეზიის გავლენა იზრდება კოherentული ნიადაგის შინაგან ხახუნთან შედარებით.

ნიადაგის მგრძნობელობა

თუ კოჰერენტულ ნიადაგში ამოვიღებთ 3—3,4 cm დიამეტრის და დაახლოებით ~ 5 cm სიმაღლის ცილინდრს და მას ნორმალური დატვირთვით დავტვირთავთ, ცილინდრის ნგრევის მომენტში მივიღებთ გაუუმწევრული მდგომარეობის ნიადაგის შეკუმშვის სიმტკიცეს σ__ₙ:

σn = P/A kp/cm2-ში,

სადაც A არის ცილინდრის განივი კვეთა.

გამოცდის დასრულების შემდეგ დამსხვრეულ ნიმუშს გადავიტანთ და იმავე ზომების ცილინდრს კვლავ მოვამზადებთ იმავე ცილინდრ-ყალიბის გამოყენებით, იმ პირობით, რომ მისი ტენიანობა დარჩეს ის, რაც წინა გამოცდის დროს ჰქონდა. შემდეგ, მომზადებული ცილინდრის დამზადებისთანავე, მისით გამოცდა კვლავ მეორდება, რათა მივიღოთ ნიადაგის შეკუმშვის სიმტკიცე დარღვეულ მდგომარეობაში σ__ₚ.

მგრძნობელობა (სენსიტივიტეტი) S__ₜ არის შეფარდება დაუზიანებელ მდგომარეობაში შეკუმშვის სიმტკიცესა და დარღვეულ მდგომარეობაში შეკუმშვის სიმტკიცეს შორის: St = σn/σp,

ერთი კრიტერიუმის მიხედვით S__ₜ ფასდება შემდეგნაირად:

• _თვის S__ₜ = 1 — 2 თიხის მცირე მგრძნობელობაა,
• S__ₜ = 2 — 4 არის თიხის საშუალო მგრძნობელობა,
• S__ₜ = 4 — 8-ის შემთხვევაში თიხის მგრძნობელობა დიდია,
• S__ₜ > 8-ისთვის ზედმეტად მგრძნობიარე თიხაა.

ბუნებაში ხდება, რომ მექანიკური ზემოქმედების, მაგალითად მიწისძვრის, შედეგად თიხოვანმა ნიადაგმა მოულოდნელად დაკარგოს თავისი სიმტკიცე, რომელსაც შემდეგ მოსვენებულ მდგომარეობაში კვლავ იძენს. ამ თვისებას ეწოდება ნიადაგის თიქსოტროპია. ბევრ თიხას გარკვეულწილად აქვს თიქსოტროპული თვისებები. ცნობილია ფერდობების ჩამოშლის შემთხვევები თიქსოტროპული თიხის გამოდინების გამო ნორვეგიაში, შვედეთსა და ფინეთში, სადაც გამოკვლევამ დაადგინა, რომ ამ პროცესის განმავლობაში თიხის ტენიანობაში ცვლილება არ ყოფილა, ანუ თიხის ტენიანობა გამოდინებამდე და მის შემდეგ უცვლელი იყო.