Трите фази на почвата
Почвата е многофазна система, включваща: твърди частици (минерала, органика), вода (в порите между частиците) и въздух (в незаситени порите). Относителните обеми на тези три фази определят ключовите индексни свойства на почвата:
- Коефициент на порите e = Vv/Vs – обем на порите / обем на твърдите. Определя уплътнеността.
- Степен на насищане Sr = Vw/Vv × 100% – при Sr = 100% – напълно наситена; при Sr = 0% – суха
- Влажност w = mw/ms × 100% – маса на водата / маса на твърдите
- Плътност ρ = m/V – маса / обем (g/cm³ или kg/m³)
Класификация на почвите
Правилната класификация е основата на земната механика – тя определя очакваното поведение на почвата. Основните класификационни системи са:
Гранулометрична класификация
По размера на зърната: блокове (>200 мм), валуни (60–200 мм), чакъл (2–60 мм), пясък (0,06–2 мм), прах (0,002–0,06 мм), глина (<0,002 мм). Гранулометричният анализ (пресяване за едрите фракции, хидрометрия за фините) дава пълната крива на разпределение.
Атерберг граници
Атерберг границите характеризират поведението на финозърнести почви при различна влажност:
- Граница на течливост (LL – Liquid Limit) – влажността, при която почвата преминава от пластично в течно поведение
- Граница на пластичност (PL – Plastic Limit) – влажността, при която почвата преминава от пластично в полутвърдо
- Индекс на пластичност (PI = LL - PL) – диапазонът на пластично поведение
Висок PI (над 40–50%) – много пластична (разширяваща се) глина. Нисък PI (под 10%) – малко пластична. По Атерберг границите и гранулометрията почвите се класифицират по Единната система за класификация на почвите (USCS): GW, GP, GM, GC (чакъли), SW, SP, SM, SC (пясъци), ML, CL, OL, MH, CH, OH (фини почви).
Ефективни напрежения – принципът на Тержаги
Принципът на ефективните напрежения, формулиран от Карл фон Тержаги, е фундаментален за земната механика. При наситена почва общото вертикално напрежение σ (от теглото на почвата над) се разпределя между: скелетния натиск (ефективното напрежение σ') и пороводното налягане u (налягането на водата в порите):
σ = σ' + u → σ' = σ – u
Физическото значение: само ефективното напрежение σ' предизвиква деформации и определя якостта. Пороводното налягане u не предизвиква деформации. Ако u нараства (при бързо натоварване или при подземна вода), σ' намалява – намалява и якостта. Именно затова подземните води са „враг номер 1" на геотехниката.
Дрениране и консолидация
Консолидацията (Terzaghi, 1925 г.) описва процеса, при който наситена глинеста почва изстисква водата и намалява обема при натоварване. Процесът е бавен поради ниската пропускливост на глините – може да продължи години до десетилетия. Скоростта на консолидация се описва от коефициента на консолидация Cv = k/(γw × mv), където k е пропускливостта и mv е коефициентът на обемна компресия.
Вертикалните дренажи (PVD – Prefabricated Vertical Drains) ускоряват хоризонталния дренаж и значително намаляват времето за консолидация при меки глини. Стандарт при строителство на насипи върху слаби алувиални почви.
Якост на почвата при срязване
Якостта на почвата при срязване (shear strength) е ключов параметър за оценка на: носимостта (дали почвата носи фундамента), устойчивостта на откосите (дали наклонената страна ще се свлече) и активния/пасивния земен натиск (за подпорни стени).
Критерият на Mohr-Coulomb е стандартното описание: τ = c' + σ' tan(φ'), където c' е кохезията (при глини) и φ' е ъгълът на вътрешно триене (при пясъци). Пясъците са безкохезивни (c' ≈ 0), с φ' = 28–40°. Нормално консолидираните глини имат c' ≈ 0 и φ' = 20–30°. Свръхконсолидираните глини имат значително c' и по-голям φ'.
Видове лабораторни изпитвания
Основните лабораторни изпитвания за определяне на якостните и деформационни параметри включват:
- Одометърно изпитване – компресионна крива (e – log σ'), коефициенти Cc и Cs, OCR
- Triaxial изпитване (CD, CU, UU) – c' и φ' при дрениран или недрениран условия
- Директно срязване (Direct Shear) – c' и φ' при по-опростено условие
- Крилчата проба (Vane Shear) – неотдренирана якост cu в меки глини
- Permeability test – коефициент на пропускливост k
Прилагане в практиката
Земната механика е теоретичната основа за всяко геотехническо проектиране:
- Носимостта на фундамент се изчислява от c' и φ' по формулата на Terzaghi, Meyerhof или Hansen
- Слягането се изчислява от одометърните параметри Cc, Cs и e0
- Устойчивостта на откоси се анализира по метода на срезовите повърхнини (Bishop, Janbu, Spencer)
- Земният натиск на подпорна стена – от φ' по теорията на Rankine или Coulomb