Кіріспе
Топырақ физикасының және топырақтың мінез-құлқын сипаттайтын қолданбалы механиканың саласы – Топырақ механикасы. Бұл ғылым топырақ физикасының және қолданбалы механиканың бір саласы болып табылады, ол топырақтың қасиеттерін зерттейді. Топырақ сұйықтықтар механикасы мен қатты денелер механикасынан өзгешелігі – ол әдетте ауа мен су сияқты сұйықтықтардың және саз, құм, шөгінді және қиыршық тас сияқты бөлшектердің әртүрлі қоспасынан тұрады. Сонымен қатар, топырақ органикалық заттар мен басқа да материалдарды қамтуы мүмкін. Тау жыныстары механикасымен бірге, топырақ механикасы геотехникалық инженерияның және геологияның инженерлік геология саласының теориялық негізін құрайды. Топырақ механикасы топыраққа негізделген немесе топыраққа енгізілген, сондай-ақ топырақтан жасалған құрылымдардағы деформацияны және сұйықтықтардың ағынын талдау үшін қолданылады. Мысалдарға ғимараттар мен көпірлердің негіздері, тіреу қабырғалары, бөгеттер және жерге көмілген құбыр жүйелері жатады. Топырақ механикасының принциптері геофизикалық инженерия, жағалау инженериясы, ауыл шаруашылығы инженериясы, гидрология және топырақ физикасы сияқты туыс салаларда да қолданылады. Бұл мақалада топырақтың пайда болуы мен құрамы, кеуекті су қысымы мен аралық үйкеліс кернеуінің айырмашылығы, топырақ кеуектеріндегі сұйықтықтың капиллярлық әрекеті, топырақтың жіктелуі, сіңу және өткізгіштігі, ұсақ кеуектерден судың сығылып шығуына байланысты көлемнің уақытқа қарай өзгеруі (консолидация), сондай-ақ топырақтың серпімділік және беріктік қасиеттері қарастырылады. Топырақтың серпімділік қасиеттері негізінен бөлшектер арасындағы үйкеліс пен өзара байланысқа байланысты, бұл қасиеттер тиімді кернеуге өте сезімтал. Бөлшектерді өлшемдеріне сәйкес бөлу үшін, сымдардан торы жасалған, әртүрлі диаметрлі тесіктері бар сырғалар жинағы қолданылады. Белгілі бір көлемдегі кептірілген топырақ, ірі бөлшектерге бөлінген, сырғалар жинағының үстіне, ірісінен кішісіне қарай орналастырылады. Сырғалар жинағы белгілі бір уақыт бойы шайқалады, нәтижесінде бөлшектер өлшемдеріне қарай бөлінеді. Бұл әдіс құм мен қиыршық тас бөлшектері үшін жақсы жұмыс істейді. Ұсақ бөлшектер бір-біріне жабысып қалуға бейім, сондықтан сиру процесі тиімді болмайды. Егер топырақта көп мөлшерде ұсақ бөлшектер (күлте және саз) болса, ірі бөлшектерді және түйіршіктерді жуу үшін сырғалар арқылы су өткізу қажет болуы мүмкін. Әртүрлі өлшемдегі сырғалар қол жетімді. Құм мен шөгінді арасындағы шекара шартты. Бірыңғай топырақ жіктеу жүйесіне сәйкес, 4,75 мм ашылуы бар #4 сырға құмды қиыршық тастан, ал 0,075 мм ашылуы бар #200 сырға құмды күлте мен саздан бөледі. Британдық стандарт бойынша, құм мен шөгінді арасындағы шекара 0,063 мм, ал құм мен қиыршық тас арасындағы шекара 2 мм құрайды. Сұйық шекті анықтау үшін конус тәрізді сынақ аппаратын да қолдануға болады. Қайта қалыптандырылған топырақтың сұйық шектегі дренажсыз серпімділік қасиеті шамамен 2 кПа-қа тең. Пластикалық шек – бұл топырақты қолмен 3 мм диаметрлі цилиндрлерге орау мүмкін болмайтын су мөлшері. Топырақ осы диаметрге дейін оралғанда жарылып немесе үзіледі. Пластикалық шектегі қайта қалыптандырылған топырақ өте қатты болады және оның дренажсыз серпімділік қасиеті шамамен 200 кПа-қа жетеді.
Soil mechanics is a branch of soil physics and applied mechanics that describes the behavior of soils. It differs from fluid mechanics and solid mechanics in the sense that soils consist of a heterogeneous mixture of fluids (usually air and water) and particles (usually clay, silt, sand, and gravel) but soil may also contain organic solids and other matter. Along with rock mechanics, soil mechanics provides the theoretical basis for analysis in geotechnical engineering, a subdiscipline of civil engineering, and engineering geology, a subdiscipline of geology. Soil mechanics is used to analyze the deformations of and flow of fluids within natural and man made structures that are supported on or made of soil, or structures that are buried in soils. Example applications are building and bridge foundations, retaining walls, dams, and buried pipeline systems. Principles of soil mechanics are also used in related disciplines such as geophysical engineering, coastal engineering, agricultural engineering, hydrology and soil physics. This article describes the genesis and composition of soil, the distinction between pore water pressure and inter granular effective stress, capillary action of fluids in the soil pore spaces, soil classification, seepage and permeability, time dependent change of volume due to squeezing water out of tiny pore spaces, also known as consolidation, shear strength and stiffness of soils. The shear strength of soils is primarily derived from friction between the particles and interlocking, which are very sensitive to the effective stress. A stack of sieves with accurately dimensioned holes between a mesh of wires is used to separate the particles into size bins. A known volume of dried soil, with clods broken down to individual particles, is put into the top of a stack of sieves arranged from coarse to fine. The stack of sieves is shaken for a standard period of time so that the particles are sorted into size bins. This method works reasonably well for particles in the sand and gravel size range. Fine particles tend to stick to each other, and hence the sieving process is not an effective method. If there are a lot of fines (silt and clay) present in the soil it may be necessary to run water through the sieves to wash the coarse particles and clods through. A variety of sieve sizes are available. The boundary between sand and silt is arbitrary. According to the Unified Soil Classification System, a #4 sieve (4 openings per inch) having 4.75 mm opening size separates sand from gravel and a #200 sieve with an 0.075 mm opening separates sand from silt and clay. According to the British standard, 0.063 mm is the boundary between sand and silt, and 2 mm is the boundary between sand and gravel. Alternatively, a fall cone test apparatus may be used to measure the liquid limit. The undrained shear strength of remolded soil at the liquid limit is approximately 2 kPa. The Plastic Limit is the water content below which it is not possible to roll by hand the soil into 3 mm diameter cylinders. The soil cracks or breaks up as it is rolled down to this diameter. Remolded soil at the plastic limit is quite stiff, having an undrained shear strength of the order of about 200 kPa.
Сіркіру күштері мен эрозия
Егер сіңу жылдамдығы жеткілікті болса, топырақ бөлшектеріне тиетін үйкеліс күшінен эрозия пайда болуы мүмкін. Тік жоғары қарай сіңу, пластиналық қабырғалардың ағысқа қарсы жағында және бөгет немесе жағалаудың табанының астында қауіпті жағдай тудырады. Топырақтың эрозиясы, "топырақ құбырлары" деп аталады, құрылыстың зақымдануына және шұңқырлардың пайда болуына алып келуі мүмкін. Сіңген су топырақты сіңу нүктесінен бастап шығарып алады, ал эрозия ағысқа қарсы бағытта өрлейді. "Қом қайнауы" термині, белсенді топырақ құбырының шығу тесігінің көрінісін сипаттау үшін қолданылады.
Сырғалақтық қысымдар
Жоғары қарай сіңу топырақтағы тиімді кернеуді азайтады. Топырақтағы бір нүктедегі су қысымы сол нүктедегі жалпы тік күштерге тең болғанда, тиімді кернеу нөлге жетеді және топырақтың деформацияға қарсы үйкеліс кедергісі болмайды. Жер бетіне жақын қабат үшін, тік тиімді кернеу қабат ішінде жоғары гидравликалық градиент сыни градиентке тең болғанда нөлге жетеді.
Жердің жақтық қысымы
Жердің жақтық кернеу теориясы топырақтың гравитацияға перпендикуляр бағытта қанша күш түсіре алатынын бағалау үшін қолданылады. Бұл, негізінен, тіреу қабырғаларына түсетін қысым. Көлденең жер кернеу коэффициенті K, байланыссыз топырақтар үшін көлденең (горизонталь) тиімді кернеудің тік тиімді кернеуге қатынасы ретінде анықталады (K=σ'h/σ'v). Үш түрлі коэффициент бар: тыныш күйдегі, белсенді және пассивті. Тыныш күйдегі кернеу – бұл қандай да бір бұзылыс болмастан жердегі жақтық кернеу. Белсенді кернеу күйі қабырғаның жақтық кернеудің әсерінен топырақтан алшақтағанда туындайды және жақтық кернеудің азаюына байланысты серпілудің бұзылуынан пайда болады. Пассивті кернеу күйі қабырғаның топыраққа соншалықты итерілуімен жетеді, осының салдарынан массаның ішінде серпілу бұзылады, себебі жақтық кернеу артады. Жердің жақтық қысымын бағалау үшін көптеген теориялар бар; кейбіреулері эмпирикалық, ал кейбіреулері аналитикалық жолмен шығарылған.
Жүк көтергіштік
Топырақтың көтергіштік қабілеті – іргетас пен топырақ арасындағы орташа түйісу қысымы, ол топырақта сығу бұзылуына әкеледі. Рұқсат етілетін көтергіштік қабілеті – көтергіштік қабілетінің қауіпсіздік коэффициентіне бөлінген шамасы. Кейде, жұмсақ топырақты жерлерде жүктеме түскен іргетастардың астында нақты сығу бұзылуы болмастан үлкен шөгіңкілер пайда болуы мүмкін; мұндай жағдайларда рұқсат етілетін көтергіштік қабілеті ең жоғары рұқсат етілетін шөгіңкіге сәйкес анықталады. Жобаның құрылыс және жобалау кезеңдерінде топырақтың негіздік қабатының беріктігін бағалау маңызды. Калифорниялық көтергіштік коэффициенті (CBR) сынағы топырақтың жобалау және құрылыс үшін негіздік қабат ретінде қолдануға жарамдылығын анықтау үшін кеңінен қолданылады. Далалық плиталық жүктеме сынағы топырақ/негіздік қабаттың деформациясын және бұзылу сипаттамаларын, сондай-ақ негіздік қабаттың реакция модулін (ks) болжау үшін жиі қолданылады. Негіздік қабаттың реакция модулі (ks) іргетастарды жобалауда, топырақ құрылымдарының өзара әрекеттесуін зерттеуде және автомобиль жолдарының жабындарын жобалауда қолданылады.
Қиғаштың тұрақтылығы
Қиыршылық тұрақтылығы саласы жер және тау жыныстарынан жасалған бөгеттердің, басқа да түрдегі насиптердің, қазылған беткейлердің және топырақ пен жұмсақ тау жыныстарындағы табиғи беткейлердің статикалық және динамикалық тұрақтылығын талдауды қамтиды. Оң жақта көрсетілгендей, топырақтан жасалған беткейлерде қисық сызықты әлсіз аймақ пайда болуы мүмкін. Мұндай жағдайдың болу ықтималдығын қарапайым 2D дөңгелек талдау бағдарламасы арқылы алдын ала есептеуге болады. Талдаудың басты қиындығы – нақты жағдай үшін ең ықтимал сығу жазықтығын анықтау. Көптеген көшкіндер тек олар болғаннан кейін ғана талданады. Көшкін және тау жыныстарының беріктігі – ескеру қажет екі фактор.
Соңғы өзгерістер
Топырақ механикасындағы соңғы зерттеулер топырақтың деформациясын динамикалық жүйенің қасиеттері арқылы сипаттауға мүмкіндік береді. Осы тәсіл топырақ механикасында Динамикалық жүйелерге негізделген топырақ механикасы (DSSM) деп аталады. DSSM топырақтың деформациясы – бұл Пуассон процесі екенін көрсетеді, онда бөлшектер кездейсоқ қисайту деформациясында соңғы орнына жылжиды. DSSM-нің негізі – топырақтар (соның ішінде құмдар) тұрақты күйге жеткенше қиылыстың қабылдауы мүмкін, онда тұрақты деформация жылдамдығы жағдайында қиылыс кернеуі, тиімді шектеу кернеуі және бос кеңістік өзгермейді. Тұрақты күйді Гарвард университетінің Топырақ механикасы кафедрасының доценті Стив Дж. Пулос ресми түрде анықтады, ол Артур Касагранде өмірінің соңында қалыптастырған гипотезаны дамытты. Тұрақты күй жағдайы "критикалық күй" жағдайымен бірдей емес. Ол критикалық күйден статистикалық тұрақты құрылымды тұрақты күйде анықтауымен ерекшеленеді. Тұрақты күйдегі шамалар деформация жылдамдығына да өте аз мөлшерде тәуелді. Табиғаттағы көптеген жүйелер тұрақты күйге жетеді және динамикалық жүйелер теориясы осындай жүйелерді сипаттау үшін қолданылады. Топырақтың қиылысы да динамикалық жүйе ретінде сипатталуы мүмкін. Топырақтың қиылысы динамикалық жүйесінің физикалық негізі – бөлшектердің кездейсоқ қиылыс деформациясында тұрақты күйге өтуін қамтамасыз ететін Пуассон процесі. Жозеф бұл тұжырымды кеңейтіп, бөлшектердің соңғы орнына (тек тұрақты күй емес) кездейсоқ қиылыс деформациясы арқылы жылжитынын көрсетті. Тұрақты күй тұжырымдамасынан туындағандықтан, DSSM кейде бейресми түрде "Гарвард топырақ механикасы" деп аталады. DSSM кернеу-деформация қисықтарына, соның ішінде құмдар үшін де өте жақын сәйкестік береді. Ол сыну жазықтығындағы жағдайларды қадағалау арқасында басқа теориялардың орындай алмайтын сезімтал саз және ұсақ топырақтардың сынудан кейінгі аймағына да жақын сәйкестік қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, DSSM топырақ механикасындағы маңызды байланыстарды түсіндіреді, оларға дейін қарапайым деп есептелген, мысалы, нормаланған дренажсыз максималды қиылыс беріктігінің артық консолидация коэффициентінің логарифмімен өзгеру себебі, кернеу-деформация қисықтарының бастапқы тиімді шектеу кернеуімен нормалану себебі, бір өлшемді консолидацияда бос кеңістік тиімді тік кернеудің логарифмімен өзгеруі керек, неге негізгі қисықтың соңы статикалық жүктемелер үшін ерекше, және крепе жуықтығының Cα көрсеткіші мен қысылу индексі Cc арақатынасының топырақтардың кең ауқымы үшін шамамен тұрақты болу себебі.