Жидкая составляющая грунта

Вода в пылевато-глинистых грунтах в значительной степени предопределяет свойства грунта, которые в первую очередь зависят от ее относительного содержания.

Минеральные частицы грунтов заряжены отрицательно, а молекулы воды представляют собой диполи, заряженные положительно на одном (атом кислорода) и отрицательно на другом (два атома водорода) конце. При соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возникают электромолекулярные силы взаимодействия, которые притягивают диполи воды к поверхности минеральных частиц с огромной силой (особенно первые слои), и чем больше удельная поверхность частиц, тем большее количество молекул воды будет находится в связном состоянии.

По современным данным электромолекулярные силы взаимодействия для первого ряда связных молекул воды составляют несколько сотен МПа. По мере удаления от поверхности твердых частиц, они быстро убывают и становятся близкими к нулю. Самые близкие к минеральной частице, слои в 1-3 ряда молекул воды, соприкасающиеся с твердой поверхностью, настолько связаны электромолекулярными силами притяжения с поверхностью, что их не удается удалить ни внешним давлением в несколько атмосфер, ни действием напора воды, и эти слои образуют пленки так называемой прочносвязанной адсорбированной воды. Отделить можно только высушиванием.

Рис 2.1

Следующие слои молекулы воды будут связываться и ориентироваться граничной фазой по мере удаления от твердой поверхности грунтовых частиц все меньшими силами, они образуют слои рыхлосвязанной лиосорбированной воды, которую можно выдавить давлением до нескольких сотен кПа или нескольких МПа.

Молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью минеральных частиц, образуют свободную воду, которая подразделяется на гравитационную воду, движение которой происходит под действием разности напора, и капиллярную, подтягиваемую на некоторую высоту от уровня подземных вод силами капиллярного натяжения воды (капиллярными менисками, образующимися под воздействием адсорбционных сил поверхности в тонких порах грунтов и обусловливающими капиллярные силы в грунтах).

К газообразной фазе относятся пары, газы, аммиак, метан, образующие кислоты, создающие агрессивные среды. Воздух содержится в замкнутых порах – идеального упругое тело. При нагревании объем воздуха увеличивается. Увеличенный в объеме воздух может привести к разрушению грунта.

Газообразные включения могут находится (в том или ином количестве) в следующих состояниях: замкнутом (или защемленном), располагаясь в пустотах между твердыми минеральными частицами, окруженными пленками связанной воды; свободном, когда газы (воздух) соединяется с атмосферой и растворенными в поровой водой.

Структура и текстура грунта

Под структурой грунта понимают взаимное расположение различных по крупности и форме минеральных частиц и агрегатов и характер связей между ними. Связи между частицами грунта называют структурными связями.

Прочность структуры грунта, то есть ее сопротивление изменению взаимного расположения частиц грунта зависит от прочности связей между ними.

Все грунты делятся на связные и несвязные. Связные грунты отличаются от несвязных (сыпучих) грунтов способностью воспринимать хотя бы небольшие растягивающие напряжения и сохранять без обрушения вертикальные откосы. Связность грунтов объясняется: молекулярными силами взаимодействия между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде (водно-коллоидные структурные связи); цементационными связями, соединяющими частицы грунта; капиллярными силами (давлением) в грунте.

Взаимное расположение отдельных частиц (элементов) массива грунта с одинаковой структурой (структурные элементы) определяет текстуру грунта. Текстурой грунтов называют их сложение.

Различают слоистую, слитную и сложную текстуру:

- слоистая – наиболее распространенный вид сложения грунтов, характерный для морских, озерных и других отложений

- слитная – присуща морским отложениям, имеющим однородное сложение в различных точках массива

- сложная – порфировая, ячеистая, макропористая и другие (порфировой обладают морские суглинки, ячеистая – характерна для вечномерзлых грунтов, имеющих вертикальные и горизонтальные полости, заполненные льдом, макропористые - лессовые).

Лекция 3 – 11.10.11

Физико-механические свойства грунтов

Физические характеристики грунтов количественно оценивают свойства грунтов в естественном состоянии, а механические под воздействием нагрузки. Физические характеристики делятся на основные и вычисляемые. Основные получают из исследований.

Три основные характеристики основных физических свойств:

1. Плотность грунта ρ – естественной (ненарушенной) структуры, равную отношению массы образца грунта к его объему: г/см³, т/м³, кг/м³.

2. Плотность твердых частиц грунта ρ_s, равную отношению массы твердых частиц к их объему

3. Природную весовую влажность грунта W (%), равную отношению массы содержащейся в нем воды к массе твердых частиц.

Природная весовая влажность грунта [W], [%], [д,е].

Выделим из грунта образец, объемом 1см², и мысленно разделим его на две части: одну, занятую твердыми частицами (V₁) и вторую занятую порами, располагающимися между этими частицами. Пространство занятое порами можно разделить на 2 части, одна из которых занята водой, а другая воздухом.

Рис 3.1

q₁ – масса твердых частиц

q₂ – масса воды

Масса воздуха не оказывает влияния на результаты расчета.

В соответствии с определениями:

– плотность грунта естественной (ненарушенной) структуры.

- плотность твердых частиц.

- природная весовая влажность грунта.

Плотность грунта определяют взвешиванием по образцу отобранному в режущее кольцо, иногда парафинированием.

Плотность твердых частиц определяют пекнометрическим методом, при этом методе вес (масса) твердых частиц в некотором объеме грунта, вычисляется как разность весов пиктометра (стеклянной колбы с уширением) вместе с помещенным его V сухого грунта и пустого пиктометра.

Влажность грунта устанавливают взвешиванием образца естественной влажности до и после высушивания, при постоянной температуре t=105°С.

Все три основные характеристики определяются только экспериментальным путем и служат для расчета других характеристик.

Характеристики, определяемые на основе расчета:

- плотность сухого грунта – отношение массы частиц грунта после высушивания к объему образца ненарушенной структуры до высушивания.

- влажность грунта, выраженная через ρ и ρ_d.

ρ_d – масса единицы объема V грунта естественного сложения в абсолютном сухом состоянии.

ρ_d - отношение массы грунта за вычетом массы воды в его порах к его первоначальному объему.

Рис 3.2

=>

Зная плотность грунта можно определить удельный вес грунта:

– удельный вес грунта.

- удельный вес грунта в сухом состоянии.

g = 9,81м/с², [γ] = [кН/м³]

- удельный вес твердых частиц.

Пористость грунта (n) – отношение объема пор в образце к объему самого образца.

Отношение объема твердых частиц грунта к объему образца – m.

Рис 3.3

m+n=1 n=1-m

Так как объем рассматриваемого образца принят равным 1см³, величины m и n будут соответственно объемами пор и твердых частиц в единице V грунта.

Величины m и n можно получить из выражений.

Коэффициент пористости е – отношение объема пор к объему твердых частиц.

e=n/m или

Коэффициент водонасыщения S_r (степень влажности) – отношение естественной влажности грунта к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой (без пузырьков воздуха), то есть полной влажности W_sat.

Согласно определению:

Где ρ_W – плотности воды.

ρ_W=1г/см³, ρ_W=10кН/м⁹.

Подставим значение W_sat в выражение S_r:

По коэффициенту водонасыщения различают грунты:

0<S_r≤0,5 – малой степени водонасыщения

0,5<S_r≤0,8 – средней степени водонасыщения

0,8<S_r≤1 – насыщенный водой

Удельный вес с учетом взвешивающих действия воды: определяется для залегающих ниже уровня подземных вод грунтов в соответствии с законом Архимеда по формуле:

В зависимости от влажности Герцоги для глинистых грунтов ввел 3 консистенции: твердую, пластичную и текучую.

Для определения консистенции находят харак-е влажности, соответствующей границе текучести W_L и границе раскатывания (пластичности) W_P.

W_L – влажность грунта, при которой стандартный конус нагружается в образец на глубину 10мм (верхний предел пластичности).

W_P – влажность грунта, при которой он теряет способность раскатываться в шнур диаметром 2-3мм (нижний предел пластичности).

- число пластичности – разность между…

По I_P определяем грунт:

Супесь 0,01≤I_P≤0,07 (7%)

Суглинок 0,07≤I_P≤0,17 (17%)

Глины I_P>0,17

Сравнение естественной влажности грунта, с влажностью на границе раскатывания (пластичности) и текучести позволяет устанавливать его состояние по показанию текучести I_L.

Лекция 4 – 19.10.11

I_L – характеризуется степенью взаимной подвижности твердых частиц в грунте естественного состояния.

Чем больше подвижность, тем больше I_L.

По показателю текучести или консистенции различают следующие состояния для глин и суглинков:

- твердое I_L < 0 (W<W_p)

- полутвердое 0 < I_L ≤ 0,25

- тугопластичное 0,25 < I_L ≤ 0,5

- мягкопластичное 0,5 < I_L ≤ 0,75

- текучепластичное 0,75 < I_L ≤ 1

- текучее I_L > 1 (W>W_p)

Для супесей (вследствие малой точности определения значений W_L и W_p) различают 3 состояния:

- твердое I_L < 0

- пластичное 0 < I_L ≤ 1

- текучее I_L > 1

Плотность песков может быть установлена путем сравнения коэффициента пористости e природного сложения с коэффициентами пористости е_max в плотном е_min состоянии и определяется показателем плотности сложения I_d:

- рыхлые 0 ≤ I_L ≤ 0,33

- средней плотности 0,33 < I_L ≤ 0,67

- плотные 0,67 < I_L ≤ 1

е_min устанавливается при уплотнении песка постукиванием или вибрированием мерной колбы, а е_max при свободном насыпании песка в мерный сосуд.

Основные закономерности механики грунтов

Под действием передаваемых сооружением нагрузок, в массивных основаниях возникают нормальные и касательные напряжения, приводящие к деформации грунтов, кроме того грунты испытывают напряжение собственного веса.

Наиболее часто имеют место деформации уплотнения грунтов под действием нормативных напряжений, реже деформаций сдвигов, вызываемые касательными напряжениями.

Воздействие нормальных напряжений на сплошные тела, рассматривают в механике деформируемых тел.

Грунты относятся к дисперсным телам, поэтому, кроме закономерности деформативности сплошных тел приходится учитывать изменения объема пор прижатием, то есть рассматривать дополнительно, закон уплотнения (компрессии).

Кроме того в грунтах, как и в сплошных телах при действии нормальных напряжений наблюдается боковое расширение, но по более сложной закономерности.

В грунтах необходимо знать сопротивление их сдвигу при предельном напряженном состоянии. Это сопротивление зависит от угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с, определяемые в соответствии с законом сопротивления грунтов сдвигу.

Деформируемость грунтов и их сопротивление сдвигу зависят от фильтрационных свойств грунтов.

Кроме того фильтрация воды в грунтах, представляет интерес для строителей в отношении определения притоков воды в котловане и расчета водопониж установок.

Все это обуславливает необходимость изучения закона фильтрации поровой воды.

Для структурно неустойчивых грунтов, структура которая разрушается при увлажнении, динамических воздействиях, напряженных состояний или оттаиваний. Приходится рассматривать закономерности, определяющие характер их деформируемости.

Закономерности разрушения структуры

Из этих законов определяются механические свойства грунтов:

- сжимаемость

- сопротивление грунтов сдвигу

- водонепроницаемость

Физические основы сжимаемости

Дата добавления: 2014-01-04