Компрессионная зависимость

Закон уплотнения

Основные закономерности механики грунтов

Модель грунта, необходимая для решение задач в Механике грунтов, строится на основе трех законов:

1) закон уплотнения (закон компрессии);

2) закон фильтрации;

3) закон сопротивления грунтов сдвигу.

Для грунтов, структура которых нарушается при увлажнении, динамических воздействиях, оттаивании необходимо учитывать также закономерности разрушения структуры.

Напряжения сжатия, возникающие обычно в основаниях сооружений, не превышают 1 МПа, поэтому деформации твердых частиц, как правило, не учитываются. Проф. Терцаги первый показал, что

деформации сжатия грунта определяются в основном изменением его пористости.

Изменение пористости в водонасыщенных грунтах связано с выдавливанием поровой воды, поэтому деформации уплотнения в пылевато-глинистых грунтах чаще всего протекают медленно во времени, в песках же крупных и средней крупности - достаточно быстро.

При испытании грунта на сжимаемость производят испытания на уплотнение его под нагрузкой в условиях линейного деформированного состояния.

Линейным деформированным состоянием называется деформированное состояние, при котором из трех главных деформаций только одно отлично от нуля. Тензор деформаций при этом имеет вид:

.

С этой целью используют приборы с жесткими стенками - одометры - для обеспечения сжатия грунта только в одном направлении. Подобные граничные условия соответствуют в натуре сжатию отдельного слоя грунта только в одном направлении сплошной нагрузкой (например, от веса вышележащих слоев грунта). Нагрузку на поверхность грунта прикладывают возрастающими ступенями (например, 0,005; 0,01; 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4 МПа).

Рис. 2.1. Схема испытания грунта на сжатие

а) испытание грунта в одометре:

1 - фильтрующее днище прибора; 2 - жесткое кольцо (стенки); 3 - ванночка с водой; 4 - поршень с отверстиями; 5 - образец грунта; h - высота образца грунта; s - осадка грунта;

б) напряженное состояние грунта при сплошной нагрузке.

Образец грунта, полностью насыщенный водой (5), помещают в кольцо (2) высотой h одометра. Для исключения капиллярного давления и предотвращения высыхания грунта одометр помещают в ванночку с водой (3). Если грунт насыщен водой не полностью, то его не заливают водой, а окружают влажным пористым материалом, чтобы вода не испарялась из образца.

Если теперь к поршню одометра приложить давление р, то высота образца уменьшится вследствие уплотнения грунта.

Зависимость между коэффициентом пористости e и осадкой образца s находят из условия постоянства объема, занимаемого твердыми частицами грунта (считают, что осадка возникает только вследствие уменьшения пористости грунта, деформациями твердых частиц пренебрегают).

По определению относительный объем твердых частиц образца равен (1.8):

,

где A - площадь днища; e₀ - начальный коэффициент пористости грунта.

Следовательно, объем, занимаемый твердыми частицами, равен:

. (*)

Так как объем, занимаемый твердыми частицами, при загружении образца не меняется, можно записать формулу (*) для любого момента времени:

, (**)

где - коэффициент пористости грунта, соответствующий осадке (при давлении ).

Приравнивая правые части (*) и (**), получим:

.

Отсюда следует:

. (2.1)

По значениям e для различных давлений строят кривую в координатах .

Рис. 2.2. Компрессионные кривые для сыпучих грунтов

а) экспериментальные кривые: 1 - ветвь сжатия; 2 - ветвь набухания; б) расчетная схема для определения коэффициента относительной сжимаемости: 3 - экспериментальная кривая; 4 - аппроксимация компрессионной кривой.

Кривую зависимости коэффициента пористости от давления называют компрессионной кривой. Закономерность (2.1) изменения коэффициента пористости была установлена К. Терцаги и развита многими учеными, в том числе Н.М. Гесивановым, Н.А. Цытовичем и др.

Ветвь 1 на рис. 2.2-a соответствует нагружению грунта. Если образец разгружать, то будет наблюдаться обратный процесс - увеличение объема (набухание грунта) - ветвь 2 на рис. 2.2-a. Ее можно построить по измеренным перемещениям, руководствуясь формулой (2.1).

Расположение ветви набухания намного ниже ветви сжатия свидетельствует о том, что грунт обладает значительной остаточной деформацией уплотнения. Процесс набухания протекает продолжительное время. После снятия нагрузки образец не может занять первоначального объема вследствие происшедших при уплотнении грунта взаимных смещений частиц, разрушения связей в точках контакта и установления новых связей при более плотном состоянии частиц (в результате сближения частиц при уплотнении).

Дата добавления: 2014-01-20