Тема: Водопроницаемость грунтов. Сопротивление грунтов сдвигу

Лекция № 3.

Ключевые слова: Сжимаемость грунтов, сжимающие нагрузки, высыхание, коагуляция коллоидов, компрессионная кривая, коэффициент сжимаемостьи грунта, закон уплотнения грунта, модуль общей деформации, остаточные деформации грунтов, рыхлые пески, плотные пески, глинистые грунты, коэффициент бокового давления, коэффициент поперечного расширения, водонипроницаемость грунтов, закон фильтрации, коэффициент фильтрации, начальный градиент, эффективное давление, нейтральное давление, сопротивление грунтов сдвигу, сопротивление трению, сдвиговой прибор, вертикальная сжимающая нагрузка,предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу, стабилометр, остаточные деформации, принцип линейной деформируемости грунтов.

Водопроницаемость грунтов. Водопроницаемость грунтов зачастую является главным фактором при производстве фундаментных работ. От нее в зна­чительной степени зависит скорость уплотнения под действую­щей нагрузкой. В целом она играет большую роль при решении ряда практических задач.

Движение воды в грунте происходит под влиянием различ­ных факторов: пленочной — под действием разности осмотиче­ских давлений, капиллярной — разности сил всасывания, грави­тационной — разности напоров воды.

Рядом исследований установлено, что движение воды в песчаных и глинистых грунтах можно рассматривать с доста­точной для практических целей точностью как параллельно-струйное ламинарное движение воды в пористой среде (Жуков­ский, Дарси, Павловский и др.). Ранее установлено, что

. (3.1.)

Это и есть второй закон механики грунтов — закон фильтрации: скорость фильтрации воды в порах грунта прямо пропорциональ­на гидравлическому градиенту. Из этой формулы также

следу­ет, что коэффициент фильтрации есть ско­рость фильтрации при напорном градиенте, равном единице. Начальный градиент в глинистых грунтах обусловливается сопро­тивлением движению воды за счет малого размера пор и наличия водно-коллоидных пленок. Чем тоньше они, тем большее со­противление оказывают движению воды как вследствие большой вязкости, так и их упругости.

Фильтрация воды в глинистых грунтах начинается лишь при достижении некото­рого градиента напора, преодолевающего внутреннее сопротивление движению воды. На рис. 3.1. приведены экспериментальные данные зависимости скорости фильтрации от гидравлического градиента для песков и глины. На кривой // выделяется три участка: 0... 1 — начальный, где скорость фильтрации равна 0; 1... 2 — криволинейный участок и 2... 3 — прямолинейный, характеризующий процесс устано­вившейся фильтрации. Напорный градиент, до достижения ко­торого фильтрация в грунте не наблюдается, носит название начального градиента. Для глинистых грунтов уравнение изме­нения скорости фильтрации принимает вид

. (3.2.)

Что касается песчаных грунтов, то фильтрация воды у них начинается сразу после передачи напора.

Рис. 3.1. График из­менения скорости
фильтрации 1 от градиента напора /:

/ — песчаные грунты;

// — глинистые грунты

Рис 3.2. Модель сжатия грунтовой массы:

1-нагрузка, 1- имитирующая передачу эффективного давления;

2- вода, имитирующа я поровую воду, испытывающую нейтральное давление.

При сжатии грунтовой массы (твердые частицы и вода) в механике грунтов рассматриваются две системы давлений: в скелете грунта p_z и в поровой воде p_w. Давления в скелете грунта уплотняют и упрочняют его и называются эффективными. Давления в поровой воде создают напор, вызывая фильтра­цию, и называются нейтральными. С учетом этого Н. М. Герсевановым создана модель грунтовой массы (рис. 3.2.).

Для любого момента в грунтовой массе будет иметь место соотношение

P=pz+pw, (3.3.)

где р — полная нагрузка на грунт.

С течением времени происходит уплотне­ние грунта, и эффективное давление будет увеличиваться.

Эффективное давление передается через точки и площадки контактов твердых минеральных частиц, а нейтральное давление—через поровую воду. Если оно положительное (сверх гидравлического), то называется поровым. При рассмотрении стабилизации осадок во времени перераспределение эффективных и нейтральных давлений имеет решающее значение.

Предельное сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона. При действии внешней нагрузки на массив грунта эффектив­ные напряжения могут превзойти прочность внутренних связей между частицами грунта, что обусловит скольжение одних час­тиц относительно других и тем самым — нарушение сплошности грунта.

У песчаных грунтов (особенно у идеально сыпучих) внут­реннее сопротивление сдвигу частиц будет обеспечиваться тре­нием, которое возникает на контакте частиц. В идеально связ­ных грунтах (вязкие дисперсные глины) силами внутреннего со­противления являются внутренние структурные связи и вязкость водно-коллоидных оболочек частиц.

Опыты показывают, что сопротивление сдвигу несвязных грунтов есть только сопротивление трению, прямо пропорцио­нальное внешнему давлению. Сопротивление связных грунтов с водно-коллоидными связями суммируется из вязкого сопро­тивления скольжению и сил сцепления, которые зависят от уплотняющих давлений.

Показатели сопротивления сдвигу — основные прочностные характеристики грунтов. Они являются переменными величина­ми и зависят от давления и условий сжатия в точках контакта частиц. Поэтому очень важен выбор показателей сопротивления сдвигу, обусловливающих точность инженерных расчетов при решении различных задач в механике грунтов.

Предельное сопротивление грунтов сдвигу определяется пу­тем испытания на срезных приборах (рис. 3.3.). Образец грунта после предварительного уплотнения или без уплотнения (в зави­симости от схемы испытания) помещается в сдвиговой прибор. Одна половина образца остается неподвижной, а другая может перемещаться под действием прикладываемой горизонтальной

Рис.3.3.Схема прибора для испытания грунтов на сдвиг:-

Рис.3.4.Графики испытаний песчаных грунтов на сдвиг:

/ — фильтры; 2 — образец грунта а — график перемещений при раз личных давлениях — /, 2, 3;

б — график предельных сопротивлений сдвигу

нагрузки. К образцу прикладывается также вертикальная сжи­мающая нагрузка.

Существуют две схемы испытаний связных грунтов на сдвиг: по закрытой системе (неконсолидированно-недренированные ис­пытания) и открытой (консолидированно-дренированные). Ис­пытания грунтов по первой схеме выполняются таким образом, что плотность и влажность грунта в процессе опыта не меняют­ся, и поэтому такие опыты носят название быстрого сдвига. Испытания по открытой схеме производят после предваритель­ного уплотнения образцов вертикальной нагрузкой до стабили­зации осадки, а горизонтальное усилие на образец передается ступенями, при этом каждая ступень выдерживается до стаби­лизации горизонтальной деформации. Испытания сыпучих (не­связных) грунтов проводятся по первой схеме.

Опыты на сдвиг проводят при нескольких уплотняющих дав­лениях и по результатам их строят два графика: первый — в ко­ординатах «предельное сдвигающее усилие — горизонтальная деформация s образца» и второй (результирующий) — в коор­динатах «предельное сдвигающее усилие — вертикальная на­грузка на образец р».

Как показывают результаты многочисленных испытаний, диа­грамма предельных сопротивлений сдвигу сыпучих грунтов представляет собой прямую, исходящую из начала координат и наклоненную под углом к оси давлений (рис.3.4.).

Предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу

,(3.4.)

где — угол внутреннего трения грунта.

Это уравнение является основной прочностной зависимостью для сыпучих грунтов, установленной в 1773г. К. Кулоном: пре­дельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротив­ление трению, прямо пропорциональное нормальному давле­нию.

Для испытания связных грунтов при одной плотности заго­товляют несколько образцов грунта и уплотняют их наибольшим ПО давлением, а затем разгружают до меньших давлений. После стабилизации деформаций разуплотнения производят испыта­ние. Разуплотнение не вызывает резких изменений коэффициен­та пористости, как это следует из кривой набухания компресси­онной кривой. Диаграмма испытаний глинистых грунтов на сдвиг приведена на рис. 3.5. Опыты показывают, что диаграм­му консолидированного сдвига глинистых грунтов, несмотря на кривизну начального участка в небольшом диапазоне давлений, без особых погрешностей можно описать уравнением прямой ли­нии

. (3.5.)

связных грунтов сдвигу при завершенной консолидации есть функция первой степени от нормального дав­ления. Таким образом для связных грунтов сопротивление

Рис.3.5. График испытаний глинистых грунтов на сдвиг:

а — кривая уплотнения ()и набухания ();

б — график пре­дельных сопротивлений сдвигу

сдви­гу характеризуется двумя параметрами: углом внутреннего тре­ния ф и удельным сцеплением с. Отметим, что если продлить прямую до пересечения с осью давлений, то получим давление связности р_е, заменяющее действие всех сил сцепления. Харак­теристики сопротивления грунтов сдвигу могут быть определены по результатам опытов на трехосное сжатие грунтов. Прибор для испытания грунтов на трехосное сжатие называется стабилометром.

Структурно-фазовая деформируемость грунтов. Применение к грунтам общей теории напряжений, разрабо­танной для сплошных упругих тел, требует специального рассмотрения. Отличительной особенностью грунтов является то, что при передаче внешней нагрузки отдельные элементы грун­тов (фазы) по-разному оказывают сопротивление внешним на­грузкам и по-разному деформируются. Поэтому при общем рас­смотрении важно изучить напряженно-деформируемые состоя­ния грунта в целом и отдельных его фаз во взаимодействии между собой.

При анализе зависимостей деформаций от напряжения сле­дует выделять два вида грунтов: сыпучие и связные. При одно­родном загружений сыпучих грунтов возникают смещения и по­вороты зерен относительно друг друга, и это обусловливает по­явление остаточных деформаций. На характер деформирования связных грунтов существенное влияние оказывают жесткие и вязкие структурные связи. При наличии жестких связей и дей­ствующей нагрузке в пределах прочности этих связей грунт бу­дет деформироваться как сплошное тело. При вязких (водно-коллоидных) связях отдельные связи разрушаются уже при сравнительно небольших нагрузках, другие — при больших на­грузках. Так или иначе в таких грунтах возникают упругие и остаточные деформации, причем последние значительно превос­ходят восстанавливающиеся. В общем случае напряжения и деформации связаны нелинейной зависимостью, об этом свиде­тельствуют результаты многочисленных экспериментов.

При незначительных вертикальных давлениях (0,1...... 0,3 МПа, а для плотных грунтов 0,3... 0,4 МПа) зависимость деформаций от напряжений без особых погрешностей можно принять прямолинейной. Линейная зависимость между напряже­ниями и деформациями реальных грунтов является частным случаем гораздо более сложной картины взаимодействия трех­фазной дисперсной среды с нагрузкой, передаваемой ей жестким телом (фундаментом или штампом для полевых испытаний).

Эту картину детально исследовал в лаборатории и поле с помо­щью штампов И. И. Черкасов. Было установлено, что дефор­мации грунта под подошвой штампа, передающего вертикаль­ную сжимающую нагрузку на поверхность грунта, делятся на восстанавливающиеся и остаточные. Восстанавливающиеся складываются из сжатия пузырьков защемленного воздуха в по­рах водонасыщенного грунта, изменения толщины пленок воды между минеральными зернами и других деформаций самих зе­рен в местах испытания. При снятии нагрузки мгновенно исче­зают упругие деформации зерен и через некоторое время — де­формации водных пленок и воздушных пузырьков. Остаточные деформации возникают в результате необратимого отжатия вла­ги и воздуха из пор грунта и взаимных, необратимых перемеще­ний зерен. После снятия нагрузки они сохраняются без измене­ния и обеспечивают уплотнение грунтового основания под штам­пом. Кроме того, в опытах было замечено, что восстанавливающиеся деформации распространяются далеко за пределы площа­док контакта штампа с грунтом, а остаточные в основном про­исходят под подошвой штампа. Наконец, зависимость восста­навливающихся деформаций близка к линейной, а остаточные деформации растут быстрее вызывающих их нагрузок и в ко­нечном счете приводят к выдавливанию грунта из-под штампа. Таким образом, при небольших напряжениях к грунтам мож­но применять теорию линейно-деформируемых тел. А если это так, то, как показано проф. Н. М. Герсевановым, для определе­ния напряжений в грунтах полностью применимы решения тео­рии упругости. Все это определяет принцип линейной деформи­руемости грунтов, широко используемый в механике грунтов.

1. Основная литература: 2 [94-98; 101-111].

Контрольные вопросы:

1. Каковы особенности уплотнения песчаных и глинистых грунтов?

2. Как выражается уравнение компрессионных кривых?

3. Как изменяются характеристики сжимаемости грунтов под влиянием внешних воздействий и изменений физического состояния грунтов?

4. Чем обусловлено водопроницаемость грунтов?

5. Что такое коэффициент фильтрации грунтов и от каких факторов он зависит?

6. Что такое начальный градиент в глинистых грунтах и чем он обусловлен?

7. От каких факторов зависит сопротивление сдвигу у песчаных и глинистых грунтов?

8. Как обрабатываются результаты испытаний грунтов на сдвиг?

9. Каков характер деформирования песчаных и глинистых грунтов?

Дата добавления: 2015-06-04