Лекция 6. Деформационные свойства грунтов

Гидролиз солей.

Гидролиз соли – взаимодействие ионов соли с молекулами воды, приводящее к образованию слабого электролита.

1. Гидролизу соли по аниону подвергаются соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой.

МеА + Н₂О ↔ НА + МеОН

А^- + Н₂О ↔ НА + ОН^-, подщелачивание раствора.

рН = 7 + 1/2рК_а + 1/2lgС_соли

2. Гидролизу соли по катиону подвергаются соли, образованные сильной кислотой слабым основанием.

МеА + Н₂О ↔ МеОН + НА

Ме⁺ + Н₂О ↔ МеОН + Н⁺, подкисление раствора.

рН = 7 - 1/2рК_в - 1/2lgС_соли

3. Гидролизу и по аниону, и по катиону подвергаются соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием.

МеА + Н₂О ↔ НА + МеОН

А^- + Н₂О ↔ НА + ОН^-

Ме⁺ + Н₂О ↔ МеОН + Н⁺

Так как одновременно идет и подщелачивание, и подкисление раствора, то изменение рН не происходит.

Сжимаемость грунтов обусловливается изменением их пористости вследствие переупаковки частиц, ползучестью водных оболочек, вытеснением воды из пор грунта. Сжатие полностью водонасыщенных грунтов возможно только при условии вытеснения воды из пор грунта.

Рис. М.4.2 Схема одометра (компрессионного прибора)

Одометр  прибор, служащий для определения сжимаемости грунта. Деформации в одометре возможны только в вертикальном направлении, горизонтальные деформации отсутствуют. Вертикальное напряжение изменяется ступенями и является известным, боковые напряжения реактивные и остаются неизвестными. Деформации измеряются в зависимости от усилия, приложенного на штамп. На рис. М.4.2. показана схема одометра.

Компрессионная кривая изображается в координатах: коэффициент пористости e  давление p, МПа. Для полностью водонасыщенных глинистых грунтов она может быть представлена в координатах: влажность w  давление p, МПа. Зависимость осадки штампа s, мм, от нагрузки p, МПа, представлена на графике (рис.М.4.3.).

Рис. М.4.3. Компрессионная кривая

С увеличением давления кривая становится более пологой, так как грунт при этом постепенно уплотняется и становится менее сжимаемым.

Закон сжимаемости в дифференциальной форме имеет вид

где e  коэффициент пористости, p  давление, m0  коэффициент сжимаемости, МПа1. Знак минус перед m0 вызван тем, что при увеличении давления коэффициент пористости уменьшается. В разностной форме этот закон записывается в следующем виде:

и формулируется так: отношение приращений коэффициента пористости и давления есть величина постоянная, равная коэффициенту сжимаемости с обратным знаком.

Коэффициентом сжимаемости называется отношение приращений коэффициента пористости и давления m0. Коэффициент относительной сжимаемости mv, то есть величина m0, деленная на

где  коэффициент пористости в естественных условиях.

Рис.М.4.5. Спрямление компрессионной кривой

Величины m0 и mv измеряются в МПа-1.

Компрессионную кривую для практических расчетов обычно спрямляют, пользуясь точками, расположенными в средней части этой кривой. Поэтому начальный коэффициент пористости часто не совпадает с расчетным значением коэффициента пористости , определенным для испытываемого образца грунта, то есть  e0 (рис. М.4.5).

Закон Гука записывается в следующем виде (ось z совпадает с осью 1, оси y и x соответственно с осями 2 и 3)(рис.М.4.6):

Поскольку оси x, y и z совпадают с главными осями, касательные напряжения вдоль них равны нулю, то есть . Независимых характеристик сжимаемости (деформируемости) для изотропного грунта две: 1) модуль общей (упругой и остаточной) деформации E0, МПа и 2) коэффициент Пуассона  0.

Рис.М.4.6. Оси координат

Коэффициентом Пуассона называется отношение относительных деформаций поперечной  x к продольной  z, взятое с обратным знаком, в случае, если действуют только вертикальные напряжения  z (напряжения  x и  y в этом случае отсутствуют). Коэффициент Пуассона изменяется теоретически от 1 до +0,5, а практически от 0 до +0,5. Коэффициент Пуассона не может быть более 0,5, так как в этом случае при всестороннем сжатии ( x= y= z) должен был бы увеличиваться объем грунта, что физически невозможно. Таким образом, при  x= y=0

.

Коэффициентом бокового давления грунта  называется отношение приращения бокового давления   x (или   y) к приращению вертикального давления   z при обязательном отсутствии боковых деформаций ( x = y =0), то есть

 x = y =0.

Боковое давление в этом случае является реактивным. Примером может служить грунт, обжимаемый в одометре. Коэффициент бокового давления зависит от вида грунта, его плотности и влажности. С коэффициентом Пуассона он связан следующей зависимостью:

Он изменяется в пределах от 0 до +1.

Принципиальная схема стабилометра представлена на рис.М.4.9,а.

Рис.М.4.9. Стабилометр:
а - условия нагружения; б - схема испытания (после достижения всестороннего давления *0 свободное боковое расширение при увеличивающемся вертикальном давлении); в - после осуществления всестороннего обжатия давлением *0 испытание при отсутствии боковых деформаций по схеме одометра

Испытания в стабилометре ведутся обычно по двум схемам (рис.М.4.9,б,в,): 1) прикладывается обжимаемое одинаковое давление  x= y= z= 0, а затем увеличивается давление  z при уже неизменных далее напряжениях  x= y= 0; при этом замеряются деформации сжатия  z и расширения  x = y (рис.М.4.9,б); 2) прикладывается обжимающее давление (в отдельных случаях этого можно и не делать), измеряются соответствующие деформации  x = y =  z = 0, а затем далее препятствуют деформированию грунта в горизонтальном направлении, увеличивая вертикальное давление. При этом образец деформируется только вертикально (в стабилометре воспроизводится схема одометра с той разницей, что боковое давление в ходе опыта постоянно измеряется, чего в одометре сделать нельзя) (рис.М.4.9,в).

Всего независимых характеристик сжимаемости две. В процессе испытания грунта в одометре мы получаем только одну независимую характеристику сжимаемости m0 или величину , причем нельзя отдельно вычислить  0 и E0. В процессе испытания грунта в стабилометре мы получаем обе характеристики сжимаемости  0 и E0. При штамповых испытаниях мы получаем одну характеристику сжимаемости , также не имея возможности подразделить ее на  0 и E0.

Рис.М.4.11. Штамповые испытания грунта в котловане в полевых условиях

Штамповые испытания (рис.М.4.11) заключаются в том, что штамп  круглая плита  устанавливается на дно котлована на предварительно зачищенную и разровненную поверхность грунта, после чего загружается ступенями нагрузки. Последующая ступень нагрузки прикладывается после затухания осадки от предыдущей ступени. По линейному участку зависимости осадки s, см, от нагрузки p, МПа, устанавливается модуль деформации E0. Основным достоинством этого вида испытаний является то, что они ведутся непосредственно в грунтовом массиве. При испытаниях жесткими штампами требуется тщательная их установка на грунт с прилеганием по всей поверхности.

Штамповые испытания производятся также в скважинах. В этом случае штамп устанавливается в забое скважины. Применяются также винтовые штампы.

Прессиометр представляет собой закрытый цилиндр с резиновой боковой поверхностью (рис.М.4.12), в который подается давление p и измеряется увеличение диаметра цилиндра  d (после стабилизации). По отношению  p/ d устанавливается по линейному участку диаграммы величина модуля деформации E0. В обычных случаях для вычисления E0 нужно знать коэффициент Пуассона грунта. Мы получаем при этом испытании модуль деформации в горизонтальном, а не в вертикальном направлении, в то время как в грунтах, являющихся природными образованиями, деформируемость в горизонтальном и вертикальном направлениях может быть разной (проявляется анизотропия).

Рис.М.4.12. Испытание грунта в скважине с помощью прессиометра

Дата добавления: 2014-01-05