за счет чего происходит сжатие полностью водонасыщенных грунтов

СЖИМАЕМОСТЬ ГРУНТОВ. ЗАКОН УПЛОТНЕНИЯ

Сжимаемость грунтов является характернейшим их свой­ством, существенно отличающим грунты от массивных горных пород и других твердых тел и заключающимся в способности грунтов из­менять (иногда значительно) свое строение (упаковку твердых час­тиц) под влиянием внешних воздействий (сжимающей нагрузки, высыхания, коагуляции коллоидов и пр.) на более компактное за счет уменьшения,пористости грунта.

Уменьшение пористости грунтов при более компактной упаковке частиц происходит как вследствие возникновения некоторых мест­ных сдвигов частиц и соскальзывания более мелких частиц в поры грунта, так (особенно у дисперсных водонасыщенных глинистых грунтов) и вследствие изменений толщины водно-коллоидных обо­лочек минеральных частиц под влиянием увеличения давления, вы­сыхания, коагуляции и пр.

Кроме того, на переупаковку частиц влияет ползучесть скелета грунта и оболочек прочносвязанной воды (которые также можно относить к скелету грунта), обусловленная искажением формы крис­таллических решеток минеральных частиц и медленным вязким течением молекулярных слоев прочносвязанной воды.

Следует здесь же отметить, что для грунтов полностью водона­сыщенных изменение пористости возможно лишь при изменении их влажности (выдавливании или всасывании воды) и некоторого внутриобъемного сжатия газовых включений; для грунтов же неводонасыщенных может происходить и при сохранении их влажности.

Изменение объема пор дисперсных грунтов при высыхании (в процессе обезвоживания диффузных оболочек и увеличения капиллярного сжатия), а также в результате медленных физико-химиче­ских процессов (например, старения коллоидов) учитывается лишь в отдельных исключительных случаях и основным процессом изме­нения объема грунтов будет уплотнение их под нагрузкой.

Следует различать уплотняемость грунтов при кратковременном действии динамических нагрузок (механическую) и уплотнение при длительном действии постоянной статической нагрузки (компрес­сию, консолидацию и пр.).

При механическом воздействии вибрационными, трамбующими и подобными механизмами хорошо уплотняются лишь маловлажные рыхлые песчаные и неводонасыщенные грунты, имеющие жесткие контакты между минеральными частицами, которые при этих воз­действиях легко нарушаются, что и обусловливает перегруппировку частиц и более плотную их упаковку. В водонасыщенных же песках динамические нагрузки вызывают значительные напоры в воде, грунт взвешивается в некоторой области и при определенных усло­виях разжижается, растекаясь по большой площади. Однако чем больше внешнее давление на поверхность грунта, подвергаемого динамическому воздействию (например, вибрационному), тем менее оно эффективно, так как труднее преодолеваются усилия в точках контакта частиц.

В глинистых грунтах, которые вследствие их связности при ди­намических нагрузках уплотняются очень мало, возникающие в во­де напоры при незначительной водопроницаемости этих грунтов по­гашаются на весьма малом расстоянии и разжижения не происхо­дит.

В первом случае, как показывают исследования, проведенные в МИСИ и других исследовательских организациях, уплотнения грун­тов не происходит, так как возникающие под действием внешней нагрузки деформации в этом случае будут упругими деформациями структурных связей и грунт будет деформироваться как сплошное квазитвердое тело.

Во втором случае, т. е. когда жесткие структурные связи преодо­лены (при давлениях, больших структурной прочности), грунты бу­дут уплотняться значительно, причем для грунтов с водно-коллоид­ными связями уплотнение будет происходить за счет сжатия водно-коллоидных оболочек минеральных частиц с выдавливанием некоторого количества воды, а также в известной мере и за счет ползучести скелета грунта. Выдавливание же воды для дан­ных глинистых грунтов возможно лишь при напоре, вызываемом действием внешней нагрузки, большем некоторой начальной величины.

Для грунтов, обладающих одновременно и мягкими водно-кол­лоидными и жесткими кристаллизационными связями, процесс уп­лотнения будет значительно сложнее.

Зависимость между влажностью, давлением и коэффициентом пористости. Для установления основных показателей сжимаемости грунтов производятся испытания их на уплотнение под нагрузкой в условиях одномерной задачи, когда деформации грунта могут раз­виваться только в одном направлении и никакие другие силы, кро­ме внешней нагрузки, не действуют.

Испытания водонасыщенных грунтов производят в условиях по­крытия поверхности грунтов водой, что позволяет избежать их вы­сыхания в процессе опыта (который длится обычно от нескольких часов до нескольких дней), а следовательно, избежать и развития в грунте сил капиллярного давления.

Для испытания грунтов на сжимаемость применяются приборы с жесткими стенками (одометры) для обеспечения сжатия грунта только в одном направлении (без возможности его бокового расши­рения— рис. 6). Подобные граничные условия соответствуют в натуре сжатию отдельного слоя грунта под действием

Рис. 6. Схемы компрессионного сжатия грунта:

а — в жестком кольце; б — при сплошной нагрузке

сплошной равномерно распределенной нагрузки (например, веса вышележа­щих слоев грунта — рис. 6, б). Нагрузку на поверхность грунта при­кладывают отдельными возрастающими ступенями (например, 0,05; 0,10; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0 кГ/см 2 ), так как чем более будет уплотнен грунт предыдущей ступенью нагрузки, тем меньше будут его дефор­мации и требуется большая точность измерений.

Опытами (проф. Терцаги и др.) было установлено, что для водонасыщенных, но маловодопроницаемых глинистых грунтов каждому приращению внешнего давления соответствует вполне определен­ное изменение влажности. Зависимость между влажностью и дав­лением можно изобразить в виде графика (рис. 7, а), который носит название компрессионной кривой. Так как для полностью водона­сыщенных грунтов существует закономерная связь между влажно­стью и коэффициентом пористости [зависимость (1.7)], то компресси­онную кривую (рис. 7, й) легко перестроить в координатах «коэффи­циент пористости — давление» (рис. 7, б).

Дальнейшие исследования показали, что компрессионные кри­вые применимы для оценки сжимаемости любых дисперсных мате­риалов (связных, сыпучих), но для материалов водопроницаемых (например, песков) не могут быть построены по изменению влажно­сти, так как при разгрузке этих материалов влажность восстанав­ливается почти мгновенно.

Более общим методом построения компрессионных кривых явля­ется метод определения коэффициента пористости по осадкам об­разцов грунта при уплотнении их в компрессионном приборе.

Если обозначить: _о — начальный коэффициент пористости грунта [вычисляется по формулам (1.2) и (1.3) и данным объемного веса, влажности и удельного веса грунта];

Рис. 7. Компрессионные кривые для глинистого грунта:

1— кривые уплотнения; 2—кривые разуплотнения (набухания)

то учитывая, что коэффициент пористости е есть отношение объема пор к объему твердых частиц, будем иметь

Так как для образца грунта, испытываемого без возможности бокового расширения, изменение объема пор n_i численно равно произведению осадки S_i, на площадь образца F, т. е.

n_i = S_i F, (в₂)

а объем твердых частиц во всем объеме грунта, учитывая выраже­ние (1.5),

m= , (в_з)

то, подставляя (вг) и (в3) в (в)), получим

Формулой (II.1) и пользуются для вычисления коэффициентов пористости, соответствующих данным ступеням нагрузки, а по ним строят и всю компрессионную кривую.

В ряде случаев (например, при оценке деформируемости проса-дочных грунтов и учете нелинейности сжатия при большом диапа­зоне давлений) в качестве характеристики сжимаемости грунтов применяется и так называемый модуль осадки (предложенный проф. Н. Н. Масловым, 1941 г.) е_р = S_i/h, т. е. величина относитель­ной деформации грунта при данном давлении, выраженная в промиллях (мм/м).

Для грунтов естественной ненарушенной структуры компресси­онная кривая имеет два участка (рис. 8): первый — до давлений, не превосходящих структурной прочности грунта р_cтр, с очертанием, близким к линейному, и очень малыми изменениями коэффициента пористости и второй—криволинейный, со значительными измене­ниями коэффициента пористости, что указывает на уплотнение грунта под нагрузкой, превосходящей структурную прочность грун­та. При меньших же нагрузках уплотнения грунта не происходит.

В дальнейшем’мы будем рассматривать компрессионные кривые только при давлениях, больших структурной прочности грунтов.

Что касается величины структурной прочности грунтов рСтр, то, как будет показано в последующих главах, она является весьма важной характеристикой грунтов. Величину ее можно определить по компрессионной кривой ненарушенной структуры, испытывая грунты (до достижения структурной прочности) весьма малыми сту­пенями нагрузки (примерно 0,02—0,10 кГ/см 2 ), тогда резкий пере­лом компрессионной кривой и будет соответствовать достижению структурной прочности сжатия грунта (см. рис. 8).

Другой метод определения структурной прочности предложен проф. Е. И. Медковым по результатам испытания бокового давле­ния грунта при трехосной компрессии и соответствует давлению, при котором практически отсутствует боковое давление грунта.

Определение указанных выше давлений требует разработки спе­циальной методики испытания, и в настоящее время величина струк­турной прочности может быть определена лишь с известным при­ближением, зависящим, главным образом, от точности измерений.

Если начертить компрессионную кривую в полулогарифмических координатах (рис. 9), то изменения коэффициента пористости грунта (для давлений, больших структурной прочности) будут линейно зависеть от логарифма изменений внешнего давления. Тогда урав­нение компрессионной кривой для большого диапазона давлений может быть представлено в виде

где _о и р_о — начальные коэффициенты пористости и давление (большее структурной прочности);

_i и р_i — коэффициенты пористости и давление, соответствую­щее i-й ступени нагрузки;

а_к — коэффициент компрессии.

Этот коэффициент (по размерности отвлеченное число) харак­теризует сжимаемость грунтов в большом диапазоне давлений.

Тангенс угла наклона отрезка компрессионной кривой к оси дав­лений характеризует сжимаемость грунта в рассматриваемом диапазоне давлений (от р₁ до р₂), так как чем больше угол накло­на а, тем больше будет и сжимаемость грунта. Эта величина носит название коэффициента сжимаемости грунта и обозначается бук­вой а, т. е.

а = tg . (II.4)

Рис. 8. Компрессионные кривые для образцов грунта ненарушенной структуры

Рис. 9. Компрессионная кривая в полулогарифмических координатах

Коэффициент сжимаемости может быть выражен через значения р и для крайних точек к и l прямолинейного отрезка (см. рис. 10):

= (11.4′)

или, обозначив p₂-p₁ = р (где р — приращение давлений, или так называемое действующее давление), будем иметь

= , (II.4 1 )

т. е. коэффициент сжимаемости равен отношению изменения коэф­фициента пористости к величине действующего давления.

Подставляя в уравнение (II.3) вместо величину tg , получим уравнение прямолинейного отрезка компрессионной кривой в виде

_i = _о— р_i (II.3′)

Рис. 10. Определение параметров отрезка компресси­онной кривой

Для отрезка к’l’ (см. рис. 10) кривой набухания (разгрузки) точно таким же путем получим

‘_i = ‘_о— _нр_i (II.З»)

где а_н = tg ‘ — коэффициент набухания.

При расчетах осадок уплотнения грунтов часто пользуются вели­чиной так называемого коэффициента относительной сжимаемости _о, равной

_о = . (II.5)

Физический смысл этого коэффициента установим на основании следующих соотношений.

Из уравнения (П.З’) имеем

с другой стороны, из выражения (11.1)

Приравнивая правые части (п) и (г2) и принимая во внимание выражение (П.5), получим

т. е. коэффициент относительной сжимаемости равен относительной осадке 5,/А, приходящейся на единицу действующего давления рг.

Таким образом, имеем следующие характеристики сжимаемости грунтов: ак, а и а0, причем первый коэффициент — число отвлечен­ное, а коэффициенты а и а0 имеют размерность, обратную удель­ному давлению, (см2/кГ).

Закон уплотнения. Уравнение (П.З’) описывает изменение коэф­фициента пористости лишь для спрямленного участка компрессион­ной кривой и поэтому является уравнением приближенным. Если же изменения давлений будут бесконечно малыми, то изменения коэф­фициента пористости будут строго (точно) пропорциональны изме­нению давления. Дифференцируя уравнение (П.З’), получим

Полученное соотношение имеет особо важное значение в меха­нике грунтов и кладется в основу установления ряда ее фундамен­тальных положений: принципа линейной деформируемости, принци­па гидроемкости, дифференциального уравнения консолидации и других — и называется законом уплотнения грунтов. Г

Этот закон формулируется следующим образом: бесконечно ма­лое изменение относительного объема пор грунта прямо пропор­ционально бесконечно малому изменению давления.

При небольших изменениях давлений уравнение (П.6) можно распространить и на конечные изменения величин е и р. По рис. 10

Тогда закон уплотнения может быть сформулирован следую-: щим образом: при небольших изменениях уплотняющих давлений I изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изме­нению давления.

Общий случай компрессионной зависимости. Изменения коэффи­циента пористости е грунта при компрессионном сжатии в общем случае будут зависеть не только от величины вертикальных нор­мальных напряжений аг, но и от горизонтальных ау и ах-

Следуя проф. Н. М. Герсеванову, примем наиболее простое поло­жение о том, что коэффициент пористости в любой точке грунтовой массы зависит только от суммы всех нормальных напряжений в, действующих в этой точке. Это положение является известным допу­щением, так как для очень вязких и плотных глинистых грунтов на изменения коэффициента пористости будут в некоторой мере влиять и сдвигающие (касательные) напряжения, обусловливающие ползу-

Рис. 11. Схема напряжений в элементе грунта при действии сплошной равномерно распределенной нагрузки

честь скелета грунта. Для «грунтовой же массы» в нашем опреде­лении, к которой мы относим все полностью водонасыщенные неуплотненные грунты (мелкие пески и супеси, слабые суглинки и глины) с несжимаемым минеральным скелетом и наличием свобод­ной (несвязанной) воды, это положение будет достаточно хорошо отвечать действительности.

Определим сумму главных напряжений в случае сжатия слоя грунта без возможности его бокового расширения, выделив элемен­тарный параллелепипед (рис. 11), который в условиях данной за­дачи будет испытывать лишь нормальные (главные) напряжения ох, оу и а2.

Так как горизонтальные деформации (расширения грунта в сто­роны) невозможны, то горизонтальные относительные деформации будут равны нулю, т. е. ех = еу = 0, откуда вытекает, что ох = оу. Кро­ме того, из условия равновесия имеем ог = р.

Напишем известное выражение для горизонтальной относитель­ной деформации ех при действии напряжений по трем взаимно пер-

где /:0 и ц0 — модули диформируемости грунта, аналогичные моду­лю упругости и коэффициенту Пуассона упругих тел, но относящие­ся к общей деформации грунта, что отмечено буквой «о».

Подставляя в выражение (-Д1) ох = оу, о2 = р и ех = 0, получим

Величина носит название коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя.

Пользуясь полученными соотношениями, можем составить сум­му нормальных напряжений, которую обозначим в:

Так как о2 = р, а ох = оу = |ор, то получим

Подставив полученное выражение в уравнение прямолинейного отрезка компрессионной кривой (П.З’), будем иметь

Полученное уравнение показывает, что изменение коэффициента пористости (или влажности) грунтовой массы в данной точке может произойти лишь при изменении суммы главных напряжений в в этой точке или, по Н. М. Герсеванову, «гидроемкости» грунтовой массы. Последнее и формулирует так называемый «принцип гидро­емкости» проф. Н. М. Герсеванова.

Как пример применения принципа гидроемкости отметим спо­соб определения эквивалента капиллярного давления, т. е. величи­ны среднего всестороннего давления рк, заменяющего действие всех капиллярных сил.

По компрессионной кривой образца грунта нарушенной структу­ры, называемой главной ветвью компрессионной кривой (рис. 12), определяем величину уплотня­ющего давления, которое мо­жет привести грунт из текуче­го состояния в состояние дан­ной плотности е. Обозначим это давление р$.

При всестороннем сжатии элемента грунтовой массы ка­пиллярным давлением р_к его гидроемкость будет равна

С другой стороны, согласно формуле (II.9)

Приравнивая правые части вы­ражений (е₁) и (е₂), получим

Р_к = . (II.11)

Рис. 12. Определение «эквивалента

капиллярного давления» по главной

ветви компрессионной кривой

Отметим, что изложенный способ определения эквивалента ка­пиллярного давления применим для общей оценки среднего капил­лярного давления глинистых грунтов, образовавшихся лишь при гравитационном уплотнении их в водных бассейнах без возникнове­ния жестких цементационных связей.

Для грунтов, не обладающих жесткими связями, если известна высота капиллярного поднятия (всасывания) в них воды кк, т. е. расстояние от уровня грунтовых вод до уровня поверхности капил­лярных менисков, капиллярное давление будет равно

Коэффициент бокового давления. В общем случае коэффициент бокового давления грунтов ξ есть отношение приращения горизон­тального давления грунта dq к приращению действующего верти­кального давления dр, т. е.

ξ =

Отделяя переменные и интегрируя, получим

Выражение (11.13) есть уравнение прямой с угловым коэффици­ентом ξ и постоянной интегрирования D определяемой из началь­ных условий.

Как показывают соответствующие опыты (В. Г. Булычева, Н. В. Лалетина, К. Терцаги и др.), для весьма рыхлых песков, со­вершенно не обладающих структурной прочностью, начальное дав­ление (рис. 13) q_о= 0 и D=0; для предварительно уплотненных пес­ков величина q_о≠0 и составляет некоторую долю от уплотняющего давления р₀, т. е. D = q_о = αр_о (причем, α

Дата добавления: 2016-06-02 ; просмотров: 5704 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Сжимаемость грунтов (физические представления).

Так как грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, теоретически при его сжатии должны уменьшаться объемы всех трех компонентов: твердых частиц, воды и воздуха (газа). Вследствие сравнительно небольших напряжений сжатия, возникающих обычно в основаниях сооружений, объемные деформации твердых частиц, состоящих из таких минералов, как кварц и полевой шпат, ничтожно малы. Поэтому их обычно не учитывают, считая, что изменение объема грунта при сжатии происходит только из-за изменения объема пор.

Вследствие упругих деформаций скелета (частиц) грунта, тонких пленок воды, расположенных между частицами, упругого сжатия пузырьков воздуха, а также сжатия поровой воды, содержащей растворенный воздух, могут происходить упругие изменения объема грунта. Упругие деформации грунта, как правило, во много раз меньше остаточных, развивающихся, когда напряжения в грунте превышают его структурную прочность. Остаточные деформации приводят к уплотнению — уменьшению пористости грунта.

Деформации уплотнения развиваются вследствие сдвигов (смещений) отдельных частиц относительно соседних, а также вследствие разрушения частиц, особенно в точках их контактов. Деформации уплотнения глинистых грунтов протекают медленно во времени. Это обусловлено, тем, что при уплотнении из пор водонасыщенного грунта сначала должна быть выдавлена вода. Без выдавливания воды из пор такого грунта он уплотняться не может, так как вода практически не сжимается. Процесс выдавливания воды из водонасыщенных глинистых грунтов протекает очень медленно вследствие их малой водопроницаемости. Кроме того, медленное развитие деформаций, как уплотнения, так и сдвигов обусловливается ползучестью связанной воды, окружающей твердые частицы, и ползучестью самого скелета грунта.

Источник