книги / Механика грунтов
..pdfма медленно протекающих физико-химических процессов, сопро вождающихся, например, старением коллоидов и т. п.-, не имеют, как правило, существенного значения при оценке сжимаемости
о с н о в а н и й |
с о о р у ж е н и й , но в отдельных |
случаях долж |
|||
ны учитываться, что требует особого рассмотрения. |
|||||
Основным же процессом, обусловливающим сжимаемость |
|||||
грунтов |
в основаниях |
сооружений, |
является |
у п л о т н е н и е |
|
грунтов |
под |
действием |
сжимающей |
нагрузки, |
т. е. п р о ц е с с |
п е р е г р у п п и р о в к и т в е р д ы х ч а с т и ц , с о п р о в о ж д а ю щ и й с я у м е н ь ш е н и е м п о р и с т о с т и г р у н т о в и у в е л и ч е н и е м их п л о т но с т и . Уплотняемость грунтов в сотни и тысячи раз превосходит уплотняемость жидких и твер дых тел и должна полностью учитываться при проектировании сооружений, особенно с учетом деформаций их основания.
'Различают у п л о т н е н и е |
грунтов м е х а н и ч е с к о е при. |
|
кратковременных динамических нагрузках |
и общее у п л о т н е |
|
ние ( компре сс ию) при |
длительном |
действии постоянных |
нагрузок. |
|
|
Процессы механического уплотнения грунтов рассматриваются в специальных трудах1 дорожной механики грунтов. Здесь мы лишь отметим различное поведение песков и глин при действии на них динамических нагрузок и основное внимание уделим об щему уплотнению грунтов при длительных нагрузках.
Динамические нагрузки (вибрационные, ударные и пр.), как правило, вызывают значительное уплотнение песчаных грунтов, особенно мелкозернистых. Глинистые же грунты от динамиче ских нагрузок уплотняются очень мало. Однако при длительно действующих нагрузках наблюдается как раз обратное явление: песчаные грунты уплотняются очень мало, тогда как глини стые — очень сильно, причем уплотнение их протекает медлен но и зависит ют скорости выдавливания воды из пор грунта. Эта разница объясняется различной природой структурных свя зей в этих двух основных видах грунтов.
Песчаные грунты имеют жесткие контакты между твердыми минеральными частицами, непосредственное сжатие которых под действием внешней нагрузки незначительно. Если же грунты подвергаются динамическим нагрузкам, то трение в точках кон тактов жестких зерен нарушается, происходит скольжение одних зерен по другим, более мелкие зерна попадают в поры между более крупными зернами, что вызывает переупаковку частиц в более плотное сложение, в результате уменьшается пористость грунта и увеличивается его плотность.
1 А. К. Б и р у л я и др. Уплотнение |
грунтов. Труды Харьковского авто |
|
дорожного |
института, вып. 10, 1950. Е. |
М. К у п р и я н о в . Уплотнение и |
просадки |
грунтов. Госстройиздат, 1954. |
|
В .водонасыщенных же песках, особенно мелкозернистых рыхлых, динамические воздействия, создавая напор в воде, поч ти мгновенно передающийся в грунтах на значительные рас стояния, нарушают опирание отдельных песчинок в точках их контакта, и рыхлый песчаный грунт внезапно может превра титься в тяжелую жидкость, в которой тонут все предметы, ра нее несшие даже значительную нагрузку, а масса грунта рас плывется с уклонов порядка нескольких градусов. Явление вне запного разжижения водонасыщенных мелкозернистых песков имеет особо важное значение при оценке устойчивости земля ных сооружений и должно учитываться полностью1.
В водонасыщенных глинистых грунтах напор воды, возни кающий при динамических воздействиях, вследствие чрезвычай но малой их водопроницаемости, погашается на весьма близком расстоянии, и разжижения не происходит.
Д е й с т в и е же п о с т о я н н о й н а г р у з к и вызывает в связных глинистых грунтах целый ряд физических и механиче ских процессов, приводящих к у п л о т н е н и ю и перестройке структуры этих грунтов. При этом процесс уплотнения связных грунтов, имеющих лишь водно-коллоидные связи, будет проис ходить одним путем, а при наличии, кроме того, и жестких це ментационных связей — иным.
В первом случае, что наблюдается, например, в глинистых илах, уплотнение их под нагрузкой будет происходить с самых начальных ступеней нагрузки без разрушения структурных свя зей за счет сжатия диффузных оболочек коллоидных частиц, так как структурные связи у этих грунтов вязко-пластичные, а не жесткие. Сжатие диффузных оболочек и выдавливание не которого количества связанной воды из контактов твердых ча стиц сопровождаются взаимным смещением твердых частиц, разрушением некоторых существующих ранее структурных свя зей и возникновением новых. Существенное значение здесь при обретает ползучесть скелета грунта и пленок связанной воды.
Во втором случае, т. е. в грунтах, имеющих жесткие цемен тационные связи, пока действием внешней нагрузки не разру шены структурные связи, уплотнение будет незначительным, а явление ползучести и выжимания воды из пор грунта будет не
существенно. |
по л з у ч е с т и, о б у с л о в л е н н о й |
При возникновении |
|
с д в и г а м и ч а с т и ц , |
протекание деформаций происходит без |
повышения давления в воде, и определяющим является соотно шение между скоростью ползучести и водопроницаемостью грунтов 2.
1 П. |
Л. |
И в а н о в . |
Разжижение песчаных грунто-в, |
Госэнергоиздат, |
1962. |
2 В. |
А. |
Ф л о р и н . |
Основы механики грунтов, т. |
I, 1959; т. II, |
1961. |
Госстройиздат.
Если же нагрузка на структурный связный грунт будет тако ва, что структурные связи разрушатся, то возникнет значитель ное у п л о т н е н и е грунта, сопровождающееся выдавливанием воды из его пор. Последнее, однако, может быть лишь при опре деленной величине внешней нагрузки, вызывающей в поровой воде определенной величины напор. Если напор в воде меньше некоторой начальной величины, то никакого выдавливания воды из пор грунта не произойдет, а возникнет лишь внутриобъемное ее перераспределение.
Таким образом, уплотнение связных грунтов, насыщенных водой, возникает лишь при определенной величине внешнего давления, которая больше структурной связности грунтов, и со провождается при соответствующем напоре выдавливанием во ды из пор. Для водопроницаемых же несвязных грунтов нару шенной структуры уплотнение происходит при любой величине постоянной нагрузки.
Зависимость между влажностью и давлением в грунтовой массе
Изучение уплотнения грунтов под действием внешней нагруз ки, т. е. определение изменений их пористости под давлением, необходимо проводить так, чтобы кроме внешней нагрузки на поверхность испытываемого образца другие силы не действова ли. Казалось бы, что никакие" силы кроме внешней нагрузки и не действуют на поверхность нагруженного образца, однако в дисперсных грунтах, поры которых частично или полностью заполнены водой, могут известным образом сказываться и ка пиллярные силы. Последние всегда возникают, если влажность грунта превышает его максимальную гигроскопичность. В этом случае при неполном заполнении пор водой мениски воды бу дут находиться внутри грунта, создавая внутреннее капиллярное давление; при полном же заполнении пор водой мениски будут располагаться на поверхности грунта, обусловливая внешнее капиллярное давление, интенсивность которого в ряде случаев может превысить интенсивность внешней нагрузки. Так, проф. С. И. Долгов в своем труде о подвижности почвенной влаги1 говорит: «Верхние слои лиосорбироваиной влаги удерживаются
весьма |
незначительными сорбционными давлениями (менее |
1 ат)у а |
капиллярные давления, развивающиеся при этих сте |
пенях увлажнения почвы, оказываются во много раз превышаю щими их». Исследования С. И. Долгова по изучению распреде ления влаги в почвенных колонках при влажности, соответ ствующей наименьшей влагоемкости, установили преимущест
1 |
С. И. Д о л г о в . |
Исследование подвижности влаги и ее доступности |
для |
растений. Изд-во |
АН СССР, 1948. |
венно менисковый (капиллярный) характер взаимодействия во ды и почвы.
Ори испарении воды с поверхности образца, испытываемого на сжимаемость, как показывают непосредственные наблюдения, уменьшается объем грунта, что происходит в результате умень шения его пор. Уменьшение размера капилляров вызывает новое увеличение капиллярных сил при наличии свободной поверх ности воды и увеличение общей связности грунта (особенно в глинах) вследствие уплотнения сольватных гелеобразных обо лочек частиц. Таким образом, капиллярные силы и увеличение связности грунта при понижении влажности могут совершенно изменить напряженное состояние, что не дает возможности изучить действие внешней нагрузки на уплотнение грунта в чи стом виде.
Однако нельзя придавать того исключительного значения капиллярным силам и вызываемому ими капиллярному давлению, какое придавал К. Терцаги, указывавший на возможную величину капиллярных сил в глинах до 342 кг1см2 и высоту капиллярного поднятия воды в них до не скольких сотен метров, чего никто никогда не наблюдал в на туре. Следует также иметь в виду, что определить точно ве личину капиллярных сил, действующих на образец грунта, осо бенно при неполном заполнении пор водой, весьма затрудни тельно, тем более если величина этих сил будет возрастать по мере высыхания грунта.
Поэтому было предложено изучать уплотняемость грунтов в условиях их полного насыщения водой и полного снятия ка пиллярных сил, что достигается путем насыщения образца грунта водой в условиях невозможности его разбухания и даль нейшего проведения испытаний под водой. Таким образом, сжи маемость грунтов изучается на водонасыщенных образцах, т. е. в условиях, когда все поры грунта заполнены водой.
Это правило, однако, не исключает проведения специальных опытов, особенно для грунтов структурных, по изучению их сжи маемости при сохранении природной влажности.
Как указывалось ранее, при изучении сжимаемости грунтов сжатием минеральных частиц и поровой воды вследствие их от носительно малой величины можно пренебречь. Действительно, коэффициент объемного сжатия дистиллированной воды равен 0,00047 см2/кг, а гранита — 0,000006 см2[кг. Отсюда следует, что если в инженерных расчетах мы пренебрегаем сжимаемостью воды, то с еще большим основанием при изучении уплотняемости грунтов мы можем пренебречь и сжимаемостью минераль ных зерен грунта х.
’ К. Т е р ц а г и . Теории механики грунтов. Госстройиздат, 1961.
Таким образом, сжимаемость грунтов в дальнейшем рассмат ривается как изменение объема грунта лишь в результате изме нения объема его лор (точнее изменения величины коэффициен
та пористости). |
с л о я г р у н т а |
равномерно распре |
Рассмотрим с ж а т и е |
||
деленной нагрузкой без |
в о з м о ж н о с т и |
его . б о к о в о г о |
р а с ши р е н и я . В таких условиях образец будет только уплот няться, причем любой слой грунта, отсеченный плоскостью, па раллельной ограничивающей, будет испытывать лишь равномер ное сжатие силами, равными интенсивности внешней нагрузки
Рис, 16. Схема сжатия слоя грунта без возможности его бокового расширения
а — в жестком кольце; б — при сплошной нагрузке
Сжатие слоя грунта без возможности его бокового расши рения может быть осуществлено в сосуде с жесткими стенками (рис. 16,а) и в натуре будет соответствовать действию сплошной равномерно распределенной нагрузки (рис. 16,6).
Как показывают опыты, при увеличении давления на поверх ность грунта, насыщенного водой и находящегося в условиях не возможности бокового расширения, коэффициент пористости и влажность грунта уменьшаются. Между давлением и влаж ностью грунта экспериментально может быть установлена опре деленная зависимость. Особенно просто эта зависимость может быть получена для маловодопроницаемых грунтов, например глинистых, для которых в момент снятия нагрузки влажность испытываемого слоя грунта практически не изменяется. Если подвергать слой глины, насыщенной водой, различным давле ниям, причем каждую ступень нагрузки давать лишь после пол ного затухания осадок от предыдущей ступени, то каждой сту пени нагрузки в глине будет соответствовать определенная влажность.
Результаты такого рода испытания могут быть по точкам на несены на график и соединены плавной кривой. Полученная та ким образом диаграмма зависимости между влажностью и дав
лением (рис. 17), ка'К указывалось выше, может быть экспери ментально подучена только для маловодо'проницаемых глини стых грунтов, для которых она является характернейшей зави симостью.
Опишем несколько подробнее процесс сжатия грунта, насы
щенного водой, |
ограничив рассмотрение только гру |
. нтовой |
м а с с о й , т. е. |
полностью водовасыщенньим грунтом, |
в порах |
которого содержится с в о б о д н а я гидравлически непрерывная вода.
М°/о
Р'ис. 17. Экспериментальная зависимость между влаж ностью и давлением для глин (компрессионная кривая)
При действии сжимающей (уплотняющей) нагрузки на обра зец грунтовой массы с нагруженной поверхностью, покрытой фильтром (например, слоем песка), начинается интенсивное вы давливание воды из пор грунта. При этом часть давления, пере дающаяся на твердые частицы, все время возрастает, прибли жаясь в пределе к величине внешнего давления, а часть, создаю щая напор в воде, уменьшается, стремясь к нулю. Во время всего процесса уплотнения внешнее давление будет равно сумме дав лений в скелете грунта и грунтовой воде. Когда все давление будет передано на скелет грунтовой массы, сжатие ее прекра щается. Проф. Н. М. Герсеванов1, исследуя процесс сжатия грунтовой массы, приходит к выводу, что «каждому давлению в грунтовом скелете (т. е. давлению, которое передается от одной
1 |
Н. М. |
Г е р с е в а н о в . Основы динамики грунтовой массы. Госстрой- |
издат, |
1937, |
стр. 28—31. |
минеральной частицы к другой) соответствует определенная ве личина влажности грунтовой массы. Это соответствие выпол няется как при статическом состоянии, так и в любой момент динамического состояния грунтовой массы».
Время сжатия грунта, насыщенного водой, зависит от скоро сти выдавливания воды из пор грунта, обусловливаемой его во допроницаемостью, и для лабораторных образцов (толщиной 1—3 см) будет измеряться величиной от нескольких часов (су глинки) до нескольких дней (глины). Однако, как показали ис следования С. А. Роза1, даже после прекращения выдавливания воды из пор грунта деформация образцов продолжает нара стать. Это особенно четко можно установить при наблюдениях над образцами из супесчаных грунтов, процесс выдавливания воды из которых по условию их водопроницаемости должен заканчиваться в течение нескольких секунд и минут, тогда как, по данным проф. Роза, последние 5% осадки этих грунтов зани мают несколько часов. Данное обстоятельство объясняется от ставанием процесса деформации, так как при уплотнении кроме выдавливания воды из пор происходит и объемное сжатие ске лета грунта, на что, как указывает проф. Г. И. Покровский2, также требуется определенное время, иногда большее времени выдавливания воды из пор грунта. Таким образом, исследова ния указывают на ошибочность взгляда, согласно которому весь процесс уплотнения происходит только за счет выдавлива ния воды из пор грунта. Здесь будут и другие явления, также требующие для своего завершения известного промежутка вре мени.
Так, в процессе сжатия грунтовой массы существенно сказы вается п о л з у ч е с т ь с к е л е т а грунта и с в я з а н н о й воды. Процесс сжатия протекает весьма медленно, при котором на блюдается постепенное выдавливание связанной воды и гелеподобных коллоидных пленок в контактах минеральных частиц, а также наблюдаются сдвиги одних минеральных частиц по дру гим, способствующие более плотной их упаковке и перестройке структуры уплотняемого грунта. Процесс ползучести может не прекратиться и после почти полного выдавливания воды из пор
грунта, что носит название в т о р и ч н о г о |
э ф ф е к т а времени, |
|
так называемой |
в т о р и ч н о й к о н с о л и д а ц и и , или по Гер- |
|
севанову «ве ковой о с а д к и» грунта3. |
|
|
1 С. А. Р о з а . |
Изучение уплотняемости и |
несущих свойств грунтов, |
слагающих основание сооружений. Ленгидэп, 1947. |
|
|
2 Г. И. П о к р о в с к и й . О физических принципах расчета деформаций |
грунтов. Материалы Всесоюзного совещания по основаниям и фундаментам
ВНИТО |
строителей, |
1939. |
|
|
|
3 Н. М. Г е р с е в а н о в , Д. Е. |
П о л ь ш и |
н. Теоретические |
основы ме |
||
ханики |
грунтов и их |
практические |
применения. |
Госстройиздат, |
1948, стр. 201 |
Таким образом, определяемые в практике испытаний грун тов кривые зависимости между влажностью и давлением будут характеризовать лишь основную часть уплотнения, некоторая же часть уплотнения (порядка нескольких, а иногда и более процентов от полного уплотнения) не может быть учтена обыч ными испытаниями вследствие явления вторичной консолида ции грунтов, содержащих связанную воду.
Однозначная зависимость между влажностью и давлением, как показывают соответствующие исследования, получается только для грунтовой массы. Если же грунт неполностью насы щен водой, например содержит только гигроскопическую воду или лиосорбированную, но в количестве, меньшем полной влзгоемкости грунта, то, как показали исследования проф. Н. Я Денисова1, существенное значение приобретают цементацион ные связи и степень доступности поверхности частиц для моле кул воды. Сжатие таких грунтов в условиях невозможности бо кового расширения начинается при той нагрузке, которая пре одолевает давление набухания, обусловленное расклинивающим эффектом тонких слоев воды, или же вызывает разрушение це ментационных связей частиц, что делает возможной передвижк\ частиц и переход их к более устойчивому положению и более плотной упаковке.
Отметим условия, которым должны удовлетворять испытания грунтов на сжимаемость, во избежание грубых ошибок:
1)отношение высоты уплотняемого образца к его диаметр) должно быть возможно меньшим (обычно оно принимается рав ным хи)у чтобы не было влияния сил трения по боковым стен кам прибора;
2)учитывая условия парообразования и газовыделения в грунтах, вычислять промежуточные влажности следует только исходя из конечной влажности, определяемой непосредственным
высушиванием после окончания испытания образца;
3)насыщение грунта водой должно производиться при невоз можности его разбухания;
4)испытание монолитов грунта должно производиться толь ко после загрузки их природным давлением.
Зависимость между давлением и коэффициентом пористости
Об ще й з |
а к о н о м е р н о с т ь ю , характеризующей сжимае • |
мость грунтов |
при действии постоянной внешней нагрузки, я в- |
л я е т с я экспериментально определяемая з а в и с и м ость меж
1 Н. Я. |
Д е н и с о в . |
О природе деформаций глинистых |
пород. |
Известия |
АН СССР, |
ОТН, № 6, |
1946; Известия АН СССР, т. 52, |
№ 7, |
1946. |
ду д а в л е н и е м и к о э ф ф и ц и е н т о м п о р и с т о с т и грунта. Эта зависимость получается при испытании образцов грунта без возможности бокового расширения и является одной из основных в .механике грунтов.
Так как коэффициент пористости е в грунтах, все поры которых заполнены водой, согласно формуле (9), равен весо
вой влажности до, умноженной на удельный вес грунта |
7у, |
то диаграмму зависимости между влажностью и давлением можно заменить диаграммой зависимости коэффициента пори стости от давления, для чего достаточно ординаты первой кри вой до умножить на постоянную величину, равную удельному весу частиц грунта ?у (рис. 17).
Зависимость между коэффициентом пористости и давлением, характеризующая изменение коэффициента пористости при из менении давления, является более общей, чем зависимость меж ду влажностью и давлением.
Хотя влажность .песчаных и вообще крупнозернистых грунтов в процессе уплотнения под нагрузкой и изменяется, но устано вить эти изменения непосредственными опытами невозможно, потому что, как только нагрузка будет снята с испытываемого образца, объем пор грунта увеличится и быстро поглотит новое количество воды; если же слить воду из сосуда, в котором на ходится образец, то вода вытечет и из пор грунта. Определение же для крупнозернистых грунтов изменения коэффициента по ристости при увеличении давления, так же как и для всех других видов грунтов, может быть произведено вычислением по резуль татам измерения деформаций испытываемого слоя грунта.
Если обозначить: |
|
|
|
|
|
ен —- начальный |
коэффициент пористости, |
определяемый |
по |
||
формуле (5) по известным для данного монолита грунта: |
|||||
объемному |
весу у, удельному |
весу |
ту и |
естественной |
|
влажности до; |
|
|
|
|
|
|
___Ту— Тс |
|
|
|
|
|
н---------- |
|
|
|
|
|
Тс |
|
|
|
|
где |
Т . |
|
|
|
|
Т с = 1+ до |
|
|
|
|
|
г/ — коэффициент пористости грунта |
при любой |
ступени |
на |
грузки; —полная осадка образца, испытываемого в компрессионном
приборе (одометре), без возможности бокового расшире ния грунта при данной ступени нагрузки рр измеренная от начала загружения;
—'Полное изменение пористости (объема пор) грунта от на чала загружения при данной ступени нагрузки.
то, учитывая, что уменьшение коэффициента пористости при на грузке р1 будет равно — (где т —объем твердых частиц об разца грунта), можно написать следующее равенство:
Ь= ВИ---. (а»)
ТП
Обозначив начальную высоту образца грунта через Н, площадь поперечного сечения образца через Р, приняв во внимание, что изменение пористости грунта Ап} во всем образце, испытывае мом без возможности бокового расширения, численно равно про-
изведению относительной осадки грунта — |
на его объем РН, |
Н |
|
будем иметь |
|
ДП г = ^нР Н . |
(а2) |
А так как объем твердых частиц в объеме испытываемого об |
|
разца грунта, учитывая выражение (7), равен |
|
п г = 7 7 — Р Ь , |
( а 3 ) |
1 + ен |
|
то, подставляя выражения {а®) и (аз) в (а^, окончательно по лучим
•, = «н - ( 1 + ен)-5-. |
(22) |
н |
|
Формулой (22) и пользуются при получении данных для |
пост |
роения зависимости между давлением и коэффициентом пори стости грунта (рис. 17). Эта зависимость характеризует спо собность данного вида грунта уплотняться под действием внеш
ней |
нагрузки ив механике грунтов получила названиедиаграм |
мы |
пористости, к о м п р е с с и о н н о й з а в и с и м о с т и или |
к о м п р е с с и о н н о й кривой . Она может быть получена для всех видов (сыпучих, связных, а также для любых других дис персных) грунтов.
Компрессионная кривая имеет две ветви: первую, получае мую при возрастании нагрузки на грунт и называемую к р и в о й у п л о т не н и я , и вторую, получаемую при нагрузке образца и называемую кривой р а з у п л о т н е н и я , или кривой н а б у х а * н и я.
Опыты показывают, что процесс уплотнения и процесс набу хания грунтов необратимы, т. е. кривая уплотнения не совпа дает с кривой набухания.
Если образцу грунта нарушенной структуры придать конси стенцию, соответствующую пределу текучести, и подвергнуть та