книги / Механика грунтов
..pdfтри характерные точки: 1, 2 и 3. Точка 1 соответствует н а ч а л ь ному г р а д и е н т у / н, до достижения величины которого еще нет фильтрации.
Как только напорный градиент достигнет величины / н, воз никнет фильтрация воды через 'слой глинистого грунта, но за висимость -скорости фильтрации # от величины напорного гра
диента еще |
на |
некотором |
|||
участке будет криволинейна, |
|||||
и лишь при достижении гра |
|||||
диентом величины |
/ пр |
(точ |
|||
ка 2) кривая переходит в |
|||||
прямую, т. е. для значений |
|||||
\>1 пр будет справедлив ли |
|||||
нейный закон |
фильтрации. |
||||
на |
Следует |
отметить, |
что |
||
величину |
начального |
||||
градиента |
при |
его |
|
малых |
|
значениях влияют |
продол |
||||
жительность действия |
напо |
||||
ра |
(сказывается |
вязкость |
|||
связанной |
воды), |
темпера |
|||
тура, а также сотрясения и |
|||||
вибрации. Поэтому при экс |
|||||
периментальном |
определе |
нии величины / н для |
иссле |
Рис. 30. Зависимость между скоростью |
||
дуемого глинистого |
грунта |
фильтрации |
и напорным |
градиентом |
опыты должны быть |
проде |
/ — для |
песка; / / — для |
глины |
|
|
|
ланы особо тщательно при исключении (или точной оценке) посторонних влияний. Кроме
того, как показывают соответствующие опыты, участок 1—2 часто бывает трудно обнаружить, и без большой погрешности можно принимать в практических расчетах изменение скорости фильтрации по ломаной кривой (0—Г —3), т. е. считать, что достижения напорным градиентом величины Гн фильтрация
практически отсутствует, а далее подчиняется линейному за кону, причем скорость фильтрации будет равна
Ч = к '( 1 - 1 'н). |
(38) |
Наконец, при дальнейшем возрастании градиента после до стижения им некоторой величины 1т (точка 3) зависимость между # и / не подчиняется закону прямолинейной фильтрации. Для иллюстрации изложенного приведены результаты несколь ких опытов С. А. Роза 1 по изучению фильтрации воды в глинах (табл. 8).
1 С. А. Р о з а . Осадки гидротехнических сооружений |
на глинах с ма |
лой влажностью. «Гидротехническое строительство» № 9, |
1950. |
Т а б л и ц а 8
Результаты опытов по изучению фильтрации воды в уплотненных глинах
Уплотняющая нагрузка в кг1см?
со 1 1 о
2—5
5 - 6
Конечная влаж |
Избыточный |
ное 1Ь в % |
напор в см |
32,5 |
50— 15 |
31 |
6 0 - 1 7 |
27,7 |
57—36 |
27 |
7 4 - 4 4 |
|
Линейная фильтрация |
||
угловой коэ ьфи- |
начальный |
||
циент к.' |
в см /ссь |
градиент |
|
1,05*10 |
-8 |
15 |
|
0,85*10 |
-8 |
20 |
|
0,65*10 |
-8 |
27 |
|
о |
о |
|
|
г |
31 |
||
|
|
|
П р и м е ч а н и е . Высота образцов глины принималась от 1,17 до 1,30 см.
Опыты также показали, что для большинства глин 1 уравне ние прямолинейной фильтрации применимо лишь для пластич ной их консистенции (при влажности, большей предела раска тывания); для глин же, влажность которых близка к пределу раскатывания, это уравнение неприменимо.
Таким образом, фильтрация воды в глинистых грунтах будет происходить лишь в зонах, где величина градиентов напора больше начального для данной глины градиента / н.
Влияние водопроницаемости на скорость сжатия
При описании компрессионных опытов отмечалось, что образ цы испытываемых грунтов должны выдерживаться при каждой нагрузке до полной стабилизации их осадок. Непосредственные наблюдения показывают, что для образцов грунта одних и тех же размеров (например, при высоте их, равной 1 ель) время пол ного затухания осадок измеряется от нескольких секунд (круп нозернистые пески) до нескольких дней (плотные глины).
Если все поры заполнены водой, то сжатие грунта без воз можности бокового расширения (в одометре) может происхо дить лишь за счет выдавливания воды из пор, и скорость уплот нения грунта будет зависеть главным образом от скорости выдавливания воды из пор. Для уяснения механизма этого про цесса рассмотрим модель сжатия грунтовой массы, т. е. водона сыщенного грунта, содержащего свободную воду.
1 При дальнейшем экспериментальном изучении этого вопроса, по-види мому, необходимо выделить в особую группу глины, адсорбирующие воду только внутренними поверхностями кристаллов, для которых начальный градиент будет весьма мал.
Представим себе сосуд, наполненный водой и закрытый поршнем ((рис. 31), имеющим несколько отверстий. Поршень поддерживается металлической пружиной, причем пружина мо жет быть упругой (например, стальной) или упруго-вязкой (на пример, свинцовой). Вода, находящаяся в сосуде-, будет изобра жать грунтовую воду, пружина—скелет грунта (упругий или уп руго-вязкий) и отверстия ;в поршне —•капилляры грунта. Понят но, что такая модель не будет полностью отображать сложней
шую |
природу |
реальных |
|
|||||||
грунтов, |
|
особенно |
|
глини |
Ркг/см г |
|||||
стых: в ней нет ни адсорб |
|
|||||||||
ционных |
оболочек |
воды |
во |
|
||||||
круг твердых |
частиц, |
ни |
|
|||||||
структурной |
связности |
ме |
|
|||||||
жду частицами и т. п. |
|
|||||||||
Однако |
|
основные |
элемен |
|
||||||
ты—-упругий |
|
или |
упруго |
|
||||||
вязкий |
скелет |
грунта |
(пру |
|
||||||
жина) и |
свободная |
вода, |
|
|||||||
заполняющая |
пространство |
|
||||||||
между |
скелетом |
грунта,— |
Рис. 31. Механическая модель сжатия |
|||||||
у такой |
модели |
есть, |
что и |
|||||||
грунтовой массы |
||||||||||
позволяет нам |
|
рассмотреть |
||||||||
|
|
|||||||||
общий |
|
процесс |
выдавли |
|
||||||
вания воды |
из |
пор водонасыщенных грунтов, находящихся в |
||||||||
состоянии грунтовой |
массы. |
|
Если к поршню приложить внешнюю нагрузку интенсив ностью р кг!см2, то в первый момент нагрузка будет переда ваться полностью на воду, так как для того чтобы пружина могла сжаться и воспринять некоторое давление, вода должна вытечь из сосуда. Если отверстия в поршне крупные, то вода вытечет быстро, а давление быстро передастся на пружину. Если же отверстия очень мелкие, то выдавливание воды будет чрезвычайно медленным, и полная деформация пружины прои зойдет лишь спустя длительное время. Чем меньше отверстия, тем медленнее будет происходить сжатие пружины. Через неко торый промежуток времени, который зависит от скорости выте кания воды, пружина полностью воспримет внешнюю нагрузку, что будет соответствовать состоянию равновесия в грунтовой массе. Описанная модель дает ясное представление о процессе сжатия грунтовой массы. Если снять внешнюю нагрузку с пор шня, то последний будет стремиться занять первоначальное по ложение, при этом соответствующее количество воды всасывает ся сосудом. Если пружина обладает не полной упругостью, то поршень не придет в первоначальное положение, и будет на-
блюдаться некоторая остаточная деформация, т. е. крявая набу хания не совпадет с кривой уплотнения.
Они-санный процесс сжатия в реальных грунтах осложнится рядо;м существенных влияний: неупрупими перемещениями и сдвигами частиц, расклинивающим действием тонких слоев ве ды, особенно в грунтах с чешуйчатой формой частиц, упругостью структурных связей (например, коллоидных) и другими обстоя тельствами, которые влияют на деформацию сжатия (уплотне ния) и набухания грунтов. Однако общий характер процесса уплотнения грунтов моделируется достаточно точно: так, для песчаных грунтов, имеющих относительно крупные поры, процесс уплотнения (в результате выдавливания воды, не учитывая сдви гов частиц и некоторой их перегруппировки) произойдет чрез вычайно быстро; для глинистых же грунтов, имеющих большое число очень мелких пор, этот процесс будет продолжаться весь ма долго. Таким образом, для всех водонасыщенных грунтов, содержащих в своих порах свободную воду, скорость уплотне ния будет зависеть от их водопроницаемости и фильтрационной способности. В природных глинистых грунтах первостепенное влияние на скорость фильтрации воды будет оказывать наличие адсорбированных слоев воды, которые, заполняя поры глины, вызывают в ней ряд особых явлений. Влияние адсорбированных слоев воды на водопроницаемость и уплотняемость глин требует особого изучения и рассматривается нами ниже.
Отмеченное при рассмотрении описанной модели сжатия грунтовой массы влияние водопроницаемости на скорость сжа тия подтверждается и результатами непосредственных опытов по изучению сжимаемости различных грунтов.
Так, на рис. 32 изображены кривые затухания осадок для трех образцов водонасыщенных грунтов, которые имеют оди наковые размеры и уплотняются одной и той же внешней на грузкой, но обладают разной водопроницаемостью. Кривая 1 изображает ход протекания во времени осадок слоя песка, кри вая 2 — суглинка и кривая 3 —глины. Из рассмотрения приве денных данных вытекает, что чем большей водопроницаемостью обладас'1- грунт, тем скорее протекает процесс его уплотнения.
Отметим, что кривые затухания осадок (подобные изобра женным на рис. 32) могут быть получены и расчетным путем при помощи хорошо разработанной в настоящее время теории фильтрационной консолидации грунтов 1.
В водонасыщенных грунтах сжатие сопровождается выдав ливанием воды из пор грунта. Движение же воды при постоян-
См. главу VI.
ной нагрузке происходит под действием гидростатического на
пора, равного весу столба воды, |
эквивалентного внешнему дав |
лению. Д е й с т в у ю щ и й на по |
р Я при сжатии грунта внеш- |
Рие. 32. Кривые протекания осадок во времени для грунтов различной водопроницаемости
1— песок: 2 — суглинок; 3— глина
пей нагрузкой интенсивностью р кг/см2 равен
Н = —
К
где Тв — объемный вес воды ( = 0,001 к г1 см 3).
Давление, например, в 2 " к г /с м 2 будет соответствовать напору
Н= — = 2000 см = 2 0 м ,
0,001
т . е. 20 м. во д . ст.
Эффективные и нейтральные давления в водонасыщенных грунтах
Как .вытекает из рассмотрения механической модели, изобра женной на рис. 31, при сжатии водонасыщенных грунтов сле дует учитывать две системы давлений: давление в скелете грун та, эффективно на него воздействующее (вызывающее сжатие
скелета, его уплотнение и пр.) |
и называемое э ф ф е к т и в н ы м |
||||||||
д а в л е н и е м |
рг, |
и давление, |
обусловливающее |
лишь |
напор |
||||
в воде, |
называемое н е й т р а л ь н ы м |
д а в л е н и е м |
Это |
||||||
|
|
|
|
давление не уплотняет |
и не упрочняет |
грунт, |
|||
|
|
|
|
а лишь создает напор в воде, вызывающий ее |
|||||
|
|
|
|
фильтрацию (выдавливание из пор грунта). |
|||||
|
|
|
|
В вбдонасыщенных грунтах для любого |
|||||
|
|
|
|
момента времени имеется следующее очевид |
|||||
|
|
|
|
ное равенство: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р = |
Р г + Р ^ |
|
(39> |
|
|
|
|
|
т. е. полное давление |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
_ _ _ Р |
|
|
Рис. |
33. |
Схема |
|
Р макс |
„ » |
|
|
||
|
|
|
Г |
|
|
||||
прибора |
для пояс |
(где Р — нагрузка на грунт, а Р — площадь его |
|||||||
нения |
эффектив |
||||||||
ных |
и |
нейтраль |
поперечного сечения) равно сумме эффектив |
||||||
ных |
давлений |
в |
ного давления р г и нейтрального р |
|
|||||
водонасыщенных |
|
Чтобы пояснить сущность эффективного л. |
|||||||
|
грунтах |
|
|||||||
|
|
|
|
нейтрального |
давлений, рассмотрим, |
следуя |
|||
|
|
|
|
проф. К. Терцаги, |
давления в |
тонком слое |
водонасыщенного грунта, уложенного в цилиндрический сосуд (рис. 33). Если к поверхности грунта приложить нагрузку интен сивностью р, например, в виде слоя свинцовой дроби или при помощи металлического дырчатого штампа, то произойдет сжа тие грунта, коэффициент пористости его уменьшится и, как по казывают соответствующие опыты, увеличится его сопротивле
ние |
внешним |
силам — сжатию, |
сдвигу |
и т. п. Таким образом, |
это |
давление |
будет оказывать |
э ф ф |
е к т и в н о е действие на |
грунт, почему и может быть названо эффективным давлением. Если же вместо нагрузки в сосуд налить воду до уровня, соот ветствующего высоте Н = р/7в> то давление в горизонтальном се чении образца также возрастет до величины увА (где ув — объемный вес воды).
Однако, как показано опытами Рендулика и Терцаги1, дав ление, обусловленное весом воды, передается на воду, не вызы вая сжатия водонасыщенного грунта, и не сказывается на дру гих его механических свойствах (сопротивлении сдвигу и пр.)^
1 К. Т е р ц а г и . Теории механики грунтов. Госстройиздат, 1961.
Поэтому это давление и называется н е й т р а л ь н ы м д а в л е н и е м / ^ *
'Нейтральное |
давление равно объемному весу воды ув, ум |
|||
ноженному на |
пьезометрическую высоту |
Н, т. |
е. |
|
|
Л » = |
ТвЛ. |
|
(а ,) |
Нейтральное |
давление рт |
передается |
через |
перовую воду, |
а эффективное |
рг — только через точки контакта твердых ча |
|||
стиц. |
|
|
|
|
Если нейтральное давление положительно, то оно называется н о р о в ы м д а в л е н и е м воды.
•Можно показать, что на любой глубине г, отсчитываемой от
поверхности водо,насыщенного грунта \ эффективное |
давление |
равно |
|
/» , = ( ? - Т в)г, |
(а2) |
где у —'Объемный вес водонасыщенного грунта. |
|
А так как по выражению (И") |
|
(т — Т.) = Т'.
то эффективное давление равно объемному весу грунта с учетом взвешивающего действия воды
Рг = Т'2- ( а з)
Таким образом, в рассматриваемом случае эффективное дав ление в скелете водонасыщенного грунта равно давлению от ве са столба взвешенного в воде грунта.
Установленные понятия об эффективном и нейтральном дав лениях можно распространить и на любые нормальные напря жения, действующие в водонасыщенном грунте.
В общем случаебудем иметь
о = о '4 -я, |
(40) |
т. е. полное напряжение о (иногда его называют тотальным на пряжением) в любой точке водонасыщенного грунта равно эф фективному напряжению а', передающемуся на скелет грунта, и нейтральному напряжению (поровому давлению) в воде и. Отсюда получаем, что эффективное напряжение равно разности между полным и нейтральным напряжениями, т. е.
|
|
|
о' = |
а - и . |
(40') |
Уравнение |
(40)или (40') |
формулирует |
одно из наиболее |
||
важных |
соотношений, |
используемых в механике грунтов.1 |
|||
1 К. |
Т е р ц а г и, Р. |
Пе к . Механика грунтов в |
инженерной практике. |
||
Госстройиздат, |
1958. |
|
|
|
§ 4. ТРЕНИЕ В ГРУНТАХ. ПРЕДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СДВИГУ. ЗАКОН КУЛОНА
Значение вопроса
Под действием внешних сил возникающие в грунтах напря жения, как было рассмотрено в предыдущем параграфе, скла дываются из эффективных напряжений в скелете грунта и из: нейтральных напряжений (гидростатического давления) в поровой воде. При некоторой величине нагрузки эффективные на пряжения могут оказаться такими, что преодолеют внутренние связи в грунте и трение между его частицами, и произойдет на рушение сплошности грунта в некоторой его области по воз можным поверхностям скольжения, а это в свою очередь мо жет явиться причиной нарушения прочности и устойчивости все го массива грунта.
Согласно существующим теориям прочности, которые обосно вываются соответствующими испытаниями, основным прочност ным показателем любых материалов, в том числе и грунтов, является их сопротивление сдвигу, зависящее от физического и напряженного состояний материалов. Если грунт в геологиче ском прошлом был подвергнут некоторым воздействиям, на пример внешнему давлению, то, будучи изъят из пласта, он почти не потеряет своей связности, так как поровая вода перей дет в состояние растяжения, и возникнет капиллярное давление в известной части (но, по-видимому, неполностью), эквивалент ное прежним воздействиям, или будет наблюдаться остаточная связность грунта как результат всех предыдущих на него влия ний. Сопротивление сдвигу грунтов и будет складываться из со противления трению твердых частиц по поверхностям скольже ния, что является характерной особенностью именно для грун тов как рыхлых горных пород, и из сопротивления связности,, причем для сыпучих грунтов только из сопротивления трению.
Вопрос о сопротивлении сдвигу грунтов и характеризующих его закономерностях является координальным в механике грунтов; ему посвящено значительное число исследовательских работ как в прежние годы, так и в настоящее время1, что вызы вает необходимость подробно остановиться на результатах изу чения этого вопроса, отметив его чрезвычайную важность для практики строительства.
|
1 Достаточно указать, что первые работы по сопротивлению сдвигу грун |
|||||
тов |
появились |
уже |
во второй половине 18 в. (работы Кулона, |
1773 и др.), |
||
а в 1960 г., например, |
исследованию сопротивления связных грунтов сдвигу бы |
|||||
ла |
посвящена |
целая |
международная конференция (США, Колорадо), докла |
|||
ды |
на которой |
в кратком изложении опубликованы |
в трудах |
конференции |
||
на |
1164 страницах текста. «КезеагсЬ. Согйегепсе оп зЬеаг зПепдШ |
о! |
СоЬез1Уе |
|||
зоПз». А т. зос, о! О у. Еп^. итуегзК у о! Со1огас1о, |
ВоиЫег, 11 |
3. |
А., 1960. |
Оценка сопротивления сдвигу грунтов имеет огромное прак тическое значение, так как без знания характеристик сопротив ления сдвигу невозможны расчеты прочности и устойчивости грунтов и давления их на ограждения. Определение предельных нагрузок в основаниях сооружений, прогноз устойчивости отко сов при оползнях природных склонов и устойчивости земляных сооружений; определение давления грунтов на ограждения (в том числе на подпорные стенки и в горных выработках) — все это базируется на экспериментально устанавливаемой зави симости между давлением и сопротивлением грунтов сдвигу.
Сопротивление грунтов сдвигу изучается в условиях предель ного напряженного состояния, соответствующего незатухающим скольжениям (сдвигам) одной части грунта по другой. Сопро тивление сдвигу в несвязных (сыпучих) грунтах возможно толь ко как сопротивление внутреннему трению их частиц между собой. В связных же грунтах, частицы которых связаны между собой адсорбированными пленками воды, коллоидами, цементи рующими веществами и пр. так, что они способны сопротив ляться всестороннему растяжению, сопротивление сдвигу скла дывается из трения частиц грунта и сил сцепления, только при преодолении которых и может возникать скольжение (сдвиг) одной части грунта по другой.
В сопротивление грунтов сдвигу всегда входит сопротивле ние их трению, что вообще присуще только дисперсным мате риалам в отличие от массивных горных пород и других оплош ных твердых тел, сопротивление сдвигу которых определяется (особенно в момент начала скольжения) лишь аилами сцепле ния. Таким образом, сопротивление грунтов сдвигу следует рас сматривать как более сложное явление, чем сопротивление сдвигу оплошных твердых тел.
Трение грунта представляет собой сопротивление взаимному сдвижению частиц и является функцией нормального давления, передаваемого на твердый • скелет грунта. Трение между твер дыми частицами грунта, насыщенного водой, будет возникать лишь от эффективных давлений, передающихся на скелет грун та. Для крупнозернистых грунтов с жестким скелетом, процесс сжатия которых протекает весьма быстро, практически сейчас же после загрузки образца давление полностью передастся на скелет грунта. При испытании такого образца на сдвиг в нем полностью проявляется внутреннее трение.
Для глинистых грунтов величина трения зависит от того, ка кая часть внешней нагрузки передалась на скелет грунта. Если на скелет грунта передается не вся нагрузка, а часть ее воспринимается водой, заполняющей поры грунта, то в грунте будет наблюдаться уменьшенное сопротивление трению. Так, на
пример, если разжиженную глину нагрузить и сейчас же под вергнуть образец сдвигу, то он даст незначительное сопротив ление; если же выждать до полного затухания осадки грунта под нагрузкой, то тот же образец даст значительно большее со противление сдвигу.
Насколько важен вопрос о правильном выборе величины расчетных характеристик сопротивления сдвигу, показывают следующие примеры.
Устойчивость канала в выемке глубиной 5 ж при коэффи циенте запаса 1,3, как показал соответствующий расчет1, потре бовала заложения откосов 1 : 4. Если же учесть сцепление грун та, равное всего лишь 0,05 кг/см2, то по условию устойчивости с тем же коэффициентом запаса будет достаточен откос с зало жением 1 : 1,5, что позволяет сократить объем земляных работ на 61 500 ж3 на каждый километр канала.
Наряду с этим введение в расчет преувеличенного значения угла внутреннего трения (например, при определении давления грунтов на подпорные стенки) идет в ущерб запаса прочности и может привести к нежелательным деформациям сооружений. Так, например, известен случай при возведении набережной Об водного канала в Ленишпраде, ко1дда в .расчете был принят не сколько завышенный (примерно на 30%) угол трения грунта, что вызвало оползание участка набережной длиной 100 ж.
Из указанных примеров ясно, что установление правильной величины расчетных характеристик сопротивления грунтов сдви гу имеет первостепенное значение для практики.
Понятие о трении и скольжении в грунтах
Рассмотрим элементарную задачу. Допустим на некоторой площадке, наклоненной под углом 6 к горизонту, покоится те ло М весом Р (рис. 34). Разложим силу Р на две составляю щие: Рп>перпендикулярную к площадке, и Р(, параллельную ей Составляющая Р ( будет стре миться сдвинуть тело М вниз по наклонной площадке, а со ставляющая Р п будет прижи мать тело М, вызывая противоположныё движению силы трения, которые, как известно
|
|
1 А. А. |
Н и ч и п о р о в и ч . |
Со |
Рис. 34. Схема сил, действующих на |
противление |
связных грунтов сдвигу |
||
при |
расчете |
гидротехнических |
соору |
|
.твердое тело -при скольжении его по |
жений на устойчивость. Госстройиз- |
|||
наклонной плоскости |
дат, |
1948. |
|
|