книги / Механика грунтов

Для «рассматриваемого случая максимальное давление капил­ лярной (воды, (передающееся на скелет «грунта, будет равно н противоположно по знаку максимальным растягивающим напря­ жениям в воде у (поверхности 'менисков при йа=0, т.е.

или

Таким образам, капиллярное давление в грунте, не обладаю­

©много (веса воды иа расстояние от (поверхности менисков до уровня грунтовых вод.

Определим напряжение в скелете грунта для горизонтальной площадки, например, у точки а. Проведем горизонтальное сече­ ние через точку а. Из условия равновесия вытекает, что сумма давлений на скелет грунта ра и гидростатического давления во­ ды р тУ также передающегося на скелет грунта, должна быть равна сумме давлений от внешней «нагрузки, «веса грунтового скелета и веса воды. Принимая во внимание, что объем грунто­

или, 'подставляя значение рт из выражения (б) и решая урав­ нение (в) относительно ра, после несложных преобразований бу­ дем иметь

Если таким же (путем определить давление в любой другой точке грунтовой массы, например в точке Ь или с, то получим, что легко 'можно доказать, прежнее выражение, в котором лишь необходимо заменить во втором члене величину На величиной !гь

или Нс. Во втором члене выражения (г) величина ХЕЕ!Тв пред­

ставляет собой объемный вес грунта, облегченный весом вытес­ ненной им воды [см. формулу (И) ], а третий член — капилляр­ ное давление р к— ув/г.

На основании изложенного приходим к следующим положе­ ниям:

1) для статического состояния грунтовой массы давление в скелете грунта на любой глубине складывается из трех давле­ ний: от внешней нагрузки, собственного веса грунтового скелета, облегченного весом вытесненной им воды, и капиллярного дав­ ления;

2) при расчете давления от собственного веса грунта всегда, когда имеем дело с грунтовой массой, надо вес частиц грунта принимать с учетом взвешивающего действия воды, т. е. при вы­ числении давлений в скелете принимать удельный вес грунта равным ту Тв

3)при расчете конструкций фундаментов часть фундамента, опущенную ниже уровня грунтовых вод, следует всегда считать облегченной весом вытесненного объема воды;

4)в случае заглубления подошвы фундаментов ниже поверх­ ности менисков, но выше уровня грунтовых вод при расчете дав­ лений в скелете грунта необходимо учитывать добавочную на­

грузку— вес столба капиллярной воды от подошвы фундамен­ та до уровня грунтовых вод.

Формула (34) дает значение величины капиллярного давле­ ния для водонасыщенных несвязных грунтов, содержащих в по­ рах свободную гидравлически непрерывную воду. Если вырезать из такого грунта некоторый его объем, то целость, или связность его будет поддерживаться в с е с т о р о н н и м к а п и л л я р н ы м д а в л е н и е м .

.Однакр на практике встречается целый ряд глинистых грун­ тов, связность которых нельзя определять выражением (34), так как многие грунты, помимо капиллярных, обладают молекуляр­

ными и другими связями, сложными по своей физической при­ роде. Определение 'связности таких грунтов представляет особую задачу.

В ряде (практических приложений механики грунтов требует­ ся знать порядок величин сил, действие которых может заменить связность грунта, обусловленную его (уплотнением. Такими эк­ вивалентными силами могут быть капиллярные, поэтому среднее значение-этих сил мы и называем э к в и в а л е н т о м к а п и л ­ л я р н о г о д а в л е н и я .

Эквивалент капиллярного давления можно определить не­ сколькими способами: по компрессионной кривой нарушенной и естественной структуры и непосредственными измерениями на специальные приборах.

Пе р в ы й с по с о б применяется для грунтов, подвергавших­ ся лишь гравитационному уплотнению в водных бассейнах, и заключается в определении эквивалента капиллярного давле­ ния по величине природного коэффициента пористости и по дан­ ным г л а в н о й в е т в и к о м п р е с с и о н н о й к р и в о й (на­ рушенной структуры). Если мысленно выделить из грунта кубик, то можно считать, что капиллярное давление будет со всех сто­ рон одинаково, а следовательно, сумма главных напряжений от действия только капиллярных сил (гидроемкость грунта) будет равна

0 = °Х + ау + аг = 3/?к,

где Рк —эквивалент капиллярного давления.

Сравнивая гидроемкость элемента грунта, сжимаемого в компрессионном приборе, с гидроемкостью грунта, находящегося в природных условиях, и принимая во внимание формулу (33),

ной ветви компрессионной кривой как давление, соответствую­ щее коэффициенту пористости образца грунта естественной не­ нарушенной структуры (рис. 28).

ра, не позволяющего грунту разбухать, начинает при увеличении нагрузки деформироваться. Увлажнение грунта производится снизу, причем все давление набухания передается на упоры, и при дальнейшем постепенном нагружении образца деформация его обнаруживается только тогда, когда внешнее давление будет равно давлению набухания, приравниваемому в данном случае эквиваленту капиллярного давления. Если вычертить для дан­ ного случая компрессионную кривую, то точка ее перегиба (рис. 29) и будет приближенно определять величину эквивален­ та капиллярного давления рк.

Понятие «давление связности»

Связность грунтов определяется, однако, не только рассмот­ ренным выше капиллярным давлением, но и многими другими причинами, главнейшими из которых будут водно-коллоидные и цементационно-кристаллизационные связи.

Общую связность дисперсных грунтов можно рассматривать как результатирующее действие некоторых внутриобъемных сил, обусловленное действием уплотняющих давлений, электромоле-

Объем воды, (протекающей параллельными струями через во­ допроницаемое тело, (по Дарси (1885 г.) будет пропорционален гидравлическому (уклону, времени и площади поперечного се­ чения тела, т. е.

/— гидравлический уклон или градиент, равный отноше­ нию потери напора к длине пути фильтрации;

фильтрации воды в порах грунта прямо пропорциональна гид­ равлическому градиенту, т. е. отношению потери напора к дли­ не пути фильтрации.

При изучении скорости уплотнения грунтов напор создается внешней нагрузкой, которая и обусловливает выдавливание (фильтрацию) воды из пор грунта. Отметим, что скорость филь­ трации не есть действительная скорость движения воды в порах. Среднюю скорость движения воды «можно получить, разделив расход воды через, единицу поперечного сечения грунта на пло­

Коэффициент фильтрации к равен скорости фильтрации при гидравлическом градиенте I, равном единице. Так как I — отвле­ ченное число, то коэффициент фильтрации, или коэффициент водопроницаемости, имеет размерность скорости, т. е. выра­ жается в см!сек, см!мин, см!год и т. п.

Скорость уплотнения грунтовой массы в известных пределах прямо пропорциональна коэффициенту водопроницаемости, определение которого при данной нагрузке имеет большое зна­ чение для расчетов деформации грунтов.

Пользуясь кривой скорости сжатия, можно определить коэф­ фициент фильтрации (водопроницаемости) для мелкозерни­ стых грунтов, процесс сжатия которых продолжается длительное время.

Опыты показывают, что величина коэффициента фильтрации зависит как от механического состава грунта, так и от его пори­ стости и структуры. Мелкодисперсные грунты имеют очень ма­ лый коэффициент фильтрации, определение которого путем не­ посредственного измерения количества профильтровавшейся че­ рез слой грунта воды часто бывает затруднительным, и его при­ ходится определять косвенным методом — по наблюдению вре­ мени сжатия грунта. Если образец грунта, насыщенный водой,, подвергать различным давлениям и для каждого давления, ко­ торому будет соответствовать определенная плотность грунта, определить коэффициент фильтрации, то получим ряд значений. По этим значениям можно построить кривую изменения коэффи­ циента фильтрации в зависимости от величины коэффициента пористости. Для небольших изменений коэффициента пористо­ сти, как показывают соответствующие исследования, с доста­ точной для практических целей точностью может быть принята линейная зависимость между коэффициентом фильтрации и ко­ эффициентом пористости. Таким образом, для каждого измене­ ния нагрузки .необходимо определить соответствующий этому изменению коэффициент фильтрации насыщенного водой грун­ та. Приведем некоторые средние значения коэффициента филь­

Величина / означает любое число от 1 до 9. Так как коэффи­ циент фильтрации, выраженный в см/сек, имеет чрезвычайно ма­ лую величину, то в технических приложениях иногда выражают его в см/год. Для перевода см/сек в см1год можно принять, что I см /сек^З -107 см/год.

О начальном градиенте в глинистых грунтах

Наличие связанной воды в дисперсных грунтах значительно осложняет процесс фильтрации в них воды. Аномальные свой­ ства связанной воды могут существенно сказаться на водопро­ ницаемости грунтов, особенно тонкодиспероных, размер пор ко­ торых приближается к толщине гидратационных слоев воды. Это обстоятельство необходимо учитывать прежде всего при изу­ чении фильтрации воды в глинистых грунтах.

Приоритет исследования вопроса фильтрации воды в глини­ стых грунтах безусловно принадлежит советским ученым.

Впервые указание о том, что глинистые грунты характери­ зуются аномальной фильтрацией и водопроницаемы лишь при определенной величине гидравлического градиента, было сделано еще в 1930 г. на гидрологическом съезде в Ленинграде проф. Н. П. Пузыревским *. При изучении осадок торфа под насыпями К. П. Лундиным21 были определены величины начальных фильтра­ ционных градиентов для образцов торфа нарушенной и ненару­ шенной структуры. Исследуя водопроницаемость керамических фильтров, Б. В. Дерягин и Н. А. Крылов3 обнаружили, что при радиусе пор 0,05 (микрона) фильтрация воды наблюдается лишь после того, как избыточный напор превзойдет некоторуювполне определенную для данного фильтра величину. Опыты Б. В. Дерягина и Н. А. Крылова впервые показали, что пори­ стые тела могут быть водонепроницаемы при определенных зна­ чениях градиентов напора.

Далее водопроницаемость связных грунтов с учетом свойств связанной воды исследовалась во Всесоюзном институте гидротехники Б. Ф. Рельтовым4. На основании своих оригиналь­ но поставленных опытов Б. Ф. Рельтов установил, что связные грунты действительно могут быть водонепроницаемы, но только при градиентах, не превышающих некоторых н а ч а л ь н ы х з на че ний .

Этот же вопрос исследовал в Научно-исследовательском ин­ ституте Минмашстроя (Ленинград, 1948—1949 гг.) С. А. Роза5, который поставил серию систематических опытов по изучению фильтрации воды в плотных глинистых грунтах с учетом влия­ ния свойств связанной воды.

жидкостей через жесткие узкопористые фильтры. Труды совещания по вяз­ ким и коллоидным растворам, вып. 2, АН СССР, 1944.

Наконец, проф. В. А. Флорин посвящает вопросу о началь­ ном градиенте напора специальный раздел в своей монографии1.

Изложим кратко наиболее важные результаты перечислен­ ных исследований.

Так как в дисперсных (глинистых грунтах (Минеральные ча­ стицы окружены адсорбированными и лиосорбированными слоя­ ми связанной воды, то свободная фильтрация может происхо­ дить лишь в пределах части пор, не занятых связанной водой. Если же поры полностью заполнены адсорбированной и лиосорбированной водой, то вопрос о фильтрации воды в глинах ос­ ложняется, поскольку свойства связанной воды иные, чем свой­ ства свободной воды. В частности, существенное влияние на про­ цесс фильтрации оказывает вязкость воды, которая будет тем больше, чем тоньше слои связанной воды. Так, по (проф. Б. А. Дерягину2 при толщине слоя воды 0,16(х коэффициент вязкости (при температуре 16—18°С) равен д =0,0098 пуаза, при толщи­ не же 0,02 ц у = 0,045 пуаза. Как показали исследования проф. М. П. Воларовича3, течение вязкой жидкости начинается лишь после того, как напряжение сдвига превзойдет некоторое пре­ дельное для данной жидкости значение. Тонкие же слои воды, по проф. Б. А. Дерягину, обладают значительной упругостью при сдвиге, например при толщине пленки 0,15 р. (модуль сдви­

стых грунтах, должно быть преодолено вязкое сопротивление сдвигу слоев связанной воды, заполняющей их поры.

Приведенные общие соображения о роли связанной воды в глинистых грунтах полностью подтверждаются результатами не­ посредственных опытов по изучению фильтрации воды в этих грунтах. Согласно исследованиям Б. Ф. Рельтова и системати­ ческим опытам С. А. Роза, зависимость скорости фильтрации от гидравлического градиента, если рассматривать фильтрацию в широком диапазоне градиентов напора, не подчиняется зависи­ мости <7= &/, а имеет ряд своих особенностей.

На рис. 30 (кривая II) представлена зависимость скорости фильтрации воды в плотных глинах от величины напорного гра­

диента / = — , где Н —действующий напор, а / — толщина ис­