Дополнительные физические характеристики грунтов

· Число пластичности: . Используется для классификации пылевато-глинистых грунтов по [1, табл. 1 прил. 1].

· Показатель текучести (консистенции): . Оценивает глинистые грунты в соответствии с [1, табл. 2 прил. 1].

· Коэффициент пористости: . Используется для оценки плотности сложения песков по [1, табл. 3 прил. 1]. Подразделяет илистые грунты по [1, табл. 4 прил. 1].

· Степень влажности: где - удельный вес воды (). По этому показателю классифицируются крупнооб-ломочные и песчаные грунты [1, табл. 7 прил. 1], а также некоторые пылевато-глинистые грунты.

7, Максимальная плотность (стандартная плотность) - наибольшая плотность сухого грунта, которая достигается при испытании грунта методом стандартного уплотнения.

Оптимальная влажность - значение влажности грунта, соответствующее максимальной плотности сухого грунта.

8, 5.4. Закон уплотнения. Зависимость изменения коэффициента пористости от вертикального давления при компрессионном сжатии грунта изображают графиком (рис. 1.4), который называют компрессионной кривой. Начало графика (на рис. 1.4 не показано) обычно изображают горизонтальной линией, параллельной оси давлений. Искривление графика начинается с момента разрушения структурных связей или с момента исчерпания структурной прочности грунта, что одно и то же. После этого деформации грунта происходят исключительно за счет его уплотнения, т.е. изменения пористости. В опыте на компрессион­ное сжатие должно, как правило, отсутствовать поровое давление, что достигается применением открытой, по отношению к фильтрации поровой воды, схемы испытания (испытание по дренированно-консолидированной схеме). Присутствие порового давления в опыте может существенно исказить результаты испытаний (занизить значение коэффициента сжимаемости и завысить значение модуля деформации). Закон уплотнения грунта формулируется следующим образом: изменение коэффициента пористости при достаточно малом изменении давления пропорционально изменению давления. Применительно к графику на рис. 1.4 закон уплотнения выражается такой зависимостью: e_i-1 – e_i = m₀ × (p_i – p_i-1), (1.9)

где m₀ – коэффициент сжимаемости грунта (м²/кН).

В дифференциальной форме закон уплотнения записывается в виде выражения:

de = - m₀ × dp, (1.10)

где знак «минус» указывает на то, что увеличению давления соответствует уменьшение коэффициента пористости.

Закон уплотнения в форме (1.10) может использоваться только при анализе напряженных состояний грунтового массива, близких к компрессионному сжатию. Характеристикой сжимаемости грунта при этом виде напряженного состояния является коэффициент сжимаемости m₀. Для общего случая напряженного состояния грунта закон уплотнения выражают в форме зависимости осевой деформации от давления:

, (1.11)

где m_v – коэффициент относительной сжимаемости грунта (м²/кН);
Е – модуль деформации грунта (кН/м²);
b – коэффициент вида напряженного состояния в опыте по определению модуля деформации грунта (при определении модуля деформации в опыте при компрессионном сжатии грунта b = 1 - (2× n²) / (1-n), см. (1.7)).

Закон уплотнения в форме (1.11) позволяет вычислять осевую деформацию при компрессионном сжатии с помощью коэффициента относительной сжимаемости грунта m_v (сравните, изменение коэффициента пористости в этом случае вычисляется с помощью коэффициента сжимаемости m₀). В общем случае напряженного состояния осевая деформация вычисляется с помощью модуля деформации грунта Е. При этом закону уплотнения в форме (1.11) можно дать такую формулировку: модуль деформации грунта обратно пропорционален коэффициенту относительной сжимаемости грунта и прямо пропорционален некоторой функции коэффициента Пуассона, учитывающей вид напряженного состояния при компрессионном сжатии.

Наряду с рассмотренными выше лабораторными методами, для определения модуля деформации грунтов широко применяются полевые методы. Наиболее распространенным является метод испытания грунтов жестким круглым штампом площадью 5000 см². По результатам испытаний строят график зависимости осадок штампа от средних давлений по его подошве (рис. 1.5).

 

S

 

Модуль деформации грунта вычисляют по формуле:

, (1.12)

где E₀ – модуль общей деформации грунта (кН/м²);
w – коэффициент, принимаемый для круглых жестких штампов 0, 8;
DР – приращение среднего давления по подошве штампа (кПа);
DS – приращение осадки штампа при изменении давления на DР (м);
d – диаметр штампа (м).

Установлено, что модули деформации грунта, определенные в лабораторных (1.11) и полевых (1.12) условиях, могут существенно отличаться. При этом, чем меньше коэффициент пористости грунта, тем эта разница больше. В связи с этим модуль деформации, определенный в лабораторных условиях (1.11), умножают на поправочный коэффициент И.А. Агишева. Этот коэффициент изменяется от 2 для рыхлых грунтов (e = 1, 6) до 7, 5 для плотных грунтов (e = 0, 2). Для суглинков Донбасса он изменяется от 3 до 6. Модуль деформации принимает значения от 5 МПа для слабых грунтов до 30 МПа для прочных грунтов. Модуль деформации скальных грунтов составляет 100 МПа и выше.

Таким образом, деформационными характеристиками грунта являются: модуль деформации E; коэффициент поперечной деформации (Пуассона) n; коэффициент сжимаемости m₀; коэффициент относительной сжимаемости m_v.

9, Водопроницаемость грунтов

Водопроницаемостью называется свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. Водопроницаемость грунтов зависит от их пористости, гранулометрического и минералогического составов, градиента напора.

Уплотнение водонасыщенного грунта вызывает уменьше­ние его пористости и влажности за счет выдавливания воды из пор грунта. Очевидно, что процессы уплотнения и развития осадок грунтового основания зависят от скорости фильтрации воды. Законы филь­трации воды в грунтах необходимо знать также при определении притока воды в котлован, размеров воронки депрессии поверхности под­земных вод и т. п.).

Исследованиями установлено, что движение воды в порах грунта происходит в соответствии с законом ламинарной фильтрации. Математическое выражение этого закона, предложенное французским ученым Дарси (1854 г.), имеет вид:

, (2.39)

где – скорость фильтрации, или объем воды, проходящей через единицу площади поперечного сечения грунта в единицу времени; – коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации при гидравлическом градиенте ; – гидравлический градиент, равный потере напора , отнесенной к пути фильтрации :

. (2.40)

В соответствии с законом Дарси: скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравличе­скому градиенту .

Коэффициент фильтрации является основной фильтрационной характеристикой грунтов и имеет размерность см/с или м/сут. Для различных грунтов значение коэффициента пористости зависит от плотности сложения, гранулометрического, минералогического составов и других факторов. Для песчаных грунтов его значение изменяется в пределах – ; для супесей – ; для суглинков – ; для глин – см/с, где может быть любым числом от 1 до 10.

Движение воды в песчаных грунтах происходит по закону лами­нарной фильтрации (кривая 1 на рис. 2.8). В порах плотного пылевато-глинистого грунта нет свободной воды или она находится в разобщенных между собой относительно крупных по­рах, в виде гидратных оболочек связанной воды, окру­жающих частицы грунта. При этом фильтрация воды начинается лишь при градиенте, большем некоторого значения, необходимого для пре­одоления сопротивления ее движению водно-коллоидных пле­нок (кривая 2 на рис. 2.8).

Рис. 2.8. График зависимости скорости фильтрации от градиента напора:

1 – для песка; 2 – для глины

На этой кривой можно выделить два основных уча­стка: криволинейный участок АВ, соответствующий переходу от момента возникновения фильтрации к моменту развития установившейся фильтрации, и участок установившейся фильтра­ции ВС.

Для участка ВС скорость фильтрации находят по выра­жению:

, (2.41)

где – коэффициент фильтрации, определяемый в интервале зависимости между точками В и С; – начальный градиент напора, определяемый по графику на рис. 2.8.

В водонасыщенных грунтах, обладающих начальным гради­ентом напора фильтрации воды в зоне с не­большими градиентами практически не происходит, поэтому при сложившемся напряженном состоянии грунт в этой зоне не сможет уплотняться по закону фильтрационной консолидации.

В лабораторных условиях коэффициент фильтрации песчаных грунтов определяют при постоянном заданном градиенте напора с пропуском воды сверху вниз или снизу вверх, при предварительном насыщении образца грунта водой снизу вверх. Коэффициент фильтрации пылеватых и глинистых грунтов определяют при заданном давлении на грунт и переменном градиенте напора с пропуском воды сверху вниз или снизу вверх, при предварительном насыщении образца грунта водой снизу вверх без возможности его набухания.

Коэф­фициент фильтрации песков и супесей для расчета притока воды в котлованы рекомендуется определять в полевых усло­виях методом пробных откачек или путем налива воды в сква­жины.

 

10, Когда к грунту прикладывается внешняя нагрузка, то она в общем случае воспринимается как твердыми частицами, так и водой в порах (поровой водой). Давление в «поровой» воде называется нейтральным (поровым), давление в твердой части (скелете) грунта называется эффективным.

Доля нейтральных и эффективных давлений в общем (суммарном) давлении зависит от вида грунта и меняется во времени. При загружении водонасыщенного грунта, в первый момент времени нагрузка воспринимается только водой в его порах (нейтральные давления максимальны), затем эта вода начинает выдавливаться (отфильтровываться) в окружающие зоны с меньшими напороми, так что усилия постепенно перераспределяются на твердые частицы. В конечном итоге вся нагрузка воспринимается только твердыми частицами.

12, Пылевато-глинистые грунты (глины, суглинки и супеси) обладают связностью, интен­сивность которой зависит от влажности грунта и степени его уплотненности. Приложенная к об­разцу водонасыщенного грунта вертикаль­ная нагрузка в первый момент времени передается на поровую воду. Лишь по мере выдавливания ее из пор это давление будет воздействовать на скелет грунта. В связи с этим обра­зцы грунта испытывают на сдвиг после консолидации грунта, когда нормальное напряжение уже передано на скелет грунта.

Если в сдвиговом приборе (рис. 2.10) провести несколько испытаний на сдвиг нескольких образцов одного и того же грунта, подвергая образцы воздействию различных напряжений , то получим криволинейную зависимость предельного сопротивления грунта сдвигу от (рис. 2.11, б). Криволинейность графика наиболее выражена при малых значениях . В интервале напряжений 0, 05–0, 5 МПа прак­тически имеем прямую, описываемую уравнением

, ( 2.46)

где – удельное сцепление пылевато-глинистого грунта, характеризующее его связность.

Зависимость (2.46) выражает закон сопротивления пылевато-глинистых грунтов сдвигу: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершенной их консолидации есть функция первой степени нормального напряжения.

Если прямую АВ продлить влево до пересечения с осью абсцисс, то она отсечет на ней отрезок :

. (2.47)

Эту величину, заменяющую действие всех сил сцепления, называют давлением связности. С учетом (2.47) уравнение (2.46) может быть представлено в виде:

. ( 2.48)

Соотношение (2.48) формально показывает, что проявление связности (сцепления) грунта как бы эквивалентно фиктивному увеличению нормального напряжения в плоскости сдвига, повышающему прочность грунта.

. ( 2.49)

Для оценки сопротивляемости грунтов сдвигу при не­полной их консолидации используют график с параметрами и , приведенный на рис. 2.11, б, но нормальное напряжение уменьшают на величину давления в поровой воде, то есть принимают рав­ным напряжению в скелете грунта:

, ( 2.50)

где – полное нормальное напряжение; –давление в поровой воде при неполной консолидации грунта.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: