Влияние газа, содержащегося в порах грунтов, на их свойства

Газ в грунтах может находиться в виде пузырьков, окруженных поровой водой, в растворенном (в поровой воде) или в свободном виде (воздух, сообщающийся с атмосферой). Пузырьки газа, содержащиеся в относительно крупных порах грунтов, а также растворенный в поровой воде газ придают грунтам свойство упругости, сказывающееся на их сжимаемости и деформируемости во времени. Газ, сообщающийся с атмосферой, не влияет на распределение давления между твердыми частицами и поровой водой.

 

 

 

5. структура, текстура грунта

Следует различать структуру грунта, т. е. взаимное расположение частиц грунта и характер связи между ними, и текстуру грунта, т. е. сложение грунта в массиве.

В дисперсных пылевато-глинистых грунтах, являющихся сложением минерально-дисперсных образований, прочностные свойства зависят не столько от прочности отдельных минеральных зерен, сколько от структурных особенностей грунта. Они обусловливаются структурными связями между минеральными частицами и их агрегатами, а также силами молекулярного взаимодействия между поровой водой и твердыми частицами.

Основными видами структурных связей в грунтах являются водно-коллоидные (коагуляционные и конденсационные) – вязкопластичные, мягкие, обратимые и кристаллизационные – хрупкие (жесткие), необратимые; последние могут быть водостойкими и неводостойкими (размягчаемыми и растворимыми).

Водно-коллоидные связи обусловливаются электромолекулярными силами взаимодействия между пленочной водой и твердыми частицами, включая коллоидные частицы. Чем тоньше пленки воды (меньше влажность), тем эти силы больше, и наоборот. Обратимость водно-коллоидных связей заключается в том, что при увлажнении они ослабляются, а при повторном подсушивании опять возрастают. Ослабление водно-коллоидных связей в некоторых случаях наблюдается и при перемятии (нарушении природной структуры). Однако после прекращения перемятия (оставления в покое) такого тиксотропного грунта водно-коллоидные связи в нем постепенно восстанавливаются.

Кристаллизационные связи, образовавшиеся в результате отложения поликристаллических соединений в точках контактов минеральных частиц грунта, обладают достаточно высокой прочностью. Их прочность зависит от состава минералов цементирующего вещества. Связи, образуемые гипсом и кальцитом, существенно снижают свою прочность при увлажнении; связи же, например, из оксидов железа, кремния – водостойки. Кристаллизационные связи хрупкие и не восстанавливаются после их нарушения.

Текстурой грунтов называется их сложение, т. е. пространственное размещение и взаимное расположение частиц грунтов и их агрегатов, зависящее от условий накопления осадка. Например, в озерах ледникового периода образовывались пылевато-глинистые отложения с характерной слоистой тексту- рой. Они представляют собой чередующиеся тонкие слои из глинистых частиц, выпадавших в зимний период подо льдом, и из пылеватых песчаных частиц, оседавших в теплый период года. Различают слоистую, слитную и сложную текстуру:

- слоистая – наиболее распространенный вид сложения грунтов, характерный для морских, озерных и других отложений;

- слитная присуща морским отложениям, имеющим однородное сложение в различных точках массива;

- сложная – порфировая, ячеистая, макропористая и др. (порфировой текстурой обладают моренные суглинки; ячеистая текстура характерна для вечномерзлых грунтов, имеющих вертикальные и горизонтальные полости, заполненные льдом, макропористую текстуру имеют лессовые грунты).

6. Плотностью грунта называется отношение массы грунта к его объѐму при естественном сложении и естественной влажности. Плотностью минеральной части грунта называется отношение массы твѐрдых частиц грунта к их совокупному объѐму. Влажностью грунта называют отношение веса воды в грунте к весу высушенного грунта, выражается в %. Коэффициентом пористости грунта называется отношение объѐма пор грунта к объѐму его скелета. Коэффициент водонасыщенности равен тношению естественной влажности грунта к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой (без пузырьков воздуха), т. е. к полной влагоемкости. Характеристики пластичности пылевато-глинистых грунтов — это влажности на границах текучести w_L и раскатывания w_p, определяемые в лабораторных условиях, а также число пластичности I_p и показатель текучести (консистенции) I_L вычисляемые по формулам: Граница текучести – влажность грунта, находящегося м/у пластичным и текучим состоянием. Граница пластичности - влажность грунта, находящегося м/у твердым и пластичным состоянием.

7. Классификация грунтов позволяет не только определить данный грунт, т.е. выделить его среди многообразия других грунтов, но и часто установить ориентировочные значения его прочностных и деформационных характеристик. Действительно, прочность и деформируемость грунтов непосредственно связаны с их физическими свойствами и состоянием. Например, увеличение пористости песчаного и пылевато-глинистого грунта (увеличение коэффициента пористости) при прочих равных условиях непременно влечет за собой снижение его прочности и повышения деформируемости. Соответственно увеличение влажности (показателя консистенции) глинистого грунта, также при прочих равных условиях, приведет к снижению его прочности и повышению дефомируемости. Следовательно, установление связей между физическими и механическими характеристиками грунтов в определенных условиях правомочно. Так, в частности, основываясь на обобщении огромного количества испытаний, СНиП 2.02.01-83 допускает для предварительных расчетов оснований, а также для окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III классов и опор возводимых линий электропередачи и связи независимо от их класса определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по их физическим характеристикам. С этой целью в СНиПе приводятся таблицы нормативных значений прочностных и деформационных характеристик некоторых разновидностей песчаных и пылевато-глинистых грунтов и значения соответствующих коэффициентов надежности по грунту. Важной характеристикой несущей способности является р а с ч е т н о е с о п р о т и в л е н и е грунтов основания Rₒ (кПа), ориентировочно допустимое давление на данный грунт под подошвой фундамента, имеющего ширину 1 м и глубину заложения 2м.

СНиП 2.02.01 – 83 допускает назначать предварительные размеры фундаментов исходя из этой величины. Кроме того, значение величины Rₒ для различных слоев при сложном напластовании позволяет на ранней стадии изысканий, определив только физические характеристики грунтов, провести приблизительную сопоставительную оценку их несущей способности.

8.

Свойства грунтов	Закономерности	Показатели	Где применяется закономерность
Сжимаемость	Закон уплотнения (компрессии)	Коэффициент сжимаемости (уплотнения) (т0)	Расчет осадок фундаментов
Прочность	Закон сопротивления грунта сдвигу (закон Кулона)	Коэффициент внутреннего трения (<р) и сцепления (с)	Расчет предельной прочности, устойчивости и давления на ограждения
Водопроницаемость	Закон ламинарной фильтрации (закон Дарси)	Коэффициент фильтрации (kf)	Прогноз скорости осадок водонасыщенных грунтовых оснований

9. Сжимаемость грунтов – способность грунтов изменять свое строение (упаковку твердых частиц) под влиянием внешних воздействий на более компактное за счет уменьшения пористости

Для установления основных показателей сжимаемости грунтов производятся их испытания на уплотнение под нагрузкой, когда деформации грунта могут развиваться только в одном направлении и никакие другие силы, кроме внешней нагрузки, не действуют.

Для испытания грунтов на сжимаемость применяются приборы с жесткими стенками (одометры) для обеспечения сжатия грунта только в одном направлении (без возможности бокового расширения).

Закон уплотнения: бесконечно малое изменение относительного объема пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления.

10. Коэффициентом бокового давления покоя следует называть коэффициент бокового давления для грунта в стабилизированном состоянии при неизменном положении вертикальных сечений образца и отсутствии касательных напряжений по ним.

Коэффициент бокового давления покоя ξ грунта определяется из отношения бокового давления σ₂ = σ₃ к нормальному давлению σ₁:

ξ = σ₂/σ₁. (1)

Нормальное давление следует задавать исходя из условий работы грунта основания в интервале давлений, соответствующих давлению, эквивалентному природному σ_э или давлению, соответствующему структурной связности σ_стр*, и заданному проектному давлению.

Боковое давление определяется из опыта в стабилометре с применением аэростатического манометра (капиллярная трубка). Боковое давление вычисляется по формуле:

σ₂ = σ₀(L ₀/ L_i - 1), (2)

где σ₂ - давление в капилляре, равное боковому давлению в образце, в МПа;

σ₀ - атмосферное давление в МПа;

L ₀ - длина столбика воздуха до опыта при атмосферном давлении;

L_i - длина столбика воздуха после сжатия в конце опыта.

1.5. Коэффициент поперечного расширения μ определяется из отношения приращения относительной поперечной деформации l_r = l_θ к приращению относительной вертикальной деформации l_z при постоянной нормальной нагрузке σ _z и при условии допущения равномерного расширения образца по высоте:

μ = l_r / l_z. (3)

Нормальное давление в опыте должно быть больше σ_стр и меньше разрушающего. Вертикальные деформации грунта измеряются по перемещению штампа. Поперечное расширение l_r = l_θ рекомендуется измерять по количеству вытесненной жидкости из гидравлической камеры в волюмометр и, принимая, что поперечные деформации пропорциональны изменению уровня жидкости ∆ h в волюмометре, вычислять по формуле:

(4)

где f - площадь трубки волюмометра;

∆ h - изменение положения мениска в волюмометре;

R ₀ - радиус образца до опыта;

H - высота образца до опыта.

1.6. Коэффициенты бокового давления и поперечного расширения связаны между собой зависимостями:

ξ = μ/(1 - μ); (5)

μ = ξ/(1 + ξ). (6)

Следует иметь в виду, что эта зависимость справедлива для случая, когда главные деформации l ₂ = l ₃ = 0. Для случая осесимметричной деформации, когда l ₂ = l ₃

11. Водопроницаемость – способность фильтровать воду. Скорость напорного движения грунтовых вод зависит от размеров пор грунта, сопротивлений по пути фильтрации и величины действующих напоров (илл.5).

Илл. 5. Напорные грунтовые воды

Здесь Н₁ и Н₂ – напоры; L – длина пути фильтрации; Н = Н₂- Н₁ – потеря напора или «действующий напор». Если линии токов воды (движения частиц в потоке) нигде не пересекаются друг и другом, то такое движение называется ламинарным, при наличии пересечений и завихрений движение называется турбулентным. В грунтах в большинстве случаев движение воды будет ламинарным (опыты Пуазейля, Дарси и другие).

Ламинарное движение воды происходит с тем большей скоростью, чем больше уклон поверхности уровня грунтовых вод (так называемый «гидравлический градиент»).

Гидравлический градиент равен отношению потери напора Н= Н₂- Н₁ к длине пути фильтрации L:

Закон ламинарной фильтрации: расход воды в единицу времени через единицу площади поперечного сечения грунта (скорость фильтрации) прямо пропорционален гидравлическому градиенту i:

v_ф= k_ф· i;

где k_ф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации при градиенте i = 1 [см/сек, см/год]. Коэффициент фильтрации зависит от типа грунта и определяется экспериментально.

Зависимость скорости фильтрации от гидравлического градиента i. Для водопроницаемых грунтов (пески, галечники) зависимость прямая (илл. 6).

Илл. 6. Зависимость скорости фильтрации от гидравлического градиента

Фильтрация воды в глинистых грунтах начинается при достижении некоторой начальной величины градиента i, преодолевающей внутреннее сопротивление движению, оказываемое водно-коллоидными пленками. На рисунке (илл.6) изображены экспериментально найденные зависимости скорости фильтрации v_ф от гидравлического градиента i. Здесь i₀ - начальный гидравлический градиент

В результате закон ламинарной фильтрации для связных грунтов будет иметь вид: v_ф= k_ф· (i – i₀).

12. Суффозия заключается в вымывании частиц грунта движущимся потоком воды.

Кальматация — это отложение мелких частиц вблизи открытой поверхности, вызывающее уменьшение пористости и снижение водонепроницаемости. Эффективное напряжение и поровое давление. эффективное напряжение в скелете грунта может быть выражено через полное напряжение и поровое давление: = σ – U_w. Опытами Л. Рендулика было показано, что эффективное напряжение, действуя в контактах между частицами скелета грунта, приводит в конечном счете к частичному разрушению скелета, сопровождающемуся уплотнением грунта. Поровое давление развивается только в воде, не оказывает воздействия на скелет грунта, т. е. yе приводит к его уплотнению, а создает лишь дополнительный вапор в воде, вызывающий ее фильтрацию, поэтому его иногда называют нейтральным давлением.

Таким образом, фильтрация воды в грунте возникает не только в результате разности пьезометрических напоров,но и под действием напоров, обусловленных разницей порового давления в различных точках основания, воспринимающего нагрузку от сооружения. Этот механизм положен в основу математического аппарата теории фильтрационной консолидации грунта.

 

 

13. Для изучения предельного сопротивления грунтов сдвигу, разработаны специальные приборы и методики испытаний. Наиболее распространенными в настоящее время являются сдвиговые приборы.

Существует много конструктивных разновидностей сдвиговых приборов, среди которых можно выделить две группы: 1) приборы со ступенчатым загружением; 2) приборы с непрерывным загружением.

Испытанию подвергаются образцы грунта с ненарушенной структурой, иногда с нарушенной структурой, иногда с нарушенной с заданными исходными значениями плотности, влажности (напр. для песков). Образец грунта помещается в металлическое кольцо, разделенное на части — подвижную и неподвижную обоймы. Подвижной может быть как нижняя, так и верхняя обоймы между обоймами до проведения опыта устанавливается небольшой зазор, который необходимо сохранять в течении всего опыта. Таким образом, создается фиксированная плоскость, по которой произойдет срез подвижной части грунта относительно неподвижной. Вертикальное нормальное напряжение в плоскости сдвига создается с помощью рычажной системы в предположении, что нормальные напряжения в плоскости сдвига распределены равномерно, т. е. Вертикально приложенной силе, деленной на площадь образца. Нормальное напряжение сохраняется в течении всего опыта постоянным. Образец грунта до приложения сдвигающей силы обжимается некоторое время, зависящее от вида грунта, нормальным приложением Ϭ=Ϭ'=0,1 мПа. Будем теперь в подвижной обойме отдельными ступенями прикладывать сдвигающую силу τ через соответствующую рычажную систему. Под действием приложенной ступени горизонтальной сдвигающей силы подвижная часть грунта начнет перемещаться относительно подвижной. За величиной перемещения наблюдают с помощью специальных измерителей (индикаторов часового типа). Предельное сопротивление грунта сдвигу выражается в виде предельных касательных напряжений τ_пр=f(Ϭ) и определяется на приборах непрерывного нагружения. По результатам испытаний строят диаграмму, откладывая по вертикальной оси предельное сдвигающее напряжение τ, а по горизонтальной Ϭ уплот. Давление.