умк_Кремнев_Механика грунтов_ч

стояние поровой воде необходимо преодолеть для выхода в дренирующий слой, тем медленнее будет падать поровое давление, тем дольше будет продолжаться процесс фильтрационной консолидации.

13.2.2. Одномерная задача фильтрационной консолидации

Рассмотрим одну из самых простых задач фильтрационной консолидации, когда на слой водонасыщенного грунта ограниченной толщины действует сплошная равномерно распределенная нагрузка. В этом случае слой грунта будет находиться в условиях одномерного сжатия. В этом случае по всей высоте слоя полное сжимающее напряжение будет одинаковым, равным по величине интенсивности равномерно распределенной нагрузки Р (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Схема распределения напряжений при одномерной задаче

Как известно, в водонасыщенных грунтах полное напряжение будет восприниматься частично скелетом, а частично – давлением в поровой воде (см. лекцию 6), т. е.

По мере того, как избыточная поровая вода будет удаляться за пределы грунта, будет изменяться соотношение между эффективным давлением σ и поровым давлением u (рис. 13.3).

Рассмотрим элементарный слой dz на глубине z.

Очевидно, что увеличение расхода воды q, отжимаемой из грунта,

191

Рассматривая правую часть выражения (13.2), следует вспомнить,

что

193

где N – фактор времени,

N = π2Cv t. 4h2

Для определения осадки основания в любой момент времени введем понятие степени консолидации:

Учитывая, что деформации скелета грунта зависят только от эффективного напряжения σ , отношение осадки слоя грунта в момент времени t к полной осадке может быть определено как отношение площади эпюры σ в момент времени t к эпюре полного давления σ = P.

Тогда

h

∫σdz

194

После подстановки в выражение (13.8) выражения (13.6), интегрирования и преобразования получим следующую зависимость:

где U0 – коэффициент одномерной задачи фильтрационной консолидации. Осадка слоя грунта в любой момент времени тогда будет равна

St = U0S.

Учитывая, что при одномерном сжатии S = mvhp , получим:

В качестве примера приведем решение задачи фильтрационной консолидации глинистого грунта мощностью 5 м при давлении 200 КПа в виде графика зависимости осадки S от времени t (рис. 13.5).

Рис. 13.5. График изменения осадки слоя грунта во времени

13.2.3. Другие случаи одномерной задачи консолидации грунта

Выше был рассмотрен случай одномерной задачи уплотнения грунта, когда форма эпюры полного давления σ по высоте слоя h была прямоугольной. Аналогичным образом можно получить решения и для треугольных эпюр сжимающего давления (рис. 13.6).

195

В результате решения дифференциального уравнения (13.5) и уравнения (13.8) для рассматриваемого случая получим:

Сравнением полученных выражений степени консолидации для различных случаев уплотняющих давлений можно показать, что справедливо следующее важное соотношение:

Выражение (13.15) позволяет вычислять значение U2 по известным U0 и U1, не прибегая к формуле (13.13).

Отметим, что рассмотренный случай 2 распределения уплотняющих давлений имеет широкое применение при расчете осадок фундаментов.

Комбинируя различные случаи 0, 1, 2, можно получить решения и для более сложных эпюр распределения напряжений (например, для трапециевидной).

Вопросы для самоконтроля

1.Что представляет собой фильтрационная консолидация грунта?

2.Какие процессы в скелете грунта обусловливают деформации грунта при вторичной консолидации?

3.Перечислите основные допущения теории фильтрационной консолидации грунта.

4.Как изменяются эффективные напряжения в слое грунта ограниченной толщины при сплошной нагрузке?

5.Сформулируйте основные соотношения для вывода дифференциального уравнения фильтрационной консолидации.

6.Запишите дифференциальное уравнение фильтрационной консолидации в эффективных напряжениях.

7.Что представляет собой степень консолидации грунта? Как можно ее определить по площади эпюр эффективных напряжений?

8.Как определяется осадка фундамента в любой момент времени с учетом степени консолидации?

197

ЛЕКЦИЯ 14. ВТОРИЧНАЯ КОНСОЛИДАЦИЯ И ОСНОВЫ НЕЛИНЕЙНОЙ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

14.1.Вторичная консолидация грунтов

14.1.1.Понятие вторичной консолидации

Как уже отмечалось ранее, вторичная консолидация грунтов обусловливается ползучестью скелета грунта, а точнее – реологическими свойствами структурных связей между частицами грунта.

Впереводе с греческого рео (ρεο) обозначает течение, а реологические свойства материалов – это их способность деформироваться во времени при неизменном уровне загружения.

Физическая природа деформаций «течения» скелета обусловливается особенностью свойств водно-коллоидных связей между частицами грунта, покрытыми тонкой пленкой связанной воды (см. лекцию 3). Чем меньше размеры частиц грунта, тем выше их удельная площадь поверхности, тем больше доля связанной воды в объеме грунта. Соответственно, и водноколлоидные связи в мелкодисперсных грунтах будут образовываться более интенсивно, а значит, сильнее будут проявляться реологические свойства.

Экспериментально было доказано, что деформации ползучести скелета грунта развиваются практически сразу после приложения к грунтовому основанию внешней нагрузки. Фактически вторичная и первичная (фильтрационная) консолидации происходят одновременно. Однако доля каждой из них в общей осадке основания будет изменяться по мере деформирования грунта во времени.

Вгрунтах, полностью насыщенных водой, сразу после возрастания сжимающих нагрузок начинается процесс фильтрационной консолидации (см. лекцию 12). По мере отжатия из грунта избыточной воды поровое давление (u) падает и часть нагрузки перераспределяется на скелет грунта ( σ ). С ростом давления на скелет грунта происходит его деформирование,

втом числе и в результате пластического течения водно-коллоидных связей.

Определение деформаций грунтового основания во времени с учетом одновременного развития фильтрационной и вторичной консолидации возможно лишь с применением численных методов расчета. При решении большинства инженерных задач условно можно принять, что эти два процесса протекают не параллельно, а последовательно.

198

Первоначально развиваются деформации за счет фильтрационной консолидации, называемой первичной, и далее – за счет вторичной. Момент окончания первичной консолидации и начала вторичной можно назначить из условия наступления 100 %-й степени консолидации U, определяемой по зависимости (13.12).

Практически точка окончания фильтрационной консолидации определяется по графику зависимости осадки грунта Spi от lgt (рис. 14.1).

Согласно работам Бьюисмана и других ученых при больших промежутках времени зависимость Spi от lgt на этапе фильтрационной консолидации имеет четко выраженный линейный характер. Поэтому точка, соответствующая перелому графика зависимости Spi от lgt, и будет моментом окончания первичной (фильтрационной) консолидации.

Рис. 14.1. Определение моментного окончания фильтрационной консолидации /2/

Окончание процесса фильтрационной консолидации легко установить и экспериментально, путем тщательного измерения избыточного порового давления. Если приращение порового давления практически будет равно нулю, то можно считать процесс фильтрационного уплотнения законченным, а продолжающуюся осадку следует рассматривать как деформацию ползучести скелета.

14.1.2. Незатухающая и затухающая ползучесть

Многочисленные опыты показывают, что реологические процессы, протекающие при деформировании грунта под нагрузкой, приводят не

199

только к развитию дополнительных деформаций основания, но и к снижению прочностных свойств грунта. Этот факт особенно важно учитывать при оценке длительной прочности грунтовых оснований.

При деформировании грунта под нагрузкой, с одной стороны, происходит разрушение структурных связей, с другой – перекомпоновка частиц, уплотнение грунта и образование новых водно-коллоидных связей. Если эти процессы происходят с равной интенсивностью, то грунт будет обладать длительной прочностью.

Если же происходит накапливание повреждений (т. е. новых связей образуется меньше, чем разрушенных), прочностные свойства грунта снижаются и грунтовое основание теряет устойчивость.

Проиллюстрировать скорость нарастания микроповреждений и оценить возможность снижения прочностных свойств грунта можно по кривой ползучести (рис. 14.2), которая строится с момента окончания фильтрационной консолидации. В зависимости от уровня загружения кривая ползучести может быть затухающей и незатухающей.

б– затухающая ползучесть

Вобщем случае процесс ползучести грунта можно разбить на три

стадии.

На первой стадии (затухающей ползучести) уменьшение пористости грунта, перекомпоновка частиц, образование новых связей происходят более интенсивно, чем разрыв старых. В конечном итоге грунт переходит в новое статическое состояние и его деформации затухают.

200