книги / Механика грунтов

ма медленно протекающих физико-химических процессов, сопро вождающихся, например, старением коллоидов и т. п.-, не имеют, как правило, существенного значения при оценке сжимаемости

п е р е г р у п п и р о в к и т в е р д ы х ч а с т и ц , с о п р о в о ж ­ д а ю щ и й с я у м е н ь ш е н и е м п о р и с т о с т и г р у н т о в и у в е л и ч е н и е м их п л о т но с т и . Уплотняемость грунтов в сотни и тысячи раз превосходит уплотняемость жидких и твер­ дых тел и должна полностью учитываться при проектировании сооружений, особенно с учетом деформаций их основания.

Процессы механического уплотнения грунтов рассматриваются в специальных трудах1 дорожной механики грунтов. Здесь мы лишь отметим различное поведение песков и глин при действии на них динамических нагрузок и основное внимание уделим об­ щему уплотнению грунтов при длительных нагрузках.

Динамические нагрузки (вибрационные, ударные и пр.), как правило, вызывают значительное уплотнение песчаных грунтов, особенно мелкозернистых. Глинистые же грунты от динамиче­ ских нагрузок уплотняются очень мало. Однако при длительно действующих нагрузках наблюдается как раз обратное явление: песчаные грунты уплотняются очень мало, тогда как глини­ стые — очень сильно, причем уплотнение их протекает медлен­ но и зависит ют скорости выдавливания воды из пор грунта. Эта разница объясняется различной природой структурных свя­ зей в этих двух основных видах грунтов.

Песчаные грунты имеют жесткие контакты между твердыми минеральными частицами, непосредственное сжатие которых под действием внешней нагрузки незначительно. Если же грунты подвергаются динамическим нагрузкам, то трение в точках кон­ тактов жестких зерен нарушается, происходит скольжение одних зерен по другим, более мелкие зерна попадают в поры между более крупными зернами, что вызывает переупаковку частиц в более плотное сложение, в результате уменьшается пористость грунта и увеличивается его плотность.

В .водонасыщенных же песках, особенно мелкозернистых рыхлых, динамические воздействия, создавая напор в воде, поч­ ти мгновенно передающийся в грунтах на значительные рас­ стояния, нарушают опирание отдельных песчинок в точках их контакта, и рыхлый песчаный грунт внезапно может превра­ титься в тяжелую жидкость, в которой тонут все предметы, ра­ нее несшие даже значительную нагрузку, а масса грунта рас­ плывется с уклонов порядка нескольких градусов. Явление вне­ запного разжижения водонасыщенных мелкозернистых песков имеет особо важное значение при оценке устойчивости земля­ ных сооружений и должно учитываться полностью1.

В водонасыщенных глинистых грунтах напор воды, возни­ кающий при динамических воздействиях, вследствие чрезвычай­ но малой их водопроницаемости, погашается на весьма близком расстоянии, и разжижения не происходит.

Д е й с т в и е же п о с т о я н н о й н а г р у з к и вызывает в связных глинистых грунтах целый ряд физических и механиче­ ских процессов, приводящих к у п л о т н е н и ю и перестройке структуры этих грунтов. При этом процесс уплотнения связных грунтов, имеющих лишь водно-коллоидные связи, будет проис­ ходить одним путем, а при наличии, кроме того, и жестких це­ ментационных связей — иным.

В первом случае, что наблюдается, например, в глинистых илах, уплотнение их под нагрузкой будет происходить с самых начальных ступеней нагрузки без разрушения структурных свя­ зей за счет сжатия диффузных оболочек коллоидных частиц, так как структурные связи у этих грунтов вязко-пластичные, а не жесткие. Сжатие диффузных оболочек и выдавливание не­ которого количества связанной воды из контактов твердых ча­ стиц сопровождаются взаимным смещением твердых частиц, разрушением некоторых существующих ранее структурных свя­ зей и возникновением новых. Существенное значение здесь при­ обретает ползучесть скелета грунта и пленок связанной воды.

Во втором случае, т. е. в грунтах, имеющих жесткие цемен­ тационные связи, пока действием внешней нагрузки не разру­ шены структурные связи, уплотнение будет незначительным, а явление ползучести и выжимания воды из пор грунта будет не­

повышения давления в воде, и определяющим является соотно­ шение между скоростью ползучести и водопроницаемостью грунтов 2.

Госстройиздат.

Если же нагрузка на структурный связный грунт будет тако­ ва, что структурные связи разрушатся, то возникнет значитель­ ное у п л о т н е н и е грунта, сопровождающееся выдавливанием воды из его пор. Последнее, однако, может быть лишь при опре­ деленной величине внешней нагрузки, вызывающей в поровой воде определенной величины напор. Если напор в воде меньше некоторой начальной величины, то никакого выдавливания воды из пор грунта не произойдет, а возникнет лишь внутриобъемное ее перераспределение.

Таким образом, уплотнение связных грунтов, насыщенных водой, возникает лишь при определенной величине внешнего давления, которая больше структурной связности грунтов, и со­ провождается при соответствующем напоре выдавливанием во­ ды из пор. Для водопроницаемых же несвязных грунтов нару­ шенной структуры уплотнение происходит при любой величине постоянной нагрузки.

Зависимость между влажностью и давлением в грунтовой массе

Изучение уплотнения грунтов под действием внешней нагруз­ ки, т. е. определение изменений их пористости под давлением, необходимо проводить так, чтобы кроме внешней нагрузки на поверхность испытываемого образца другие силы не действова­ ли. Казалось бы, что никакие" силы кроме внешней нагрузки и не действуют на поверхность нагруженного образца, однако в дисперсных грунтах, поры которых частично или полностью заполнены водой, могут известным образом сказываться и ка­ пиллярные силы. Последние всегда возникают, если влажность грунта превышает его максимальную гигроскопичность. В этом случае при неполном заполнении пор водой мениски воды бу­ дут находиться внутри грунта, создавая внутреннее капиллярное давление; при полном же заполнении пор водой мениски будут располагаться на поверхности грунта, обусловливая внешнее капиллярное давление, интенсивность которого в ряде случаев может превысить интенсивность внешней нагрузки. Так, проф. С. И. Долгов в своем труде о подвижности почвенной влаги1 говорит: «Верхние слои лиосорбироваиной влаги удерживаются

пенях увлажнения почвы, оказываются во много раз превышаю­ щими их». Исследования С. И. Долгова по изучению распреде­ ления влаги в почвенных колонках при влажности, соответ­ ствующей наименьшей влагоемкости, установили преимущест­

венно менисковый (капиллярный) характер взаимодействия во­ ды и почвы.

Ори испарении воды с поверхности образца, испытываемого на сжимаемость, как показывают непосредственные наблюдения, уменьшается объем грунта, что происходит в результате умень­ шения его пор. Уменьшение размера капилляров вызывает новое увеличение капиллярных сил при наличии свободной поверх­ ности воды и увеличение общей связности грунта (особенно в глинах) вследствие уплотнения сольватных гелеобразных обо­ лочек частиц. Таким образом, капиллярные силы и увеличение связности грунта при понижении влажности могут совершенно изменить напряженное состояние, что не дает возможности изучить действие внешней нагрузки на уплотнение грунта в чи­ стом виде.

Однако нельзя придавать того исключительного значения капиллярным силам и вызываемому ими капиллярному давлению, какое придавал К. Терцаги, указывавший на возможную величину капиллярных сил в глинах до 342 кг1см2 и высоту капиллярного поднятия воды в них до не­ скольких сотен метров, чего никто никогда не наблюдал в на­ туре. Следует также иметь в виду, что определить точно ве­ личину капиллярных сил, действующих на образец грунта, осо­ бенно при неполном заполнении пор водой, весьма затрудни­ тельно, тем более если величина этих сил будет возрастать по мере высыхания грунта.

Поэтому было предложено изучать уплотняемость грунтов в условиях их полного насыщения водой и полного снятия ка­ пиллярных сил, что достигается путем насыщения образца грунта водой в условиях невозможности его разбухания и даль­ нейшего проведения испытаний под водой. Таким образом, сжи­ маемость грунтов изучается на водонасыщенных образцах, т. е. в условиях, когда все поры грунта заполнены водой.

Это правило, однако, не исключает проведения специальных опытов, особенно для грунтов структурных, по изучению их сжи­ маемости при сохранении природной влажности.

Как указывалось ранее, при изучении сжимаемости грунтов сжатием минеральных частиц и поровой воды вследствие их от­ носительно малой величины можно пренебречь. Действительно, коэффициент объемного сжатия дистиллированной воды равен 0,00047 см2/кг, а гранита — 0,000006 см2[кг. Отсюда следует, что если в инженерных расчетах мы пренебрегаем сжимаемостью воды, то с еще большим основанием при изучении уплотняемости грунтов мы можем пренебречь и сжимаемостью минераль­ ных зерен грунта х.

’ К. Т е р ц а г и . Теории механики грунтов. Госстройиздат, 1961.

лением (рис. 17), ка'К указывалось выше, может быть экспери­ ментально подучена только для маловодо'проницаемых глини­ стых грунтов, для которых она является характернейшей зави­ симостью.

Опишем несколько подробнее процесс сжатия грунта, насы­

которого содержится с в о б о д н а я гидравлически непрерывная вода.

М°/о

Р'ис. 17. Экспериментальная зависимость между влаж­ ностью и давлением для глин (компрессионная кривая)

При действии сжимающей (уплотняющей) нагрузки на обра­ зец грунтовой массы с нагруженной поверхностью, покрытой фильтром (например, слоем песка), начинается интенсивное вы­ давливание воды из пор грунта. При этом часть давления, пере­ дающаяся на твердые частицы, все время возрастает, прибли­ жаясь в пределе к величине внешнего давления, а часть, создаю­ щая напор в воде, уменьшается, стремясь к нулю. Во время всего процесса уплотнения внешнее давление будет равно сумме дав­ лений в скелете грунта и грунтовой воде. Когда все давление будет передано на скелет грунтовой массы, сжатие ее прекра­ щается. Проф. Н. М. Герсеванов1, исследуя процесс сжатия грунтовой массы, приходит к выводу, что «каждому давлению в грунтовом скелете (т. е. давлению, которое передается от одной

Таким образом, определяемые в практике испытаний грун­ тов кривые зависимости между влажностью и давлением будут характеризовать лишь основную часть уплотнения, некоторая же часть уплотнения (порядка нескольких, а иногда и более процентов от полного уплотнения) не может быть учтена обыч­ ными испытаниями вследствие явления вторичной консолида­ ции грунтов, содержащих связанную воду.

Однозначная зависимость между влажностью и давлением, как показывают соответствующие исследования, получается только для грунтовой массы. Если же грунт неполностью насы­ щен водой, например содержит только гигроскопическую воду или лиосорбированную, но в количестве, меньшем полной влзгоемкости грунта, то, как показали исследования проф. Н. Я Денисова1, существенное значение приобретают цементацион ные связи и степень доступности поверхности частиц для моле­ кул воды. Сжатие таких грунтов в условиях невозможности бо­ кового расширения начинается при той нагрузке, которая пре­ одолевает давление набухания, обусловленное расклинивающим эффектом тонких слоев воды, или же вызывает разрушение це­ ментационных связей частиц, что делает возможной передвижк\ частиц и переход их к более устойчивому положению и более плотной упаковке.

Отметим условия, которым должны удовлетворять испытания грунтов на сжимаемость, во избежание грубых ошибок:

1)отношение высоты уплотняемого образца к его диаметр) должно быть возможно меньшим (обычно оно принимается рав­ ным хи)у чтобы не было влияния сил трения по боковым стен­ кам прибора;

2)учитывая условия парообразования и газовыделения в грунтах, вычислять промежуточные влажности следует только исходя из конечной влажности, определяемой непосредственным

высушиванием после окончания испытания образца;

3)насыщение грунта водой должно производиться при невоз­ можности его разбухания;

4)испытание монолитов грунта должно производиться толь ко после загрузки их природным давлением.

Зависимость между давлением и коэффициентом пористости

л я е т с я экспериментально определяемая з а в и с и м ость меж­