Полезные статьи

Закон уплотнения грунтов

Лекция 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

I. СЖИМАЕМОСТЬ ГРУНТОВ, ЗАКОН УПЛОТНЕНИЯ

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, илл.1) для обеспечения сжатия грунта только в одном направлении (без возможности бокового расширения).

Илл. 1. Схема одометра

Нагрузку на поверхность грунта прикладывают отдельными возрастающими ступенями. Каждому приращению внешнего давления соответствует определенное изменение влажности w. Зависимость между влажностью и давлением можно изобразить в виде графика: график носит название компрессионной кривой (илл. 2).

Исследования показали, что компрессионные кривые применимы для оценки сжимаемости любых связных материалов, но для материалов водопроницаемых (например, песков) не могут быть построены по изменению влажности, так как при прекращении нагрузки первоначальная влажность восстанавливается почти мгновенно.

Илл. 2. Компрессионная кривая

Более общий метод построения компрессионных кривых – метод определения коэффициента пористости по осадкам образцов грунта при уплотнении их в компрессионном приборе.

В общем случае коэффициент пористости е есть отношение объема пор к объему твердых частиц. Таким образом, коэффициент пористости грунта при любой ступени нагрузки:

где е 0 – начальный коэффициент пористости грунта, Δni – изменение объема пор от начала загружения. Изменение объема пор равно произведению осадки S на площадь образца F: Δni = S · F (илл.3);

Илл. 3. Изменение объема пор в образце

n – объём пор в единице объема;
m – объём твердых частиц в единице объема;

Далее: объем твердых частиц во всем объеме образца:

где h – начальная высота образца (илл.3).

Указанной формулой пользуются для вычисления коэффициентов пористости, соответствующих данным ступеням нагрузки, а по ним строят и всю компрессионную кривую (илл. 4).

Если ограничиться небольшим изменением давлений (1-3 кг/см 2 , что обычно и имеет место в основаниях сооружений), то с достаточной для практических целей точностью можно принять соответствующий отрезок компрессионной кривой (kl) за прямую. Отсюда:

Тангенс угла наклона отрезка компрессионной кривой к оси давлений характеризует сжимаемость грунта в рассматриваемом диапазоне давлений, так как чем больше угол наклона α, тем больше будет сжимаемость грунта. Эта величина называется коэффициентом сжимаемости грунта:

Коэффициент сжимаемости может быть выражен через значения давления и коэффициента пористости для заданного интервала давлений:

то есть коэффициент сжимаемости равен отношению изменения коэффициента пористости к величине действующего давления. Для отрезка k’l’ кривой разгрузки (набухания) тем же путем:

где aн = tg α’ — коэффициент набухания.

Сформулируем закон уплотнения. Уравнение (1) описывает изменение коэффициента пористости только для спрямленного участка компрессионной кривой и поэтому является приближенным. Но если изменения давлений будут бесконечно малыми, то изменения коэффициента пористости будут точно пропорциональны изменению давления:

Полученное соотношение называется законом уплотнения грунтов: бесконечно малое изменение относительного объема пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления.

II. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ, ЗАКОН ЛАМИНАРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

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:

где kф — 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 vф от гидравлического градиента i. Здесь i0 — начальный гидравлический градиент

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

zimbelmann.ru

Закон уплотнения

Бесконечно малое изменение относительного объема пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления,

или — при небольших изменениях уплотняющих давлений изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления.

Общий случай компрессионной зависимости.

По Герсеванову, коэффициент пористости «е» грунта в любой точке зависит от суммы всех нормальных напряжений q, действующих в этой точке.

Т.к. горизонтальные деформации невозможны, то горизонтальные относительные деформации равны 0, т.е. , а (из условия равновесия) где — модуль деформируемости грунта (общей).

Подставим получим , или , где -коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя.

Сумма нормальных напряжений q:

®

« Принцип гидроемкости » – изменение коэффициента пористости возможно при изменении суммы главных напряжений. В общем случае, коэффициент бокового давления грунтов x — отношение приращения горизонтального давления грунта dg к приращению действующего вертикального давления dP

D – постоянная интегрирования.

Разгрузка после сжатия (декомпрессия)

Водные оболочки дают небольшое восстановление V пор. Чем ближе оболочки к поверхности частиц, тем сильнее изменяются их свойства.

studopedia.org

Основные закономерности механики грунтов

В последние годы развитие механики грунтов приобретает особое значение для оценки экологической безопасности человеческой деятельности и для разработки эффективных методов защиты окружающей среды от загрязнения. Значительные осадки целых городов (Венеция, Мехико и др.) произошли в результате водопонижения и действия фильтрационных сил, подтопления территорий различными водами и т.д.

Таким образом, будущему инженеру необходимо знать закономерности механики грунтов, чтобы иметь возможность прогнозировать условия, при которых конструкция может разрушиться полностью или ее деформации окажутся чрезмерными.

Кроме общих закономерностей, которым подчиняются деформации сплошных тел, грунты обладают рядом особенностей и закономерностей. Эти закономерности считаются основными закономерностями механики грунтов.

Таблица — Основные закономерности механики грунтов

Для того чтобы определить деформативные свойства грунта, его необходимо испытать на действие некоторых нагрузок, исследовать на сжатие и вывести закономерности сжимаемости грунта:

1) закон сжимаемости

2) принцип линейной деформируемости в определенных диапазонах изменения давления

3) закон сопротивления грунта сдвигу

4) закон ламинарной фильтрации грунта

Передача внешней нагрузки на грунтыоснований через фундаменты сооружений приводит к образованию нормальных напряжений, вызывающих деформации скелета грунта, а также уменьшение объема его пор. При небольших давлениях деформации скелета грунта незначительны, и уплотнение происходит в основном из-за уменьшения пористости. Основные закономерности такого деформирования рассматривает закон уплотнения (компрессии) — изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления.

Прочность и устойчивость грунтов оснований оцениваются сопротивлением грунтов сдвигу, которое зависит от угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта. Эти характеристики определяются в соответствии с законом сопротивления грунтов сдвигу, который для сыпучих грунтов формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучего грунта есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению.

Деформируемость грунтов во времени и сопротивление сдвигу во многом зависят от распределения давления, воспринимаемого скелетом грунта и водой, находящейся в порах. Под действием внешней нагрузки вода, находящаяся в порах грунта, постепенно отжимается от грунта и передает часть своего давления на скелет. То есть процесс уплотнения зависит от скорости отжатия воды из пор грунта. Поэтому необходимо знать основные положения закона фильтрации и поровой воды — скорость фильтрации прямо пропорциональна градиенту напора.

studopedia.ru

1. Сжимаемость грунтов. Закон уплотнения

Так как грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, теоретически при его сжатии должны уменьшаться объемы всех трех компонентов: твердых частиц, воздуха (газа) и воды. Поскольку напряжения сжатия, возникающие обычно в основаниях сооружений, срав­нительно небольшие, объемные деформации твердых частиц, со­стоящих из таких материалов, как кварц и полевой шпат и др., ничтожно малы и не учитываются. Следовательно, можно счи­тать, что изменение объема грунта при сжатии происходит только из-за изменения объема пор.

Вследствие упругих деформаций скелета (частиц) грунта, тонких пленок воды, расположенных между частицами, упруго­го сжатия пузырьков воздуха, а также сжатия поровой воды, содержащей растворенный воздух, могут происходить упругие изменения объема грунта. Такие деформации грунта, как пра­вило, во много раз меньше остаточных. Последние развиваются, когда возникающие в грунте напряжения превышают его струк­турную прочность. В конечном счете остаточные деформации приводят к уплотнению (уменьшению пористости) грунта.

Деформации уплотнения развиваются в результате сдвигов или смещений отдельных частиц грунта относительно друг дру­га, а также при разрушении частиц, особенно в точках их кон­тактов. Деформации уплотнения пылевато-глинистых грун­тов чаще всего протекают медленно во времени. Это объясня­ется прежде всего тем, что при уплотнении из пор водонасы-щенного грунта должна быть выдавлена вода, без этого грунт уплотняться не может, так как вода практически не сжимается. Процесс же выдавливания воды из водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов вследствие их малой водопроницаемости продолжается длительное время. Медленное развитие деформа­ций как уплотнения, так и сдвигов обусловливается, кроме того, ползучестью связанной воды, окружающей твердые частицы, и ползучестью самого скелета грунта.

Для большого диапазона изменения давления компрессионная кривая первичного сжатия описывается логарифмической зави­симостью

где et — коэффициент пористости при давлении рс, еа — начальный коэффи­циент пористости грунта; Сс — коэффициент компрессии (параметр кривой!; ро — давление, при котором начинается первичное сжатие грунта.

Продифференцировав выражение, получим

Где Ck — постоянная величина.

Следовательно, при первичном сжатии изменение коэффици­ента пористости грунта прямо пропорционально изменению дав­ления и обратно пропорционально суммарному давлению. Эту зависимость применяют либо при рассмотрении деформаций очень слабых грунтов, либо при изменении давления в значи­тельных пределах.

Давление в грунте основания промышленных и гражданских зданий и сооружений обычно изменяется в небольших пределах. Чаще всего оно повышается не более чем до 0,3 МПа и в ред­ких случаях до 0,6 МПа. При таких давлениях секущая АВ (см. рис. 2.2, б) близка к кривой, т. е. для расчетов можно пользо­ваться уравнением (2.3). Продифференцировав его, получим

(2.3)

Поэтому закон компрессии грунта формулируется так: изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления.

Правая часть этого равенства является относительной деформацией грунта. Поскольку для определенного грунта и данного изменения давления величина mg постоянна, относительная деформация грунта прямо пропорциональна давлению. Следовательно, грунт можно считать линейно деформируемым телом.

Однако в ряде случаев это положение приводит к значитель­ным расхождениям между рассчитанными и наблюдаемыми в натуре деформациями. Поэтому в последнее время исследователи стремятся учесть нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями.

studfiles.net

Закон уплотнения грунтов;

Показатели свойств

Показатели свойств различных торфов

В таблице (Приложение 1 и приложение 2) приведены основные показатели свойств торфа для основных типов торфяных залежей в условиях естественного залегания.

Рассмотрены: средняя глубина (Н,м ;степень разложения (R,%), средняя зольность на сухое вещество (А,% ; содержание фракций размером больше 250 мкм ( Р250 % ); показатель кислотности ( рН ); среднее влагосодержание ( W,%); коэффициент пористости ( e ); удельное сопротивление сдвигу при испытаниях торфяной залежи на срез с помощью 4– х лопастной крыльчатки (t ,КПа); удельное сопротивление торфа погружению стандартного конусного наконечника при зондировании торфяной залежи (ɡ , КПа ).

3. Основные закономерности механики грунтов

1. Закон уплотнения – характеризует сжимаемость грунтов. Показатель коэффициента уплотнения, нужный для расчёта осадок фундамента.

2. Водопроницаемость грунтов подчиняется закону ламинарной фильтрации, характеризуется коэффициентом фильтрации. Является показателем скорости осадки грунтовых оснований.

3. Контактная сопротивляемость сдвигу – характеризуется предельным сопротивлением сдвигу, оценивается коэффициентом внутреннего трения и сцеплением грунта. Используется для расчётов предельной прочности, устойчивости и давления на ограждения.

4. Структурно – фазовая деформируемость подчиняется принципу общей и линейной деформируемости. Оценивается модулем деформируемости и используется для определения напряжений и деформаций в грунте.

Сжимаемость заключается в способности грунтов изменять своё строение на более компактное за счёт уменьшения пористости. (под влиянием нагрузки, при уменьшении влажности, при коагуляции и других воздействиях)

Сжатие может происходить под воздействием кратковременных динамических нагрузок и от продолжительных статических, которые называют компрессионными.

Сжатие грунтов зависит от давления, влажности и коэффициента пористости.

Графически эти связи : e = f(p) изображают в виде кривых, называемых компрессионными.

Рис 3.1 Компрессионные кривые

1 — кривая уплотнения

2 — кривая набухания

Коэффициент пористости изменяется при осадке слоя грунта под нагрузкой. Осадку измеряют с помощью прибора одометра, в котором исключено боковое расширение грунта.

Рмс 3.2 Схема одометра

Верхний и нижний диски могут иметь отверстия для удаления не связанной жидкости. По объёму удаляемой жидкости наблюдают за изменением пористости грунта, т.к. все поры в водонасыщенном торфе заполнены водой.

Коэффициент пористости е–это отношение объёма пор к объему твёрдых частиц.

ei – коэффициент пористости при i — той нагрузке.

е0 – начальная пористость; ∆ni — изменение объёма пор от начала приложения нагрузок до Pi ;

Si – полная осадка образца при i — той нагрузке (Pi), измеренная от начала нагружения.

,

где F-площадь сечения образца; h-начальная высота. Отсюда:

По значениям коэффициента пористости ei строят компрессионные кривые.

В полулогарифмических координатах (e=f(ln P)) изменение е будет линейным ( для давлений превышающих структурную прочность материала, P0).

Рис 3.3 График зависимости e=f(ln P)

Тангенс угла наклона полулогарифмической кривой к оси давления, характеризующий сжимаемость грунтов в большом диапазоне давлений, называется коэффициентом компрессии Ce

При малом изменении давления (Р12) не прибегая к логарифмированию, с достаточной практической точностью можно считать, что ei =eo— tgα Pi ,

где tgα — характеризует сжимаемость грунта на участке Р12. .

Рис 3.4 Спрямление кривой сжимаемости в малом диапазоне давлений

где mo – коэф. сжимаемости

,

обозначим действыющее давление Р 2 — Р 1 = Р, тогда:

Т.е. коэффициент сжимаемости равен отношению изменения коэффициента пористости к величине действующего давления.Отсюда:

studopedia.su