4.1. Пластичность
Пластичностью грунта называют его способность изменять свою форму без разрыва сплошности под воздействием внешней силы и сохранять форму после устранения этой силы. Пластичность обусловлена наличием в грунте связанной воды. Свойство пластичности присуще связным грунтам (глинистым). Эти грунты проявляют пластичность лишь при определенном содержании связанной воды. При этом пластичность характеризуют числом пластичности Ip, которое равно разности двух характерных массовых влажностей: влажности на границе раскатывания и влажности на границе текучести:
Ip = Wт − Wp, (4.1)
Предел, или граница, текучести − это граничное значение влажности, при превышении которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее. Предел, или граница, раскатывания − это минимальное значение влажности, при которой частицы грунта еще способны перемещаться друг относительно друга без нарушения сплошности грунта.
Пластичное состояние грунта является частью общего диапазона состояния грунта в зависимости от содержания влаги. В этом диапазоне состояния грунта оцениваются степенью подвижности слагающих грунт частиц при механическом воздействии, т.е. консистенцией. Консистенцию грунта отражают показателем консистенции IL:
. (4.2)
Приведенные показатели пластичности используют для классификации грунтов, определения нормативного давления на грунт и др.
4.2. Набухаемость
Набухаемость грунта – способность грунта увеличиваться в объеме в процессе смачивания. Это свойство присуще грунтам, имеющим в своем составе глинистые частицы. При этом набухаемость зависит от водопроницаемости грунта. Так, моренные глины набухают незначительно. Набухаемость обусловлена в основном образованием в грунте рыхлосвязанной воды. Оболочки этой воды, образующиеся вокруг глинистых частиц, уменьшают сцепление между этими частицами, раздвигая их и увеличивая объем грунта. Причиной образования рыхлосвязанной воды является разница в концентрации солей в поровом растворе и в воде, окружающей грунт. Характер набухания определяется минералогическим и гранулометрическим составом грунта, составом обменных катионов, структурно-текстурными особенностями, влажностью, химическим составом и концентрацией раствора вокруг объема грунта, величиной давления на грунт.
Для приближенной оценки способности грунта к набуханию используют показатель П:
, (4.3)
где ео – коэффициент пористости грунта естественного состояния;
ет – коэффициент пористости того же образца грунта при влажности, равной влажности на границе текучести, определяемый по формуле
. (4.4)
При П < −0,3 глинистый грунт относят к набухающим.
Кроме приведенного показателя способности грунта к набуханию, используют следующие показатели:
-
степень набухания, определяемую по относительному изменению объема или высоты образца грунта; -
влажность набухания,. являющуюся влажностью, при которой прекращается процесс поглощения воды;
3) давление набухания − давление, развиваемое набухающим грунтом при невозможности объемных деформаций грунта;
4) время набухания − время, в течение которого происходит набухание грунта.
Набухание необходимо учитывать при строительстве плотин и водохранилищ, при вскрытии грунтов выемками и котлованами. В этих случаях возможно изменение гидрогеологических условий, а также увеличение влажности вскрытого грунта за счет поступивших атмосферных осадков
.
4.3. .Усадочность
Усадочностью грунта называют его способность уменьшаться в объеме в результате удаления воды. Удаление воды при этом происходит в основном за счет высыхания грунта пли осмотических процессов. Усадочность проявляется в наибольшей степени у глинистых и биогенных грунтов. Более всего она зависит от начальной влажности, пористости, минералогического состава грунта, структуры и текстуры.
Количественно усадочность характеризуют относительным уменьшением линейных или объемных размеров образца грунта, называемых линейной и объемной усадкой соответственно. Линейную усадку определяют но формуле
, (4.5)
где l1 – начальный линейный размер образца;
l2 – линейный размер после усадки.
Объемную усадку определяют как
, (4.6)
где V1 – начальный объем образца;
V2 – объем после усадки.
Усадка учитывается при строительстве в ycловиях возможного уменьшения влажности грунта. При этом возможно как уплотнение грунта, так и образование трещин, увеличивающих водопроницаемость грунта и уменьшающих его устойчивость. В откосах гидромелиоративных каналов трещины могут достигать глубины нескольких метров. Для предотвращения образования трещин глинистые грунты гидросооружений, подвергающихся периодическому увлажнению и высыханию, защищают слоем несвязных грунтов (песка, гравия).
4.4. Размягчаемость
Размягчаемость грунта − это его способность снижать свою прочность за счет ослабления кристаллизационных и конденсационных связей между элементарными частицами грунта под действием воды. Размягчаемость характеризуется коэффициентом размягчаемости Кр:
, (4.7)
где 
− сопротивление грунта сжатию после насыщении его водой;
− сопротивление сжатию образца того же грунта в сухом состоянии.
4.5. Размокаемость
Размокаемость является одним из физических свойств, характеризующих водопрочность грунта. Водопрочность − это способность грунта сохранять механическую прочность и устойчивость при взаимодействии с водой. Это взаимодействие может быть статическим и динамическим. При статическом взаимодействии с водой грунт может набухать и размокать, при динамическом − размывается.
Таким образом, размокаемость − это способность грунтов при взаимодействии со спокойной водой терять связность и превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности.
Размокаемость является результатом ослабления, а часто и растворения структурных связей между элементами грунта в процессе их гидратации. Способностью к размоканию обладают дисперсные грунты. Размокаемость определяется минералогическим составом грунтов, составом обменных катионов, характером структурных связей, дисперсностью, влажностью, характером водного раствора, взаимодействующего с грунтом и др.
Размокаемость характеризуется временем размокания и характером размокания. Время размокания − время, в течение которого образец, помещенный в воду, теряет связность и распадается на структурные элементы разного размера. Характер размокания отражает качественную картину распада образца грунта.
4.6. Тиксотропность
Глинистые, лессовые и песчаные грунты могут обладать тиксотропными свойствами. Тиксотропность − это способность грунта разжижаться, теряя структурные связи. Причина тиксотропности в особенностях водно-коллоидных связей между частицами грунта. При динамическом воздействии на такой грунт связанная вода переходит в свободное состояние, водные оболочки в местах контакта частиц резко утолщаются и частично или полностью экранируют молекулярное сцепление частиц, за счет чего нарушаются связи между частицами и коллоидная система (тонкодисперсный грунт) разжижается. После устранения воздействия частицы опять связываются между собой, а свободная вода переходит в связанное состояние. Происходит превращение по схеме: гель − золь, а затем золь − гель.
Для характеристики тиксотропности грунтов существуют различные показатели: время застудневания, зыбкость, тиксотронный предел и др.
Тиксотропные свойства грунтов зависят от гранулометрического состава грунта, минералогического состава, состава обменных катионов, влажности и др. Наиболее важным фактором, обусловливающим тиксотропные свойства грунта, является гранулометрический состав. Так, тиксотропность наблюдается лишь тогда, когда в грунте содержатся глинистые частицы (хотя бы 1,5... 2%).
В практике тиксотроппые явления наблюдаются при забивке свай, при динамической нагрузке на фундамент, при вибробурении, при вибропогружении.
4.7. Плывунность
Свойством, близким и сходным с тиксотропностью, является плывунность грунтов. Плывунность − это способность дисперсных грунтов (чаще водонасыщенных) переходить в подвижное состояние при вскрытии их выработками и под динамическим воздействием и продолжать перемещаться после устранения динамического воздействия. Грунт, обладающий таким свойством, называют плывуном. Грунты, склонные к плывунности, делятся на два типа:
1) грунты, лишенные структурных связей;
2) грунты с водно-коллоидными связями.
Первые являются песками и переходят в плывунное состояние при потере трения между частицами при их взвешивании в воде за счет разрушения скелета под воздействием динамической нагрузки или давления гравитационной грунтовой воды. Вторые могут быть песками, пылеватыми грунтами и глинистыми. Переход их в плывунное состояние обусловлен тиксотропными свойствами и происходит под воздействием динамической нагрузки. Известны примеры катастроф, связанных с плывунностью грунтов.
4.8. Просадочность
Просадочность − способность, лессовых и песчаных грунтов при их замачивании под давлением резко уменьшаться и объеме. Наиболее ярко это свойство проявляется у лессовых грунтов. Их способность состоит в том, что они обладают высокой пористостью, малой влажностью, высоким содержанием пылеватых частиц, повышенным содержанием легкорастворимых солей.
Механизм просадки представляет собой следующее. Вода, попадая в просадочный грунт с большой пористостью, размягчает и частично растворяет соли на контактах частиц. В результате связи между частицами ослабляются. Частицы получают возможность под действием нагрузки перемещаться друг относительно друга в новое положение равновесия, соответствующее данной нагрузке. При этом частицы в грунте приобретают более плотную упаковку, что обусловливает общее уменьшение объема грунта и его просадку.
Способность грунта к просадке определяется по степени влажности грунта и значению показателя П:
, (4.3)
Грунты обладают просадочностью, если G < 0,8 и
П > −0,1 при 0,1 > Ip ≥ 0,01;
П > −0,17 при 0,14 > Ip ≥ 0,1;
П > −0,24 при 0,22 > Ip ≥ 0,14.
Лессовые грунты подразделяются на два типа: I − когда под действием собственного веса грунта вся увлажненная толща проседает не более, чем на 5 см; II − когда проседает более, чем на 5 см. При I типе просадка развивается в основном ближе к подошве фундамента. При II − просадка развивается на большую глубину за счет действия собственного веса грунта.
4.9. Пучинистость
Пучинистость − способность грунта увеличиваться в объеме в процессе его промерзания. Пучинистости подвержены глинистые грунты, торф, пески мелкие и пылеватые. Наиболее подвержены пучинистости глины. Для проявления пучинистости грунт должен быть влажным. При промерзании пучинистого грунта к охлажденному слою происходит подток воды с нижележащих слоев. В результате в грунте образуются ледяные прослойки, что увеличивает грунт в объеме. При оттаивании возникают осадки оттаивания, вызванные действием собственного веса грунта. Эти осадки являются результатом уменьшения объема грунта при вытаивании льда и последующего отжатия воды из грунта.
Пучинистость грунтов приводит к разрушению дорожных покрытий, образованию трещин в стенах зданий, возникновению крена сооружения, разрушению отмосток у стен и зданий и др. Возможность возникновения вспучивания грунта приводит к необходимости закладывать подошву фундамента ниже глубины промерзания грунта, а верх земляных сооружений защищать слоем непучинистого грунта, например, среднезернистого песка.
Глава 5. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ
5.1. Фильтрационные зависимости
Водопроницаемость грунтов − это способность пропускать через себя воду. Движение воды в грунтах называется фильтрацией. Для фильтрации воды в грунте необходимо наличие напора, который представляет собой столб воды, создающий давление в грунте. Это давление при отсутствии фильтрации называют гидростатическим, или внутрипоровым, а при наличии фильтрации − фильтрационным. Напор воды создает определенный градиент при фильтрации через грунт. Его выражают как
, (5.1)
где Н1 − напор на входе в зону фильтрации, м;
Н2 − напор на выходе из зоны фильтрации, м;
L − расстояние между входом и выходом из зоны фильтрации, м.
Основной зависимостью, отражающей движение воды в зоне фильтрации, является закон Д'Арси:
vф = Кф i, (5.2)
где vф − скорость фильтрации воды в грунте, м/сут.;
Кф − коэффициент фильтрации, м/сут.
Из (5.2) видно, что коэффициент фильтрации равен vф при i = 1.
В глинистых грунтах фильтрация воды начинается лишь при определенном значении градиента, называемом начальным iн. Соответственно зависимость, отражающая движение воды в грунте, будет иметь вид, отличный от (5.2):
vф = Кф (i - iн), (5.3)
Для определения фильтрационного расхода, например, при отрывке котлована под фундамент, используется формула Де'Пюи:
, (5.4)
где Qф − фильтрационный расход, м/сут.;
Кф − средний коэффициент фильтрации вскрытого пласта, м/сут.;
Н1 − напор в начале депрессионной кривой, м;
Н2 − напор в конце кривой, м;
L − расстояние между началом и концом депрессионной кривой, м.
Формула Де'Пюи получается из формулы Д'Арси с использованием зависимости
Qф = vф F, (5.5)
где F − средняя площадь фильтрационного потоки, м2.
Площадь поперечного сечения потока определяется через высоту столба воды над водоупором.
5.2. Определение фильтрационных характеристик
песчаных грунтов
Для песчаных грунтов коэффициент фильтрации определяют с помощью простейшего прибора, состоящего из трубы длиной L, заполненной грунтом, и двух трубок − подводящей и отводящей воду. При градиенте напора Н1-Н2, вода будет фильтровать под действием градиента напора i, вычисляемого по формуле (5.1). Измерив объем воды, профильтровавшейся через грунт за время t, определяют коэффициент фильтрации из зависимости
, (5.6)
где F − площадь поперечного сечения образца грунта, м2.
5.3. Особенности изучения глинистых грунтов
Для определения коэффициента фильтрации глинистых грунтов, даже не обладающих начальным градиентом, необходимо создавать большой напор. Это определяет особенности устройства фильтрационных приборов для глинистых грунтов. Наиболее типичным является прибор, в котором образец грунта помещают в кольцо, устанавливаемое на фильтрующее днище. Сверху располагается перфорированный штамп. Вода поступает под фильтрующее днище, проходит через грунт, заполняет пространство над штампом и выливается в колбу. Для ускорения начала измерения камера над штампом заранее заполняется водой. При образовании на выходе из камеры выпуклого мениска сток воды будет пульсационный. Для предотвращения этого добиваются учащения пульсаций меньшими дозами (каплями), используя различные технические средства. Для исключения испарения поды прибор герметизируется завинчивающейся крышкой.
Для предотвращения движения воды вдоль стенок кольца к фильтрующему штампу прикладывают внешнюю нагрузку, большую структурной прочности грунта. При этом коэффициент фильтрации несколько уменьшается. Для более точного определения коэффициента фильтрации используют образец, имеющим диаметр на 8...10 мм меньше внутреннего диаметра кольца, а зазор между грунтом и стенками кольца заполняют вязким материалом, не фильтрующим под прикладываемым напором.
Такой прибор позволяет определять коэффициент фильтрации суглинков и глин от текучей до тугопластичной консистенции при весьма малой водопроницаемости (Кф = 10-9 см/с).
5.4. Особые условия изучения фильтрации
В условиях работы гидромелиоративных систем значение фильтрационного давления в грунте может существенного отличаться от значения нейтрального давления. Для таких условий создан прибор для определения фильтрационных характеристик грунтов (Кф, iн). Схема прибора приведена на рис. 2 [8].
Рис. 2. Прибор для определения фильтрационных характеристик
в условиях независимости нейтрального давления от фильтрационного.
Устройство отличается тем, что оно содержит корпус 1 с днищем 3 и крышкой 2 с закрепленными на них соосными верхним 13 и нижним цилиндром 15 с поршнями 14, 16, кольцо 4 для образца грунта и нагрузочную раму 9 со штоком 10. Нейтральное давление в приборе создастся силой пружины 17, а фильтрационное − силой тяги рамы грузом, установленным на рычаге. Фильтрационный расход определяется по скорости движения поршня 14 (16) в цилиндре 13 (15).
Прибор позволяет с повышенной точностью определять фильтрационные характеристики грунтов для условий, наиболее приближенных к реальным, в том числе при изменении атмосферного давления, что оказывает существенное влияние на фильтрационную способность грунта.
Помимо приведенных выше существуют и иные методы определения фильтрационных характеристик грунтов, и том числе полевые, основанные на откачках воды из грунта или налива воды [10].
Глава 6. СЖИМАЕМОСТЬ ГРУНТОВ
6.1. Компрессионные испытания
Сжимаемость грунта − это его способность уменьшаться в объеме под действием внешней нагрузки. Сжимаемость проявляется за счет уменьшения пористости грунта путем местных сдвигов частиц, соскальзывания более мелких частиц в соседние поры, а также изменения толщины водно-коллоидных оболочек минеральных частиц.
Для установления основных показателей сжимаемости грунтов проводят их испытания на уплотнение под нагрузкой. При этом создаются такие условия, чтобы деформации грунта развивались только в одном направлении. Эти условия соответствуют сжатию реального грунта под сплошной равномерно распределенной нагрузкой. Прибор для таких испытаний называется одометром.
Рис.3. Схема одометра для испытания грунта.
Нагрузку на грунт А через штамп В прикладывают ступенями. Зависимость между коэффициентом пористости грунта и соответствующими ему давлениями называют компрессионной кривой.
Полностью водонасыщенные грунты изменяют свою пористость лишь при изменении их влажности, т.е. при выдавливании или отсасывании воды. Если грунт, насыщенный водой, обладает малой водопроницаемостью, то кривую можно построить косвенным путем. Для этого используется зависимость между влажностью насыщения Wн и коэффициентом пористости (см. формулу 3.12).
Рис. 4. Компрессионная кривая:
1 − ветвь уплотнения; 2 − ветвь разуплотнения.
Для грунтов, имеющих хорошую водопроницаемость, приведенным выше способом нельзя построить компрессионную кривую. Это обусловлено тем, что при разгрузке образца влажность его восстанавливается почти мгновенно. Для получения метода построения кривой, пригодного для всех грунтов, рассмотрим схему, изображенную на рис. 5.
Рис. 5. Схема к выводу формулы Терцаги.
При приложении каждой ступени нагрузки соответствующее ей значение коэффициента пористости равно:
, (6.1)
где ео − начальное значение коэффициента пористости;
− изменение объема пор;
Vs − объем скелета.
Изменение объема пор происходит за счет изменения объема образца без бокового расширения, т.е. за счет осадки ∆h:
= ∆hiF, (6.2)
где F − площадь поперечного сечения образца;
∆hi − изменение высоты образца.
Из выражения (3.8) и m = 1 − n, где m − объем твердых частиц в единице объема грунта, находим, что
. (6.3)
Тогда объем твердых частиц во всем объеме образца V равен
. (6.4)
Подставляя (6.4) и (6.2) в (6.1), получим выражение, называемое формулой Терцаги:
. (6.5)
Полученное выражение позволяет вычислять коэффициенты пористости по значению осадки штампа, что пригодно для любых грунтов и их любых влажностей.
6.2. Коэффициент сжимаемости грунта
В практике в основаниях сооружений давление изменяется на небольшую величину (0,1...0,3 МПа). Учитывая это, участок кривой, соответствующий такому изменению давления, можно принять прямым (рис. 6). Тогда уравнение этой прямой будет иметь вид:
еi = eo – tg αpi, (6.6)
где tg α характеризует сжимаемость грунта.
Рис. 6. Схема к определению выражения (6.6).
Назовем a = tg α коэффициентом сжимаемости грунта. Тогда выражение (6.6) примет вид:
еi = eo – api. (6.7)
Коэффициент а может быть выражен через Р и е краевых точек диапазона изменений давлений:
. (6.8)
Отсюда видно, что коэффициент сжимаемости грунта равен отношению изменения коэффициента пористости к изменению давления. Для ветви набухания компрессионной кривой аналогичный коэффициент называют коэффициентом набухания.
При расчетах осадок грунтов часто пользуются коэффициентом относительной сжимаемости
. (6.8´)
Для выяснения физической сущности ао выполним некоторые преобразования. Из (6.7) имеем
ео – еi = api.
Из (6.5) соответственно
.
Отсюда
и
. (6.9)
Из (6.9) видно, что коэффициент относительной сжимаемости равен относительной осадке ∆hi / hо, соответствующей изменению давления на единицу. Из (6.9) получаем также формулу для определения осадки:
∆hi = рi ho ao. (6.10)
Продифференцируем уравнение (6.7), получим
dei = -adpi. (6.11)
Полученное соотношение характеризует сжимаемость грунта уже не приближенно, как (6.7), а точно и называется законом уплотнения грунтов. Этот закон ложится в основу ряда фундаментальных положений механики грунтов. Формулируется он следующим образом: бесконечно малое изменение относительного объема пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления. Этот закон можно распространить и на случай конечных, но небольших изменений давления. Тогда он будет записан в следующем виде:
е1 –е2 = а(р2 – р1). (6.12)
Формулируется он так: при небольших изменениях уплотняющих давлений изменение коэффициента пористости прямо пропорционально изменению давления.
<предыдущая страница | следующая страница>