Предельное сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени нормального напряжения.

 

τ = σ · tg φ + c, (3.6)

 

где τ – сопротивление сдвигу; σ – нормальное напряжение (давление); φ – угол внутреннего трения грунта, определяет прочность грунта (для сыпучих грунтов практически совпадает с углом естественного откоса);

 

Для сыпучих грунтов (песков) φ = 24° ÷ 40°   мелкие крупные

Для глинистых грунтов φ = f (W) φ = 0 ÷ 45^о

 

tg φ – коэффициент внутреннего трения; c – сцепление грунта (характерно для глинистых грунтов).

По результатам испытаний можно построить характерные графики сопротивления сдвигу для различных грунтов.

 

 

1. Сыпучие грунты

τ = σ · tg φ + c, для сыпучих грунтов практически отсутствует сцепление, c = 0, следовательно, формула универсального закона сдвига примет вид τ = σ · tg φ.

 

 

 

2. Для обычных глинистых грунтов

τ = σ · tg φ + c, есть и сцепление, и внутреннее трение в грунте; формула соответствует универсальному закону сдвига.

 

 

	Рис. 3.9. График зависимости сопротивления сдвигу от вертикального напряжения для обычных глинистых грунтов

 

 

 

3. Глина, насыщенная водой

 

τ = σ · tg φ + c, для глины, насыщенной водой, внутреннее трение практически отсутствует, угол внутреннего трения стремится к нулю φ →0 tg0 = 0, следовательно, формула универсального закона сдвига примет вид τ = c.

 

 

Для определения сопротивления грунта сдвигу сейчас существует довольно много приборов:

· односрезные сдвиговые приборы;

· 2-срезные сдвиговые приборы;

· приборы 3-осного сжатия (стабилометры);

· зондирование;

· искусственное обрушение откосов;

· лопастные испытания (крыльчатка);

· метод шарикового штампа.

Уравнение (3.6) указывает на линейную зависимость между касательными и нормальными напряжениями при сдвиге в грунте. В настоящее время доказано, что природа сил сопротивления грунта сдвигу имеет сложный характер, а потому простое их разделение на трение и сцепление является условным. Однако, учитывая, что многочисленные опыты хорошо подтверждают представленную уравнением (3.6) простую зависимость, пока считают возможным пользоваться указанными понятиями.

 

 

3.4. Закон ламинарной фильтрации, водопроницаемость
и фильтрационные свойства. Гидравлический градиент,

Коэффициент фильтрации

Водопроницаемость связана с уплотнением грунта, так как при уплотнении из грунта в первую очередь извлекается влага.

В строительстве фильтрационные свойства грунта связаны:

1. С инженерными задачами (фильтрация берегов в результате строительства плотин).

2. С вопросами временного понижения уровня грунтовых вод для осушения котлованов и последующего возможного устройства дренажных систем.

Фильтрацией называют движение свободной воды в порах грунта в условиях, когда поток воды почти полностью заполняет поры грунта, т. е. содержится относительно небольшое количество газа, защемленного в скелете грунта.

Закон ламинарной фильтрации Дарси устанавливает зависимость скорости фильтрации поровой воды от градиента гидравлического напора. Движение поровой воды называют фильтрацией, а связанные с этим процессы – фильтрационными. Рассматриваются такие скорости, при которых не наблюдаются завихрения гидравлического потока. Такое движение характеризуется как спокойное, или ламинарное.

Гидравлическим напором называют давление в поровой воде, выраженное в единицах высоты эквивалентного водяного столба:

 

, (3.7)

 

где γ_w – удельный вес воды. Градиентом гидравлического напора называют безразмерную величину, равную отношению разности гидравлических напоров на входе и выходе фильтрационного потока к длине пути фильтрации поровой воды (рис. 3.11, б):

 

(3.8)

 

 

Рис. 3.11. Схемы фильтрации поровой воды:

а – в приборе Дарси; б – в грунтовом массиве; 1 – песок; 2 – сетка; 3, 4 – уровни воды на входе
и выходе; j – угол наклона потока

В опытах (рис. 3.11, а) Дарси измерял расход воды Q (м³) при фильтрации ее через цилиндр с песком площадью поперечного сечения А. Им получена следующая экспериментальная зависимость:

 

Q = , (3.9)

 

где k_f – коэффициент пропорциональности, названный коэффициентом фильтрации;
t – время фильтрации.

Определим понятие скорости фильтрации (м/с) как расход поровой воды через единицу поперечного сечения в единицу времени. Тогда из экспериментальной зависимости Дарси будем иметь:

(3.10)

 

Формула известна как закон ламинарной фильтрации Дарси, который можно сформулировать следующим образом: скорость фильтрации поровой воды прямо пропорциональна градиенту гидравлического напора.

Коэффициент фильтрации k_f, входящий в формулу (3.10), можно трактовать как скорость фильтрации поровой воды при градиенте гидравлического напора (говорят также, гидравлическом градиенте), равном единице. В соответствии с рисунком (3.11, б) единичному значению градиента гидравлического напора соответствует угол наклона поверхности грунтового потока к горизонтальной плоскости j = 45°. Из приведенного выше определения следует, что коэффициент фильтрации имеет размерность скорости (м/с).
В справочных материалах коэффициент фильтрации чаще всего приводится в метрах, деленных на сутки. Значения коэффициента фильтрации зависят от вида грунта и изменяются в широких пределах от 0,001 м/сутки для глин до 100 м/сутки для песков.

В формуле (3.10) фигурирует фиктивная скорость фильтрации, отнесенная к полному сечению грунта, включающему как сечения пор, так и сечения минеральных частиц. Так как фильтрация происходит только по сечениям пор, действительная скорость фильтрации выше фиктивной. Она может быть вычислена через пористость грунта: V = / n. Действительная скорость учитывается при анализе суффозионных процессов в грунтах.

Реальные грунты обладают начальным гидравлическим сопротивлением. Это означает, что фильтрационные процессы протекают лишь при гидравлических градиентах, больших определенной величины. Эту величину называют начальным гидравлическим градиентом i ₀.Величина начального гидравлического градиента, как и коэффициент фильтрации, зависит от вида грунта.

С учетом сделанного замечания запишем окончательное выражение для закона ламинарной фильтрации Дарси:

 

. (3.11)

 

 

 

Рис. 3.12. Фильтрация воды в глинистом грунте при действии сжимающей нагрузки

Фильтрационные характеристики грунтов используются при:

1. Расчете дренажа.

2. Определении дебита источника подземного водоснабжения.

3. Расчете осадок сооружений (оснований) во времени.

4. Искусственном понижение уровня грунтовых вод.

5. Расчете шпунтового ограждения при откопке котлованов, траншей.

В качестве примера приведем усредненные значения коэффициента фильтрации различных грунтов:

галечник чистый более 100 м/сут;

галечник с песчаным заполнителем 100 – 200 м/сут;

пески чистые разной крупности 50 – 2 м/сут;

пески чистые глинистые, супеси 2 – 0,1 м/сут;

суглинки менее 0,1 м/сут;

глины менее 0,01 м/сут.

 

 

3.5. Влияние подземных вод на строительные свойства грунтов
и на фундаменты

На различной глубине от поверхности земли встречаются грунты, пропитанные водой. Эти воды называются грунтовыми, а верхняя поверхность их – уровнем грунтовых вод. Грунтовые воды оказывают большое влияние на структуру, физическое состояние и податливость грунтов. Производство работ при наличии воды в котловане сильно затрудняется. Различные примеси, растворенные в воде, могут вредно (агрессивно) влиять на материал фундаментов и разрушать его. Все это заставляет строителя при проектировании и возведении фундаментов детально изучать грунтовые воды в районе постройки. Вода в грунте скопляется вследствие конденсации паров, проникающих вместе с воздухом, и просачивания дождевых и талых снеговых вод. Поэтому уровень грунтовых вод непостоянен: наиболее высокое стояние их бывает весной, наиболее низкое – зимой и летом. Вблизи открытых водоемов (река, канал, озеро и т. д.) колебание уровня грунтовых вод обычно связано с колебанием уровня воды в водоеме.

После проведения на большой территории планировочных работ, устройства дорог, тротуаров, канализационной сети и т. д. условия стока и просачивания меняются, что может повлечь изменение режима грунтовых вод. Поэтому в больших городах, где такие работы уже проведены, колебание уровня грунтовых вод бывает обычно незначительным. Распределение вод в толще грунта во многом зависит от характера напластования. Вода задерживается при просачивании над водоупорными (главным образом – тяжелыми глинистыми) грунтами и скопляется в водопроницаемых (песчаных) слоях, которые в этом случае называются водоносным и. Если водоносный слой находится под водоупорным, то вода в нижнем водоносном слое во многих случаях находится под давлением. Если в верхнем слое отрыть котлован, то вода поступит в него снизу под давлением и поднимется выше уровня, на котором она первоначально появилась.

Такие воды называются напорными, а уровень, до которого они поднимаются, – установившимся уровнем грунтовых вод. Очевидно, что этот уровень должен выявляться при изысканиях и учитываться при проектировании. В заключение отметим, что при просачивании воды небольшое количество ее всегда задерживается в верхнем почвенном слое (почвенные воды, верховодка). Не оказывая влияния на конструкцию фундаментов, наличие этих вод заставляет всегда принимать меры по изоляции фундаментов и стен от влаги.