Начальный градиент в глинистых грунтах.

Начальный градиент фильтрации - величина градиента фильтрации в глинистых грунтах, при котором начинается практически ощутимая фильтрация. Закон Дарси с учетом начального градиента фильтрации выражается следующим образом: при

при .

Зависимость скорости фильтрации от градиента напора.

 

 

Физические характеристики грунта.

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 водонасыщенного 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.

К классификационным показателям мы относим: гранулометрический состав и его распределение в единице объема, плотность песчаных и консистенцию глинистых почв. Особо существенное значение имеют два последних показателя, характеризующие физическое состояние. Последнее оценивается путем сравнения природной уплотненности и консистенции почвы (густоты) с определенными предельными их величинами (обычно максимальными и минимальными).

 

Принципы построения общей классиф. грунтов и горных пород. При составлении общей классификации грунтов учитываются количественные изменения, происходящие в породах под влиянием различных процессов, протекающих в природе, которые приводят к качественному скачку — возникновению нового типа породы. Общая классификация грунтов должна отражать в первую очередь эти качественные скачки, приводящие к образованию различных групп, подгрупп и типов грунтов. В общую классификацию грунтов не следует включать нефть, каменный уголь и руды, поскольку они или совсем не используются как грунты, или во всяком случае в значительно большей степени представляют интерес как полезные ископаемые. Грунты объединяются в три класса по характеру структурных связей. Первый класс — породы с жесткими связями химического характера, обусловленными в большинстве случаев процессами кристаллизации; породы, которые строители обычно называют «скальными грунтами». К ним относятся магматические, метаморфические, осадочные сцементированные, осадочные химические и биохимические породы. Отнесение последних к первому классу несколько условно, так как отдельные их представители (мел, доломитовая мука) при известных условиях практически утрачивают жесткие связи. Однако подавляющее большинство пород этой группы всегда имеет жесткие связи, и поэтому ее можно включить в первый класс. Глинистые и пылеватые породы, обломочные несцементированные породы, почвы и торф составляют второй класс грунтов, для которых характерны водно-коллоидные структурные связи, обусловленные силами молекулярного, электростатического и магнитного характера. У пород и почв, объединенных во втором классе, жесткие структурные связи отсутствуют; это — дисперсные грунты. Третий класс грунтов представлен искусственными грунтами, т. е. породами и почвами, испытавшими на себе воздействие человека. Человек оказывает воздействие на любые горные породы и почвы, причем характер этого воздействия весьма разнообразен. Поэтому искусственные грунты очень неоднородны по своему составу, образованию и характеру структурных связей.

 

 

Основные закономерности механики грунтов. Под действием передаваемых сооружением вертикальных или наклонных сил в массиве основания возникают нормальные и касательные напряжения, приводящие к деформации грунтов. Кроме того, грунт испытывает напряжения от собственного веса. Деформации от собственного веса грунта завершаются, как правило, в процессе образования и диагенеза грунтов. Напряжения, возникающие от усилий, передаваемых сооружением, приводят к дополнительной деформации грунтов. Наиболее часто имеют место деформации уплотнения грунтов под действием нормальных напряжений, реже — деформации сдвигов грунтов, вызываемые касательными напряжениями.
Воздействие нормальных напряжений на сплошные тела рассматривают в механике деформируемых тел (сопротивление материалов, теория упругости). Поскольку грунты относятся к дисперсным телам, кроме закономерностей деформируемости сплошных тел, приходится учитывать изменение объема пор при сжатии, т. е. рассматривать дополнительно закон уплотнения (закон компрессии). Кроме того, в грунтах, как и в сплошных телах, при действии нормальных напряжений наблюдается боковое расширение, но по более сложной закономерности.
Деформируемость сплошных тел под действием касательных напряжений характеризуется модулем сдвига при упругих деформациях, границей текучести при пластических деформациях и коэффициентом вязкости, обусловливающим вязкое течение. В грунтах деформации сдвигов рассматривают сравнительно редко, обычно интересуются сопротивлением их сдвигу при предельно напряженном состоянии. Это сопротивление зависит от угла внутреннего трения и удельного сцепления грунтов, определяемых в соответствии с законом сопротивления грунтов сдвигу.
Как деформируемость грунтов во времени, так и их сопротивление сдвигу зависит от долей напряжений, передаваемых на скелет грунта и на воду, находящуюся в порах. Поровая вода под действием возникающего в ней давления постепенно отжимается и передает его на скелет грунта, поэтому деформируемость грунтов и их сопротивление сдвигу зависят от фильтрационных способностей грунта. Кроме того, фильтрация воды в грунтах интересует строителей в отношении определения притока воды в котлован и расчета водопонижающих установок. Все это обусловливает необходимость изучения закона фильтрации поровой воды.
Для грунтов, структура которых нарушается при увлажнении, динамических воздействиях, напряженном состоянии или оттаивании (сруктурно-неустойчивые грунты), приходится рассматривать закономерности, определяющие характер их деформируемости — закономерности разрушения структуры.
Знание указанных трех законов, а также закономерностей разрушения структурно-неустойчивых грунтов позволяет составлять прогнозы ожидаемой осадки и предусматривать возможность потери устойчивости массивов грунтов.

· 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) для обеспечения сжатия грунта только в одном направлении (без возможности бокового расширения).

P

 

 

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

· 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.

w, %

P, Па

0

·

 

 

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. закон уплотнения. если изменения давлений будут бесконечно малыми, то изменения коэффициента пористости будут точно пропорциональны изменению давления:

de = - a× dp

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