Определение порового давления консолидации
Поровым давлением консолидации называется гидродинамическое давление, которое возникает в порах водонасыщенных грунтов в процессе их уплотнения под действием собственного веса и внешней нагрузки.
Поровое давление получается наибольшим в случае полного насыщения пор водой; при наличии в порах кроме воды защемленного воздуха поровое давление оказывается ослабленным.
Таким образом, поровое давление в каменно-земляных плотинах может возникнуть при осуществлении ядра из сжимаемых водойасыщенных грунтов в период их возведения и последующей консолидации. Поровое давление представляет дополнительную сдвигающую силу, действующую на откос, так как по мере отсыпки грунта нагрузка на ранее уложенные слои «быстро» возрастает, а сопротивляемость грунта сдвигу не увеличивается. (Понятие «быстрого» или «мгновенного» приложения нагрузки относительное; по сравнению со сроком консолидации, иногда весьма продолжительным, время возведения насьига на несколько метров или десятков метров может считаться «быстрым» или даже «мгновенным»). Объясняется это следующим: нагрузка, «мгновенно» приложенная к сжимаемому, насыщенному водой грунту, в первый момент времени полностью передается на воду, заключенную в порах, и частицы грунта не получают дополнительного прижатия друг к другу; ввиду этого в первый момент приложения нагрузки плотность грунта не увеличивается, и получается «мгновенное» увеличение сдвигающей силы без возрастания сил сопротивления. В последующем происходит постепенное отжатие воды из пор и передача нагрузки на скелет грунта, в результате чего он уплотняется и повышается его сопротивляемость сдвигу.
Движение поровой воды — переменное во времени, следовательно, неустановившееся. Интенсивность указанного движения зависит от коэффициента фильтрации грунта и степени его водонасыщения, а также от условий отвода воды (дренажа) на контакте ядра с упорными призмами.
Поровое давление на устойчивость откосов влияет отрицательно, поэтому для плотин высотой более 40 м учет его в расчетах статической устойчивости откосов и осадок обязателен во всех тех случаях, когда грунт ядра плотины мелкопористый, водонасыщенный со степенью влажности 15:0,85.
Для плотин высотой до 40 м поровое давление может не учитываться, за исключением случаев возведения их ядра методом отсыпки грунта в воду или вовсе без уплотнения, а также возведения плотины на основании, сложенном глинистыми грунтами мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции (СНиП П-53-73).
Значение порового давления в грунте ядра плотины зависит от следующих его показателей: коэффициентов фильтрации, водонасыщения и плотности, компрессионных свойств, упругопластических и ползучих свойств, геометрических размеров ядра (или экрана), срока его возведения, а также скоростей подъема уровня воды в водохранилище.
Из всех перечисленных факторов решающее влияние имеют первые три. Так, при высоких коэффициентах фильтрации (порядка 10,4—10,3 см/с и более) поровое давление в процессе возведения возникает в незначительных размерах. При малых коэффициентах фильтрации (10,7—10,8 см/с и менее) и полном водонасыщении поровое давление к концу строительного периода достигает 100% напора. При средних значениях коэффициента фильтрации 10,5—10,6 см/с поровое давление развивается лишь частично.
В подтверждение изложенного ниже приводятся расчетные значения порового давления для плотины высотой 200 м с ядром, возводимым из грунтов с разными коэффициентами фильтрации.
Расчеты порового давления производятся на основе фильтрационной теории уплотнения земляной среды, а также смешанных задач теории фильтрационной консолидации и теории ползучести. Ползучесть скелета грунта — это способность его к нарастанию деформаций во времени под действием постоянной внешней нагрузки, т. е. склонность к реологическим явлениям.
Дифференциальные уравнения фильтрационной консолидации полностью водонасыщенных грунтов для одномерной задачи были даны Терцаги. Последующее развитие теория фильтрационной консолидации получила в трудах Н. М. Герсеванова и Д. Е. Польшина. В дальнейшем В. А. Флориным был разработан общий метод численного интегрирования дифференциальных уравнений консолидации грунтов как по чисто фильтрационной теории (при постоянных и переменных характеристиках грунтов), так и с учетом ползучести скелета грунта.
В связи с этим следует различить следующие три расчетные схемы (модели), по которым должны производиться расчеты порового давления в зависимости от фильтрационных свойств грунта и его водонасыщения:
схема 1, принимаемая при больших коэффициентах фильтрации, предусматривает двухфазную среду, т.е. отсутствие в порах грунта защемленного воздуха;
схема 2, принимаемая при малых коэффициентах фильтрации, предусматривает так называемую «закрытую систему»;
схема 3, принимаемая при средних значениях коэффициента фильтрации, учитывает трехфазную среду.
Решение расчетных уравнений чисто фильтрационной теории консолидации дано В. А. Флориным в конечных разностях как для плоской и одномерной, так и пространственной задачи, связная среда принята однородной и изотропной, расчетные характеристики осредненными и постоянными по всей высоте ядра.
Последнее предположение для плотин большой высоты может привести к преуменьшению порового давления, поскольку величины коэффициента фильтрации, коэффициента пористости и коэффициент уплотнения значительно изменяются по высоте.
При необходимости учета переменных расчетных характеристик, которая возникает при изменении указанного отношения более чем в 5 раз, можно воспользоваться имеющимися в литературе новыми решениями одномерной задачи.
В решениях, предложенных А. А. Ничипоровичем (ВОДГЕО), расчетные характеристики приняты постоянными лишь в пределах каждого расчетного горизонтального слоя, на которые разбито ядро плотины, а отток воды в процессе консолидации — только в горизонтальном направлении. В развитие этого метода Т. И. Цыбульник были даны предложения по определению порового давления с учетом подъема уровня воды в верхнем бьефе и взвешивания грунта.
Наряду с фильтрационной теорией консолидации, рассматривающей процесс уплотнения грунта лишь в связи с возникающим в нем неустановившимся движением поровой воды, получила развитие также так называемая смешанная теория консолидации, рассматривающая процесс уплотнения грунта не только в связи с движением поровой воды, но и с одновременным возникновением процесса ползучести грунтового скелета.
Решение указанной задачи в общем виде представляет большую сложность. Для инженерных расчетов можно пользоваться решениями частных случаев, данными А. Л. Гольдиным (ВНИИГ), а также Ю. К. Зарецким (МИСИ).
Сопоставление расчетов с материалами натурных наблюдений за поровым давлением в ядрах плотин Серр-Понсон, Гепач, Кастилетто и др., а также в опытной плотине высотой 6,3 м, представляющей модель Нурекской плотины, произведенное НИС Гидропроекта, показало, что поровое давление в глинистых ядрах изменяется примерно так, как это получается по фильтрационной теории консолидации. Ползучесть скелета на величину порового давления и деформаций влияет в основном в случае весьма быстрого возведения плотины («мгновенного»).
Кроме того, установлено, что коэффициент порового давления очень чувствителен к изменению плотности и влажности грунта; увеличение влажности на 1—3% резко увеличивает поровое давление. Исследованиями, проведенными в МИСИ, решен также ряд задач теории консолидации грунтов в основаниях сооружений при простых статических нагружениях. Получены расчетные зависимости, учитывающие влияние ползучести грунтов на процесс их консолидации под действием собственного веса, сосредоточенной и местной распределенной нагрузки.
Выбору методики расчета следует уделять большое внимание, так как в некоторых случаях недоучет ползучих свойств грунта, а также большая ширина ядра (нарушающая условие горизонтального оттока воды) могут значительно повлиять на результаты расчета порового давления.
ПОРОВОЕ ДАВЛЕНИЕ И КОНСОЛИДАЦИЯ ГРУНТОВ
Обычно в грунте выделяют три основные составляющие фазы: твердые составляющие, вода и воздух. Когда в грунте присутствуют все три фазы, то считается, что фунт трехфазный; если грунт состоит из твердой фазы и воды, то фунт двухфазный; если в грунте вода отсутствует, то фунт однофазный. Физические уравнения, описывающие состояние фунта, т. е. уравнения, связывающие между собой напряжения, деформации и прочность фунта, называют уравнениями состояния или физической моделью фунта. В зависимости от числа присутствующих в грунте фаз модели грунта бывают одно, двух н трехфазные. Каждая фаза (твердая, жидкая и газообразная) обладает специфическими физическими уравнениями, общее уравнение состояния должно, с одной стороны, описывать эти свойства, а с другой отражать взаимодействие этих фаз между собой. Создать такую обобщенную модель фунта еще предстоит. Существующие модели фунта упрощены.
Наибольшее распространение применительно к плотинам из грунтовых материалов получила так называемая модель фильфационной консолидации, разработанная В.А. Флориным. Основы этой теории заложил К. Терцаги. Сущность теории консолидации заключается в распределении действующей на фунт нафузки между твердой и жидкой фазами. Важность этой задачи трудно переоценить, так как только та часть нафузки, которая передается на твердую фазу, создает внутреннее трение в фунте. Действующее в рассматриваемой точке среднее нормальное напряжение (часто называемое тотальным) распределяется на две составляющие: среднее нормальное напряжение, действующее в скелете фунта, называемое эффективным о; среднее нормальное напряжение, которое воспринимает вода.
Поскольку модуль объемного сжатия воды во много раз выше модуля объемного сжатия совокупности частиц твердой фазы, то обычно принимают, что вода несжимаема. Тогда, в случае двухфазной модели грунта при приложении нагрузки к грунту в начальный момент, а затем под действием появившегося избыточного давления (по отношению к атмосферному давлению) в порах грунта начнется процесс неустановившейся фильтрации воды из пор грунта. Давление воды в порах начнёт падать и неуравновешенная часть давления будет передаваться на твердую фазу грунта появится. Грунт начнет деформироваться, уменьшая свой объем. Одновременно с деформированием твердая фаза грунта начнет накапливать прочность за счет появления в этих контактах трения. Спустя какоето время, зависящее от коэффициента фильтрации грунта, поровое давление понизится до атмосферного давления. В этот момент грунт достигает максимальной прочности, так как с учетом порового давления закон Кулона записывают в виде
В случае трехфазного грунта в момент за счет сжатия воздуха не вся нагрузка передается на воду и часть нагрузки сразу будет восприниматься скелетом грунта (твердой фазой). Таким образом, с уменьшением коэффициента водонасыщения условия работы грунта улучшаются.
Наличие воды в порах любого грунта создает потенциальные возможности к образованию порового давления, но время его существования будет различным в зависимости от проницаемости грунта. На практике при рассмотрении работы сооружения под действием статических сил поровое давление имеет смысл определить только в глинистых грунтах (супесь, суглинок, глина). В песчаных и более крупнозернистых фунтах его не определяют, так как оно быстро уменьшается (рассеивается) за счет высокой водопроницаемости этих фунтов.
Определение порового давления по методу компрессионной кривой. Метод компрессионной кривой простой метод определения максимального порового давления для трехфазной модели фунта. Метод был предложен занятых воздухом; ед то же, для пор, занятых водой; коэффициент растворимости воздуха в воде согласно закону Генри , который можно принять равным 0,0245; изменение коэффициента пористости грунта, полученное после приложения внешней нагрузки; 3 ед количество растворимого воздуха в воде, содержащейся в единице объема грунта.
Всякое дополнительное изменение внешней нагрузки будет целиком передаваться на воду [выражение (12.22) определяет давление в газообразной фазе грунта], когда грунт переходит из трехфазной системы в двухфазную.
Постулируя условие, что давления в газообразной и жидкой фазе равны, мы тем самым имеем возможность определить нейтральное давление в грунте по приведенным выражениям для случая отсутствия оттока воды (Рв)пих Важнейшей характеристикой грунта, необходимой для расчетов порового давления, является коэффициент порового давления, равный отношению максимального порового давления к общему среднему давлению, действующему в грунте (тотальному среднему давлению):
Определение максимальных значений порового давления возможно на основе компрессионных свойств грунтов и полученных зависимостей
Построение компрессионной зависимости осуществляется в открытой системе, т.е. вода по мере приложения нагрузки к грушу имеет возможность филировать. В этом случае поровое давление в грунте постепенно падает до атмосферного давления (рассеивается). Следующая ступень нагрузки на грунт прикладывается после стабилизации объема на предыдущей ступени нагружения, в результате чего происходит рассеивание порового давления после приложения каждой степени нагрузки. Именно такая методика принята в механике грунтов для построения компрессиональной кривой. На рис. 12.10, а и б показана компрессионная кривая . На этом графике значение Pt=fz(e) для закрытой системы построено по зависимости (12.21).
Имея эти два графика, можно установить те средние напряжения (полные), которые необходимо создать в грунте, чтобы он в закрытой системе деформировался так же, как в открытой. Сумма даст новую кривую деформации в закрытой системе. Точка А на графике указывает значение Р когда весь воздух растворился и коэффициент пористости, соответствует полному насыщению пор водой (переход к двухфазной системе). В закрытой системе грунт будет деформироваться только до точки А. Затем вся нагрузка будет передаваться на воду. Теперь легко построить графики, что и показано на рис. 12.10, б.
Зависимость имеет криволинейный характер только на участке сжатия воздуха (точка А) затем приращение внешней нагрузки передается только на воду и кривая графика) становится прямолинейной, наклоненной под углом 45° к оси.
Построение вспомогательных графиков позволило определять Ря=(ху у) в теле плотины при отсутствии оттока воды. Для этого надо знать напряжение ст. Если сведения о тотальных средних напряжениях отсутствуют, то принимая коэффициент Пуассона в грунте равным 0,5, где у мощность лежащей выше толщи грунта, можно считать ст=сту=УфУ, Принятые допущения соответствуют распределению среднего давления в жидкости, что приводит к завышению порового давления.
Изложенный метод в силу приведенных выше допущений и предположения об изменении порового давления в зависимости от напора, определенного по гидродинамической сетке, построенной на момент образования установившегося фильтрационного потока, дает завышенные значения порового давления. Более точный метод основан на фильтрационной теории консолидации, но он позволяет оценить величину максимального порового давления в рассматриваемой точке и возможные максимальные осадки при рассеивании порового давления до величины фильтрационного или даже полностью, если это возможно.
Метод фильтрационной теории консолидации может включать для определения метод компрессионной кривой, изложенный выше, или эта зависимость может определяться непосредственно из экспериментов. Эксперименты следует проводить с глинистыми грунтами в стабилометре, так как в этом случае известны все компоненты напряжений, прикладываемых к грунту. Одометры можно использовать только в крайнем случае, поскольку известно только сту и переход к ст сопровождается допущениями о предполагаемом значении коэффициента Пуассона.
Составив уравнение неразрывности для трех фаз грунта, В.А. Флорин получил уравнение консолидации трехфазной земляной среды, которое для условий плоской деформации имеет вид:
Плоская задача в фильтрационном отношении может быть сведена к одномерной, если принять условие горизонтального оттока воды, что равносильно учету большой фильтрационной анизотропии в грунте, когда к>к?. Это допущение не приводит к серьезным отклонениям от действительности. Проверка этого допущения, предложенного А.А. Ничипоровичем, выполненная различными авторами, показала, что применительно к тонким грунтовым противофильтрационным элементам (ядра, экраны) оно не дает существенных отклонений по сравнению с более строгими решениями, и даже ближе к натурным данным, чем результаты строгих решений, т.к. в действительности в грунте всегда имеет место фильтрационная анизотропия
Это допущение позволило А.А. Ничипоровичу совместно с Т.И. Цыбульник получить решение задачи о консолидации в замкнутом виде. Кроме того, авторы приняли характеристики грунта и среднее напряжение постоянными вдоль горизонтального сечения противофилырационного элемента и предположили, что на поровое давление (на объемные деформации) деформации формоизменения не влияют. Как будет видно из п. 12.4, эти дополнительные допущения и предположения, по крайней мере, для ядра плотины являются приемлемыми. Ниже приводится результат вывода зависимости Ра&(х, у, t), сделанный А.А. Ничипоровичем и Т.И. Цыбульник. Окончательное выражение для порового давления, распределенного в рассматриваемом горизонтальном сечении, имеет вид:
Величина принимается постоянной и равной среднему значению в диапазоне изменения напряжений а от 0 до максимальных на рассматриваемом уровне у. Величину а лучше определять из опытов в приборе трехосного сжатия. Скорость нарастания нагрузки равна:
Полученная зависимость позволяет находить значения порового давления в любом горизонтальном сечении по высоте сооружения. Часто для получения решения достаточно учесть один член ряда, хотя встречаются случаи, когда требуется учитывать первые три члена ряда (г=1; 3; 5), Второй индекс подчеркивает происхождение порового давления от веса выше лежащего грунта.
Уравнение (12.27) позволяет учесть переменность любых характеристик по высоте сооружения: коэффициента фильтрации, начальной плотности, влажности и т.д. Если заранее из решения задачи о напряженнодеформированном состоянии плотины неизвестны распределения напряжений в противофильтрационном элементе сооружения, то можно использовать допущения. Это допущение даст завышенные результаты значения ст и порового давления.
Для случая изменения напора Т.И. Цыбульник получила общее решение о поровом давлении:
Зависимость (12.28), по существу, является решением задачи неустано вившейся фильтрации, вызванной подъемом воды в верхнем бьефе при анизотропных свойствах грунта
В практических случаях мы можем иметь самые разнообразные графики возведения сооружения, при этом скорость подъема воды в верхнем бьефе может значительно отставать от скорости строительства. Все эти сложные сочетания подъема воды в верхнем бьефе и возведения сооружения могут разбиваться на элементарные сочетания, отвечающие полученным зависимостям. Если подъем воды идет (условно) равномерно со строительством, то при определении следует учитывать взвешивание, т.е. а следует брать с учетом взвешивания.
Если подъем уровня запаздывает по сравнению со скоростью возведения ядра, надо вводить Р поровое давление от взвешивания, тогда полное давление
Рассмотренное решение задачи консолидации не учитывало ползучести грунта. Решение такой задачи в квазиодномерной постановке дал А.Л. Гольдин.
Рассмотренные выше допущения позволяют решать задачи о распределении порового давления в сравнительно тонких противофильтрационных элементах, когда применима «открытая» система (средний градиент ср=2).
Необходимость учета реальных значений с видна из рис. 12.15. Построение выполнено А. Пенменом по данным натурных наблюдений за поровыч давлением и напряжениями в плотине ЛинБриан (Англия). Как видно из результатов, поровое давление достигло исключительно больших значений в нижней половине ядра плотины (а»1). Практически это поровое давление вывело ядро плотины из работы на устойчивость, так как почти вся нагрузка передалась на воду, защемленную в порах фунта.
Если сравнивать Рв с оу, то картина существенно благоприятней, чем сопоставление, но именно оно наиболее правильно.
Важнейшее условие снижения порового давления консолидации снижение коэффициента водонасьпцения при укладке фунта в тело плотины.
В результате обобщения данных натурных наблюдений за поровым давлением, выполненных Ю.П. Ляпичевым, можно сделать вывод о том, что не только толщина ядра определяет применимость «открытой системы» для решения задачи о поровом давлении, но и свойства фунта. Условие применимости «открытой системы» можно сформулировать следующим образом: применение «открытой системы» возможно для элементов плотин с Т>2 (I средний фадиент напора на ядро) при условии, что эти элементы выполнены из фунтов с числом пластичности Wn оо. Осадки глинистых элементов плотин происходят не только за счет оттока воды из грунта, но и за счет ползучести скелета (его вязких свойств), однако эти осадки сравнительно малы, поэтому оценивают осадки в ядрах обычно только за счет фильтрационной консолидации ядра:
Зависимость (12.30) может быть получена из рассмотрения рис. 12.16, г. Пусть имеется элемент грунта, в котором Л, высота твердых частиц (скелета), ha высота пор занятых водой и воздухом, то же после деформирования этого элемента. Тогда сжатие элемента
Технология расчета проста и сводится к следующему:
1. Сооружение (однородная плотина, ядро или экран) разбивается на А слоев толщиной ДА. Обычно толщина слоев одинаковая.
2. В каждом слое определяется значение о, момент (к примеру, наконец строительного периода) и соответствующее ему значение; по компрессионной зависимости е =Доэф).
3. В каждом слое устанавливается о на момент соответствующее значение. Если (рис. 12.16, в), то так как в последующее время Р, будет расти, и осадка за счет консолидации прекратится. Графики, аналогичные приведенному, для определения времени консолидации необходимо строить относительно каждого слоя. Точка конец консолидации. Далее возможно уже развитие вторичной консолидации за счет ползучести скелета грунта, но этот процесс здесь не рассматривается.
4. Величина s подсчитывается по формуле (12.30). Величина вертикальных осадок в эксплуатационный период обычно не превышает 1 % высоты, но встречаются случаи, когда 5ЭКП достигает 3 %.
Для предварительного определения эксплуатационной осадки можно воспользоваться эмпирической формулой Лаутона
Формула дает приемлемое совпадение с натуральными данными для плотин высотой до 150 м, и отсыпаемые большими слоями с уплотнением гидромониторами. Горизонтальные эксплуатационные перемещения обычно составляют (0,5+
Поровое давление в глинистом основании грунтовой плотины. В силу того, что основание полностью водонасыщено и коэффициент перового давления в начальный момент приложения нагрузки равен 1, правильность оценки рассеивания порового давления в некоторых случаях определяет возможность строительства плотины без осуществления специальных мер по снижению этого давления.
При расчете порового давления в основании следует различать два основных случая [207]:
1) глинистый слой дренируется грунтом как сверху, так и снизу;
2) глинистый слой дренируется только с одной стороны (сверху или снизу).
Если толщину глинистого слоя принять за 2А, то для случая мгновенного приложения внешней нагрузки Р давление в скелете Pz равно
Изложенные решения получены из общей теории фильтрационной консолидации в предположении, что глинистый грунт дренируется с верхней и нижней сторон. Если дренаж находится с одной стороны, следует рассчитывать фиктивный слой, приблизительно в 2 раза более мощный действительного. Поровое давление рассматривается только в верхней половине слоя в рассчитанные осадки [зависимость (12.30)] фиктивного слоя должны быть в 2 раза уменьшены.
Для определения сжатия слоя грунта имеются и замкнутые решения, которые изложены в курсе механики грунтов [75]. При строительстве плотин на слабых иловатых основаниях часто возникает необходимость ускорить процесс консолидации основания. Это достигается устройством в таком основании вертикальных песчаных дрен (рис. 12.17 и 12.32). Расчеты одно и двухслойных
Поровое давление в грунте это
Главная 
ГТС Часть 1 Поровое давление и консолидация грунтов
Главное меню
- Главная
- Техника безопасности
- Насосные установки
- ГТС
- Часть 1
- Часть 2
Строительные работы
- Ремонт автодорог
- Земляные работы
- Подводное бетонирование
- Проектирование автодорог
- Строительство автодорог
- Устройство водоснабжения
- Керамика в доме
- Транспортные работы
- Бетонные работы
- Электричество в доме
- Устройство канализации
- Теплые полы
- Легкие металлоконструкции
- Сваи и свайные фундаменты
- Машины для погружения свай
- Производство свайных работ
- Земляные плотины
- Культуртехнические работы
- Защита строительных конструкций
- Гидроизоляция сборных резервуаров
- Дноуглубительные работы
- ГТС на рыбоводных прудах
Поровое давление и консолидация грунтов
Обычно в грунте выделяют три основные составляющие фазы: твердые составляющие, вода и воздух. Когда в грунте присутствуют все три фазы, то считается, что грунт трехфазный; если грунт состоит из твердой фазы и воды, то грунт — двухфазный; если в грунте вода отсутствует, то грунт однофазный.
Совокупность физических уравнений, описывающих состояние грунта, т.е. уравнения, связывающие между собой напряжения, деформации и прочность грунта, называют уравнениями состояния или физической моделью грунта. В зависимости от количества присутствующих в грунте фаз, модели грунта бывают однофазные, двухфазные и трехфазные. Каждая фаза (твердая, жидкая и газообразная) обладает своими специфическими физическими уравнениями, общее уравнение состояния должно, с одной стороны, описывать эти свойства, а с другой — отражать взаимодействие этих фаз между собой. Создать такую обобщенную модель грунта еще предстоит. Существующие модели грунта упрощенны.
Наибольшего распространения применительно к плотинам из: грунтовых материалов получила так называемая модель фильтрационной консолидации, разработанная в СССР В. А. Флориным. Основы этой теории заложил К. Терцаги.
Сущность теории консолидации заключается в распределений действующей на грунт нагрузки между твердой и жидкой фазами. Важность этой задачи трудно переоценить, так как только та часть нагрузки, которая передается на твердую фазу, создает внутреннее трение в грунте. Действующее в рассматриваемой точке среднее нормальное напряжение (часто называемое тотальным) распределяется на две составляющие: среднее нормальное напряжение, действующее в скелете грунта, называемое эффективным; среднее нормальное напряжение, которое воспринимает вода, — нейтральное, т. е.
Поскольку модуль объемного сжатия воды во много раз выше модуля объемного сжатия совокупности частиц твердой фазы, то обычно принимают, что вода несжимаема. Тогда, в случае двухфазной модели грунта, при приложении нагрузки к грунту в начальный момент (t = 0, где t — время), и , затем под действием появившегося избыточного давления в порах грунта (по отношению к атмосферному давлению) начнется процесс неустановившейся фильтрации воды из пор грунта, давление воды в порах начнет падать и неуравновешенная часть давления будет передаваться на твердую фазу грунта — появится . Грунт начнет деформироваться, уменьшая свой объем. Одновременно с деформированием твердая фаза грунта начнет накапливать прочность за счет появления нормальных сил в контактах соприкасающихся частиц и появления в этих контактах трения. Спустя какое-то время зависящее от коэффициента фильтрации грунта поровое давление снизится до величины атмосферного давления (математически при ). В этот момент и . В этот же момент грунт достигает максимальной прочности, так как с учетом порового давления закон Кулона записывают в виде
В случае трехфазного грунта в момент времени t = 0 , так как за счет сжатия воздуха не вся нагрузка передается на воду- часть нагрузки сразу будет восприниматься скелетом грунта (твердой фазой). Таким образом следует, что с уменьшением коэффициента водонасыщения условия работы грунта улучшаются.
Наличие воды в порах любого грунта создает потенциальные возможности к образованию порового давления, но время его существования будет различными зависимости от проницаемости грунта. На практике при рассмотрении работы сооружения под действием статических сил поровое давление имеет смысл определять только в глинистых грунтах (супесь, суглинок, глина). В песчаных и более крупнозернистых грунтах его не определяют, так как оно быстро уменьшается (рассеивается) за счет высокой водопроницаемости этих грунтов.
Механика грунтов насыщенной и неводонасыщенной области грунта
Классическая механика грунтов и геотехническая инженерия, по мнению Фредлунда и Рахарджо (Fredlund and Rahardjo, 1993), часто преподается с неявным предположением, что грунт либо сухой (насыщенность 0%), либо насыщенный (насыщенность 100%). Утверждается, что поведение грунта регулируется исключительно принципом эффективных напряжений Терцаги (Terzaghi, 1936). Но по сути, сухое и насыщенное состояния — это всего лишь два крайних и предельных состояния грунта. Другими словами, сухие и насыщенные условия — это всего лишь два частных случая ненасыщенного грунта, степень насыщения которого находится в пределах от 0 до 100 процентов. Однако во многих инженерных задачах грунт часто бывает ни полностью насыщенным, ни полностью сухим.
Для удобства общее поле классической механики грунтов часто подразделяются на часть, касающуюся насыщенных грунтов, и часть, касающуюся ненасыщенных грунтов. Хотя можно показать, что в этом искусственном делении на насыщенные и ненасыщенные грунты нет необходимости. Все же может быть полезно использовать знания, полученные о насыщенных грунтах, в качестве эталона, а затем распространить их на более широкую ненасыщенную область, как показано на рис. 1, который обеспечивает наглядное пособие для обобщенного понимания границ механики грунтов насыщенной и ненасыщенной областей (Fredlund, 1996). Для простоты области механики грунтов разделены уровнем грунтовых вод. Ниже уровня грунтовых вод поведение грунта определяется эффективным напряжением , тогда как ненасыщенный грунт над водой определяется двумя независимыми переменными напряжения, чистым нормальным напряжением и матричным всасыванием (Jennings and Burland, 1962; Fredlund and Morgenstern, 1977).
Сосредоточив внимание на грунтах выше уровня грунтовых вод, может быть полезно классифицировать грунт в соответствии со степенью его насыщения, как показано на рисунке 2. Фредлунд и Моргенштерн (Fredlund and Morgenstern, 1977) определили, что вместо двухфазного материала: твердых частиц и воды — в насыщенном грунте, ненасыщенный грунт имеет четыре фазы: твердые частицы, вода, воздух и поверхность раздела , называемая сократительной кожей (contractile skin) (Paddy, 1969).
Очевидно, что поведение ненасыщенного грунта сложнее, чем насыщенного. Цель этой статьи — упростить сложности понимания ненасыщенного грунта до удобоваримого уровня для студентов и практикующих инженеров.
Рисунок 1. Помощь в визуализации для обобщенного понимания границ механики грунтов (Fredlund, 1996)
Рисунок 2. Категоризация грунта над уровнем грунтовых вод на основе изменения степени насыщения (Fredlund, 1996)
Зона аэрации
Согласно изображению на рисунке 1 области механики грунтов разделены горизонтальной линией, представляющей уровень грунтовых вод. Ниже уровня грунтовых вод давление воды в порах будет положительным, и грунт в целом будет насыщенным. Выше уровня грунтовых вод поровое давление воды, как правило, будет отрицательным по отношению к атмосферному (манометрическому) давлению. Вся зона грунта над уровнем грунтовых вод называется зоной аэрации (см. рис. 3).
Непосредственно над уровнем грунтовых вод находится зона, называемая капиллярной каймой, где степень насыщения приближается к 100%. Толщина этой зоны может варьироваться от менее 1 м до примерно 10 м в зависимости от типа грунта (Fredlund, 1996). Внутри этой капиллярной зоны можно предположить, что водная фаза является непрерывной, тогда как воздушная фаза обычно является прерывистой. Выше этой капиллярной зоны может быть идентифицирована двухфазная зона, в которой и водная, и воздушная фазы могут быть идеализированы как непрерывные. Внутри этой зоны степень насыщения может варьироваться примерно от 20 до 90 процентов в зависимости от типа и состояния грунта. Выше этой двухфазной зоны почва становится более сухой, и водная фаза будет прерывистой, тогда как воздушная фаза останется непрерывной.
Рисунок 3. Визуализация механики насыщенного/ненасыщенного грунта, основанная на характере жидких фаз (Fredlund, 1996)
Климатические изменения и зона аэрации
Расположение грунтовых вод сильно зависит от климатических условий в регионе. Если регион является засушливым или полузасушливым, уровень грунтовых вод со временем медленно снижается ( может иметь геологическую временную шкалу). Если климат умеренный или влажный, уровень грунтовых вод может оставаться довольно близко к поверхности земли. Именно разница между нисходящим потоком (осадками) и восходящим потоком (испарением и эвапотранспирацией) определяет положение уровня грунтовых вод (см. рис. 4).
Эвапотранспирация или суммарное испарение — количество влаги, переходящее в атмосферу в виде пара в результате осушения и последующей транспирации и физического испарения из почвы и с поверхности растительности.
Независимо от степени насыщения грунта профиль порового давления воды придет в равновесие в гидростатическом состоянии, когда нет чистого потока с поверхности земли. Если влага извлекается с поверхности земли (например, путем испарения), профиль порового давления воды будет смещен влево. Если влага попадает на поверхность грунтовых вод (например, в результате инфильтрации осадков), профиль порового давления воды будет смещен вправо.
Чистый восходящий поток вызывает постепенное высыхание и растрескивание грунтовой массы, тогда как чистый нисходящий поток, в конечном итоге, насыщает грунтовую массу. На глубину водного зеркала влияет, среди прочего, суммарный поверхностный поток. Гидростатическая линия относительно уровня грунтовых вод представляет собой состояние равновесия, при котором на поверхности земли отсутствует поток. В засушливые периоды поровое давление воды становится более отрицательным, чем представленное гидростатической линией. Противоположное состояние возникает во влажные периоды. Травы, деревья и другие растения, растущие на поверхности земли, высушивают почву, создавая натяжение поровой воды за счет эвапотранспирации (Dorsey, 1940). Большинство растений способны прикладывать к поровой воде давление 1–2 МПа (10–20 атм) (Taylor and Ashcroft, 1972). Напряжение, приложенное к поровой воде, действует во всех направлениях и может легко превысить боковое ограничивающее давление в грунте. Когда это происходит, начинается вторичный режим десатурации (растрескивание). Эвапотранспирация также приводит к уплотнению и обезвоживанию почвенной массы.
Рисунок 4. Визуализация механики грунта, показывающая роль граничного условия поверхностного потока (Fredlund, 1996)
С годами грунтовые отложения подвергаются различным и меняющимся условиям окружающей среды. Это вызывает изменения в распределении порового давления воды, что, в свою очередь, приводит к усадке и набуханию грунтовых отложений. Распределение порового давления воды по глубине, как показано на рисунке 4, может принимать самые разные формы в результате изменений окружающей среды или техногенных воздействий. Есть много сложностей, связанных с аэрационной зоной ее трещиноватой и нарушенной природы. Традиционно в разработках стремились избегать или сильно упрощать анализ этой зоны, если это возможно. Однако во многих случаях именно понимание этой зоны является ключом к характеристикам проектируемой конструкции. Исторически сложилось, что классические задачи фильтрации касались насыщенного грунта, где граничные условия состоят либо из заданного напора, либо из нулевого потока. Однако реальный мир для инженера часто включает в себя поверхность земли, где может быть положительное или отрицательное условие потока или поровое давление. Геоэкологические проблемы заставляют инженеров обратить внимание на анализ насыщенных/ненасыщенных нестационарных просачиваний с граничными условиями потока (приток или отток).
Улучшенные вычислительные возможности, в том числе с применением расчетных комплексов midas GTS NX и midas FEA NX, доступные на сегодняшний день инженерам, помогли приспособиться к этим изменениям.
Большинство искусственных сооружений расположены на поверхности земли и как таковые будут иметь граничное условие потока окружающей среды. Это относится к автомагистралям, где грунт насыпи и земляного полотна имеет начальный набор условий или напряженных состояний. Эти условия будут меняться со временем, в первую очередь, изменений окружающей среды и климата (или потока поверхностной влаги) или внешних воздействий. Фундаменты для легких конструкций также обычно размещают значительно выше уровня грунтовых вод, где поровое давление воды отрицательное. Фактически, большинство легких инженерных сооружений мира находится в зоне аэрации, на которую сильно влияют климатические изменения или внешние воздействия. Одной из характеристик верхней части зоны аэрации является ее способность медленно отдавать водяной пар в атмосферу со скоростью, зависящей от водопроницаемости неповрежденных участков почвы. В то же время нисходящий поток воды может проходить через трещины при градиенте, равном единице. Похоже, что притоку воды ничего не будет препятствовать до тех пор, пока грунт не набухнет, и масса не станет цельной, или пока трещины и разломы не заполнятся водой.
Распространенное заблуждение, что вода всегда может попасть в грунт с поверхности земли. Однако, если грунт неповрежденный, максимальный поток воды у поверхности земли равен коэффициенту водопроницаемости грунта. Это значение может быть чрезвычайно низким. Если поверхность земли наклонная, а верхний слой грунта имеет трещины или разломы, поверхностный слой может легче насыщаться, и он будет иметь более высокий коэффициент водопроницаемости, чем нижележащий грунт. В результате вода стекает по верхним слоям почвы на склоне и не может попасть в нижележащий неповрежденный грунт.
Помимо естественных и геологических процессов, антропогенная деятельность, такая как раскопки, переформовка и повторное уплотнение, также может привести к снижению насыщения водонасыщенных грунтов и, следовательно, к образованию ненасыщенных зон в грунтовом массиве. Эти природные и искусственные материалы и явления трудно рассматривать и понимать, особенно когда речь идет об изменении объема, в рамках классической механики насыщенного грунта.
Регионы с более засушливым климатом все больше осознают уникальность своих региональных проблем механики грунтов. В последние годы в развитых регионах также произошло смещение акцента с оценки поведения инженерных сооружений на оценку воздействия строительства на окружающую среду. Это смещение акцентов привело к большей необходимости иметь дело с зоной аэрации. В ряде стран мира возникла всеобъемлющая механика насыщенных и ненасыщенных грунтов (Fredlund, 1996).
Механика грунтов насыщенной и неводонасыщенной области грунта