Геотехника вопросы. 1. Состав грунтов. Классификация грунтов
 Скачать 0.61 Mb.
|
|
6. Пластичность грунтов. Показатель текучести. Показатель текучести грунта – различие влажностей между природным состоянием материала, а также на границе его раскатывания, и индекса пластичности. Определение этого показателя возможно только в лабораториях. Он дает более детальные сведения по грунту. Измерение этого показателя позволяет правильно охарактеризовать грунтовые вязкость и густоту. Показателем текучести IL грунта является отношение разницы величины влажности образца в природном состоянии – WL на границе его раскатывания - Wp, к индексу пластичности Ip. Показатель текучести IL : IL=W-Wp/WL-Wp На этот показатель оказывает сильное влияние природная влажность грунта. В итоге он может быть как отрицательным (твердый грунт), так и положительным (текучая консистенция). Пластичность грунта – его способность под воздействием внешних сил изменять форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после прекращения этого воздействия. Пластичностью при определенной влажности и небольших давлениях обладают только глинистые и лёссовые грунты, мергели и мел, торф, почвы и некоторые искусственные грунты. В обычных условиях при небольших внешних нагрузках у других типов грунтов она отсутствует. 8. Компрессионные свойства грунтов. Компрессионные свойства грунтов (сжимаемость) Все механические свойства грунтов определяются опытным путём (полевые и лабораторные исследования). Рассмотрим, прежде всего, те приборы, с помощью которых определяются эти свойства. Исследуем грунт ненарушенной структуры, помещая его в одометр, иначе называемый компрессионным прибором (см. рисунок).   Общий вид компрессионного прибора (автоматизированная система). При испытании прикладываем на образец грунта нагрузку Р1 – произойдет уплотнение грунта, и коэффициент пористости станет е1. Затем прикладываем нагрузку Р2, получим е2 и т.д. (4–5 ступеней). После заданного нагружения будем снимать нагрузку и наблюдать за результатами. По результатам испытаний строим график компрессионной кривой (к.к).  Графическое представление компессионных испытаний в одометре с построением прямой и обратной ветвей компрессионных кривых (к.к.). Компрессия – это сжатие грунта без возможного бокового расширения. Схематично условие компрессии можно представить при рассмотрении следующих инженерных задач: 1. Уплотнения слоя грунта при сплошной равномерно распределенной нагрузке (плотина, насыпь и т.д.); 2. Уплотнение слоя грунта толщиной h≤0,5 b под центром под центром тяжести подошвы фундамента. Эти условия можно представить ниже приведенными схемами.   Из графика компрессионной кривой видно, что происходит необратимое уплотнение грунта. Нас интересует в основном только прямая ветвь компрессионной кривой. Обратная ветвь к.к. –возможность поднятия дна котлована, имеет значение при глубоких котлованах (гидротехническое строительство). Изобразим снова компрессионную кривую. На небольшом участке рассмотрим приращение нагрузки ∆Р и получим соответственно ∆е. Заменим дугу прямой и рассмотрим угол α.  ∆е = –tgα∆Р В этой формуле знак (–) означает, что с увеличением нагрузки α – уменьшается. В дифференциальной форме: dе = –tgαdР tgα = mо и тогда de = –mоdP – основная математическая форма закона компрессии. Относительное изменение коэффициента пористости пропорционально изменению нагрузки (для малых интервалов нагрузок). Компрессионная кривая позволяет судить о сжимаемости грунта. α – может характеризовать сжимаемость.  Пример изменения угла наклона к.к. для мало и сильно сжимаемого грунтов. Возьмем произвольную точку i на прямой, в пределах отрезка Р1 – Р2. Составим уравнение для этой точки, исходя из начального параметра е0.  еi = е0 – рi tgα – это основное уравнение, характеризующее компрессию в выбранном варианте. Рассмотрим подробнее .  где m<o – коэффициент сжимаемости грунта. Для того чтобы получить mo, необходимо выделить определенный интервал давлений. Р1 – напряжение от собственного веса грунта Р – дополнительное давление от внешней нагрузки Р2 – полное напряжение (Р2 = Р1 + Р) Окончательно:  В соответствии с полученными значениями коэффициента относительной сжимаемости СП (СНиП) определяет 3 категории грунта: mo < 0,005 – грунт мало сжимаемый. mo = 0,005÷0,05 – грунт средне сжимаемый. mo > 0,05 – грунт сильно сжимаемый. 9. Испытания грунтов пробными статическими нагрузками. Определение модуля деформации. Испытания грунтов пробными статическими нагрузками и определение модуля деформации Выполняя отбор проб для испытания грунтов, мы нарушаем его структуру и, следовательно, нарушаем его свойства, поэтому практикуются полевые испытания грунта штампами: большого и малого диаметра (см. рисунок).  Схема штампового испытания грунта в полевых условиях с построением кривой осадки и последующим вычислением модуля общей деформации. Для испытаний грунтов оснований используется стандартный штамп F = 5000 см2. Нагрузка увеличивается ступенями = 0,05 МПа. Во время испытаний наблюдаем за осадкой нашего штампа. Так как нагрузку задаем сами, то в любой момент времени знаем Р. Такая задача решена в теории упругости. – формула Шлейхера–Буссинеску Где: ω– коэффициент, зависящий от жесткости штампа; b – ширина штампа; μ – коэффициент бокового расширения грунта (коэффициент Пуассона); Е0 – модуль общей деформации. Достоинство: испытание грунта ненарушенной структуры. Недостатки: трудоёмкость; продолжительность испытаний. По результатам испытаний, зная измеренные величины, представляется возможность определить модуль общей деформации грунта: 10. Характеристики грунтов, определяющие его прочностные свойства. Способы их определения. Прочностью грунтов называется их способность сопротивляться разрушению. В общем случае разрушение грунта может быть вызвано силами разной природы (механическими, термическими, электрическими и др.), поэтому выделяют соответствующие типы прочности грунтов по природе разрушающих воздействий. В инженерно-геологических целях в первую очередь важно знать механическую прочность грунтов, т. е. их способность сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Если деформационные характеристики грунтов определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т. е. докритических), то параметры прочности грунтов соответствуют критическим разрушающим напряжениям и определяются при предельных нагрузках, вызывающих либо разделение тела на части (для упругих грунтов), либо необратимое изменение формы тела в результате деформации пластического течения (для пластичных грунтов). Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между их структурными элементами - кристаллами, зернами, обломками, агрегатами, частицами, т. е. зависит от типа и особенностей структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между структурными элементами грунта, тем выше его прочность в целом. Поэтому скальные грунты, среди которых преобладают прочные химические (кристаллизационные и цементационные) структурные связи, имеют большую прочность, чем дисперсные грунты со слабыми физическими и физико-химическими структурными связями. Поскольку на испытываемый образец грунта могут действовать разные напряжения (нормальные, касательные, объемные или их совокупности), то в качестве меры его прочности могут быть выбраны разные виды критических напряжений или их соотношения, именно такие меры являются параметрами прочности. К настоящему времени известно более двух десятков условий прочности, разработанных для описания поведения глинистых и песчаных грунтов. Согласно классификации, предложенной W.-F. Chen, все напряженные состояния грунтов можно подразделить на одно- и двупараметрические модели. К однопараметрическим моделям относятся условия прочности Треска, Мизеса, Lade, Duncan. К двупараметрическим моделям относятся условия, предложенные Мором-Кулоном, Drucker-Prager, Р. Lade, М.В. Малышевым и др. После публикации W.-F. Chen прошло много лет (1984 г.), и за это время были предложены условия прочности или модели грунта, которые можно назвать многопараметрическими. В наиболее сложные из них входят до 6 независимых параметров, определяемых из очень сложных и дорогостоящих опытов. Несмотря на многообразие условий прочности, на практике применяются лишь несколько из них. Это в первую очередь условие прочности Мора-Кулона, Кэп-модели и многоповерхностные модели (Prevost, 1977, 1985; Dafalias, 1985). Последние две фуппы моделей грунта более сложные и не позволяют получать решения в аналитическом виде, поэтому они используются в нелинейной механике и численном решении задач [5]. При оценке прочности грунтов чаще всего используют теорию предельного состояния, согласно которой определяют те или иные параметры критических (предельных) значений напряжений, которые может выдержать образец грунта без разрушения. Пределами прочности называются такие пределы, при превышении которых происходит разрушение грунта и он не воспринимает прикладываемых к нему усилий. Критические значения па- раметров соответствуют разным типам напряженного состояния грунта, в которых он может находиться и которые могут харакгеризоваться величинами главных напряжений σ1, σ2 и σ3, причем σ1, σ2 и σ3 в качестве таковых состояний чаще всего рассматриваются (рис. 8.27): • плоскостной сдвиг (σ1> 0, г > 0, рис. 8.27, а); • одноосное растяжение σ1< 0, σ2= σ3 = 0, рис. 8.27, б); • одноосное сжатие (когда σ1 > 0, σ2 = σ3 = 0, рис. 8.27, в) • трехосное сжатие (σ2 = σ3 ≠ σ1> 0, рис. 8.27 (г, д, е).  Рис. 8.27. Схемы опытов: па сдвиг (а): на одноосное растяжение (б); на одноосное сжатие (в): на трехостное сжатие: на определение недренированной прочности грунтов (г): дренированной прочности песчаных (д) и глинистых (е) грунтов [5] 11. Фильтрационные свойства грунтов (водопроницаемость грунтов). Характеристикой степени водопроницаемости грунта является коэффициент фильтрации, представляющий собой скорость фильтрации при градиенте напора, равном единице. Скорость фильтрации воды в грунтах v характеризуется законом Дарси: v = kΔH/l = kI (1.7) где k — коэффициент фильтрации; I — градиент напора при разности напоров ΔН и длине пути фильтрации l. За скорость фильтрации принимается расход воды в единицу времени, отнесенный к площади поперечного сечения образца грунта. Коэффициент фильтрации определяется в лабораторных условиях в фильтрационных приборах и в полевых условиях с помощью опытных откачек, нагнетаний и наливов (табл. 1.20). ТАБЛИЦА 1.20. ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГРУНТОВ
Следует иметь в виду, что в некоторых грунтах, например в плотных глинах, фильтрация возникает лишь тогда, когда градиент напора превысит некоторое критическое значение, называемое начальным градиентом напора. При значительных величинах начального градиента напора следует учитывать его влияние при решении задач уплотнения грунта. Для слабых глинистых грунтов в процессе их консолидации под нагрузкой коэффициент фильтрации значительно уменьшается при увеличении их плотности. 13. Определение механических характеристик грунта в приборах трехосного сжатия. Испытание грунта в приборе 3х осного сжатия ближе отвечает его работе в природных условиях и даёт наиболее надёжные результаты в определении его прочностных и деформационных свойств. 3 х осному напряженному состоянию грунт подвергается в стабилометре.
 Общий вид стабилометраНапряженное состояние в данной точке весьма наглядно отображается при помощи эллипса напряжений, построенного на главных напряжениях.
Наиболее просто напряженное состояние в точке может быть выражено кругом Мора.
В процессе испытаний оставляем неизменным Р2 и увеличиваем Р1. Максимальное значение Р1 будет тогда, когда круг коснется прямой Кулона = Р tg - уравнение, описывающие предельное сопротивление грунта сдвигу для песчаного грунта, т.е. процесс разрушения.
Треугольник ОВС – прямоугольный, ВС – радиус sin =  ; ВС =  ; ОС = Р1 - =  s in =  =  ; sin = - уравнение, описывающее предельное сопротивление грунта сдвигу при 3х осном напряженном состоянии (для сыпучих грунтов).Для связных грунтов необходимо подобным образом испытать min 2 образца с различной величиной главных напряжений: Р1 – Р2 ; Р1 – Р2
sin =  =  =  + sin = - для связных грунтов |
1
n
2 С
= Р tg