егнепобююдд.. Реология грунтов 2010 (2). Литература Бородавкин П. П. Механика грунтов, 3е издание, 2003г. Маслов Н. Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов

• Название: Литература Бородавкин П. П. Механика грунтов, 3е издание, 2003г. Маслов Н. Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов
• Анкор: егнепобююдд
• Дата: 23.05.2022
• Размер: 0.65 Mb.
• Имя файла: Реология грунтов 2010 (2).docx
• Тип: Литература; #544875
• страница: 2 из 4

Лекция 2. Физические характеристики грунтов.

Свойствами и закономерностями скальных грунтов занимается специальная наука механика горных пород, отрасль механики

В данном курсе, будем иметь ввиду свойства и закономерности, присущие нескальным или рыхлым грунтам.

Различают следующие группы основных физико-механических свойств грунтов.

Грунт – среда трехфазная. Основу составляет совокупность твердых частиц или скелет грунта.



Если обозначить: V_s- объем твердых частиц, V_o – объем пор и пустот, то полный объем V- будет:



Для характеристики относительного содержания пор в грунте, вводится понятия:

1.Характеристики, показывающие содержание пор в объеме грунта.

1) коэффициент пористости ; V=V₀+V_S (1)



3) относительное содержание твердых частиц

; (3)

(4)
2.Плотность грунта в природном состоянии (в естественном состоянии).

; [г/см³]

Где: q_s- масса твердых частиц;

q_w- масса воды

Плотность минеральных частиц грунта:

; [г/см³]


3.Удельный вес сухого грунта- отношение веса твердых частиц ко всему объему грунта, включая поры.



Где: G_s – вес твердых частиц, кг.

V- полный объем

Удельный вес сухого грунта - (2)

(3) ,

где ε - коэффициент пористости.

ε=0,4…0,85

Удельный вес грунта в естественном состоянии

(4),

где G_w - вес воды
4. Свойства грунта и характеристики содержания воды

по содержанию воды:

а) весовая влажность (12)

G_W- вес воды

G_S- вес твердых частиц

б) объемная влажность (13)

в) индекс водонасыщенности (l 4)

V₀ - объем пор.

(15)

Из (15) выразим (16)

J_W= 0…1

J_Wиспользуется для классификации грунтов по водонасыщению. Существует 3 градации:

1) J_W<0,5 - маловлажные грунты

2) J_W= 0,5.. .0,8 - грунты средней водонасыщенности

3) J_W=0,8... 1 - водонасыщенные грунты

Арифметическое соотношение между основными физическими свойствами грунтов.

Коэффициент пористости ε, сложно с достаточной точностью определить объем пор в массиве грунта, особенно для связных грунтов. Между тем, некоторые другие характеристики определить легче и сделать это с высокой точностью и сравнительно простыми способами. Поэтому ε лучше определять постепенно, через другие характеристики:

Рассмотрим удельный вес грунта в естественных условиях, когда в порах имеется какое либо количество воды:



Из (17) выразим (19) т.е. (18)
Для определения характеристик пористости грунта при естественной влажности необходимо определить весовую влажность W; удельный вес грунта природного сложения γ[кН/м ], вид, минеральный состав грунта.

ε=0,4…0,8 – для грунтов природного сложения.

ε=0,8…1,0 – для грунтов органического происхождения и минеральных грунтов с нарушенной природной структурой

Этих характеристик не достаточно для расчетов деформаций, прочности и устойчивости оснований.

1. 
   Например для расчета (…………….) деформации осадки, нужно знать исходное значение коэффициентов пористости ε.
   
2. 
   Кроме того, от ε зависит и характеристики прочности и деформаций, а значит, чтобы их определить также нужно знать ε и другие физические свойства грунтов(……).
   

(…….) через другие значительные характеристики, которые легче определить (……….) измерения, методами, которые легче стандартизировать, в том числе и через удельный вес грунта ϒ.
Пластичность и консистенция глинистых грунтов.

Пластичность - способность грунта принимать при деформировании заданную форму без разрыва сплошности и сохранять ее после снятия воздействия.

Пластичностью обладают глины, суглинка, супеси, пылеватые влажные пески.

Консистенция - подвижность частиц, слагающих грунт.

П ластичность грунтов может проявляться при наличии влаги, когда образуются водно-коллоидные вязко-пластичные связи.

Консистенция зависит от количества воды в грунте, т.е. от весовой влажности W.
При W<W_P - твердая консистенция.

W_p - граница раскатывания (нижняя граница пластичности) - весовая влажность, при которой грунт переходит из твердой консистенции в пластичную или обратно.

Граница раскатывания определяется по стандарту, как весовая влажность образца грунта в виде жгута диаметром 5мм при уменьшении до 3 мм, если он при этом самопроизвольно крошится.

W_L- граница текучести (верхняя граница пластичности) - весовая влажность, при которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние.

J_P-число (индекс) пластичности.

J_P=W_L-W_r (20)

Таблица 1

вид грунта	JР, %
супесь	менее 7
суглинок	7…17
глина	более 17

J_Pслужит для уточнения вида глинистого грунта.

Консистенция характеризуется индексом текучести (показателем консистенции)

(21)

1) если W < W_Р, то J_l< 0 - твердая консистенция

2) если W > W_L, то J_l > 1 - текучая консистенция.

3) 0 < J_L < 1 - пластичная консистенция.

J_L, J_W по этим значениям можно классифицировать глинистые грунты по виду и консистенции, а также по J_l, зная показатели пористости и влажности, другие, очень важные характеристики грунта.

Плотность сложения песчаных грунтов

Плотность сложения песчаных грунтов имеет важнейшее значение для оценки их в качестве оснований сооружений, такое для глинистых – консистенция и пластичность.

Плотность сложения определяют(…………….)

Для песчаных грунтов главным является плотность сложения, которая характеризуется индексом плотности:

(22)

Где:

ε _max – коэффициент пористости в максимально разрыхленном состоянии(…………….).

ε _min- коэффициент пористости грунта в самом плотном состоянии(определяется для …… грунтах, уплотнением в колбе путем вибрации или постукиванием).
- плотные грунты;

- средней плотности;

- рыхлые грунты.

Диагностическими показателями являются:

1) в глинистых грунтах → ε, J_W, J_L, J_р, J_L

2) в песчаных грунтах → ε,J_W,J_р

Для песчаных оснований, некоторые основные характеристики назначаются по СНиП в зависимости от плотности сложения, водонасыщенности и состава песка по крупности зерен: I_t, I_w и состав по крупности φ,Е, R_o и С.


Особые свойства грунтов и описывающие их закономерности.

К ним относятся свойства грунтов:

- Сжимаемость

- Сопротивление сдвигу

- Водопроницаемость

- Структурно-фазовая деформируемость

- Геологические свойства грунтов

Грунты, являясь по своей природе в общем случае трехфазными слагаемыми системами, основу которых составляет дисперсное (мелкораздробленное), твердое тело, обладает рядом свойств, которые, будучи одними с подобными свойствами сплошных твердых тел, имеет значительное отличие и своеобразие.

Эти свойства составляют ряд особых свойств грунтов, таких как сжимаемость, водопроницаемость, сопротивление сдвигу, структурно-фазовая деформативность.

Особые свойства описываются определенными , соответствующие им закономерностями и показателями свойств.

Пример:


С жимаемость закон уплотнения скорость сжимаемости расчет осадки.

Сжимаемость грунтов - это свойство уменьшаться в объеме, за счет уменьшения объема пор и переукладки частиц грунта. При этом на разных уровнях нагружения вступают в действие деформация разных типов связей (контактное трение, водно-коллоидная связь).
Под действием нагрузки, создаваемых сооружениями и собственным весом, грунты уплотняются или сжимаются. Разные грунты обладают различной способностью сжиматься при действии одинаковых нагрузок.

А) Скальный грунт сжимается за счет упругих деформаций породы или уменьшении

(…..) трещин, если скальный грунт трещиноватый.

Б) Процесс уплотнения рыхлых песчаных грунтов и глинистых грунтов значительно сложнее;

Уплотнение рыхлых грунтов происходит за счет переукладки частиц, уменьшения объема пор и коэффициента пористости грунтов. При этом в зависимости от вида грунта, степени водонасыщения грунтов, размера частичек и сечения пор, наличие водно-коллоидных ( для глинистых грунтов) и (…….) нагрузки, процесс уплотнения может идти быстро или медленно, деформация уплотнения может быть большой или маленькой.

Поскольку учесть нагрузки из этих факторов относить довольно сложно, в механике грунтов разработан метод определения сжимаемости, позволяющий учесть многообразие реальных условий.

Метод заключается в экспериментальном изучении зависимости пористости грунта от сжимающих напряжений в скелете грунта и построении соответствующих графиков.

Исследование (……) в приборах одного сжатия, с возможностью бокового расширения или без возможности расширения.



Рис. Одномерное уплотнение
N₁, кН→ ∆h₁, мм

N_n → ∆h_n
1 - жесткое кольцо

2 - образец грунта

3 - жесткий штамп

4 - массивное пористое основание

6 - фильтровальная бумага

(1)

; (2)

Определяют относительное содержание в грунте на каждой ступени нагружения.

1. 
   До приложения нагрузки.
   

- коэффициент пористости начальный.

Удельный вес в исходном состоянии-ϒ;

До применения нагрузки:


N = 0, σ = 0, ∆h=0.

После приложения наложения нагрузки на I N₁ → σ₁;
Произошла деформация объем грунта уменьшился на величину:



Cсоответственно на эту же величину уменьшился и объем пор.

Согласно определения:





Где: – величина осадки (……………).

Задаваясь , измеряя и зная , можно получить ряд и построить график:
При

(5)





Рис. Компрессионная кривая.

1. 
   для грунтов с нарушенной структурой;
   
2. 
   для грунтов с природной структурой;
   

σ_стр– прочность структуры связи.

Компрессионная кривая - градически представление зависимости

Аналитическое выражение ε от Ϭ является очень сложной задачей, так как

сжимаемость зависит от очень многих факторов (влажность, плотность, крупность зерен, минеральный состав и т.д.)

Для каждого состояния грунта компрессионная кривая является уникальной.

В песчаных грунтах преобладают силы контактного трения, отсутствуют водно-коллоидные связи. Отвод воды из пор не затруднен. Деформация сжатия происходит быстро; осадка штампа носит завершенный характер, т.е. деформации при данной нагрузке не нарастают по времени.

В глинистых грунтах размеры пор малы, поэтому осадка штампа будет происходить медленно. Конечная деформация будет определяться соотношением величин напряжения σ и силой коллоидных связей σ_кол.

При одномерном уплотнении аналитическая зависимость между напряжением σ и коэффициентом ε получается путем линейной апроксимаекции компрессионной кривой в заданном диапазоне напряжений.


Коэффициент сжимаемости при одномерном уплотнении:

(6)



Модуль общей деформации:

(7) [E]=МПа

где β – коэффициент учитывающий боковую деформацию грунта.

β=0,7 - для всех видов обычного грунта в соответствии со СНиП 2.02.01-83*.

По данным исследований β=0,5…0,8 в зависимости от вида и состояния грунтов.

Особенности сжимаемости песчаных и глинистых грунтов: песчаные грунты - при приложении статических нагрузок уплотняются быстро, при динамическом воздействии сжимаемость больше и уплотнение длится дольше, глинистые грунты – из за малости размеров пор и малой (…..) удаления (….) пор, процесс уплотнения длится очень долго (осадки сооружений длятся годами), менее чувствительных к динамическому характеру нагрузок.

ε_о – (………………)
Сопротивление грунтов сдвигу.

Это - важное свойство грунтов, от которого характеризует прочность оснований сооружений. Оно проявляется при попытке сдвинуть одну часть грунта относительно другой, грунт оказывает сопротивление этому воздействию и характеризуется показателями, которые называются сцепление с, угол внутреннего трения φ, предельные касательные напряжения τ_пр.

Поскольку при сдвигающем воздействии возникают касательные напряжения по предполагаемой поверхности сдвига, то по анализу нормальных к касательным напряжениям, рассмотрим плоскую площадку, в варианте плоская зона:



Предельные касательные напряжения могут быть вычислены по особым характеристикам грунта, которые:

Определяются производственным путем испытания образцов грунта в лабораториях, на приборах трех групп. Соответственно различают три метода определения характеристик сопротивления сдвигу:

1) путем среза образца грунта по одной или нескольким фиксированным плоскостям;

2) путем раздавливания образцов в условиях объемной деформации;

3) для сыпучих грунтов возможно определение этих характеристик по углу естественного откоса насыпаемого сухого грунта.

Определение сопротивления сдвигу по одной фиксированной плоскости среза.



1 – массивное жесткое основание;

2 –нижнее фиксированное кольцо;

3 – верхнее подвижное кольцо;

4 – жесткий штамп (пористый).

Задается уплотняющая нагрузка , дожидаются стабилизации осадки и начинают прикладывать ступенями сдвигающую нагрузку



Для каждого N_iувеличивается сдвигающая сила до T_i→ до сдвига.
(6.1) (6.2)

(6.3)



…………………………………..


Закон Кулона: , (6.4)

τ – нормальная напряжения поверхности среза

φ – угол внутреннего трения грунта

с – сцепление грунта,


Рис. Сопротивление грунтов сдвигу.

1. 
   глинистые грунты;
   
2. 
   песчаные грунты;
   

Сцеплением обладают только глинистые связные грунты.

с = 10…48 кН/м² ; φ = 8…42^о – глинистые грунты.

с 0; φ =20^о…35^о – песчаные грунты.

Механический смысл φ- отражение контактов трения частиц при перемещении.

Сцепление собусловлено водно-коллоидными связями.

Для обычных грунтов φ и с могут быть определены по таблицам СНиП 2.02.01-83* в зависимости от:

а) глинистые грунты, φ, R₀ , E₀ – по εиJ_L

б) песчаные грунты, φ R₀ , E₀ – по J_P, J_W

Сопротивление сдвигу зависит от следующих объективных условий:

а) для глинистых грунтов:

– влажность и водонасыщенность

– плотность

– сохранность природной структуры

б) для песчаных грунтов:

– сохранность природной структуры

– плотность

– водонасыщенность

– крупность




В водонасыщенных глинистых грунтах φ→0,tgφ→0 и сопротивление сдвигу определяется только цеплением.

(6.5)

J_W>0,8 (грунты водонасыщены)
Сопротивление сдвигу зависит от величины деформации δ (в песчаных грунтах). А в глинистых – еще от скорости деформирования.


τ_пр

τ


1 – для песков с ненарушенной стр.

2 – для песков с нарушенной стр.
Водопроницаемость грунтов.

Закон ламинарной фильтрации.

Одним из специфических свойств грунтов как дисперсных пористых тел является их водопроницаемость.

Гравитационное или свободная вода перемещается в порах грунта под действием давления в порах грунта, создаваемое следующими факторами:

а) силами натяжения

б) (……………)

в) нагрузкой от сооружения

Такое перемещение свободной воды называется фильтрацией. Фильтрация происходит из областей грунта с более высоким давлением в области грунта, где давление ниже.

При исследовании фильтрации рассматривают не величину давления, а напор столба жидкости. Все эти воздействия суммировано могут быть выражены через гидростатическое давление, а значит и через напор водяного столба. Напор столба воды в порах грунта в данной точке основания:

(6.6),

где:

γ_w - удельный вес воды.

Р – вес грунта

z – отметка данной точки относительно условного уровня отсчета.


Дарси (1856)

(6.7)

(6.8)

k – коэффициент фильтрации [м/с]

U – скорость фильтрации

i – градиент напора.

(6.9) (6.10)

(6.11)

“k” изменяется в зависимости от вида грунта.

Для песка k=10^-1…10^-3 cм/c

Для глины k < 10^-7 см/c
Графики различия:




1 – песок;

2 – глина.
i₀ – начальный градиент напора – теоретический градиент напора, при котором начинается фильтрация воды.

i'₀ – практическое значение – экспериментально определенное значение градиента напора. В суглинках i₀ и i'₀ совпадают.

Фильтрация воды в глинистых грунтах имеет свои особенности, вызванные малыми размерами пор и вязким сопротивлением водно-коллоидных пленок, обволакивающих минеральные частицы грунтов. Чем тоньше водно-коллоидные пленки (у уплотненных глинистых грунтов), тем большее сопротивление они оказывают напорному движению воды, как вследствие большой вязкости, так и их упругости.

Эксперименты показывают, что в вязких (тугопластичных) глинистых грунтах фильтрация начинается лишь при достижении градиентом напора некоторого начального значения (смотри график).

_{- (4)} - закон линейной фильтрации с учетом

начального градиента

<sub>- для глинистых грунтов

- для песчаных грунтов

Структурно - фазовая деформативность грунта.

Грунты являются трехфазными системами, включающими сложную минерально-дисперсную составляющую, воду и атмосферный воздух.

Применение к расчету грунтов общей теории напряжений и законов механики сплошной среды требует соответствующего обоснования.

Дело в том, что в дисперсных телах (скелет грунта) внешняя нагрузка передается от одной частицы к другой лишь через точки контакта частиц, которые в большинстве случаев расположены или случайным образом или по некоторой структурной сетке, поэтому напряжения и размеры реакций частиц зависит от формы и размера частиц.

Герсеванов и другие доказали, что случайный характер направлений и величин кортактных усилий между частицами, ввиду малостей размеров частиц, вполне могут быть усреднены, а неточность в определении напряжений при этих усреднениях очень незначительна.

Гораздо большую неопределенность в перераспределении усилий и деформаций вносит различие механических характеристик самих частиц и разнообразие типов связей, особенно в присуствии воды при наличии глинистых частиц.

Поэтому главной особенностью грунтов является то, что разные по происхождению и минеральному составу частицы при одних и тех же напряжениях деформируются по разному.

Твердые частицы из водостойких, неразмокаемых горных пород , как правило, при напряжениях, создаваемых обычными сооружениями, испытывают упругие деформации, подчиняются закону Гука :

(1)


Где:

Е- модуль упругости данной горной породы, МПа

δ- относительное удлинение

Ϭ- нормальные напряжения, МПа

Частицы из неводостойких горных пород, глинистые агрегаты при мелких влажностях, растительные частицы подчиняются законам упруго – пластическим деформациям:
(……………….)

Например, влажные глинистые текстуры и водно - коллоидные связи между ними характера (….) ползучести или вязкими (……..) по законам, (…) (то есть с учетом реологических свойств частиц и связей):

(2)

Где:

Ϭ(t) – (……..)значение напряжений;

Е (….) – модуль деформации при приложении нагрузки (упругая составляющая деформации системы);

t – текущее время;

to- время приложения нагрузки;</sub>

Ϭ(t_o) – (………….);

Δt_o- время действия приложенной нагрузки.

<sub>- ядро ползучести, характеризующее скорость ползучести при постоянном напряжении, относительно к единице действующего давления; определяется экспериментально.

Проблема состоит в том, что во влажных грунтах, включающем глинистые частицы, все виды деформаций действуют одновременно.

Кроме того, новейшие исследования доказали, что гипотеза о не сжимаемости воды в порах грунта подтверждается не во всех случаях, так же, как и возможность пренебрежения сжимаемости твердых водостойких частиц (………..)

(3)

(……………….)

Структурно - фазовая деформотируемость грунтов.

Определение напряжений в грунтах является значительно более сложной задачей, чем в сплошных средах по той причине, что: при действии внешней нагрузки отдельные компоненты (фазы) грунтов по-разному сопротивляются силовым воздействиям и по-разному деформируются, что является главнейшей особенностью напряженно-деформированного состояния грунтов.

Кроме различия в деформируемости жидкой и твердой фаз грунта, следует учитывать и то, что деформируемость разных минеральных частиц, по - разному зависит от времени, в каких-то частичках при деформации ползучесть проявляется больше, чем в других.

Рассмотрим общий случай зависимости относительной деформируемости ε от нормального напряжения Ϭ для грунта в целом.</sub>






Точка с – точка разрыва структурных связей в грунте.

σ_c- структурная прочность грунта. В этой точке разрываются кристаллизационные структурные связи.

Точка а– начало проявления пластических сдвигов.

I – зона линейных деформаций.

Если в т. а нагрузку снять, то в т.О диаграмма не вернется, т.к. в грунте накапливаются остальные деформации.

- предел пропорциональности. – напряжение, при котором деформации еще остаются линейными. При дальнейшем увеличении нагрузки нарастают необратимые пластические сдвиги.

а-b – зона пластических деформаций здесь соответствует (II стадия - стадия пластических деформаций или сдвигов грунта.)

При увеличении напряжений до , грунт переходит в предельное напряженное состояние, при этом сдвиги грунта нарастают практически без увеличения нагрузки.

Наступает III стадия – стадия прогрессирующего течения.

В общем виде зависимость между относительными деформациями и напряжениями:

(1)

α_с - коэффициент пропорциональности, обратный модулю упругости (как для упругих сред)

(2) E – модуль упругости Юнга.

МПа

_{Так как Е очень велико, то αс- очень мало, поэтому значимость 1-го слагаемого в деформации грунтов очень не велика;}

α₀ - параметр, учитывающий общий характер зависимости деформаций от напряжений.



β- коэффициент, учитывающий боковую деформацию грунта.

E₀- модуль общей деформации.

r - эмпирический коэффициент. r =0…1

m– эмпирический параметр. m=0…1

r, m - могут быть подобраны путем обработки экспериментальных данных для любого грунта.

В стадии I действует принцип линейной деформируемости: формально ε от Ϭ зависят линейно, хотя грунт и не упругое тело (имеется δ_ост на графике). Однако эта формализация даст право в зоне I применять теорию линейной – деформируемости.

Рассмотрим характерные значения r иm и вид зависимостей (7.1) для разных стадий загружения.

Т.к. и , то (4)

Для стадии I: m= 1 r= 1

- закон Гука.

(5) – закон линейно-деформированного состояния грунта на I стадии деформации.

На II стадии деформация описывается формулой (4).

Стадии напряженного состояния грунтов при приложении уплотняющей нагрузки.
1 . При приложении уплотняющих нагрузок в грунте возникают напряжения, вызывающие перемещение точек основания. Сложность описания формы зависимости между напряжениями и деформацией происходит от того, что грунт является сложной 3-х фазной средой, каждая из фаз при данном напряжении ведет себя по-разному.

2. Различные фазы грунта при одной и той же нагрузке находятся на разных стадиях напряж.-деформир. состояния – от упругих до прогрессирующего течения.

δ- относительная деформация

σ- нормальные напряжения