В трубопроводном строительстве
 Скачать 1.7 Mb.
|
|
1.4 Физические характеристики грунтов Физико-механические характеристики грунта характеризуют его свойства, способность воспринимать внешние воздействия, удерживать их в течение длительного времени, изменяемость тех или иных свойств за короткий или длительный период времени и т.п. Физико-механические характеристики подразделяются на две группы: характеристики, определяемые путем непосредственных измерений с помощью приборов в лабораторных или полевых условиях, и характеристики, получаемые расчетным путем с использованием данных первой группы: − первая группа (для грунтов в естественном состоянии): объемный вес, влажность, прочность при сжатии и сдвиге, коэффициент фильтрации, модуль деформации, сцепление, гранулометрический состав; − вторая группа: коэффициент пористости, объемный вес сухого скелета грунта и водонасыщенного грунта, показатели плотности и консистенции грунта, показатели пластичности, компрессионные свойства и т.д. Далее рассмотрим наиболее важные для задач механики грунтов характеристики из обеих групп. В данном разделе рассмотрим физические свойства. 1. Пористость грунта. Все без исключения грунты имеют пористую структуру. Даже в самых плотных грунтах, таких как базальты, граниты, 15 имеются поры, заполненные либо воздухом или каким-либо газом, либо жидко- стью, например, водой. Чем больше пор в грунте, тем меньше твердой части, которая придает грунту прочность. Внешние нагрузки от каких-либо сооружений воспринимает и длительное время выдерживает именно твердая составляющая грунта («скелет»). Потому для общей оценки качества грунта как основания сооружений очень важно знать, какой пористостью обладает грунт [1]. Пористостью грунта 𝑛 называется отношение объема пор 𝑣 п к объему грунта 𝑣, т.е.: 𝑛 = 𝑣 п /𝑣. Отношение объема твердых минеральных частиц 𝑣 т к общему объему грунта 𝑣характеризует заполненность грунта твердой минеральной составляющей: 𝑚 = 𝑣 т /𝑣. Имея в виду вышесказанное, видно, что: 𝑛 + 𝑚 = 1. Одной из важнейших характеристик грунта является коэффициент пористости, определяемый отношением: 𝑒 = 𝑛/𝑚 = 𝑣 п /𝑣 т Учитывая последнее, получаем для пористости и заполненности следующие выражения: 𝑛 = 𝑒 1+𝑒 ; 𝑚 = 1 1+𝑒 Все приведенные выражения устанавливают количественную связь между объемом пор и твердой составляющей грунта (скелета) и дают представления о плотности грунта как физического тела. Чем меньше пористость грунта и, следовательно, коэффициент пористости, тем плотнее грунт, тем меньше он будет сжиматься под воздействием уплотняющих нагрузок. Имея данные о пористости грунта или о 16 заполненности его, можно достаточно уверенно судить о возможности его ис- пользования в качестве основания для сооружений. Для иллюстрации приведем данные о пористости и коэффициентах пористости для различных грунтов в условиях естественного залегания. Таблица 1.1 – Значения пористости и коэффициента пористости для различных грунтов Вид грунта Пористость n Коэффициент пористости e Скальный Пески крупные Пески мелкие Глины и суглинки Илы Торфы 0,01 0,35–0,41 0,37–0,45 0,40–0,50 0,50–0,75 0,80–0,90 <0,01 0,55–0,70 0,60–0,80 0,65–1,0 1,0–3,0 4,0–10,0 2. Плотность и удельный вес. Плотность грунта – это масса единицы объема грунта, а удельный вес – это вес единицы объема грунта. Понятие «плотность» как физическая характеристика грунта, в механике грунтов появилось сравнительно недавно; понятие «удельный (объемный) вес» употреблялось весь период становления и развития дисциплины. Их различие заключается в том, что плотность количественно характеризует массу грунта, а удельный (объемный) вес – силу тяжести грунта. Как правило, понятие «удельный вес» используется в качестве характеристики грунтов при различных видах силового взаимодействия грунта и сооружений. Понятие «плотность» употребляют для характеристики грунта как физического тела. Удельным весом совершенно плотного грунта называется средний удельный вес минеральных частиц в достаточно больших объемах грунта по сравнению с объемом отдельных частиц. Опыт, накопленный за время существования механики грунтов как самостоятельной отрасли науки, показывает, что удельный вес большей части грунтов изменяется в пределах 0,025–0,028 Н/см 3 и практически его значение 17 одинаково для всех минеральных грунтов. Эта характеристика имеет весьма важное значение для определения ряда других характеристик. Кроме удельного веса плотного грунта 𝛾в механике грунтов различают: удельный вес скелета грунта 𝛾 ск = 𝛾 𝑑 , удельный вес полностью водонасыщенного грунта 𝛾 нас , удельный вес взвешенного в воде грунта 𝛾 взв , удельный вес грунта в естественном состоянии 𝛾 ест . Удельный вес 𝛾 ск определяется как вес единицы объема грунта в совершенно сухом состоянии. Этот вес можно определить в лабораторных условиях, а также по формуле: 𝛾 ск = 𝛾 𝑑 = 𝐺 𝑠 /𝑉. Следует иметь в виду, что сухим считается грунт, высушенный до совершенно сухого состояния при температуре не менее 105 °C. Время высушивания определяется неизменностью веса грунта в течение сравнительно длительного периода времени. Удельный вес 𝛾 нас можно найти, зная пористость 𝑛 и 𝛾 ск по формуле: 𝛾 нас = (𝐺 𝑠 + 𝐺 𝑤нас )/𝑉 = (𝐺 𝑠 + 𝑉 0 𝛾 𝑤нас )/𝑉 = 𝛾 ск + 𝑛𝛾 𝑒 , где 𝛾 𝑒 — удельный вес жидкости, заполняющей поры грунта. Удельный вес 𝛾 взв представляет вес скелета грунта, уменьшенный на значение силы, взвешивающий скелет грунта воды в соответствии с законом Архимеда, т.е.: 𝛾 взв = (𝐺 𝑠 − 𝐺 вг )/𝑉 = (𝐺 𝑠 − 𝑉 𝑠 𝛾 в )/𝑉 = 𝛾 ск − 𝑚𝛾 𝑒 Удельный вес грунта 𝛾 ест в естественном состоянии определяется как вес единицы объема грунта в естественном состоянии при ненарушенной структуре и природной влажности. 3. Влажность грунта и показатели пластичности. Влажность грунта является одной из важнейших характеристик, определяющих физическое состояние грунта. Один и тот же грунт в зависимости от количества воды, 18 содержащейся в порах грунта, может представлять либо твердую массу, либо быть текучей массой, не способной ни удерживать какое-либо сооружение, ни сохранять заданную форму. Индекс водонасыщенности (степень влажности) характеризует степень заполнения пор грунта водой: 𝐼 𝑤 = 𝑉 𝑤 𝑉 0 , где 𝑉 𝑤 – объем воды, содержащийся в порах единицы объема грунта в естественном состоянии; 𝑉 0 – объем пор. Очевидно, что при 𝐼 𝑤 = 0 грунт будет совершенно сухим, при 𝐼 𝑤 =1 – полностью водонасыщенным. Все остальные значения 𝐼 𝑤 характеризуют другие состояния грунта – между сухим и водонасыщенным (маловлажные, влажные). Имея это в виду, дадим определение влажности: влажность грунта – это отношение массы (или веса) воды 𝑮 𝒘 к массе (или весу) твердой составляющей грунта 𝑮 𝒔 в одном и том же количестве грунта: 𝑊 = 𝐺 𝑤 /𝐺 𝑠 В зависимости от влажности грунтов и содержания в них глинистых частиц грунты могут находиться в твердом, пластичном либо текучем состоянии. Поскольку состояние грунта в значительной мере характеризует возможность использования его в качестве основания сооружений, в механике грунтов введено понятие «числа пластичности». При испытаниях грунтов определяют два основных состояния: нижний и верхний пределы пластичности. Нижний предел пластичности характеризуется влажностью 𝑊 𝑝 , при которой грунт переходит из пластичного в твердое состояние. Эта влажность называется [7] влажностью на участках раскатывания. Термин «раскатывание» употребляется в связи с методом определения момента наступления 𝑊 𝑝 . Для этого при различной влажности w изготавливается 19 небольшой жгут из грунта и раскатывается между ладонями. Распадение жгута на отдельные кусочки и характеризует состояние перехода грунта из пластичного в твердое. Влажность, определенная при этом состоянии, будет 𝑊 𝑝 . Верхний предел пластичности соответствует влажности 𝑊 𝐿 , при которой грунт из текучего переходит в пластичное состояние. Разность между верхним и нижним пределами пластичности определяет так называемое число пластичности: 𝐼 𝑝 = 𝑊 𝐿 − 𝑊 𝑝 Следует иметь в виду, что число пластичности зависит не только от влажности грунта, но и от его гранулометрического состава; чем больше в грунте глинистых частиц, тем больше может быть 𝐼 𝑝 и наоборот. 4. Показатели состояния грунтов. В механике грунтов наряду с плотностью грунтов, определяемой как масса единицы объема грунта, имеется характеристика относительной плотности, которая показывает, в каком состоянии находится грунт. Определяется относительная плотность (индекс плотности) по формуле: 𝐼 𝐷 = 𝑒 𝑚𝑎𝑥 −𝑒 𝑒 𝑚𝑎𝑥 −𝑒 𝑚𝑖𝑛 где 𝑒 𝑚𝑎𝑥 – коэффициент пористости грунта в наиболее рыхлом состоянии; 𝑒 𝑚𝑖𝑛 – коэффициент пористости грунта при наибольшем уплотнении грунта. Это условие используется, главным образом, для песчаных грунтов. При 𝐼 𝐷 < 1/3 грунт рыхлый, при 1/3 < 𝐼 𝐷 < 2/3 грунт средней плотности и при 𝐼 𝐷 > 2/3 — грунт плотный и очень плотный. Таким образом, данное условие определяет плотность не как массовую характеристику, а как плотность укладки частиц грунта. 20 Для глинистых грунтов это условие не работает, поскольку частицы грунта обладают структурным сцеплением, изменить пористость трамбованием и даже вибрацией весьма сложно. Поэтому для глинистых и илистых грунтов используется такое понятие, как показатель консистенции (индекс текучести): 𝐼 𝐿 = 𝑊−𝑊 𝑝 𝑊 𝐿 −𝑊 𝑝 Определяя 𝐼 𝐿 при различных значениях влажности получаем представление о состоянии глинистого грунта. Характеристики 𝐼 𝐷 и 𝐼 𝐿 весьма важны в нефтегазовом строительстве. Несмотря на их определенную условность, исследование показателей плотности и консистенции в различных условиях естественного залегания может быть полезным, а иногда просто необходимым. Данные о свойствах грунтов для наглядности представим в табличной форме с использованием общепринятых международных обозначений [8]. Таблица 1.2 – Основные физические характеристики грунта Наименование Обозначение Размерность Формула для вычисления Плотность грунта ρ кг/м 3 𝜌 = 𝐺/𝑉 Удельный вес грунта γ кH/м 3 𝛾 = 𝜌 ∙ 𝑔 Плотность частиц грунта ρ s кг/м 3 𝜌 𝑠 = 𝐺 𝑠 /𝑉 𝑠 Удельный вес частиц грунта γ s кH/м 3 𝛾 𝑠 = 𝜌 𝑠 ∙ 𝑔 Влажность грунта W безразмерна W=(G–G s )/G s =G w /G s Влажность на границе пластичности W p безразмерна W p =G w,p / G s Влажность на границе текучести W L безразмерна W L =G w,L / G s 21 Таблица 1.3 – Производные физические характеристики грунта Наименование Обозначение Размерность Формула для вычисления Плотность сухого грунта ρ d кг/м 3 ρ d =G s / V = ρ / (1+W) Удельный вес сухого грунта γ d кг/м 3 γ d = ρ d ∙ g=γ / (1+W) Коэффициент пористости e безразмерна e=V n /V s =( ρ s – ρ d ) / ρ d =ρ s / ρ d –1 Пористость n безразмерна n=V n /V=( ρ s – ρ d ) / ρ s =1 – ρ d / ρ s Таблица 1.4 – Классификационные физические характеристики грунта Наименование Обозначение Размерность Формула для вычисления Число пластичности I p безразмерна I p = W L –W p Показатель текучести I L безразмерна I L = (W–W p ) / (W L –W p )=(W–W p ) / I p Степень влажности S r безразмерна S r =V w / V n =( ρ s / ρ w ) ∙ (W/e) Полная влагоемкость W sat безразмерна W sat =( ρ w / ρ s ) ∙ e (соответствует S r =1) Разделение физических характеристик грунта на производные и классификационные весьма условно, так как и те и другие одновременно являются и производными и классификационными. По величине плотности сухого грунта можно делать предварительные выводы о пригодности данного грунта для целей строительства. Грунты с плотностью сухого грунта в пределах 1100–1300 кг/м 3 , как правило, являются непригодными для целей строительства. Прочным грунтам соответствует плотность в сухом состоянии в пределах 1600–1800 кг/м 3 . Коэффициент пористости и пористость позволяют более дифференцированно оценить пригодность грунтов для целей строительства. Например, при значении коэффициента пористости больше единицы грунты, как правило, непригодны для целей строительства. Прочным грунтам соответствуют значения коэффициентов пористости в пределах 0,4–0,6. Кроме этого, коэффициент пористости и показатель текучести являются входными параметрами в нормативные таблицы, позволяющие определять для 22 предварительных расчетов прочностные и деформационные характеристики грунта [8]. 1.5 Определение разновидностей грунтов в строительстве Разновидность дисперсного грунта в строительстве определяется по следующей схеме. Разновидности крупнообломочных и песчаных грунтов устанавливаются по гранулометрическому составу и по степени влажности. Песчаные грунты дополнительно имеют разновидность по плотности сложения и неоднородности. Классификационными показателями являются соответственно коэффициент пористости и показатель неоднородности. Разновидности глинистых грунтов зависят от числа пластичности и от показателя текучести. 23 2 Механические свойства грунтов 2.1 Сжимаемость грунтов под воздействием внешних нагрузок Длительная эксплуатационная надежность наземных и подземных сооружений объектов нефтяной и газовой промышленности в большой мере зависит от поведения грунта под нагрузками, создаваемыми этими сооружениями. Наиболее важным деформационным свойством дисперсных грунтов является их сжимаемость под нагрузкой. Сжимаемостью грунтов называется способность их уменьшаться в объеме (давать осадку) под действием внешнего давления. 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 ничтожно малы и не учитываются. Следовательно, можно считать, что изменение объема грунта при сжатии происходит только из-за изменения объема пор [1]. 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. 24 Сжимаемость грунтов обусловливается изменением их пористости вследствие переупаковки частиц, ползучестью водных оболочек, вытеснением воды из пор грунта. Сжатие полностью водонасыщенных грунтов возможно только при условии вытеснения воды из пор грунта. Разные грунты обладают различной способностью сжиматься при действии одинаковых нагрузок. Так, плотный скальный грунт сжимается за счет упругих деформаций скалы; если грунт трещиноватый, то дополнительное сжатие такого скального грунта происходит за счет уменьшения толщины трещин. Значительно сложнее процесс уплотнения рыхлых песчаных и глинистых грунтов. Песчаные грунты при действии статической нагрузки уплотняются за счет более плотной укладки частиц; еще значительнее будет сжимаемость песка даже при кратковременном действии динамической нагрузки. При этом происходит переукладка частиц, и пористость грунта резко уменьшается. Сжимаемость песчаных грунтов невелика и зависит от их минерального состава, крупности частиц, плотности сложения, характера нагрузки. Сжатие песчаных грунтов связано с взаимным перемещением отдельных зерен, а при большом давлении – и с их раздроблением. Сжатие этого типа грунтов происходит быстро, независимо от влажности. Величина и скорость сжатия песчаных грунтов при динамическом нагружении значительно больше, чем при статическом, за счет более компактной переукладки частиц. Уплотнение глинистых грунтов также происходит за счет более компактной укладки минеральных частиц и уменьшения толщины их водно- коллоидных оболочек. Если процесс уплотнения водонасыщенных песчаных грунтов происходит быстро, то уплотнение водонасыщенных глинистых грунтов – очень медленно. Это объясняется тем, что для уменьшения пористости грунта необходимо время для отжатия воды из пор. Скорость же движения воды в порах глинистых грунтов очень мала. 25 Сжимаемость глинистых грунтов зависит от минерального состава, степени дисперсности, влажности, пористости, состава обменных катионов, структуры грунта и характера нагрузки. Чем больше пористость, тем больше абсолютная величина сжатия. При одинаковых условиях проведения опыта конечная величина сжатия глинистых грунтов тем выше, чем выше дисперсность, но скорость деформации при этом ниже. Сжимаемость одного и того же глинистого грунта может резко различаться в зависимости от степени нарушенности структуры – при равной начальной пористости и влажности и одинаковом составе воды образцы с нарушенной структурой сжимаются больше. Значительное влияние на сжимаемость оказывают скорость нарастания нагрузки и размеры ее ступеней. Увеличение ступеней и скорости нарастания нагрузки увеличивают сжатие глинистых грунтов. Поскольку грунты многих видов обладают структурными связями, то процесс более плотной укладки частиц может начаться лишь после их разрушения. До этого момента сжимаемость грунтов будет определяться упругими деформациями как частиц, так и структурных связей, представляющих в совокупности своеобразное сплошное упругое тело. В механике грунтов разработан метод, позволяющий учесть многообразие особенностей каждого конкретного вида грунта. Этот метод заключается в построении кривой зависимости между напряжениями в скелете и изменениями пористости, полученными на основании лабораторных исследований сжимаемости грунта с ненарушенной естественной структурой. Исследования, проводимые на трубопроводах, позволяют определять изменения пористости грунтов в условиях одно- и трехосного сжатия. При одноосном сжатии грунт находится в одноосном напряженном состоянии, а при трехосном – грунт находится в трехосном, т.е. объемном напряженном состоянии. Это позволяет проводить исследования в условиях, приближенных к естественному состоянию грунта. 26 Приборы одноосного сжатия называют одометрами, а трехосного – стабилометрами. Рассмотрим более подробно работу прибора одноосного сжатия. Схема прибора показана на рисунке 2.1 [1]. Основная рабочая часть прибора – цилиндрическое металлическое кольцо 1, в которое закладывается образец исследуемого грунта 2. Технология приготовления образца должна обеспечивать сохранность структуры грунта естественного состояния [7]. С помощью поршня 3 на грунт передается сжимающая нагрузка 𝑃. Зная площадь поршня, можно вычислить давление 𝑞 на единицу поверхности грунта. Поскольку боковое расширение образца грунта исключено, то сжимающие напряжения 𝜎 в грунте равны по значению 𝑞. Прикладывая к грунту последовательно ряд значений 𝑞 и выдерживая каждую ступень нагрузки до полного затухания деформаций сжатия, замеряют для каждого значения 𝑞 осадку поршня (𝑠 = ℎ 0 − ℎ). Рисунок 2.1 – Схема компрессионного прибора Таким образом, зная площадь образца 𝐹 и значения осадки, можно определить соответствующие каждой нагрузке сжатия изменения пористости грунта. Покажем это. 27 Для грунта с коэффициентом пористости 𝜀 0 в начальном состоянии до процесса сжатия можно записать: 𝑚 = 1 1+𝜀 0 С другой стороны: 𝑚 = 𝑉 𝑠 𝑉 Приравняв эти выражения, можем выразить объем твердых частиц через начальный коэффициент пористости: 𝑉 𝑠 = 𝑉 1+𝜀 0 Начальный объем грунта можем выразить через площадь образца 𝐹 и высоту слоя грунта ℎ 0 : 𝑉 = 𝐹 ∙ ℎ 0 Тогда: 𝑉 𝑠 = 𝐹∙ℎ 0 1+𝜀 0 Для грунта с коэффициентом пористости 𝜀 𝑖 после его сжатия можно записать: 𝜀 𝑖 = 𝑉 0𝑖 𝑉 𝑠 = 𝑉 0 −𝐹∙𝑠 𝑖 𝑉 𝑠 = 𝜀 0 − 𝐹∙𝑠 𝑖 𝑉 𝑠 Наконец, подставляя в эту формулу выражение для 𝑉 𝑠 , получим: 𝜀 𝑖 = 𝜀 0 − 𝐹∙𝑠 𝑖 𝐹∙ℎ 0 ∙ (1 + 𝜀 0 ). 28 Или, что то же самое: 𝜀 𝑖 = 𝜀 0 − ∆ℎ ℎ 0 ∙ (1 + 𝜀 0 ). По данным вычислений строят кривую зависимости 𝜀 от 𝜎 𝑧 . Эта кривая называется компрессионной (рисунок 2.2, [1]). Кривая уплотнения 1 строится по данным, полученным при сжатии грунтового образца. Кривая разбухания 2 строится при снятии нагрузки, когда происходит процесс разуплотнения грунта. Она не совпадает с кривой уплотнения 1. При снятии нагрузки в грунте остаются необратимые деформации. Это свидетельствует о том, что грунт не является абсолютно упругим телом. Но в то же время его нельзя назвать и пластичным телом, так как даже в илистых и торфяных грунтах имеется упругое восстановление (весьма незначительное). Учитывая, что нагрузки, передаваемые на грунт от веса сооружений, находятся в пределах 10–50 Н/см 2 , представляется возможным использовать не всю кривую 1, а лишь часть в пределах возможного изменения нагрузки (участок ab), заменив кривую прямой линией. Тогда для участка ab можно записать: 𝜀 𝑖 = 𝜀 0 − 𝛼 уп ∙ 𝜎 𝑧 29 Рисунок 2.2 – Компрессионная кривая Коэффициент 𝛼 уп называется коэффициентом уплотнения или сжимаемости грунта. Численно он равен тангенсу угла наклона ab к оси напряжений 𝜎 𝑧 : 𝛼 уп = − 𝜀 1 −𝜀 2 𝜎 1 −𝜎 2 Знак минус показывает, что с увеличением нагрузки угол наклона уменьшается. Эта зависимость в механике грунтов имеет большое практическое значение. Если 𝛼 уп < 0,005 МПа -1 , то грунт малосжимаемый. При 𝛼 уп = 0,005 … 0,05 грунт среднесжимаемый. Если 𝛼 уп > 0,05 МПа -1 , то грунт сильносжимаемый. Кроме этого используется коэффициент относительной сжимаемости: 𝛼 уп ′ = 𝛼 уп 1+𝜀 0 30 Также одной из величин, характеризующих сжимаемость грунта, является модуль деформации грунта 𝐸 [МПа], который учитывает как упругие, так и остаточные деформации грунта. Модуль общей деформации характеризует зависимость между давлением (напряжением) и полной деформацией (упругой и остаточной). 𝐸 = напряжение полная деформация Модуль деформации грунта обратно пропорционален коэффициенту относительной сжимаемости грунта и прямо пропорционален некоторой функции коэффициента поперечной деформации, учитывающей вид напряженного состояния при компрессионном сжатии. 𝐸 = 𝛽 𝛼 уп ′ = 1+𝜀 0 𝛼 уп ∙ 𝛽, где 𝛽 – функция коэффициента поперечной деформации 𝜈 (коэффициента Пуассона): 𝛽 = 1 − 2∙𝜈 2 1−𝜈 Коэффициент 𝛽 приблизительно равен для песков – 0,8; супесей – 0,7; суглинков – 0,5 и глин – 0,4. Модуль деформации грунта является важным показателем его деформационных свойств, характеризующим уплотняемость грунта при нагружении. Он используется при расчёте осадок сооружений. |