В трубопроводном строительстве
 Скачать 1.7 Mb.
|
|
2.2 Сопротивление грунтов сдвигу Большая часть сооружения нефтяной и газовой промышленности оказывает на грунт не только уплотняющие, но и сдвигающие усилия, которые приводят к уменьшению пористости грунта и в результате этого – к осадкам, т.е. вертикальным изменениям сооружений. В качестве примера можно привести подземные газо- и нефтепроводы, перемещающиеся в направлении продольной оси, подпорные стенки, удерживающие грунт от обрушения и т.д. 31 В этих случаях, если сопротивление грунта продольной силе окажется недостаточным, сооружение может потерять устойчивость и сдвинуться. При этом могут разрушиться трубопроводы, емкости для нефти и газа, опрокинуться конструкции, находящиеся как внутри, так и снаружи сооружения [1]. Удерживает сооружение от возможных сдвигов только, так называемое, сопротивление грунта сдвигу. Поэтому в механике грунтов большое внимание уделяется изучению сопротивления грунтов сдвигу. Сдвиг – процесс изменения расположения частиц грунта под действием внешних сил [3]. Сопротивление грунта сдвигу – внутреннее усилие, противодействующее смещению одной части грунта относительно другой. Показатели сопротивления сдвигу – это основные прочностные показатели сопротивлений тел внешним силам, для грунтов их важнейшая особенность в том, что они переменны, зависят от давления и условий в точках контакта частиц, сопротивляющихся сдвижению. Правильный выбор показателей сопротивления сдвигу грунтов имеет первостепенное значение для практики, так как он обусловливает точность инженерных расчетов по определению предельной нагрузки на грунт, устойчивости массивов грунта и давления грунтов на ограждение. Сопротивление грунтов сдвигу может быть установлено испытаниями его образцов различными методами: по результатам прямого плоскостного среза, простого одноосного сжатия, трехосного сжатия, среза по цилиндрической поверхности, вдавливания и др. Предельное сопротивление грунтов сдвигу при прямом плоскостном срезе определяют при испытании грунтов на односрезных приборах (рисунок 2.3), при этом цилиндрический образец грунта 2 помещают в срезыватель 1 так, чтобы одна его половина оставалась неподвижной, а другая могла перемещаться горизонтально под действием прикладываемой к ней 32 горизонтальной сдвигающей нагрузки 𝑇, причем должна быть обеспечена возможность увеличения или уменьшения объема грунта при срезе. К образцу грунта через уплотнитель 3 прикладывают нормальную к поверхности среза сжимающую нагрузку 𝑃. Для лучшей связи штампа с грунтом в штампе устраивают небольшие выступы (треугольные или пластинчатые), которые, врезаясь в верхнюю и нижнюю поверхности образца грунта, обеспечивают связь штампа с грунтом и более равномерное распределение сдвигающих напряжений по плоскости среза. Вода удаляется из образца при уплотнении через специальные фильтры 4. Рисунок 2.3 – Схема прибора для испытания грунтов на сдвиг Сдвигающую касательную к поверхности среза нагрузку 𝑇 прикладывают к срезывателю ступенями или беспрерывно возрастающей (например, с помощью струи воды, дроби и т.п.) до тех пор, пока не произойдет срез и скольжение одной части грунта по другой. Одновременно с приложением нагрузки и во все время испытания производят замеры деформаций грунта (вертикальных и горизонтальных), что дает возможность по результатам измерений построить кривую сдвига. 33 1. Закон Кулона для сыпучих грунтов. Сыпучие грунты – различного рода пески (за исключением слюдистых), крупнообломочные грунты, галечники и т.п., при увеличении на них внешнего давления (на величину порядка 0,1–10 МПа) незначительно изменяют свою плотность и практически этими изменениями при испытании сыпучих грунтов на предельное сопротивление сдвигу можно пренебречь. После нагружения образца грунта некоторой сжимающей (вертикальной) нагрузкой прикладывают сдвигающую (горизонтальную) нагрузку, увеличивая ее до тех пор, пока не возникнут без дальнейшего увеличения сдвигающей нагрузки незатухающие, прогрессивно возрастающие деформации сдвига (рисунок 2.4, а) и произойдет срез (скольжение) одной части образца грунта по другой. Значение максимального предельного сопротивления сдвигу при данной ступени нагрузки относят к единице площади поперечного сечения образца, принимая распределение сдвигающих напряжений равномерным. Затем идентичный образец того же грунта нагружают большим давлением и вновь определяют максимальное сопротивление сдвигу (срезу). Опыт повторяют при нескольких уплотняющих давлениях и по результатам их строят кривую предельного сопротивления сдвигу, откладывая по одной оси (вертикальной) предельное сдвигающее напряжение (пред 𝜏, МПа), а по другой (горизонтальной) соответствующее уплотняющее давление (сжимающее напряжение 𝜎 – рисунок 2.4, б). 34 а – перемещений 𝛿 при сдвиге (1–3 – при различном давлении); б – предельных сопротивлений Рисунок 2.4 – Кривые сопротивлений сдвигу сыпучих грунтов Как показывают результаты многочисленных испытаний, кривая предельных сопротивлений сдвигу для сыпучих грунтов может быть принята за прямую, исходящую из начала координат (для идеально сыпучих грунтов) под углом 𝜑 к оси давлений (рисунок 2.4, б). Согласно кривой сдвига для сыпучих грунтов любое предельное сдвигающее напряжение: 𝜏 𝑖 = 𝜎 ∙ 𝑡𝑔𝜑. Так как сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление их трению, то угол 𝜑 носит название угла внутреннего трения, a 𝑡𝑔𝜑 – коэффициента внутреннего трения. Это соотношение является основной прочностной зависимостью для сыпучих грунтов, установленной еще в 1773 г. Ш. Кулоном, и может быть сформулировано следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению. 35 Эта зависимость в механике грунтов носит название закона Кулона. 2. Закон Кулона для связных грунтов. Связные грунты (глины, суглинки и супеси) отличаются от грунтов несвязных (сыпучих) тем, что частицы и агрегаты частиц этих грунтов связаны между собой пластичными (водно-коллоидными) и частично жесткими (цементационно- кристаллизационными) связями, при этом сопротивление их сдвигу будет в высокой степени зависеть от их связности (от сил сцепления). Всякое внешнее давление на водонасыщенные связные глинистые грунты при условии свободного оттока выжимаемой внешним давлением воды вызывает значительное изменение их плотности-влажности, что и сказывается на общем сопротивлении грунтов сдвигу. Основными видами испытаний связных грунтов на сдвиг будут испытания по закрытой (неконсолидированно-недренированные) и открытой (консолидированно-дренированные) системам. В первом случае образцы связных грунтов должны быть испытаны при отсутствии условий выдавливания воды из пор грунта и так, чтобы во время испытания практически не изменялась их плотность-влажность, что можно выполнить лишь при быстром сдвиге. Результаты такого испытания приведены на рисунке 2.5, причем на рисунке 2.5, а показана зависимость сопротивления сдвигу связного (глинистого) грунта от его влажности или плотности сложения, так как между влажностью и коэффициентом пористости существует для полностью водонасыщенных грунтов прямая зависимость, а на рисунке 2.5, б – от величины нормального давления (сжимающего напряжения). 36 а – зависимость сопротивления сдвигу от влажности; б – кривая сдвига при быстром недренированном срезе Рисунок 2.5 – Кривые предельных сопротивлений сдвигу связных глинистых грунтов в условиях закрытой системы (неконсолидированно-недренированных) Если первая кривая показывает весьма существенное влияние плотности- влажности грунта на его сопротивление сдвигу, то вторые (рисунок 2.5, б) констатируют, что при недренированном испытании и сохранении влажности грунта предельное сопротивление сдвигу пред 𝜏 практически не зависит от величины внешнего давления (сжимающего напряжения 𝜎), изменяясь лишь при изменении плотности-влажности грунта. Другой характер имеют кривые сдвига связных грунтов, испытываемых по открытой (консолидированно-дренированной) системе. Если принять при испытании связного грунта на сдвиг тот же метод, что и при испытании сыпучих грунтов, т.е. вначале уплотнять образец грунта некоторым давлением, а затем испытывать его на сдвиг при том же давлении, то результаты ряда испытаний нельзя будет отнести к одному какому-либо состоянию плотности-влажности грунта, так как каждому давлению будет соответствовать своя плотность-влажность, а результаты испытаний будут 37 характеризовать сопротивление сдвигу различных по плотности сложения образцов грунта. Для получения образцов связного грунта одной и той же плотности сложения (одного и того же коэффициента пористости) пользуются ветвью разгрузки (набухания) компрессионной кривой (рисунок 2.6, а), согласно которой до некоторого давления 𝜎 0 почти для всех связных грунтов изменения коэффициента пористости при разгрузке весьма незначительны. Поэтому изготовляют несколько образцов грунта, предварительно уплотняя их наибольшим давлением, при котором будет работать грунт, например 0,4 МПа (до полной стабилизации осадок), а затем разгружают до меньших давлений – 0,3; 0,2; 0,1 МПа (но больших 𝜎 0 = 0,05…0,07 МПа) и после стабилизации деформаций разуплотнения испытывают при этих давлениях на срез. В последнем случае можно считать, что сопротивление сдвигу нескольких образцов связного грунта, испытываемых при разных давлениях, будет соответствовать его плотности-влажности при наибольшем давлении. а б а – уплотнения (kl) и разуплотнения-набухания (lm); б – кривая сдвига Рисунок 2.6 – Кривые предельных сопротивлений сдвигу связных глинистых грунтов в условиях открытой системы (консолидированно-дренированных) 38 Как показывают многочисленные испытания, кривая консолидированного сдвига связных грунтов в довольно большом диапазоне давлений, вполне удовлетворяющем строительную практику (от σ 0 ≈ 0,05 до σ 0 ≈ 0,5…0,7 МПа), также хорошо описывается уравнением прямой линии. Если принять обозначения по рисунку 2.6, б, то уравнение прямой, проведенной через экспериментально найденные точки, будет иметь вид: 𝜏 𝑖 = 𝜎 ∙ 𝑡𝑔 𝜑 + с. Данное уравнение выражает закон Кулона для связных грунтов, который может быть сформулирован следующим образом: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершенной их консолидации есть функция первой степени от нормального давления (сжимающего напряжения). Угловой коэффициент прямой (𝑡𝑔 𝜑) по аналогии с сыпучими грунтами носит название коэффициента внутреннего трения, а параметр𝑐, не зависящий в явном виде от величины внешнего давления, – коэффициента сцепления. При рассмотрении закона Кулона мы встретились с новыми и одними из важнейших физико-механических характеристик грунтов, так называемыми углом внутреннего трения и сцеплением грунта. Это важнейшие прочностные характеристики грунта. Значение 𝑡𝑔 𝜑 равно коэффициенту трения грунта по грунту в плоскости среза. Сцеплением грунта – это есть касательные напряжения 𝜏 0 , при которых преодолеваются силы связанности. Величины 𝑡𝑔 𝜑 и 𝑐 следует рассматривать лишь как математические параметры прямолинейной диаграммы сдвига связных грунтов, соответствующие определенной их плотности. В настоящее время доказано, что природа сил сопротивления грунта сдвигу имеет сложный характер, а потому простое их разделение на трение и сцепление является условным. Однако, учитывая, что многочисленные опыты хорошо подтверждают представленную уравнением простую зависимость 39 касательных напряжений в момент сдвига от нормальных, пока считают возможным такое разделение. Как предложено проф. Н.Н. Масловым («Прикладная механика грунтов», 1949), суммарную величину сцепления 𝑐 следует рассматривать состоящей из двух слагаемых, что может быть записано (в наших обозначениях) следующим выражением: 𝑐 = 𝑐 𝑐 + 𝑐 𝑤 , где 𝑐 𝑐 – структурное жесткое сцепление (обусловленное прочностью цементационно-кристаллизационных связей), необратимое при разрушении; 𝑐 𝑤 – пластичное сцепление, обусловленное водно-коллоидными обратимыми связями. Для предварительных расчетов оснований сооружений I и II уровней ответственности, а также для окончательных расчетов оснований сооружений III уровня ответственности и опор воздушных линий электропередачи независимо от их уровня ответственности допускается определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по таблицам [9] в зависимости от их физических характеристик [3]. При соответствующем обосновании допускается использовать таблицы для окончательных расчетов сооружений II уровня ответственности (технически несложные сооружения, сооружения, малочувствительные к деформациям основания, и др.). 2.3 Фильтрационные свойства грунтов Фильтрационные свойства грунтов – свойства, характеризующие их водопроницаемость, то есть их способность пропускать через себя (фильтровать) флюиды (жидкости, газы и их смеси) при наличии на пути фильтрации перепада давления. 40 Водопроницаемость связана с уплотнением грунта, так как при уплотнении из грунта в первую очередь извлекается влага [3]. В строительстве фильтрационные свойства грунта связаны: 1) с инженерными задачами (фильтрация берегов в результате строительства плотин); 2) с вопросами временного понижения уровня грунтовых вод для осушения котлованов и последующего возможного устройства дренажных систем. Фильтрацией называют движение свободной воды в порах грунта в условиях, когда поток воды почти полностью заполняет поры грунта, т.е. содержится относительно небольшое количество газа, защемленного в скелете грунта. Закон ламинарной фильтрации Дарси устанавливает зависимость скорости фильтрации поровой воды от градиента гидравлического напора. Движение поровой воды называют фильтрацией, а связанные с этим процессы – фильтрационными. Рассматриваются такие скорости, при которых не наблюдаются завихрения гидравлического потока. Такое движение характеризуется как спокойное, или ламинарное. Гидравлическим напором называют давление в поровой воде, выраженное в единицах высоты эквивалентного водяного столба: 𝐻 = 𝑃 𝛾 𝑤 , где 𝛾 𝑤 – удельный вес воды. Градиентом гидравлического напора называют безразмерную величину, равную отношению разности гидравлических напоров на входе и выходе фильтрационного потока к длине пути фильтрации поровой воды (рисунок 2.7, б): 𝑖 = 𝐻 вх −𝐻 вых 𝐿 = 𝑡𝑔𝑗. 41 В опытах (рисунок 2.7, а) Дарси измерял расход воды 𝑄 (м 3 ) при фильтрации ее через цилиндр с песком площадью поперечного сечения 𝐴. а – в приборе Дарси; б – в грунтовом массиве; 1 – песок; 2 – сетка; 3, 4 – уровни воды на входе и выходе; 𝑗 – угол наклона потока Рисунок 2.7 – Схемы фильтрации поровой воды Им получена следующая экспериментальная зависимость: 𝑄 = 𝑘 𝑓 ∙ 𝑖 ∙ 𝐴 ∙ 𝑡. где 𝑘 𝑓 – коэффициент пропорциональности, названный коэффициентом фильтрации; 𝑡 – время фильтрации. Определим понятие скорости фильтрации 𝑣 𝑓 (м/с) как расход поровой воды через единицу поперечного сечения в единицу времени. Тогда из экспериментальной зависимости Дарси будем иметь: 𝑣 𝑓 = 𝑘 𝑓 ∙ 𝑖. 42 Формула известна как закон ламинарной фильтрации Дарси, который можно сформулировать следующим образом: скорость фильтрации поровой воды прямо пропорциональна градиенту гидравлического напора. Коэффициент фильтрации 𝑘 𝑓 можно трактовать как скорость фильтрации поровой воды при градиенте гидравлического напора (говорят также, гидравлическом градиенте), равном единице. В соответствии с рисунком 2.7, б единичному значению градиента гидравлического напора соответствует угол наклона поверхности грунтового потока к горизонтальной плоскости 𝑗 = 45°. Из приведенного выше определения следует, что коэффициент фильтрации имеет размерность скорости (м/с). В справочных материалах коэффициент фильтрации чаще всего приводится в метрах, деленных на сутки. Значения коэффициента фильтрации зависят от вида грунта и изменяются в широких пределах от 0,001 м/сутки для глин до 100 м/сутки для песков. В формуле 𝑣 𝑓 = 𝑘 𝑓 ∙ 𝑖 фигурирует фиктивная скорость фильтрации, отнесенная к полному сечению грунта, включающему как сечения пор, так и сечения минеральных частиц. Так как фильтрация происходит только по сечениям пор, действительная скорость фильтрации выше фиктивной. Она может быть вычислена через пористость грунта: 𝑣 = 𝑣 𝑓 /𝑛. Действительная скорость учитывается при анализе суффозионных процессов в грунтах. Реальные грунты обладают начальным гидравлическим сопротивлением. Это означает, что фильтрационные процессы протекают лишь при гидравлических градиентах, больших определенной величины. Эту величину называют начальным гидравлическим градиентом 𝑖 0 . Величина начального гидравлического градиента, как и коэффициент фильтрации, зависит от вида грунта. С учетом сделанного замечания запишем окончательное выражение для закона ламинарной фильтрации Дарси: 𝑣 𝑓 = 𝑘 𝑓 ∙ (𝑖 − 𝑖 0 ). 43 Рисунок 2.8 – Фильтрация воды в глинистом грунте при действии сжимающей нагрузки Фильтрационные характеристики грунтов используются при: − расчете дренажа; − определении дебита источника подземного водоснабжения; − расчете осадок сооружений (оснований) во времени; − искусственном понижении уровня грунтовых вод; − расчете шпунтового ограждения при откопке котлованов, траншей. В качестве примера приведем усредненные значения коэффициента фильтрации различных грунтов Таблица 2.1 – Усредненные значения коэффициента фильтрации различных грунтов галечник чистый более 100 м/сут. галечник с песчаным заполнителем 100–200 м/сут. пески чистые разной крупности 50–2 м/сут. пески чистые глинистые, супеси 2–0,1 м/сут. суглинки менее 0,1 м/сут. глины менее 0,01 м/сут. |