Модель водонасыщенного грунта

Рассмотрим простейшую механическую модель деформации во вре­мени грунта, полностью насыщенного водой – грунтовой массы. В стакане 1 (рис. 2.9), заполненном водой 4 (практически несжи­маемой жидкостью), установлена пружина 5, моделирующая минеральный скелет грунта. Нагрузка, создающая давление на пружину и воду, будет передаваться через поршень 2 с отвер­стием малого диаметра для фильтрации воды из стакана.

В первый момент времени после загружения (при = 0), пока поршень еще не переместился по вертикали и вода не успела выйти из отверстия, пружина не получила деформацию. Усилие в пружине, отнесенное к единице площади поршня , будет равно нулю ( = 0). При этом в воде возникает давление = . Таким образом, в первый момент времени давление полностью передается на воду.

Рис. 2.9. Механическая модель водонасыщенного грунта

Терцаги-Герсеванова

По мере выдавливания воды из стакана через отверстие в поршне последний будет перемещаться, что вызовет развитие все большей деформации пружины. В течение этого процесса зна­чение уменьшается, а значение увеличивается. В любой момент времени будет выполняться соотношение:

+ = . (2.42)

После выдавливания определенного количества воды из-под поршня давление будет полностью передано на пружину. В момент времени = давление = 0 и = .

Эта механическая модель в известной степени иллюстрирует деформацию полностью насыщенного водой грунта, не облада­ющего структурной прочностью и ползучестью скелета. При сжатии образца водонасыщенного грунта, помещенного в одо­метр, в поровой воде возникает давление . По мере выдав­ливания воды из образца давление в поровой воде падает, а давление в деформирующемся скелете грунта увеличивается. Таким образом, давление в пружине моделирует давление в скелете, а давление в воде соответствует давлению в поровой воде.

Для водонасыщенных грунтов, содержащих в поровой воде воздух, необходимо учитывать сжимаемость поровой воды. Дефор­мации во времени водонасыщенных грунтов, обладающем ползучестью, развиваются как в результате постепенного выдавливания воды из пор грунта, так и вследствие ползуче­сти самого скелета.

Рассмотренная механическая модель демонст­рирует, что в процессе уплотнения грунта в нем одновременно действуют две системы напряжений: напряжение в скелете грунта, называемое эффективным напряжением, и давление в поровой воде, называемое нейтральным давлением. Полное напряжение в грунте в любой момент времени равно сумме эффективного напряжения в скелете грунта и порового давления в воде .

= + , (2.43)

Эффективное напряжение характе­ризует напряженное состояние скелета грунта и приводит к частичному разрушению скелета грунта и его уплотнению. Поровое давление развивается только в воде, не оказывает воздействия на скелет грунта и не приводит к его разрушению. Оно создает лишь дополнительный напор в воде и вызывает ее фильтрацию.

Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона

В основаниях сооружений, а также грунтовых массивах (склонах, откосах) действуют не только нормальные, но и касательные напряжения. Когда каса­тельные напряжения по какой-либо поверхности в грунте до­стигают его предельного сопротивления, происходит сдвиг од­ной части массива грунта по другой.

Сопротивление грунта сдвигу может быть установлено испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез), путем трехосного сжатия, вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью, по результатам среза грун­та крыльчаткой по цилиндрической поверхности и другими спо­собами.