Вопрос 29. Фильтрационные свойства 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

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.

Плотность минеральных частиц грунта. Понятие и способ определения в лабораторных условиях. Плотность грунта определятся соотношением массы веществ к занимаемому ими объёму.плотность грунта характеризуется несколькими показателями: плотностью твёрдых частиц грунта p/s,, плотностью грунта p, плотностью скелета грунта p/d. Плотность грунта измеряется в г/см3 или кг/м3.плотность твёрдых частиц p/s Численно равняется отношению объема твердых частиц грунта к их массе, то есть массе единичного объёма твёрдой составляющей грунта. Плотность грунта (его твёрдого компонента) зависит от содержания органического вещества и минерального состава. Плотность грунта (его отдельных типов твёрдых частиц дисперсных грунтов), которые не содержат примесей водорастворимых солей и органических веществ, в принципе является величиной постоянной, и поэтому в расчетных операциях часто используются её средние значения:

• для глин - 2,74 г/см3;

• для супесей - 2,70 г/см3;

• для песков - 2,66 г/см3; 

• для суглинков - 2,71 г/см3.

Плотность грунта p (или объёмная масса грунта, плотность влажного грунта) - масса единичного объёма грунта при его естественной влажности и ненарушенным природным сложением. Величина плотности грунта может зависеть от минерального состава, характера сложения и влажности (пористости) грунтов. Определение плотности грунтадолжно учитывать тот факт, что с увеличением количества примесей тяжёлых минералов плотность грунта увеличивается, а при увеличении примесей органических веществ пропорционально становится меньше. 

Плотность грунта (скелета грунта) p/d - это масса твёрдых составляющих (скелета или "сухого" грунта) на единицу объёма грунта при ненарушенной (естественной) структуре.Удельное давление на грунт также будет зависеть от минерального состава и пористости грунта.Плотностью частиц грунта ρ_s – называется отношение массы частица грунта, высушенного при температуре 105 ⁰ С до постоянной массы к их объему. Размерность плотности частиц грунта кг/см³ или т/м³.

Необходимые приборы: мерная колба (пикнометр) емкостью 100 см³, сито с отверстиями 2 мм, ступка с фарфоровым пестиком, технические весы с разновесами, сушильный шкаф с термометром, электроплитка. Проведение опыта: образец воздушно-сухого грунта размельчают в фарфоровой ступке и из него отбирают среднюю пробу весом 100-200 г, которую просеивают через сито с отверстиями 2 мм.

Среднюю пробу отбирают методом «квадратов». Для этого размельченный грунт насыпают тонким слоем на лист бумаги и шпателем разделяют на квадратики со сторонами 4х4 см. из каждого квадратика берут часть грунта. Из средней пробы берут навески так, чтобы 15 г грунта приходились на 100 см³ мерной колбы. Мерная колба (пикнометр) наполняется дистиллированной водой до определенной отметки взвешивается, измеряется температура воды. Из пикнометра выливается часть воды и через сухую воронку насыпается в него подготовленная навеска грунта, а содержимое пикнометра взбалтывается. Пикнометр с водой и грунтом кипятят от 30 мин (пески и супеси) до 1 час (суглинки и глины) для разрушения структурных агрегатов в грунте. В пикнометр доливают кипяченную дистиллированную воду до черной черты и охлаждают содержимое до комнатной температуры. Пикнометр с содержимым взвешивают с точностью до 0,01 г. Плотность частиц грунта определяется по формуле:

=

Гранулометрический состав грунта.Понятие и способ определения гранулометрического состава песчаного грунта.Гм состав- содержание в горной породе, почве или искусственном продукте зерен различной крупности, выраженное в процентах от массы или количества зерен исследованного образца. Гранулометрическим составом грунта называется содержание в нем минеральных частиц различной крупности (фракций) выраженного в процентах. Необходимые приборы:набор сит с отверстиями (0,1; 0,25; 0,5; 2 мм ), весы технические с разновесами, фарфоровые или алюминиевые чашечки с диаметром 8-10 мм, резиновые пестики, ступка. Проведение опыта: проба воздушно-сухого грунта помещается на бумагу, резиновым пестиком растираются кромки и структурные агрегаты. 100 г грунта, взвешенного с точность до 0,01 г отбирается методом квадратов и помещается на верхнее сито набора с отверстиями 2 мм. Грунт просеивается путем горизонтального встряхивания в течении 3-4 мин. Рекомендуется производить дополнительно досеивание по фракциям. Содержимое каждого сито взвешивается и полученный результат выражается в процентах к общей навеске. Вес отдельных фракций складывается и сумма сравнивается с навеской. Расхождение в 1 % допустимо. Невязка разности пропорциональна весу фракций.

Деформационные характеристики грунта. Понятие и способы определения в лабораторных условиях.? Основными характеристиками сжимаемости грунтов являются модуль общей деформации Еили коэффициент относительной сжимаемости mv, коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона) v и коэффициент бокового давления ξ грунта

Коэффициент относительной сжимаемостиПри расчетах осадок уплотнения грунтов вместо коэффициента сжимаемости используется коэффициент относительной сжимаемости (m_v): Коэффициент бокового давления (ξ). В состоянии покоя, т.е. при отсутствии горизонтальных перемещений, он представляет отношение поперечных сжимающих напряжений к продольным при е_х=е_у=0, т.е. 

Коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона) представляет отношение поперечных деформаций — относительных горизонтальных к относительным вертикальным, т.е

Модуль общей деформации грунта используется в качестве деформационного показателя и характеризует упругие и остаточные деформации (см. рис. 5.5). Модуль общей деформации является важной характеристикой, используемой для расчета оснований и сооружений по деформациям. Модуль общей деформации определяется в полевых  и лабораторных условиях. Наиболее распространен способ проведения компрессионных испытаний с последующей их обработкой. В этом случае модуль общей деформации

Предельное сопротивлению сдвига связных грунтов.Сыпучие и связные грунты имеют свои особенности при изучении их предельного сопротивления сдвигу. Сопротивление грунта сдвигу является одной из важнейших его характеристик, так как характеризует устойчивость грунта в откосах выемок и насыпей, а также в основаниях различных инженерных сооружений.Связные грунты (глины, суглинки и супеси) отличаются от сыпучих грунтов тем, что частицы их связаны между собой адсорбированными пленками воды, коагулированными коллоидами и цементирующими веществами, вследствие чего даже при весьма малых деформациях сдвига грунт обладает известной прочностью, обусловленной силами сцепления.Закон Кулона для связных грунтов, может быть сформулирован следующим образом: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального давления (сжимающего эффективного напряжения) и состоит из двух частей: первой, не зависящей от нормального давления, и второй, прямо пропорциональной нормальному давлению.τ = σtgϕ+ c ,где c = σc tgϕ , σc − напряжение связности.

Понятие о прочности в грунтах. Грунты оснований зданий и сооружений испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, то происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.Прочностью грунта называют способность его воспринимать силы внешнего воздействия не разрушаясь. Разрушение грунта, служащего основанием сооружения, слагающего берег (склон) водохранилища или же откос канала, происходит в виде перемещения-сдвига одной его части относительно другой тогда, когда силы внешнего воздействия превысят силы внутреннего сопротивления. Прочность грунта определяется его сопротивляемостью сдвигу и оценивается показателем, который называется предельным сопротивлением сдвигу τ .Понятие о трение и скольжении в грунтах. Трение возникает в точках контакта частиц и зависит от многих факторов, среди которых основными являются: - минеральный состав грунта; - величина зёрен грунта; - форма зёрен (окатанная, пластинчатая, игольчатая); - состояние поверхности (округлая, угловатая); - плотность грунта, степень водонасыщенности и др. Показатель, характеризующий внутреннее трение в грунтах – это угол внутреннего трения (обозначается символом φ , измеряется в градусах).При слишком большом наклоне равнодействующей из-за исчезнования сопротивления между основанием фундамента и грунтом (или между самими слоями грунта) возникает скольжение. Таким образом, сооружение скользит, если горизонтальные компоненты равнодействующей силы, направленной по стыкам основания, больше, чем противодействующее трение и прочность на сдвиг (срез). Опасность скольжения уменьшается сопротивлением грунта у сооружения.

Испытание грунтов на сдвиг при прямом срезе производится в одноорезных (а иногда и двухсрезных) приборах, при этом образец грунта помешается в срезыватель так, чтобы его одна половина оставалась бы неподвижной, а другая— имела бы возможность перемещаться параллельно самой себе. Образец грунта нагружается при помощи штампа, причем как верхний загрузочный штамп, так и днище прибора (срезывателя) в зависимости от условий испытания могут быть водонепроницаемыми (сплошными) или фильтрующими (например, выполненными из пористого камня или дырчатой металлической пластинки). При испытании некоторых грунтов, особенно песчаных, штамп и днище обычно снабжают треугольными выступами для уменьшения неравномерности распределения сдвигающих напряжений в процессе сдвига по поверхности скольжения.

Предельное сопротивление сдвигу сыпучих грунтов.Для сыпучих грунтов (различного рода пески, крупнообломочные грунты, галечники). Зависимость σ – τ принимается прямой, проходящей через начало координат и наклонной к оси нормальных напряжений σ под углом внутреннего трения φ (рис. 5).

Из графика можно записать следующую зависимость:

τ = σ · tgφ Указанная зависимость – условие прочности грунта (закон Кулона) для сыпучих тел: сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трения, прямо пропорциональное нормальному давлению.

Угол внутреннего трениякоэффициент пропорциональности между максимальными касательными и нормальными напряжениями при разрушении твёрдого тела.

КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ, количественная характеристика силы, необходимой для скольжения или движения одного материала по поверхности другого.