2. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ
2.1. Консолидация глинистых грунтов
Консолидация является одним из наиболее эффективных методов технической мелиорации грунтов с влажностью выше допустимой. Процесс консол дации глинистых грунтов с искусственно созданной структурой происходит при нагрузке от веса вышележащих
СибАДИевн.аг солидации глинистых грунтов
слоев грунта насыпи.
При устройстве земляного полотна из грунтов с повышенной влажностью, рассч танного на естественную консолидацию (без дренирующ х прослоек), время затухания деформаций глинистых грун-
тов весьма продолж тельно (та л. 2.1 [2]).
|
|
Таблица 2.1 |
|
Продолж тельность консолидации земляного полотна |
|||
|
|
||
Грунт |
Продолжительность затухания основной |
||
части деформации консолидации, годы |
|||
|
|||
Песок |
о 1 – 2 |
||
Супесь |
о 1 – 3 |
||
Лёгкий суглинок |
о 2 – 4 |
||
Тяжёлый суглинок |
3 – 6 |
более |
|
Глина |
4 – 8 |
более |
|
В некоторых случаях деформации носят характер пластического течения, приводящего к полному расползанию земляного полотна. Так, измерения деформаций отдельных насыпей высотой 16 –20 м, проводившиеся в течение 80 лет, показали, что осадки достигали 30 –
е |
35% от общей высоты насы- |
ем.аг |
пей. |
Выделяют три этапа кон-
I |
II |
III |
t, сут |
Рис. 2.1. Изменение коэффициента ме- жагрегатной ем.аг и внутриагрегатной.аг пористости грунта с течением времени t при трёх стадиях консолидации
[4, 6, 7, 8], отличающихся по физической природе: дофильтрационную консолидацию, фильтрационную и консолидацию ползучести (рис. 2.1).
Дофильтрационная консолидация обусловлена разру-
30
шением крупных агрегатов и пор, отжатием и растворением воздуха, а также переупаковкой агрегатов и перераспределением (миграцией) рыхлосвязанной воды в межагрегатных порах. Ее скорость в связи с этим не зависит от пути фильтрации.
При работе с грунтами повышенной влажности деформации, характерные для дофильтрационной консолидации, происходят и на этапе уплотнения механическими средствами.
Ф льтрац онная консолидация протекает за счёт отжатия рыхлосвязанной свободной воды из межагрегатных и внутриагрегатных пор и зон контактов агрегатов и грунтовых частиц. В этом случае
|
скорость консол дац |
зависит от длины пути фильтрации отжимае- |
||||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
мой воды. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Интенс вность |
|
|
|
на последнем этапе консолидации |
|||||||
|
предопределяется |
вязкими свойствами грунта, |
то есть ползучестью |
|||||||||
|
его скелета. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следует отмет ть, |
что процесс фильтрационной консолидации, |
||||||||||
|
уплотнения |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
особенно на завершающем этапе, неразрывно связан с деформацией |
|||||||||||
|
скелета грунта. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Установлено, что фильтрационная консолидация может иметь |
|||||||||||
|
место в насыпи только при определённых условиях: действующий |
|||||||||||
|
градиент отжатия воды должен превысить начальный градиент |
|||||||||||
|
фильтрационного отжатия. Градиент отжатия увеличивается при воз- |
|||||||||||
|
действии внешней уплотняющей нагрузки. Э.М. |
обров ввёл понятие |
||||||||||
|
пороговой нагрузки, при достижении которой, после определённого |
|||||||||||
|
бА |
|
|
|||||||||
|
времени (до 10 – 12 часов), начинается отжатие воды из грунта. Вели- |
|||||||||||
|
чина этой нагрузки зависит от вида грунта, его влажности и струк- |
|||||||||||
|
турной прочности (табл. 2.2 [9]). |
|
|
|
Таблица 2.2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Д |
|
|
||||
|
Ориентировочная величина предельной пороговой нагрузки |
|
|
|||||||||
|
Разновидность |
|
Величина пороговой нагрузки Ро (МПа) при КW, равном |
|
||||||||
|
грунта |
|
1,1 |
|
1,2 |
|
1,3 |
1,4 |
|
1,5 |
|
|
|
Суглинок лёгкий |
|
0,06 |
|
0,05 |
0,045 |
0,04 |
|
0,03 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
||
|
Суглинок тяжё- |
|
0,11 |
|
0,10 |
0,087 |
0,075 |
|
0,05 |
|
||
|
лый и глина |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
После уменьшения влажности и увеличения плотности грунта в результате отжатия воды внешняя нагрузка воспринимается не только через поровую жидкость, но часть этой нагрузки передаётся на скелет
31
грунта через оставшиеся плёнки связанной воды. Следовательно, структурная прочность увеличивается, градиент снижается и грунт перестаёт отдавать воду. В результате уменьшения пористости снижается и коэффициент фильтрации грунта. Для возобновления процесса фильтрационной консолидации необходимо повысить внешнее давление до более высокого уровня пороговой нагрузки.
Постепенно, по мере ступенчатого увеличения внешней нагрузки, в процессе отжат я воды, разрушения и перемещения агрегатов
уменьшаются пор стость, объём, занимаемый гравитационной и ка- |
||||||
пиллярной влагой; увеличиваются коэффициент уплотнения и струк- |
||||||
турная прочность грунта. Земляное полотно приобретает достаточную |
||||||
С |
|
устойчивость. |
|
|
|
|
несущую способность |
|
|
|
|||
Закон Дарси для воды (основной закон фильтрации) связывает |
||||||
скорость |
льтрац |
Vф (м/сут) с коэффициентом фильтрации порис- |
||||
той среды КФ (м/сут), |
градиентом напора Н (м) и длиной |
пути |
||||
|
L (м) следующей зависимостью: |
|
|
|
||
фильтрац |
|
|
|
|||
|
бА |
dH |
|
|||
Vф |
Кф H |
, в дифференциальной форме Vф - Кф |
|
|||
L |
dL |
. |
(2.1) |
|||
Следовательно, ускорение процесса консолидации грунта воз- |
||||||
можно путём изменения трёх параметров: увеличением градиента на- |
||||||
пора, коэффициента фильтрации и уменьшением пути фильтрации |
||||||
|
|
|
Д |
|
||
воды.
В значительной мере градиент напора в рассматриваемой задаче определяется величиной внешнего давления на грунт. Во всех случаях пороговая нагрузка должна быть близка к прочности грунта на данном этапе уплотнения, то есть должно выполняться условие (1.14). При чрезмерном увеличении внешней нагрузки на очередном этапе консолидации переувлажнённый грунт перейдёт в стадию пластического течения, а процесс уплотнения прекратится.
Коэффициент фильтрации – это характеристика проницаемости |
|||
грунта, он имеет размерность скорости и обычно измеряется в м/сут |
|||
(в системе СИ – в м/с). Коэффициент фильтрации связан с коэффици- |
|||
ентом проницаемости Кn, м2: |
И |
||
Кф |
86400 wКn |
, |
(2.2) |
|
|||
|
w |
|
|
где 86 400 – коэффициент приведения ед. измер.; ρW – удельный вес воды при температуре +10 оС; μw – динамическая вязкость воды, Па∙с.
32
Коэффициент проницаемости грунта снижается по мере уплотнения вследствие уменьшения пористости и общей площади живого сечения, через которое перемещается вода.
Необходимо учитывать различия в условиях определения некоторых величин, используемых в расчётах, и фактических условиях работы грунтов. Так, например, удельный вес воды в пределах Т от 5
до 95 о |
изменяется незначительно, а коэффициент фильтрации в ука- |
||
занных температурных границах может увеличиться более чем в че- |
|||
тыре раза [12], что следует из формулы А. Хазена: |
|
||
учитывать |
|
||
|
КфТ Кф10(0,7 0,03Τ), |
(2.3) |
|
|
10 |
фильтрации грунта |
при температуре |
Сгде К – коэфф ц ент |
|||
Т =10 о |
ф |
|
|
, м/с. |
|
|
|
|
б |
|
|
Дл на пути ф льтрации жидкости из насыпи определяется гео- |
|||
метрическ ми параметрами |
земляного полотна. |
При этом следует |
|
|
, что ж дкость в пористой среде может двигаться в любом |
||
направлен . Пр ор тет направления определяется градиентом давления температуры: з участков с óльшим поровым давлением к участкам с меньшимАдавлением; из областей с повышенной температурой к областям с пониженной температурой.
На основании изложенных теоретических положений можно обосновать конкретные конструктивно-технологические решения по эффективному уплотнению грунтов с влажностью выше допустимой методами консолидации. Например, устройство вертикальных и горизонтальных слоёв из дренирующих материалов значительно ускоряет процесс консолидации глинистых грунтов за счёт сокращения пути перемещения влаги по грунту с низким коэффициентом фильтрации.
При этом интенсивный отвод влагиДот границы глинистого грунта увеличивает градиент давления. В результате воздействия на полярные молекулы воды электромагнитным полем или введения поверхностно активных веществ или при нагревании воды снижается её динамическая вязкость, что, в свою очередь, повышает коэффициент фильтрации грунта.
И
33