книги из ГПНТБ / Булычев, В. Г. Механика дисперсных грунтов

к

С

Р

PL

Рис.

117

117, можно показать, что, например, для значения

р х

зна­

чение

модуля сжатия

Е0

можно получить,

проведя

хорду

AB

, в этом случае:

а следовательно:

- c t g a ( l + e 0).

Поскольку мы имеем дело с двухфазным грунтом,

у

кото­

рого все поры заполнены водой, то пористость,

естественно,

будет

пропорциональна

весовой влажности

Gw .

Отсюда

следует, что кривую АВС

можно построить путем

опреде­

ления изменения влажности от воздействия

£

ß

и,

казалось

бы, мы можем считать,

что пористость

и влажность

W грунта являются показателями его

деформации и

плотно­

сти. Однако практика показала, что при построении

компрес­

сионных кривых по изменению влажности они часто не

отра­

жают фактической зависимости <Г = /

(

Р

),

так

как в

образце, взятом из массива, где ранее действовала

внешняя

нагрузка, превышающая бытовое давление

PQ ,

могут

возникнуть при его изъятии из массива растягивающие

уси­

лия. В этом случае первые

порции внешней нагрузки, прило­

5 . Тиксотропия

Как известно, механические свойства дисперсных

грунтов

определяются такими параметрами, как размер частиц,

по—

ристость, влажность и др. Но особое влияние на

прочность

грунта оказывает его структура. Практика показывает,

что

если испытать дисперсный грунт с нарушенной и

ненарушенной

структурой в компрессионном приборе, то полученные при

этом

результаты будут значительно отличаться (рис.

1 1 9 ) . Различ­

больше не восстанавливается, наблюдается и другое

явление,

противоположное рассмотренному, так называемое

явление

тиксотропии. Если в дисперсной системе содержится

некото­

рое количество коллоидов, т.

е. частиц размером

примерно

0,1 мк,

то такая система при нарушении структуры перехо­

дит в текучее состояние. Но

если эту систему оставить на

некоторое

время в покое, то

она вновь восстановит

свою

ние повторяется после каждого нового нарушения

структуры.

Системы, обладающие такими свойствами, принято

называть

т и к с о т р о п н ы м и ,

а самое явление т

и

к с о —

т р о л и е й.

Это явление хорошо известно строителям. Так,

при

забив­

ке в тиксотропный грунт свая

вначале совершенно

теряет

он, переходя в текучее состояние, выливается из

грунтоно­

са. Но через некоторое время образец вновь

восстановит

свою структуру и уже не выльется из грунтоноса.

На рис. 120

показан путь движения одной частицы а диа­

метром 1 мк

под действием ударов молекул

окружающей

шенном состоянии. Не могут принять участие в

движении и

те частицы, которые связаны между собой не

коллоидными

цепочками, а молекулярными оболочками.

Во всех случаях, когда частицы дисперсных систем

имеют

структурное сцепление с помощью коллоидных связей,

нару­

т. п.) приводит к отрыву

коллоидов от частиц и вступлению

их в броуновское движение,

т. е. к ликвидации структурного

ности дисперсной системы. Однако если эту систему

оста­

вить на некоторое время в покое, то постепенно

коллоиды

вновь образуют коллоидные связи частиц системы,

броуновс­

кое движение коллоидов прекратится и структура такой

сис­

темы вновь восстановится.

Понятно, что для дисперсных грунтов, составляемых

раз­

личными фракциями, тиксотропные свойства становятся;

воз­

можными, если в них присутствует хотя бы небольшое

коли­

чество коллоидов. Например, пусть мы имеем

пылеватый

грунт с частицами диаметром 0 ,0 1 мм.

Конечно,

этот грунт

не будет тиксотропным, так как частицы

очень велики,

что­

ном состоянии. Пусть масса

всех таких частиц будет

равна

Q , а масса одной частицы

q . Следовательно,

число

частиц будет равно

.

Если прибавить ко всему

коли­

честву пылеватых частиц хотя бы 1% массы

коллоидных

частиц диаметром 0,1 мк (■ ■ ■ Л ... . . ..

мм \ и

тщательно

I 10 000

>

епочки

коллоид­

ных

Рис.

121

частиц

перемешать их с пылеватыми частицами, тогда

общая

масса

коллоидных частиц будет равна

___ff .

.

Так как

ди—

100

аметр коллоидной частицы в 100 раз

меньше пылеватой, то

масса ее будет равна

,

;

следовательно,

число

коллоидов будет равно

1003

ч

ч

а

10 000,

100

1003

г

что если у грунта, содержащего коллоиды и,

следовательно,

обладающего тиксотропными свойствами, отмыть эти

коллои­

ды, он сразу теряет свойства тиксотропии.

По Герсеванову, существуют следующие условия

тиксот—

ропности дисперсных систем:

1) система должна быть в состоянии грунтовой массы;

2) в системе необходимо наличие коллоидных

фракций

размером не более 0,001 мм;

3) весовая влажность должна быть более весовой

влаж­

ности на пределе пластичности;

4) система не должна иметь в заметном количестве час­

тиц крупнее 0,01 мм.

6. Дисперсный грунт в состоянии грунтовой массы

Под состоянием двухфазной грунтовой массы

Герсеванов

подразумевал систему, у которой во всех порах

имеется

свободная вода, подчиняющаяся всем законам,

свойственным

свободным жидкостям. Имеющаяся в таких системах

молеку­

при определении объема скелета эта вода должна

причис­

ляться к объему скелета, тогда как под понятием

свободной

воды должна иметься в виду вся остальная вода,

находяща­

яся в порах дисперсной системы, т. е. капиллярно

поднятая

и гравитационная. Следует условиться, что под гравитацион­

ной водой в дисперсных системах (по Герсеванову)

следует

считать воду, у которой давление выше атмосферного, а ка­

к грунтовой массе, может быть воспринято водой,

скелетом

или тем и другим одновременно. Распределение

нагрузки

между водой и скелетом и явления, обусловленные

вытесне­

Рассмотрим вначале системы давлений внутри

водонасы—

шейного дисперсного грунта (грунтовой массы), в

которой

ром нет капиллярно поднятой воды, так как вода

находится

выше поверхности грунта (дно любого водоема).

Следует

иметь в виду, что в этом случае подразумевается

грунт,

у

которого все поры соединены между собой, а

следовательно,

жидкость (вода), находящаяся в этих порах,

гидравлически

связана и подчиняется законам гидростатики.

Полученное водой дополнительное давление от внесшей

на­

стоянии, наблюдаются две системы

напряжений —система р

и система w . При этом система

р способна передавать

и тем самым порождать осадки (деформации). В свою

оче­

редь

система w не влияет на изменение объема

скелета

и не

порождает осадки от действия внешней нагрузки.

При

лорах системы, так как оно влияет на величину

действия

системы р . Каждая частица грунта, окруженная со

всех

сторбн водой, по.

закону Архимеда, теряет в своем

весе

столько, сколько

весит вода в ее объеме. Практически удель­

ный вес воды может быть принят равным 1 Г/см3.

Удельный

вес скелета в этом случае следует считать равным

(

у

—

1),

где

у

- удельный вес скелета в

воздухе. В

целях

уяснения гидростатических условий равновесия системы

а/ в

некотором пространстве

А (рис. 122)

положим, что

это

пространство заполнено водой до уровня

ctb

, называемого

п о в е р х н о с т ь ю

у р о в н я .

В этом

случае

гидростатическое давление в какой-либо точке

С

в

соот­

ветствии с

законами гидростатики будет равно:

^ = Л А ,

(247)

где

А -

плотность воды.

Общепринято называть расстояние от точки

С до

поверх­

ности уровня пьезометрической высотой.

Берем

координат­

ную систему

ОХ , где

ОХ - условный горизонт,

от кото­

рого следует отсчитывать отметки всех интересующих

нас

точек, при этом отметка

свободного уровня, равная

Н ,

бу­

ки С

мы обозначим через

z

,

то

из рис.

122

видно,

что

Н =

h + z ■.

Применив формулу ( 2 4 6 ) ,

будем иметь

Н--

w

А

следовательно:

w = А ( / / - ^ ) .

(248)

Если известен напор Н ,

то

гидростатическое

давление w

в любой точке пространства

А

определяется

уравнением

(247)

и, в частности, ординатой

Z

. Из сказанного следу­

ет, что для определения гидростатического состояния

можно

пользоваться

величиной напора

Н ,

которая,

как

известно,

для всех интересующих точек пространства А

является од—

О

* Р ис. 1 2 2

.или

<Г=

+

(2 5 0 )

Отсюда

о + ар 0 - аР •

£ 0 * ар0 = <£ + ар = <£, + а р , = c o n s t = / , (251)

где

Л

—постоянная и представляет собой отрезок

ОМ, от­

секаемый на оси

О£

прямой ММ^ , полученной

продолже­

нием отрезка М0М^до

пересечения

с

осью Ое .

Отсюда

выходит,

что зависимость между коэффициентом

пористости

€

и давлением

р

в пределах отрезка

М0 Msможет

быть

выражена

уравнением

<£= А - а р ,

(252)

где

А и

а.

—постоянные, взятые

с

компрессионной

кривой.

Анализируя полученные выражения,

можно утверждать, что

величина

а

имеет размерность см 2/ кг

и всегда

поло­

называть к о э ф ф и ц и е н т о м

у п л о т н е н и я .

Пример. Предположим, что мы изучаем процесс,

вызыва­

емый в дисперсном грунте заложением фундамента,

увеличива­

ющего' нагрузку на эту систему с 2

до 6

кГ/см .

Опреде­

лив опытным путем компрессионную зависимость

NN

и

вы­

брав на ней интересующие нас точки

М0 и

А/, t

определя­

емые соответственно

абсциссами

р 0 =

2 к Г / с м ^

и

/ ? , =

6 к Г / с м и

принимая

(как это было сказано

ранее)

отрезок

кривой

MQMi за прямую, будем иметь

(см. рис.

127)

<s0 =

0 ,4 6 и

«Г, = 0 ,3 7 .

Тогда, согласно предыдущему, получим

а =

0 .4 6

-

0 .3 7

--------_

о ,

j. ' д'

'о '1 '

0 ,0 2 2 5

см ^/кг

о

2,

и, согласно основному уравнению (*25і):

= 0 ,5 0 5 .

А

= 0 ,4 6 +

0 ,0 2 2 5

• 2 = 0,46

+ 0 ,0 4 5

Таким образом, при определенных условиях,

оговоренных

ранее, мы можем рассматривать грунт как

линейно-деформи-

руемое тело с постоянным модулем сжатия

Е0

и

приме­

нять к нему обычные представления строительной

механики,

созданной для упругих сплошных тел.

Рассмотрим теперь вопрос об осадке поверхности

грунта,

представляющего собой водонасыщенную двухфазную

диспер­

сную систему —грунтовую массу.