книги из ГПНТБ / Скотников В.А. Основы теории проходимости гусеничных мелиоративных тракторов [учеб. пособие]

В механике грунтов вместо пористости в расчетах исполь­ зуют коэффициент пористости. Коэффициентом пористости (е) называется отношение объема пор к объему твердых частиц грунта

(1.12)

Коэффициент пористости — одна из важнейших характе­ ристик физических свойств грунта и играет важную роль при расчете оснований сооружений. Коэффициент пористости торфя­ ных грунтов естественной влажности в десятки раз выше коэф­ фициентов пористости минеральных грунтов, что является след­ ствием низких прочностных и высоких деформативных свойств грунтовых оснований.

Следует отметить, что минеральные грунты при s ^ l счи­ таются сложенными рыхло и при возведении на них сооружений часто требуют искусственного уплотнения.

Для торфяных грунтов коэффициент пористости зависит от влажности, зольности, степени разложения и достигает величи­ ны е = 15 и более.

§ 1.3. Сжимаемость торфяных грунтов

Общие сведения. В результате действия внешних сил тор­ фяной грунт сжимается, т. е. изменяется его объем за счет сбли­ жения твердых частиц. Сжатие торфяного грунта вызывает осад­ ку трактора, движущегося по торфяному массиву. Чтобы изучить вопрос проходимости машин, необходимо знать закономерности изменения деформаций торфяного грунта в зависимости от внеш­ него давления.

Следует отметить, что изменение объема торфа происходит также и при высушивании его. Такое явление называется усад­ кой и обусловлено возникновением сил сжатия от действия ка­ пиллярных и молекулярных сил. Здесь рассматриваются деформативные свойства торфяного грунта, которые определяют его осадку в результате приложения внешних сил.

Из курса сопротивления материалов известно, что в преде­ лах обычных эксплуатационных нагрузок зависимость между напряжениями и деформациями является практически линейной. Свойства сплошных твердых тел (например, стали) при одноос­ ном напряженном состоянии полностью определяются двумя величинами:

модулем нормальной упругости

20

и коэффициентом Пуассона

= 0,3,

где р — интенсивность напряжении; е — относительная продольная деформация;

е' — относительная поперечная деформация.

Отличительной особенностью грунтов (в том числе и торфя­ ных) является то, что в них твердые частицы занимают не весь объем, а только его часть, т. е. грунты не сплошные тела. В этой связи зависимость между напряжениями и деформациями для грунтов более сложна, чем для таких материалов, как сталь.

Деформативные характеристики торфяных грунтов опреде­ ляются опытно путем испытаний:

а) без учета возможности бокового расширения грунта при его 'одноосном сжатии;

б) с учетом возможности расширения грунта при его двухили трехосном сжатии.

Сжатие без возможности бокового расширения. Во многих случаях внешняя нагрузка распространена во все стороны, а толщина сжимаемого слоя значительно меньше, чем ширина за­ груженной площадки (рис. 1.4). В лаборатории подобные усло­ вия воспроизводятся достаточно точно во время испытания об­

возрастающую нагрузку (рис. 1.5). Нагрузка на верхнюю и ниж­ нюю поверхности образца передается через пористые диски 3, которые дают возможность воде 1 свободно проникать в торф или вытекать из него. Деформации измеряются мессуром.

Следует отметить, что компрессионные испытания грунтов обычно проводят в таких условиях, чтобы, кроме внешних на­ грузок, никакие другие силы не действовали на поверхность об-

21

разца. Поэтому, чтобы снять капиллярные силы и предотвратить явление усадки образца горфа в результате высыхания, испы­ тания на компрессию проводят в условиях их полного водонасыщения, т. е. изучается, как правило, сжимаемость грунтовой массы.

Вода, находящаяся в грунтовой массе вне адсорбционных пленок, свободна и может передвигаться по порам под действием разности давлений. При приложении внешнего давления твер­ дые частицы торфяного грунта стремятся занять более устойчи­ вое положение, сблизиться друг с другом. Этому сближению пре­ пятствует свободная вода. Поэтому давление, передаваемое на образец, будет восприниматься одновременно твердыми части­ цами грунта и жидкостью, заполняющей пустоты (поровой жид­ костью). Таким образом, в любой момент времени в образце грунта

Поровое давление передается в одинаковой мере на все стенки сосуда, содержащего воду, которые в грунтовой массе образованы поверхностями грунтовых частиц. Следовательно,

грунта, а обусловливает лишь напор в воде, его называют также нейтральным давлением. Поровое давление может быть измере­ но по общему правилу измерения гидростатических давлений и

Учитывая, что в процессе сжатия грунтовой массы на каж­ дую частицу грунта передается очень малое усилие, и пренебре­ гая сжатием поровой воды, суждения о деформации скелета основаны обычно на принципе несжимаемости грунтовой массы. Согласно этому принципу, уплотнение грунта происходит только за счет удаления избыточного количества воды и уменьшения пористости.

Принцип несжимаемости грунтовой массы применим и для торфяных грунтов. Исследования С. С. Корчунова показали, что

22

коэффициент объемного сжатия сухого вещества торфа значи­ тельно меньше, чем воды, и примерно такой же, как и других материалов (воды — 0,00046 см2/кг, пушицевого торфа — 0,000001, древесио-осокс-вого — 0,000005, песка — 0,000004 см2/кг). Таким образом, при компрессионных испытаниях прини­ мают, что скелет может деформироваться лишь за счет измене­ ния взаимного расположения частиц торфа, но не за счет из­ менения их объема или формы.

Процесс уплотнения торфяного грунта определяется в основ­ ном двумя причинами.

Твердые частицы торфяного грунта в результате случайного размещения в процессе образования находятся в состоянии от­ носительной устойчивости. При приложении внешних сил это состояние нарушается, разрушаются некоторые, существующие ранее, структурные связи и создаются условия для перехода ске­ лета к более устойчивой форме равновесия. Последняя в свою очередь может оказаться лишь относительно устойчивой при уве­ личении сжимающей силы, т. е. такие изменения при росте внешних сил могут происходить беспрерывно.

Вторая причина, обусловливающая сжатие грунтового ске­ лета торфа, — деформация диффузных оболочек, которые уча­ ствуют в передаче давления между частицами. Сжатие диффуз­ ных оболочек и выдавливание некоторого количества связанной воды сопровождается сдвигами (смещением) одних твердых час­ тиц по отношению к другим и способствует более плотной упа­ ковке их. Такая деформация грунта носит название ползучести и происходит без повышения порового давления.

Выше отмечалось, что при приложении сжимающей нагруз­ ки к образцу грунтовой массы имеет место равенство (1.13), т. е. внешнее давление в любой момент времени равно сумме эффек­ тивного и порового давлений. С течением времени в результате отжатия воды из образца эффективное давление растет, и, когда поровое давление будет равно нулю, сжатие грунтовой массы изза фильтрации воды прекращается. Следует, однако, отметить, что после почти полного выдавливания воды из порового прост­ ранства вследствие явления ползучести деформации грунта мо­ гут не прекратиться и продолжаться длительный период времени (так называемая вторичная консолидация грунта).

Исследования показывают, что уплотнение торфяных грун­ тов в компрессионных приборах протекает весьма медленно. Не­ которые исследователи (А. Ф. Печкуров) отмечают, что для производства испытания при полной стабилизации осадок необ­ ходим период 2—3 года. Однако основная доля осадки от ступе­ ни нагрузки происходит в первые 5—10 суток (рис. 1.6), после чего осадка образца составляет доли миллиметра.

Результаты компрессионных испытаний торфяных грунтов изображают в виде графика (рис. 1.7), который называется

компрессионной кривой (кривой сжимаемости). На этой кривой

23-

Рис. 1.6. Продолжительность уплотнения торфяных грунтов в компрессион­ ных приборах (торф тростниковый, Л! = 3 5 % ) .

а

Рис. 1.7. Компрессионная кривая:

а — коэффициент пористости — нагрузка; б — относительное сжатие — нагрузка.

Действительно, объем твердой фазы торфа для единицы объема грунта, решая совместно уравнения (1.11) и (1.12),

1

тогда объем твердой фазы образца торфа до приложения на­ грузки

24

Так как уплотнение торфа происходит только за счет умень­ шения пористости, то при сжатии образца на величину s объем твердой фазы торфа останется тем же

где s — полная осадка образца в компрессионном приборе при данной ступени нагрузки р.

Формулой (1.17) обычно пользуются для построения ком­ прессионной кривой.

Деформации торфяного грунта не являются полностью уп­ ругими. Деформации, связанные с переходом частиц в более устойчивое состояние, не могут быть упругими, так как нельзя представить, что частицы самопроизвольно вернутся из более устойчивого положения в менее устойчивое. Поэтому компресси­

и обратной ветвей компрессионной кривой свидетельствует о на­ личии остаточных деформаций в торфяном грунте.

При повторном нагружении новая ветвь сжатия располага­ ется близко около ветви разуплотнения (рис. 1.8), однако не сов­ падает с ней, образуя так называемую петлю гистерезиса. На компрессионной кривой образуется перелом в месте перехода через наибольшее давление, достигнутое при первом нагружении. Повторяя цикл разгрузки и нагружения при больших давлениях, можно получить целый ряд петель гистерезиса. В связи с этим каждому давлению для одного и того же торфа соответствуют различные коэффициенты пористости в зависимости от циклов

25

нагружения и разгрузки, наблюдавшихся за историю его су­ ществования.

Давление грунта, соответствующее его естественному зале­ ганию и обнаруженное при первом загружении по перелому ком­ прессионной кривой, называется природным, или начальным ро-

Многочисленными исследованиями (К- П. Лундин, А. Ф. Печкуров, С. С. Корчунов и др.) показано, что если по­ строить кривые сжатия для торфяных грунтов в полулогарифми­ ческом масштабе, то при давлениях, больших ро, компрессион­ ная кривая с достаточной степенью точности аппроксимируется прямой линией (рис. 1.9). Уравнение компрессионной кривой имеет вид

где Е — коэффициент пористости торфа, соответствующий дав­ лению р;

ео — начальный коэффициент пористости; а к — коэффициент компрессии:

Ро в торфяной залежи невелико*, для практических расчетов час­

* По данным К. П. Лундина, начальное давление в торфяной залежи ко­ леблется в большинстве случаев от 0,001 до 0,125 кг/см2.

26

\

где 8i — коэффициент пористости торфа при давлении

р= 1 кг/'см2;

А— показатель уплотнения компрессионной кривой (табл. 1.7).

Та б л . 1.7. Ориентировочные параметры компрессионной кривой для торфов.

А. Ф. Печкуров на основании проведенных экспериментов предложил уравнение компрессионной кривой, по которому кри­ вую сжатия для торфов можно построить при наличии только начального коэффициента пористости so

где р — давление, г/см2.

В закономерности, выражаемой компрессионной кривой, да­ же для минеральных грунтов, строго говоря, не наблюдается

27

При использовании уравнения (1.21) следует помнить, что параметры а и С постоянны лишь для выбранного небольшого интервала давлений и не могут быть отнесены к общим харак­ теристикам грунта.

Угловому, коэффициенту а можно придать физический смысл. Действительно, чем больше параметр а, тем при том же

и закон Гука для сплошных тел.

Коэффициент сжимаемости — одна из важнейших характе­ ристик грунта и позволяет произвести общую качественную оценку грунта с точки зрения осадки сооружения. Если а имеет величину порядка 0,001 см21кг, то грунт малосжимаем, при зна­

случае уравнение прямой, заменяющей кривую сжимаемости на коротком отрезке изменения давлений, имеет вид

ei=a'pt + C. (1.24)

Приращение относительной осадки по отношению к началь­ ной высоте /г образца можно выразить через коэффициенты по­ ристости

28

тельной деформации к приращению давления:

а

А р

пли, используя уравнения (1.22) и (1.25), получаем

выражает линейную зависимость между давлением и относитель­ ными линейными деформациями, то его можно рассматривать как обратную величину некоторого модуля, подобного модулю упругости для сплошных тел. Этот коэффициент от модуля упру­ гости отличается тем, что он учитывает не упругую деформацию, а полную деформацию (упругую и остаточную) образца грунта без возможности его бокового расширения. Поэтому его назы­

к минеральным грунтам. К торфяным грунтам, которые чрезмер­ но сжимаемы, полученные формулы применимы лишь при очень малом диапазоне изменений давлений (порядка 0,1—0,3 кг/см2). При большем изменении давлений нельзя принимать коэффици­ енты а и а' постоянными. Как отмечает Н. А. Цытович, в этом случае следует .использовать коэффициент компрессии ак , ха­ рактеризующий сжимаемость грунтов по всей логарифмической кривой компрессии [формула (1.18)].

Сжатие грунта при возможности его бокового расширения.

Во многих случаях, когда к поверхности торфяного грунта при­ ложена местная нагрузка, т. е. площадь, по которой передается внешнее давление, ограничена небольшими размерами, сжатие грунта происходит в условиях возможности его бокового рас­ ширения.

Рассмотрим сжатие грунта при беспрепятственном боковом его расширении. Выделим для этого из массива торфяного грун­ та кубик высотой h и нагрузим его вертикальным давлением Рг (одноосное сжатие). Высота кубика в этом случае изменится не только за счет сжатия грунта, но и вследствие бокового рас-

29