книги из ГПНТБ / Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению

Так, многие исследователи неоднократно отмечали, что отношение между временем уплотнения и высотой уплот­ няемого образца в опытах отличается от зависимости, принятой в теории фильтрационной консолидации,— вре­ мя уплотнения прямо пропорционально квадрату толщи­ ны уплотняемого слоя грунта. Для изучения влияния вы­ соты образцов сильносжимаемых водонасыщенных грун­ тов на время консолидации нами были поставлены спе­

дации) время консолидации прямо пропорционально

консолидации. Это явление может быть объяснено спе­

сыщенных грунтов ненарушенной структуры давлениями, превышающими структурную прочность сжатия этих грунтов (в диапазоне до 0,5 кгс/см2), до достижения 70— 80% консолидации расчеты по теории фильтрационной консолидации, как правило, достаточно хорошо совпа­ дают с результатами экспериментов.

Необходимо отметить, что минералогический состав глинистых грунтов существенно определяет возможность применения теории фильтрационной консолидации к гру­ нтам. Так, для паст илитовой глины (е=1,82) экспери­ ментальные данные совпадали с расчетами по теории

173

фильтрационной консолидации до достижения 85%, для паст из каолинита — до 80%, а для монтмориллони­ та — до 55% консолидации (при давлении до 5 кгс/см2).

Очевидно, что хотя фильтрационная и вторичная кон­ солидация протекают одновременно, для сильносжимае­ мых водонасыщенных глинистых грунтов на первой ста­ дии уплотнения (степень консолидации менее 0,7—0,8) решающая роль принадлежит фильтрационной консолиции, а на второй стадии уплотнения (степень консолида­ ции изменяется в интервале от 0,8 до 1) основная роль принадлежит вторичной консолидации.

Экспериментальные исследования, проведенные в по­ левых и лабораторных условиях на слабых водонасыщен­ ных глинистых грунтах Риги, Мурманска, г. Фао (Ирак) и др., показали, что различные грунты (даже сильносжимаемые) уплотняются по-разному. Осадка некоторых из них практически полностью затухает после падения порового давления до нуля или до постоянной величины. Осадка других продолжается и после этого и достигает 80% осадки, обусловленной фильтрационной консолида­ цией. Этот вопрос весьма важен, так как тот или иной ме­ тод уплотнения грунтов выбирается в зависимости от ха­ рактера их уплотнения и причин, их вызывающих. Как было указано в главе I I I , если уплотнение грунтов оп­ ределяется отжатием воды из водонасыщенного основа­ ния, то для уплотнения основания следует применять вер­ тикальные песчаные дрены, песчаные подушки и т. п. Ес­ ли однако большая часть осадки (более 40%) основания обусловлена процессами вторичной консолидации, при­ менение этих методов нецелесообразно и основания сле­ дует уплотнять песчаными и известковыми сваями, элек­ трохимическими методами и т. д.

Следует отметить, что в последние годы было проведе­ но много исследований, посвященных ползучести грун­ тов при сдвиге, так как эта проблема связана с устойчи­ востью откосов, оползнями, длительной прочностью ит. п.

Ксожалению, проблеме ползучести грунтов при сжатии,

т.е. изучению процессов вторичной консолидации, уделя­ ется очень мало внимания. Автор совместно с А. 3. Попо­ вым в 1969—1972 гг. исследовал ползучесть слабых гли­ нистых грунтов при их сжатии (вторичная консолида­ ция).

Для решения этой проблемы были созданы экспери­ ментальные стенды с компрессионным прибором, рассчи-

174

тайным на испытание образца площадью 60 см2 и высо­ той до 3 см.

Поровое давление в опытах измерялось на нижнем торце образца в условиях одномерной задачи консоли­

принималась скорость осадки, равная 0,001 мм за чет­ веро суток. Более 30 испытаний образцов ила из Мур­ манска, оз. Сиваш и г. Фао (физико-механическиесвой­ ства этих грунтов приведены в главе I) показали сле­ дующее. Осадка, обусловленная процессами фильтра­ ционной консолидации, для илов оз. Сиваш составляет 87—93%, для илов г. Фао (Ирак)—78—89%, а для илов с макропористой структурой из Мурманска—56—71% общей величины осадки. Таким образом, очевидно, что грунты различного происхождения, состава и физикомеханических свойств характеризуются различной сте-

175

пенью ползучести при сжатии (вторичной консолида­ ции), и для выбора методов уплотнения грунтов необхо­ димо точно знать, какую часть от общей осадки состав­ ляет осадка, определяемая процессами вторичной кон­ солидации.

Совершенно очевидно, что опыты по установлению ро­ ли вторичной консолидации занимают длительное время (несколько месяцев), трудоемки и дорогостоящи. В связи с этим в настоящее время автором и А. 3. Поповым раз­ работаны новые методы определения характеристик вто­ ричной консолидации слабых водонасыщенных глинистых грунтов с использованием прибора для измерения рела­ ксации напряжений. По предлагаемой методике доля осадки, определяемая процессами фильтрационной кон­ солидации, и доля осадки, обусловленной процессами вторичной консолидации, определяется за 4—б суток, так как экспериментально доказано, что кривые измене­ ния осадки во времени при ползучести грунтов в процессе сжатия подобны кривым падения напряжений в об­ разцах того же грунта при том же напряженном состоя­ нии. Используя предложенные методы, можно достаточ­ но быстро определить и характеристики ползучести грун­ тов при сжатии.

Анализ затухания осадок различных гражданских и промышленных сооружений, расположенных на водона­ сыщенных глинистых грунтах в Риге, Мурманске, Фао (Ирак), Кемерово и др., показал, что фактические осад­ ки по величине и скорости достаточно хорошо совпада­ ют с осадками, рассчитанными с учетом вторичной кон­ солидации. При этом в расчетах использовались харак­ теристики ползучести при сжатии грунта, определяемые по изложенной выше методике.

Однако следует отметить, что при строительстве со­ оружений на илах в различных районах СССР в подав­ ляющем большинстве случаев осадка, обусловленная процессами вторичной консолидации, составляет всего 5—15% общей величины осадки, и поэтому расчеты, вы­ полненные по теории фильтрационной консолидации, по­ лучаются достаточно строгими.

2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ДРЕН

Все существующие расчеты оснований с вертикаль­ ными дренами базируются на теории фильтрационной

176

консолидации. Расчеты заключаются в определении сте­ пени уплотнения (консолидации) грунтов основания под воздействием внешней нагрузки в любой момент време­ ни. При этом принимается следующая схема работы вертикальных дрен. В толще водонасыщениого глинис­ того грунта дрены расставлены по вершинам равносто­ роннего треугольника. Под воздействием внешней на­ грузки вода отжимается из глинистого грунта горизон-

TT ~

's ~

R

Рис. IV.2. Схема расчета вертикальной дрены

а — план размещения песчаных дрен; б — сечение расчетного грунтового ци­

линдра с дреной по оси

тально в дрену — грунт уплотняется. В тех случаях, когда над дренами устроена песчаная подушка, вода отжи­ мается в дрены и подушку одновременно.

В расчете рассматривается работа одной дрены. Для этого в грунтовом массиве плоскостями, ограничиваю­ щими сферу действия одной дрены от другой, вырезают

отжимаемой воды вертикально вверх в песчаную подуш­ ку и 2) задачу консолидации при осесимметричном дви­ жении воды в вертикальную дрену. Рассмотрим несколь­ ко основных методов расчета.

Методы К. Терцаги и Л. Рендуллика. Вопросы консо­ лидации при передвижении воды из слоя водонасыщенного грунта вертикально вверх (одномерная задача уп­ лотнения) была рассмотрена К- Терцаги и H. М. Герсевановым. Основное уравнение имеет следующий вид:

ув — объемный вес воды; е„— начальный коэффициент пористости.

Эта задача обычно решалась методом Фурье. Част­ ные решения с учетом влияния различных факторов бы­ ли даны Б. П. Поповым, В. А. Флориным [52], Д. Е. Польшиным [15], Био и др.

В 1934 г. Л. Рендуллик [59] рассмотрел осесимметричную задачу пространственной теории консолидации для случая радиальной фильтрации отжимаемой воды к вертикальной дрене радиусом г0 , находящейся в центре грунтового цилиндра радиуса R. Уравнение было запи­ сано в следующем виде:

178

использование этого решения было облегчено составле­

есть решение уравнения, описывающего симметричный

случая трехмерного течения, симметричного относительно оси z. Оно может быть описано уравнением

Рассматривая осесимметричную задачу уплотнения некоторого цилиндра водонасыщенного грунта конечной длины, Н. Карилло доказал вторую теорему, по которой решение задачи может быть представлено в виде:

где и— поровое давление в любой точке грунтового ци­ линдра в момент времени t.

Рис. IV.3. Графики решений уравнений К. Терцаги и Л. Рендуллика

Вэтом случае вода отжимается в дрену и дренирую­ щие поверхности на основаниях цилиндра.

Вмомент времени ^ = 0 во всех точках грунтового ци­

Таким образом, на основе теорем Н. Карилло сте­ пень консолидации в любой точке грунтового цилиндра, равная отношению порового давления в момент времени t к начальному поровому давлению, может быть рас­ смотрена как произведение двух отношений: отношения порового давления, обусловленного только радиальной фильтрацией в момент времени t к начальному поровому

180

давлению и отношения порового давления, обусловлен­ ного только вертикальной фильтрацией в момент време­ ни t, к начальному поровому давлению.

Теоремы Н. Карилло упростили задачу пространст­ венной консолидации при устройстве вертикальных дрен. Отдельно рассматривается задача консолидации при дви­ жении отжимаемой воды вертикально вверх (одномер­ ная задача) и отдельно решается задача консолидации при движении воды горизонтально в дрену (осесимметричная задача). Полученные решения можно совместить по теореме Н. Карилло:

лении.

Используя теоремы Н. Карилло, К. Терцаги предло­ жил методику расчета вертикальных дрен с песчаной по­ душкой [51].

Решения Р. Баррона. В 1947 г. Р. Баррон [57], поль­ зуясь методикой расчета, предложенной Л. Рендулликом, дал решения задачи консолидации грунтов при устройст­ ве вертикальных дрен для различных условий: 1) с уче­ том влияния зон перемятости грунта, которые образуют­

2) с учетом влияния гидравлического сопротивления дре­ нирующего материала. Р. Баррон также дал решения для вертикальной песчаной (идеальной) дрены в случае, когда поверхность грунта произвольно деформируется (свободная деформация) и когда поверхность грунтово­ го уплотняемого массива испытывает равномерную осад­ ку (случай равных вертикальных деформаций). При рас­ смотрении этих задач Р. Баррон целиком повторяет рас­ чет Л. Рендуллика и К- Терцаги, получает подробные расчетные таблицы и приводит дополнительные расчет­ ные графики.

181

В основе работы Р. Баррона лежат следующие пред­ посылки:

ся поровой водой;

4)деформация грунта происходит только в вертикаль­ ном направлении;

5)нагрузка прикладывается мгновенно и равномерно распределяется по всей площади влияния дрены.

Иными словами, рассматривается осесимметричная задача консолидации грунтового цилиндра, по вертикаль­ ной оси которого расположена дрена.

При рассмотрении случая свободной деформации для идеальной вертикальной дрены Р. Баррон приводит ре­ шение Л. Репдуллика в виде графиков для среднего зна­ чения избыточного порового давления иг по диаметру цилиндра. Кривые ип которые соответствуют только ра­ диальному фильтрационному потоку в зависимости от отношения п диаметра дрена d0 к диаметру зоны дейст­ вия одной дрены D и фактора времени Т. = І И І £ І _ ^ а н а .

логичного критерию Фурье в задачах теплопроводности, а также кривая избыточного порового давления и~ толь­

ального фильтрационных потоков в любой момент вре­

Для случая равных вертикальных деформаций, т. е. при условии, что осадка всех точек поверхности имеет

182