Механика грунтов / УМК по механике грунтов / Лекция 6 Фильтрационые свойства грунта

уменьшению объема пор, а избыточная поровая вода, заполняющая поры, отфильтровывается.

Процесс фильтрации воды из зоны действия сжимающих напряжений будет продолжаться до тех пор, пока силы внутреннего сопротивления скелета грунта не станут равными внешней нагрузке,

рис.6.10.

Данный механизм деформирования грунта под нагрузкой можно пояснить при помощи физической модели водонасыщенного грунта, состоящей из цилиндра, заполненного жидкостью и поршня с отверстием, подпертого пружиной, рис.6.10.

Рис.6.10. Физическая модель водонасыщенного грунта

В данной схеме пружина моделирует действие внутренних сил сопротивления скелета грунта сжатию. Жидкость, заполняющая герметичную емкость, представляет собой поровую воду, которая может удаляться из камеры через отверстие в верхнем поршне. Диаметр

отверстия в поршне зависит от фильтрационных свойств моделируемого грунта.

Если к верхнему поршню данной модели приложить внешнюю нагрузку (N) сразу возникнет избыточное давление в камере (Рw) и вода начнет изливаться через отверстие в поршне. По мере отжатия воды в работу включается пружина, и часть внешней будет передаваться на нее. Обозначим реакцию в пружине через Рs тогда в общем случае:

Очевидно, что в начальный момент времени при t = 0:

По истечении достаточного времени (t = ∞) вся внешняя нагрузка уравновеситься реакцией в пружине, избыточное давление снизиться до 0 и процесс отжатия воды прекратится. Тогда при t = ∞:

Перейдем теперь от физической модели к грунту. Внешняя нагрузка N будет соответствовать полному сжимающему напряжению σ, давление в жидкости Pw давлению в поровой воде u и реакция в пружине Ps напряжению, возникающему в скелете грунта σ

Тогда по аналогии, уравнение 6.8 можно представить в виде:

В механике грунтов поровое давление (u) называется нейтральным давлением, а давление в скелете грунта ( σ )-эффективным.

Нейтральное давление (u)– избыточное давление в поровой воде грунта.

Нейтральным это давление называется из-за того, что оно не оказывает влияния на величину деформаций уплотнения грунта. Каким бы не было значение нейтрального давления, величина деформации грунта будет зависеть только от напряжений в скелете грунта.

Эффективное напряжение ( σ ) –напряжение в скелете грунта,

обуславливающее деформации уплотнения грунта под нагрузкой.

По аналогии с физической моделью можно утверждать, что деформации грунтового основания происходят до тех пор, пока нейтральное давление u не станет равным нулю.

Отметим, что состояние, при котором поровое давление u не равно нулю называется нестабилизированным.

6.7.Влияние порового давления на свойства грунта

6.7.1. Деформационные свойства

Возникновение порового давления в грунте оказывает существенное влияние на процесс деформирования грунта во времени. Водонасыщенные грунты с низким коэффициентом фильтрации k f могут деформироваться

под нагрузкой длительное время.

Рассмотрим графики деформирования глинистых и песчаных грунтов во времени совмещения с графиком изменения парового давления u.

Рис.6.11. Длительность процесса осадки основания для различных грунтов:

1 – изменение порового давления в песчаных основаниях; 2 - то же в глинистых; 3 - изменение осадки фундамента для песчаных оснований; 4 – тоже для глинистых

На рисунке показано, что деформирование глинистых грунтов может продолжаться длительное время и этот процесс, как правило, не

завершается по окончании строительства. tстр деформации грунтового

основания по окончании строительства могут привести к развитию нежелательных повреждений в надземных конструкциях уже после проведения внутренней отделки.

Поэтому при расчёте оснований необходимо определять время наступления стабилизации осадок.

В песчаных грунтах фильтрация протекает значительно быстрее,

паровое давление рассеивается достаточно быстро и по завершению строительства деформирование грунта, как правило, не происходит.

6.7.2. Прочностные свойства

Рассмотрим закон Кулона с учетом эффективного и нейтрального давления. Так как величина сил, прижимающих частицы грунта друг к другу, зависит только от эффективного давления σ , то предельное сопротивление грунта срезу (τu )будет определяться по зависимости:

Учитывая, что соотношение между эффективным и нейтральным давлением изменяется по мере фильтрации воды из пор грунта, то и

сопротивление водонасыщенного грунта сдвигу так же будет изменяться со временем:

Полученные зависимости сопротивления сдвигу на различных стадиях его уплотнения приведены на рис.6.12.

Рис.6.12. Сопротивление грунта сдвигу

на различных стадиях уплотнения грунта

Таким образом при u ¹ 0 - (то есть когда грунт находится в нестабилизированном состоянии) сопротивление грунта сдвигу значительно меньше, чем при стабилизированном.

Вопросы для самоконтроля

1.Под воздействием, каких факторов вода в грунте может совершать движение?

2.Дайте определение процессу фильтрации?

3.При каких условиях возникает фильтрация воды через грунт?

4.Сформулируйте закон Дарси (ламинарной фильтрации)?

5.Что такое градиент напора?

6.Назовите причины возникновения градиентов напора в грунте?

7.Дайте определение начальному градиенту напора?

8.Какие методы определения коэффициента фильтрации Вы знаете?

9.Почему паровое давление в грунте называется нейтральным?

10.Как влияет паровое давление на деформационные и прочностные свойства грунта?