8.3.3. Определение характеристик консолидации грунтов

Консолидацией называется процесс развития во времени затухающих деформаций уп­лотнения (ε_z) в условиях компрессии, т. е. при одномерном уплотнении под одним постоянным напряжением σ без возможности бокового расширения образ­ца, когда боковые деформации ε_x=ε_y = 0. Получение консолидационных параметров необходимо для расчетов осадки во времени при возвдении сооружений на глинистых и органических водонасыщенных грунтах (при S_r ≥0,85 ) и насыпей.

Консолидация грунтов относится к свойствам реологическим, точнее к объемной ползучести. Объемной ползучестью называется раз­витие во времени объемных деформаций (ε_v) грунта, возникающих в общем случае под действием средних эффективных напряжений по главным осям. Деформации объемной ползучести являются затухающими и нелинейными, развивающимися в скелете грунта во времени вследствие вязкого сопротивления межчастичных связей. В ходе объемной ползучести за счет уплотнения образца уменьшается объем грунта за счет отжатия из его пор воды и вытеснения порового воздуха, при этом объемная деформация совпадает с осевой: ε_у= ε_z. Поэтому, объемная ползучесть может развиваться как в сухих, так и во влажных грунтах, в талых и мерзлых, в скальных и дисперсных.

Консолидация является частным видом объемной ползучести грунта и может быть естественной, когда грунты уплотняются под весом вышележащей толщи в результате естественного накопления в течении определенного геологического времени. В случае если накопившиеся за данный период напряжения превышают бытовые напряжения в грунте, то такие грунты называются переуплотненными (п.8.8), если напряжения равны то грунт уплотнен нормально.

Консолидацию грунта характеризуют следующие показатели:

• степень консолидации (θ) грунта в данный момент времени (t), которая определяется отношением величины деформации на данный момент (ε_t) к конечной деформации (ε_∞), когда уплотнение завершилось;

• период первичной консолидации (t_ф) – время от начала уплотнения до завершения фильтрационного этапа консолидации;

• коэффициент консолидации (c_v), характеризующий скорость процесса уплотнения.

При первичной фильтрационной консолидации уплотнение грунта происходит за счет отжатия поровой воды при уменьшении объема пор, при консолидации вторичной – за счет ползучести твердых частиц. Соответственно, выделяют коэффициент фильтрационной с_V и вторичной с_a консолидации – показатели, характеризующие скорость деформации грунта при постоянном давлении за счет фильтрации воды (с_V) и ползучести грунта с_a [17].

Проведение консолидационного испытания. При изучении консолидации определяется зависимость относительной осевой деформации (ε_z), или относительной осадки (s), образца от времени уплотнения (t) при данной нагрузке (σ_z). Испытание проводят при постоянном давлении, равном проектному давлению на грунт или другому заданному давлению. Давление на образец грунта передают сразу после приведения разуплотнившегося грунта к природному состоянию или после предварительного уплотнения грунта заданной нагрузкой.

Для определения коэффициента фильтрационной консолидации с_v кривую консолидации следует обработать методом квадратного корня из времени, а при одновременном определении коэффициентов фильтрационной с_v и вторичной с_a (за счет ползучести грунта) консолидации – логарифмическим методом. На кривой консолидации выделяют участки фильтрационной и вторичной консолидации, а для насыпных грунтов с заданными значениями влажности и плотности – еще участок дофильтрационной консолидации.

Рис. 8.24. График обработки кривой консолидации методом корень квадратный из времени

Для определения коэффициента фильтрационной консолидации с_v методом «квадратного корня из времени» по результатам испытаний грунта под постоянным давлением строят кривую консолидации в координатах: относительная деформация e (ордината) – корень квадратный из времени в минутах (абсцисса) (рис. 8.24), затем проводят прямую наилучшего приближения аb к начальной линейной части кривой (обычно в пределах первых 50 % сжатия) и из точки пересечения аb с осью ординат проводят вторую прямую ас, абсциссы которой равны 1,15 соответствующих абсцисс прямой аb.

Пересечение прямой ас с экспериментальной кривой определяет время √t₉₀, соответствующее степени фильтрационной консолидации 0,90.

Коэффициент фильтрационной консолидации с_v, см²/мин (см²/год), вычисляют по формуле:

, (8.8)

где Т₉₀ – коэффициент (фактор времени), соответствующий степени консолидации 0,90, равный 0,848; h – высота образца (средняя между начальной высотой и высотой после завершения опыта на консолидацию), см. При двухсторонней фильтрации принимается высота, равная h/2; t₉₀ – время, мин; f_T – температурный поправочный коэффициент (табл. 8.29).

Таблица 8.29

_{Значения температурной поправки f}Т

Температура,о С	10	15	20	25	30
fT	1,3	1,15	1,0	0,9	0,8

Для определения времени 100 % фильтрационной консолидации √t₁₀₀ предварительно вычисляют деформацию сжатия ε₁₀₀ = ε₉₀ / 0,9. Из точки ε₁₀₀ проводят горизонтальную прямую до пересечения с кривой консолидации и находят соответствующее значение √t₁₀₀.

Для определения c_v и c_a логарифмическим методом строят кривую консолидации в координатах: относительная деформация e (ордината) – время t в минутах, откладываемое на логарифмической шкале (абсцисса) (рис. 8.25). Строго разграничить стадии чисто фильтрационного деформирования и ползучести практически невозможно, так как эти процессы часто осуществляются одновременно. Обычно это разграничение проводится по перегибу кривой, построенной в полулогарифмическом масштабе (на рис. 8.25), где участок 1–2 соответствует деформации за счет пер­вичной консолидации, а участок 2–3 – за счет вторичной).

Рис. 8.25.  Кривая консолидации вида e =f(lgt) [17]

По кривой следует найти деформацию, соответствующую 100 %–ному первичному сжатию при заданной нагрузке, для этого проводят касательную к конечному участку кривой e =f(lgt). Затем проводят касательную к самой крутой части кривой. Точка пересечения этих касательных соответствует 100 %–ному первичному сжатию грунта. Сжатие, следующее за 100 %–ным первичным сжатием, определяется как вторичное сжатие за счет деформаций ползучести (рис. 8.25, участок 2–3).

На кривой e =f(lgt) следует найти значение относительной деформации, соответствующее нулевому первичному сжатию. Для этого в начальной части кривой выбирают точки с абсциссами 0,1 и 0,4. Разность ординат данных точек, отложенная выше начальной точки графика, определит приведенный нуль d₀.

Для определения коэффициента фильтрационной консолидации логарифмическим методом для заданного давления определяют время, требуемое для 50 %–ного первичного сжатия. Для этого вычисляют деформацию, соответствующую 50 %–ному первичному сжатию, равную среднему арифметическому между деформациями, соответствующими нулевому d₀ и 100 %-ному сжатию ε₁₀₀. Время, требующееся для 50 %-ного первичного сжатия заданным давлением, находят графически по прямой зависимости e =f(lgt)

Коэффициент фильтрационной консолидации c_v, см²/мин (см²/год), вычисляют по формуле:

(8.9).

где T₅₀ – коэффициент (фактор времени), соответствующий степени консолидации 0,5, равный 0,197; h – высота образца до испытания, см; t₅₀ – время, соответствующее 50 %–ному первичному сжатию, мин.

Коэффициент вторичной консолидации (безразмерная величина) c_a определяют по тангенсу угла между прямой, параллельной оси абсцисс, и прямолинейным о трезком кривой на участке вторичной консолидации (рис. 8.25) по формуле:

(8.10).

где e(t₁) и e(t₂) – значения деформации образца на участке вторичной консолидации; t₁ и t₂ – время, соответствующее деформациям e(t₁) и e(t₂) мин [17].

Для насыпных грунтов с заданными значениями влажности и плотности кривая консолидации в зависимости от свойств грунтов может иметь три участка или два: дофильтрационной консолидации, фильтрационной консолидации и вторичной консолидации. Коэффициент дофильтрационной консолидации с¢_a вычисляют по тангенсу угла наклона касательной к первому участку кривых e = f(t), окончание которого определяется пересечением касательных к первому и второму участкам кривой, по формуле (8.10).

В общем случае консолидационная кривая может состоять из 4-х участков [93]: первый участок до точки А отражает дофильтрационную консолидацию (для насыпных грунтов с заданными значениями влажности и плотности); второй участок А-Б отражает фильтрационную консолидацию за счет выжимания свободной воды; третий участок Б-В отражает фильтрационную консолидацию за счет выдавливания связной воды; четвёртый прямолинейный участок после точки В отражает вторичную консолидацию объёмной ползучести. В качестве примера на рис. 8.26 показаны точки полученные на консолидационной кривой, отражающей четыре этапа консолидации. Необходимо построить биссектрисы углов, образующихся при проведении касательных к прямолинейным и криволинейным участкам консолидационной кривой = f(lgt). Точки пересечения биссектрис с кривой консолидации и будут искомыми.

На первой стадии скорость осадки слабого грунта не связана с возникновением избыточного давления в поровой воде и только при определённом соотношении свойств грунта и величины уплотняющей нагрузки создаются условия для механического отжатия свободной поровой воды, в которой возникает поровое давление.

На второй стадии консолидации начинают медленно развиваться пластические деформации за счет отжатия воды из пор под действием уменьшающегося во времени порового давления и. На скорость осадки грунта, главным образом, оказывает влияние скорость фильтрации отжимаемой свободной воды, движение которой подчиняется закону Дарси. Это так называемый этап первичной фильтрационной консолидации, завершающийся в момент, когда поровое давление и = 0.

На третьей стадии начинается этап вторичной фильтрационной консолидации, на скорость осадки грунта существенное влияние оказывает вязкопластичное выжимание связанной воды, движение которой к дренирующей поверхности не подчиняется закону Дарси.

Рис. 8.26.  Кривая консолидации вида e =f(lgt) [93]

На четвёртой стадии консолидации объемной ползучести скорость осадки грунта предопределяется вязкопластичным сдвигом частиц (или агрегатов), т. е. вязкой объёмной ползучестью, более плотной упаков­кой и переориентацией частиц грунта. При этом может иметь место весьма незначительное местное выдавливание рыхлосвязанной воды на поверхности грунта, не представляющее собой такого процесса, который бы существенно влиял на интенсивность уплотнения и который необходимо учитывать при прогнозе осадки.

В зависимости от структуры грунта, его начальной влажности и плотности, физико-механических свойств, величины и режима приложения нагрузки, условий дренирования и градиента напора процесс консолидации грунта может состоять из меньшего количества стадий и в различном их сочетании.

Для минеральных грунтов текучей и текучепластичной консистенции характерна кривая консолидации, состоящая из трёх участков, отражающих первичную и вторичную фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Для минеральных грунтов мягкопластичной консистенции характерна кривая консолидации, состоящая из двух участков, отражающих вторичную фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Для органических и органоминеральных грунтов, неволокнистых и маловолокнистых, выше средней влажности характерна кривая консолидации, состоящая из двух участков, отражающих первичную фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Для органических и органоминеральных грунтов, неволокнистых и маловолокнистых, сухих и маловлажных, полностью водонасыщенных характерна кривая консолидации, состоящая из трёх участков, отражающих первичную и вторичную фильтрационную консолидацию и консолидацию ползучести. При неполном водонасыщении грунта – из четырёх участков.

Для органических и органоминеральных грунтов, волокнистых при любой степени водонасыщения, характерна кривая консолидации, состоящая из трёх участков, отражающих дофильтрационную консолидацию, фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести [93].

Консолидация грунтов зависит от многих факторов, главными из которых являются химико-минеральный состав грунта, его структурно-текстурные особенности, плотность и влажность, вид обменных катионов, состав и кон­центрация порового раствора и др. Влияние структурно-текстурных особенностей на консолидацию в первую очередь обусловлено зависимостью фильтрационных характеристик грунта от его структурных особенностей (дисперсности, открытой пористости, ори­ентации частиц, характера структурных связей). Особенно сложно происходит консолидация водонасыщенных грунтов. В глинистых грунтах с дальним типом коагуляционных контактов (Na-монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины, илы и др.) скорость консолидации весьма мала, такие грунты характеризуются наименьшими значениями коэффициента консолидации [50].