книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве
..pdfтельные напряжения и трещины, которые могут привести к их полному разрушению.
Механизм просадки лёссового грунта при замачивании под на грузкой носит сложнейший характер и обусловлен сложными физи ко-химическими и механическими факторами, главные из них — растворение солей на контакте частиц при замачивании, расклини вающее действие воды и ослабление этих контактов, величина
действующей нагрузки, |
гранулометрический и |
минералогический |
||||||||
составы грунта, естественная плотность-влажность. |
|
|||||||||
|
К р и т е р и й |
п р о с а д о ч н о с т и . Как показывают соответст |
||||||||
вующие опыты В. П. Ананьева и |
|
|
|
|||||||
Я. Д. Гильмана |
(1976), А. А. Му- |
|
|
|
||||||
стафаева (1978), а также прове |
|
|
|
|||||||
денные в МИСИ (Г. М. Ломизе |
|
|
|
|||||||
и др., 1968, 1970), величина отно |
|
|
|
|||||||
сительной |
просадочности |
епр уве |
|
|
|
|||||
личивается с возрастанием уплот |
|
|
|
|||||||
няющего давления, |
вообще гово |
|
|
|
||||||
ря, |
по |
криволинейному |
закону |
|
|
|
||||
(рис. 5.8) |
и имеет экстремальный |
|
|
|
||||||
характер. Так, |
при |
напряжениях |
Рис. 5.8. Зависимость |
относительной |
||||||
до |
0,5 |
кгс/см2 |
в |
маловлажных |
просадочности |
еПр |
от величины |
|||
лёссовых |
грунтах, |
содержащих |
уплотняющего давления р |
|||||||
большое |
количество |
глинистых |
|
|
|
фракций монтмориллонита, могут наблюдаться явления набуха ния, а при чрезмерно больших напряжениях (6 кгс/см2 и более) в зависимости от естественной влажности-плотности относительная просадочность уменьшается.
Вместе с тем в определенном интервале напряжений |
(для лёс |
|
совых грунтов до 2—2,5 йгс/см2) с достаточной |
для практических |
|
целей точностью эта зависимость может быть |
принята |
линейной |
(рис. 5.8) : |
|
|
snp=A0-ftfW7> |
|
(5.15) |
где Ао — начальный параметр прямолинейного участка, так назы ваемый коэффициент просадки; mv0— коэффициент относительной сжимаемости; р — действующая нагрузка.
В случаях, когда относительная просадочность еПр>0,02, грунт считается просадочным и общую суммарную просадку толщи просадочных грунтов определяют по формуле
i* * n |
|
= |
(5 Л 5 а ) |
i= 1 |
|
где Ы — мощность i-то слоя просадочной толщи; |
т — коэффици |
ент условий работы, учитывающий, боковое перемещение грунта при протекании просадбчных деформаций и принимаемый в зави симости от ширины фундамента сооружения по СНиП II-15—74.
Влияние влагопереноса на процесс формирования напряженно го состояния. Относительная просадочность не всегда может харак теризовать процесс формирования напряженно-деформированного состояния в массивах лёссовых грунтов, находящихся в условиях сложного напряженного состояния и разделенных на увлажненную и недоувлажненнуго зоны с четкой границей (меняющейся во вре мени) .
По данным В. П. Ананьева и Я. Д. Гильмана (1976), модуль деформации водонасыщенного лёссового грунта в условиях Рос товской области составляет 20—40 кгс/см2, а естественного— 100—
250 кгс/см2. Проведенные на кафедре МГрОиФ МИСИ |
исследова |
||||||||||||
а) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ния |
деформационных |
|||
|
|
■Д |
|
|
|
|
свойств лёссовых |
грунтов |
|||||
ч т Т ш ж |
ЕШ ттУгп |
в естественном |
и насы |
||||||||||
а |
|
щенном водой состояниях |
|||||||||||
11=11 =11=11 =1! |
|
|
и = И = 1 |
при |
сложном |
напряжен |
|||||||
= 11=11 = 1=1= |
|
||||||||||||
1= 1 1 =11 =- |
|
|
= II |
- 2 |
II |
= И |
ном состоянии симметрич |
||||||
= 11= ||= 1=11: |
|
|
II = |
II |
= 11= |
||||||||
11=11 =11=11 =1! |
|
У//////////////////////.- |
ного |
трехосного |
сжатия |
||||||||
/ :и = |
и |
|| |
|
II = |
Из II =11 = |
показали |
(Г. М. Ломизе |
||||||
3? и |
|
ii = |
|
|
= 1= || =11 = 1 |
и др., 1968, 1970), |
что де |
||||||
|
|
|
II = | | = 1 |
= |
II С |
||||||||
= |
.. = II |
|
|
= 11= ||= |
|| = N |
формации |
объемного из |
||||||
ААААААААА |
|
11= 11= II |
= |
II = х- * - |
менения |
и формоизмене |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ния отличаются более чем |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в четыре раза, причем де |
||||
Рис. 5.9. Расчетные схемы просадки слоя |
формация |
формоизмене |
|||||||||||
лёссового |
грунта |
при |
замачивании |
сверху |
ния существенно |
зависит |
|||||||
(а) и снизу (б) под |
нагрузкой |
с |
учетом |
от суммы главных |
напря |
||||||||
движения фронта замачивания во времени: |
|||||||||||||
/ — насыщенный водой грунт; 2 — грунт естест |
жений. |
образом, лёссо |
|||||||||||
венной влажности; 3 |
— фронт замачивания |
Таким |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вые |
грунты в |
естествен |
ном и насыщенном водой состояниях могут характеризоваться де формационными параметрами (модулями деформаций), отличаю щимися в несколько раз (до 10), причем коэффициент Пуассона, меняется незначительно — в пределах от 0,3 до 0,4 (В. П. Ананьев, Я. Д. Гильман и др., 1976).
На основании этого Я. Д. Гильманом была предложена модель двухслойного основания, состоящая из увлажненного и естествен ного слоев.
Явление просадочности оказывает определяющее влияние на процесс формирования напряженно-деформированного состояния массива лёссового грунта, особенно в тех случаях, когда граница раздела зон грунта в естественном и увлажненном состояниях не прямая линия, а криволинейная и может иметь замкнутый вид (локальное замачивание), причем начальное напряженное - состоя ние может трансформироваться в пространстве и во времени по мере расширения области увлажнения. Процесс влагопереноса и возникающих в связи с этим напряжений в массивах неводонасышенных грунтов совершенно аналогичен процессу формирования термонапряженного состояния.
Одномерное уплотнение слоя лёссового грунта при замачивании.
Рассмотрим одномерную задачу уплотнения слоя неводоиасыщенного просадочного грунта в результате замачивания при инфиль трации поверхностных вод, воздействия внешней нагрузки и соб ственного веса (рис. 5.9, а) .
Вследствие большого коэффициента фильтрации и практически несжимаемости грунтов за фронтом замачивания процесс фильтра ции будет соответствовать установившемуся режиму и основная часть просадки будет происходить, на фронте замачивания. В этом случае расход воды на фронте замачивания определится изменени ем водосодержаиия в элементарном слое dz за время dt\
|
«ф |
<5Л6> |
где Q (z )— изменение |
содержания воды в единичном слое, опре |
|
деляемое выражением |
|
|
Q (г) ’= |
е„(г) [1 - / . (г)] (г), |
(5.17) |
где Yd — изменяющаяся с глубиной объемная масса скелета в ус ловиях естественного залегания; во(z) , Iw(z) — изменяющиеся с глубиной коэффициенты начальной пористости и водонасыщения; £np(z)— изменяющаяся с глубиной величина относительной про садки, определяемая по выражению (5.15), которое с учетом соб ственного веса грунта в нашем случае принимает вид
епр (г) = Ло(z)- f mVQ(z) (р+ Y„г), |
(5-18) |
где AQ(Z ) — изменяющийся коэффициент просадки, зависящий в общем случае от глубины расположения слоя, т. е. от влажности и нагрузки; mv0 — изменяющийся с глубиной коэффициент относи тельной сжимаемости; уп— объемная масса грунта в насыщенном состоянии.
Рассмотрим частный случай, когда слой грунта по глубине од нороден:
Q ( z ) = ^ - e 0{l — I w) — A0 —mm {p-]- ynz). |
(5.17а) |
Уз
Тогда исходное дифференциальное уравнение (5.16) принимает вил
«Ф г+ Н ° + Н* ^ т - п г ) ^ , |
(5.16а) |
где Нк — напор капиллярного вакуума на фронте замачивания, за висящий от начальной плотности-влажности грунта;
т = — eQ(\ — I w)— A0 —mvop; |
ti— mvoyn\ |
(5.166) |
Уз |
|
|
Y„ = 'Уd+ ^ „ . BY а= ' Y А 1 + |
« и ) - |
|
Заметим, что при я= 0 уравнение (5.16а) принимает вид, полу ченный П. Я. Полубариновой-Кочиной (1977) для недеформируемой пористой среды.
Решение (5.16а) с учетом начального условия z ( 0 ) = 0 имеет вид
—— In (1 + — ) — - \ — ( z - 2 H * ) 4 - H * \ n ( 1 -(- — )1= J ± - t ,
Н * [ ~ t f * J т ' [ 2 Н * К \ 1 Н * ) \ тН* ’
(5.19)
где Н*=Н0+НК.
При я=0, т. е. при отсутствии просадочности на фронте зама чивания, это решение совпадает с решением, полученным П. Я. По лубариновой-Кочиной:
—----- l n f l + |
= |
(5.19а) |
||
Н * |
{ 1 Н * ) |
т Н * |
к |
} |
Из решения (5.19) видно, что z растет с затухающей во времени скоростью. Зная закон изменения z во времени, легко определить и величину просадки во времени:
^пр (^)=£еир= г: [AQ-\-mV0 (р~\~ Уг)]» |
(5.20) |
Рассмотрим задачу, отвечающую условиям замачивания слоя толщиной h снизу вверх вследствие капиллярного поднятия уровня грунтовых вод в подстилающем слое (рис. 5.9, б) на высоту Нк, тогда дифференциальное уравнение (5.16а) примет вид
кф |
= \m — n (h — z ) \—dj |
(5.16в) |
|
или K^dt—- |
z d z y |
|
|
где m'=m—mVoyh’, n=m voy. |
|
|
|
Решение (5.16в) с учетом |
начального |
условия |
z(0)==0 имеет |
вид |
|
|
|
Из условия задачи известно, что при t->-оо z-кЯ*, так как уро
вень воды может подняться |
на высоту Я 0+ Я к. |
Этому |
условию |
удовлетворяет выражение |
(5.21). На рис. 5.10 |
показаны |
кривые |
z(t) для случаев инфильтрации влаги через поверхность слоя при лт^0ия=0, а также для случая замачивания снизу.
Изложенные выше задачи могут быть использованы также в первом приближении для определения величины просадки основа ний сооружений во времени при интенсивной инфильтрации или поднятии уровня грунтовых вод.
Особенности строительства на лёссовых просадочных грунтах. При строительстве на лёссовых просадочных грунтах необходимо принимать особые меры, которые сводятся в основном к недопуще нию замачивания грунтов оснований сооружений и к такому их укреплению, чтобы они стали иепросадочными. Однако осущест вить эти меры удается не всегда. Вместе с тем деформации про садки как таковые учитываются только при величине относительной
просадочности |
еПр^0,01 |
|
(СНиП |
II-15—74). В остальных случаях |
|||||||||
напряженно - деформированное |
|
|
|
|
|
||||||||
состояние |
массива |
лёссового |
|
|
|
|
|
||||||
грунта следует |
рассматривать, |
|
|
|
|
|
|||||||
по-видимому, как для обычных |
|
|
|
|
|
||||||||
условий с учетом влияния сте |
|
|
|
|
|
||||||||
пени влажности на модули де |
|
|
|
|
|
||||||||
формации (В. П. Ананьев, |
Я- Д. |
|
|
|
|
|
|||||||
Гильман, |
1977). Теоретические |
|
|
|
|
|
|||||||
основы |
прогнозирования |
на |
|
|
|
|
|
||||||
пряженно |
- деформированного |
|
|
|
|
|
|||||||
состояния |
неводонасыщенных |
|
|
|
|
|
|||||||
лёссовых грунтов с учетом пол |
|
|
|
|
|
||||||||
ного |
и |
частичного |
насыщения |
|
|
|
|
|
|||||
водой при влагопереносе были |
Рис. 5.10. Закономерности движения |
||||||||||||
рассмотрены выше. Они |
могут |
||||||||||||
фронта замачивания в неводонасы- |
|||||||||||||
быть использованы |
при |
реше |
щеином просадочном грунте для слу |
||||||||||
нии |
конкретных инженерных |
чаев инфильтрации влаги через по |
|||||||||||
задач. |
Особенно |
перспектив |
верхность слоя с учетом (2) и |
без |
|||||||||
учета (/) |
просадки, а также при за |
||||||||||||
ным, на |
наш взгляд, является |
мачивании снизу вверх с учетом про |
|||||||||||
метод температурно-влажност |
садки (3) |
|
|
|
|
||||||||
ной |
аналогии, |
который |
позво |
Кривые рассчитаны при следующих пара |
|||||||||
ляет описывать |
процесс транс |
метрах: |
Н *= Н + Н К =>1000 |
м; |
Кф“ |
||||||||
=»10—4См/с; |
Y“ M |
г/см3; \ s =2,7 |
г/см3; |
||||||||||
формации |
напряженно-дефор |
||||||||||||
к/0=0,1; Л0=0,05; |
ту =0,01 |
см*/кгс; р= |
|||||||||||
мированного состояния |
в |
мас |
= 2 кгс/смг |
|
|
|
сиве лёссового грунта при вла гопереносе.
К мерам, уменьшающим просадочные явления в основаниях со оружений, следует отнести: устройство водонепроницаемых отмос ток и обратной засыпки, предварительное уплотнение тяжелыми трамбовками (при небольшой мощности), устройство грунтовых свай, общее уплотнение предварительным замачиванием под на грузкой или взрывом, химическое и термическое закрепление, ор ганизованное предварительное увлажнение лёссовых грунтов в ос новании сооружений.
Предусматривают также конструктивные меры: фундаменты под стены делают глубокими, монолитными, сооружение усили вают железобетонными поясами, конструкции сооружения про ектируют менее чувствительными к неравномерным осадкам, во допроводные и канализационные трубопроводы тщательно изо лируют.
Все эти меры, однако, часто, недостаточны и приходится проре зать всю просадочную толщу грунтов для фундамента глубокого заложения.
5.5. ВОПРОСЫ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА НАБУХАЮЩИХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ
Характеристика набухающих глинистых грунтов. Набухающие глинистые грунты довольно широко распространены в СССР (в По волжье, на Северном Кавказе, в Казахстане, Крыму и других юж ных районах), в Азии (Индия, Ирак, Иран), в Америке (Канада, США), в Африке (ЮАР, Судан и др.).
Многие сооружения, возводимые на набухающих глинистых грунтах, с течением времени деформируются вследствие неравно мерного набухания грунтов оснований при их увлажнении, что вы зывает перенапряжения в конструкциях и трещинообразования в них.
Набухание маловлажных неводонасыщенных глинистых грун тов при их увлажнении представляет сложный физический и физи ко-химический процесс, обусловленный главным образом адсорб цией воды поверхностью глинистых частиц, сорбцией водно-колло
идных пленок, а также |
осмотическими и отчасти капиллярными |
|||
явлениями. |
|
|
|
|
Степень набухания |
маловлажных глинистых грунтов зависит |
|||
от минералогического |
состава |
глинистых фракций |
(наибольшее |
|
набухание, ~ |
до 100%, имеют |
монтмориллонитовые |
глины, наи |
|
меньшее— до |
~ 1 5 —20% — каолиновые), от влажности-плотности |
грунта в естественном состоянии, от величины действующего дав ления.
Современные представления о генезисе и механизме набухания глин. В настоящее время широко дискутируется вопрос о генезисе набухающих грунтов, типичными представителями которых явля ются черно-хлопковые глины, имеющие широкое распространение в Азии и Африке.
Механизм образования набухающих глин носит сложный ха рактер; его связывают с накоплением в продуктах выветривания горных пород ионов щелочных и щелочноземельных металлов крем незема, вследствие чего формируется монтмориллонит, полигорскит, кремнистые соединения (М. Н. Гольдштейн, 1973).
Щелочная реакция возникает в том случае, когда раствор со держит ионы Na, К, Са, Mg. Для образования иллита необходим К, а монтмориллонита и полигорскита — Mg.
Образование черно-хлопковых монтмориллонитовых глин в Су дане (X. Кудуда, 1975) связывают с условиями полузасушливого климата и слабого промывания почв, содержащих Са, Mg, Fe, Al.
Наиболее важными свойствами минералов, определяющими, в частности, характер взаимодействия их с водой, являются строение кристаллической решетки и способность к ионному обмену. Для глинистого минерала монтмориллонита, например, при взаимодей-
ствии с водой характерно раздвижеиие кристаллической решетки и проникновение полярных молекул воды внутрь этой решетки. Сле довательно, для этого минерала характерно внутрикристаллическое набухание. В иллите этот эффект обнаруживается слабее.
В настоящее время не представляется возможным учитывать в математическом описании многочисленные факторы процесса на бухания, поэтому целесообразно исходить из феноменологической теории, полагаясь на результаты механических испытаний набуха ющих грунтов, выделяя основные и определяющие факторы. К ним относятся начальная плотность-влажность, минералогический со став, концентрация солей в пбровой воде, а также величина и ха рактер воздействия нагрузки.
Критерием набухания глинистых грунтов служит величина отно
сительного набухания, определяемая по формуле |
|
|
(h'—h) |
(5.22) |
|
h |
||
|
где h и hr— высота образца грунта соответственно до и после за мачивания при компрессионном сжатии под нагрузкой заданной интенсивности р.
Величина относительного набухания при замачивании зависит от начальной плотности-влажности и величины приложенной внеш ней нагрузки. Эта зависимость может быть записана на основе анализа многочисленных испытаний набухающих глин в лабора торных и полевых условиях (Е. А. Сорочан, 1974; Н. А. Цытович, 3. Г. Тер-Мартиросян, 1978) в виде
sn = ^ Hln — |
(5.22а) |
Ря |
|
где р — действующая нагрузка; рп—давление набухания, соответ ствующее данной плотности-влажности; аа— коэффициент относи тельной сжимаемости, зависящий от исходной плотности-влажно сти.
По величине ен легко определить подъем толщи набухающего грунта:
v = w 2 e,rfA/, |
(5-23) |
/=i |
|
где еш- — относительное набухание i-то слоя толщиной hi; пг —ко эффициент условий (работы *, принимаемый равным: при давлении 0,5 кгс/см2 — 0,8; при 3 кгс/см2—-0,6, а в промежутке — по линей ной интерполяции.
Набухание глинистого грунта, находящегося под воздействием нагрузки, возможно также при изменении влажности в пределах полного водонасыщения, что имеет место при экранировании по верхности Земли (асфальтирование, возведение зданий и сооруже-
* Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений. М., 1977.
онной консолидации. Пусть поверхность неводонасыщенного глини стого грунта толщиной Л, находящегося под нагрузкой р —const, в момент времени /= 0 залита водой, которая, проникая вглубь, вы зывает набухание во времени (рис. 5.15).
На фронте замачивания кроме процесса насыщения пор водой происходит также первичное набухание, которое составляет основ ную часть всего набухания. Объем воды, необходимый для запол-
S„,MM
о в ,кгс/см2
Рис. 5.13. Закономерность развития по |
Рис. 5.14. Закономерность |
разви |
||||
слойной деформации набухания черно |
тия давления набухания в образце |
|||||
хлопковых глин во времени в компрес |
ненарушенной |
структуры |
черно |
|||
сионном приборе с гибкими стенками на |
хлопковой |
глины |
при |
различных |
||
уровне 12 (/); 24 (2);34 (3) и 52 (4)мм |
режимах |
испытаний |
в приборе |
|||
от основания образца при замачивании |
трехосного сжатия |
(у=1.79 |
г/см3; |
|||
снизу под нагрузкой 0,25 кгс/см2 |
а»=0,189; |
высота |
образца |
7 см): |
||
|
1 — метод |
дискретной |
компенсации |
|||
|
с коротким и 2 — длительным интер |
|||||
|
валом времени; 3 — метод постоян |
|||||
|
ства объема всего образца |
|
||||
нения пор до водонасыщения грунта |
единичной |
толщины, будет |
определяться выражением V = yde0( l—Iw)/yw, а изменение пористо сти на фронте замачивания в увлажненной прослойке — величиной первичного относительного набу
хания |
Д л=еН1, |
которая |
зависит |
от внешней нагрузки. |
|
||
За |
фронтом замачивания про |
||
цесс |
набухания |
будет |
продол |
жаться за счет набухания пере |
|||
уплотненных агрегатов |
и запаз |
дывания |
деформации набухания |
||
в них. Оно может быть описано' |
|||
уравнением одномерной консоли |
|||
дации в виде |
|
|
|
Рис. 5.15. Расчетная схема набу |
дрю __„ д*рю |
_____ |
|
хания неводонасыщенного глинис- |
|||
того грунта при замачивании под |
^ |
6н |
> (5 .26) |
нагрузкой |
|
|
|