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

деформация под действием девиатора напряжений име­ ет один порядок с объемной деформацией при гидроста­

тическом

обжатии.

Влияние

параметра

р,а

в данном

случае оказывается слабо выраженным.

Параметр

прочности р

определен

в

соответствии

с гипотезой

прочности

Мизеса — Шлейхера — Боткина:

а)

У

I7 ^Іпред =

t g Р / „ + к .

а'

Из полученных данных

—<!? — ' —

следует,

что

параметр р

зависит от вида

простран­

w

ственного

напряженного

-0,5

0,5

Iß

состояния.

Отсюда

выте­

кает неинвариантность ус­

ловия прочности Мора для

описания

прочностных

ха­

рактеристик слабого грун­

та в наиболее общем слу­

>

чае. Различие

в

величине

/ / s

р при

и,= +

1

достигает

/ /

10%.

Зависимость

пара­

/

метра

прочности

ф от

ви­

2B?

да пространственного

на­

>

—

/ *

пряженного

состояния

по­

л/

/

t/

лучена

в

соответствии

с

24"

теорией

прочности

Мора

/ f

/

0*1

—• ст3

sin ф

f

0-1+0-3+2 Ctg ф

-0,5

0,5

и приведена на рис. 1.11.

Рис.

I.П.

Графики зависимости

Как

видно из

рисунка,

р = / > ,

(а) и Ф =F2

(ц)

(б)

описание

прочности

илов

оз. Сиваш

(первой

разно­

видности) уравнением предельного равновесия Мора так­ же выявляет неинвариантность данного условия к виду пространственного напряженного состояния. Различие в величине ф при и.= + 1 достигает в данном случае 54%- Проведенные исследования показывают, что различ­ ные слабые водонасыщенные глинистые грунты в зави­

симости от	своего	происхождения, истории нагружения
и свойств	должны	описываться различными теориями

прочности. Для предварительных расчетов, вероятно, можно принять, что если угол внутреннего трения слабых

50

водонасыщенных глинистых грунтов по результатам ис­ пытаний на срезных приборах превышает 18°, то теория прочности Мизеса—Шлейхера—Боткина лучше удовлет­ воряет требованию инвариантности параметров проч­ ности к виду пространственного напряженного состоя­ ния по сравнению с гипотезой прочности Мора. Для сла­ бых же водонасыщенных глинистых грунтов, у которых угол внутреннего трения по результатам испытаний на срезных приборах меньше 10°, теория прочности Мора достаточно хорошо удовлетворяет требованию инвари­ антности параметров прочности.

Опыты, проведенные по указанной выше методике на засоленных илах, отобранных из основания резервуаров в г. Фао (Ирак), показали, что для этих грунтов, у кото­ рых по данным сдвиговых испытаний угол внутреннего трения равен 10—12°, полностью применима теория прочности Мора.

Многие специалисты в СССР и за рубежом [10, 24] считают, что при исследовании образцов грунта в сдви­ говых приборах и стабилометрах наблюдается неодно­ родное напряженное состояние образца, миграция вла­ ги внутри образца при его разрушении; разрушение ча­ сто происходит не по слабым сечениям образцов. В свя­ зи с этим для исследований грунта применяют приборы перекашивания, которые обеспечивают более однородное деформирование образца при длительном напряженном состоянии и, кроме того, позволяют изучать изменяе­ мость характеристик прочности грунта во времени.

В лаборатории МИСИ им. В. В. Куйбышева под ру­ ководством автора были проведены исследования грун­ тов на приборе перекашивания конструкции Ломизе— Гудкина—Жукова [29]. Прибор был несколько усовер­ шенствован — к нему присоединили датчики, позволяю­ щие измерять поровое давление в различных точках перекашиваемого образца в течение всего времени ис­ пытания. Прибор перекашивания представлял собой прямоугольную камеру для образцов размером 30Х71Х Х71 мм. Камера основанием опиралась на стол срезно­ го прибора конструкции Гидропроекта. Образец скаши­ вался в результате приложения к верхней части камеры горизонтального усилия, которое передавалось через штамп на образец. Задняя и передняя стенки камеры, закрепленные в основании, могли перемещаться вместе с образцом. Двумя боковыми стенками камеры служили

4*

51

пластинки с отшлифованными поверхностями, уложен­ ные вплотную одна на другую. Пластинки входили в па­ зы передней и задней стенок и перемещались во время скашивания образца, обеспечивая деформации простого сдвига. В качестве приемных зондов для измерения но­ рового давления использовались медицинские иглы большого диаметра. Схема их расположения показана на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Схема прибора перекашивания

Эксперименты проводились в комнате, в которой при помощи термореле поддерживалась постоянная темпе­ ратура.

На приборе перекашивания были исследованы об­ разцы слабых водонасыщенных грунтов из Каширы, Ар­ хангельска, Мурманска, а также водонасыщенные пасты

каолинита	и	бентонита.		Физические		свойства		грунтов
Архангельска и Мурманска				приведены		ранее в табл. 1.4,
физические	свойства		грунтов Каширы,			а	также		паст
каолинита и бентонита —• в табл. 1.5.
Все исследуемые			образцы		имели	начальную			влаж­
ность, приблизительно равную					влажности		на	пределе
текучести этих		грунтов.
Образцы из пасты предварительно уплотняли давле­
нием 0,5 кгс/см2,		а	образцы речного			ила — давлением,
равным структурной			прочности сжатия				ила		р с т р
(0,2 кгс/см2).	В процессе перекашивания образцы							перво­

начально уплотняли нормальным давлением (равным давлению предварительного уплотнения).

Опыты на перекашивание проводились по следующей методике. К образцам-близнецам, вырезанным из одно­ го монолита, прикладывали постепенно возрастающие касательные напряжения. Нагружение производили ли­ бо условно-мгновенно (ступенями), либо струйкой воды,

52

		5 Л	« ч
Грунт		3. и	3 "
		Началі влажн< %в
			Уделы весв
			г
Ил	речной	51,9—	2,6
(Кашира) . .
		54,95
Каолинит		50,1
(паста) . . . .			2,68
Бентонит		106	2,68
(паста) . . . .

			Таблица 1.5
ІЫЙвес			V	Коэфф:ициент пористі
			Уплоті давлен кгс/св
	Предел пла­		V
	стичности		a
	ѵт		I s *
é «•
О ш
1,63—	49,7	29,7	0,2	1,36—
1,66				1,43
—	56,6	39	0,5	1,26—
				1,3
—	120,2	40,1	0,5	2,62—
				2,68

с постоянной скоростью нагружения 0,02 кгс/см2 в	1 мин.
В период нагружения, а также при постоянном	каса­

тельном напряжении через определенные промежутки времени измеряли суммарную деформацию сдвига, сум­ марную вертикальную деформацию и поровое давление в разных точках образца. Деформацию сдвига опреде­ ляли при помощи оптиметра с точностью измерения 0,5 мк. Точность измерения порового давления составля­ ла 0,01 кгс/см2.

Было замечено, что скорость деформации сдвига в процессе нагружения увеличивается, а после его окон­ чания постепенно уменьшается до определенной величи­ ны в зависимости от напряженного состояния (рис. 1.13). Как видно из рисунка, начиная с определенного момен­ та времени, характерного для данного вида грунта и его напряженного состояния, наступает стадия течения,

вкоторой скорость можно считать постоянной.

Впроведенных опытах угол перекашивания прини­ мался небольшим (до 7°), так как при дальнейшем уве­

личении угловых деформаций в приборах нарушилось бы однородное напряженное состояние всего образца грунта.

Впроцессе перекашивания образцов было установ­ лено, что при нагружении образцов и в ходе деформации сдвига в образцах развивается поровое давление. При испытаниях по открытой системе поровое давление уменьшается во времени, обычно падая до нуля. Однако

53

Г i 0 ' e .

во.

60\

го\

о					t HUH
	2 ff	40	60	80	WO

Рис. 1.13. Изменение скоростей деформации сдвига Y слабых водо­ насыщенных глинистых грунтов на приборе перекашивания во вре­ мени

/ _ бентонит (паста), 8=2,6; 2—ил из Каширы, 8— 1,4; 3 —каолинит (паста),

е =1,3
Г « / - 6
и0\		1			Окон4dHUt1	• 1	0,2
						првцвеса
30	j				нагру жени
		1					\0,1S
	J i			V 2
	//
20		IV— / ^					0,1
	V
10				V			0,05
20	ЪО 60		30				— 0,0
					100 120	МО 160	t.MÙH

Рис. 1.14. Зависимость между скоростью деформации сдвлга у и но­ ровым давлением и на приборе перекашивания

/ — значения порового давления у поверхности образца; 2 — значения порового давления в середине образца

54

в ряде случаев наблюдается остаточное норовое давле­ ние (в некоторых опытах отрицательное). Это явление было характерно для грунтов с начальным градиентом напора. В опытах установлено, что максимальному зна­ чению порового давления и соответствовал период, при котором скорость деформации достигала максимальных значений (рис. 1.14). Процесс течения с практически постоянной скоростью наблюдался, когда поровое дав­ ление снижалось до нуля.

Величина порового давления и скорость его сниже­ ния в образце глинистого грунта зависит от его напря­ женного состояния, пористости, минералогического со­ става, физических свойств и др. Хотя поровое давление и зависит от скорости нагружения, однако в значитель­ ном интервале скоростей максимальная величина поро­ вого давления меняется мало. Так, при увеличении ско­

рости нагружения		речного ила	(ст —3 кгс/см2;	т =
= 0,7 кгс/см2)	в 4 раза максимальные поровые давления
не превышали	10%	максимальных	значений. В	опытах
наблюдалось,	что	при одинаковых	нормальных	напря­

жениях в образцах грунта поровое давление увеличива­ ется при возрастании напряжения сдвига.

В результате экспериментов, проведенных на прибо­ ре перекашивания, можно получить данные о напряжен­

ном состоянии грунта (с	и	т), а также о его деформа­
циях (вертикальных — еѵ	в	и сдвига — угол у). Для
построения кругов Мора		напряжениях воспользуемся

положением А. Надаи о совпадении главных осей на­

пряжений и деформаций			(или скоростей деформаций)
в	процессе	перекашивания. Это, очевидно, применимо
к	обработке	результатов	проведенных	опытов, так как
угол скашивания имел в них небольшие				значения.

Построим круг Мора для скоростей деформаций по методике, предложенной К. РоЪко [60]. Обозначим де­ формации буквой е, скорости деформаций е, линейную деформацию в вертикальном направлении еѵ , деформа­ цию сдвига (угол) у, а скорость деформации сдвига у. Так как в процессе перекашивания горизонтальные раз­ меры образца не меняются, то горизонтальная линейная деформация будет равна нулю, а скорость вертикальной деформации больше нуля \'е0 Ф 0). Поэтому точка Я на рис. 1.15 с координатами О+ѴгѴ показывает скорость деформации в горизонтальном направлении, а точка M

55

Рис. 1.15. Круг Мора для скоро­ стей деформаций, построенный по результатам испытаний на приборе перекашивания

'/г У— скорость

с координатами ех деформации в вертикальном направлении. Центр С круга Мора для скоростей деформаций является серединой отрезка ѴН, а на этом отрезке, как на диаметре, строится круг Мора. По кругу можно определить угол *ф между горизон­ талью и направлением главной наибольшей скорости деформации еМакс> а также скорость деформации в лю­ бом направлении. Максимальная скорость деформации сдвига у м а к с возникает на плоскостях, которые образуют угол величиной Ѵг ß с вертикальной осью.

Из допущения, что главные оси напряжений и дефор­ маций (скоростей деформаций) совпадают, следует, что круги Мора для скоростей деформаций и напряжений подобны. Поэтому, зная нормальные и касательные на­ пряжения из опыта на перекашивание, при которых ве­ личина порового давления достигает максимальных зна­

чений, т. е. о0 и т о Л ,	строим на осях напряжения							точку
V с координатами	оо,	то Л . Зная	также		угол ß		между
направлением главных		напряжений и направлением на­
		пряжения			в точке		V, на­
		ходим		центр		круга		Мора
		в напряжениях и					строим
		круг,		показанный				на
		рис.		1.16	в	общих		(то­
		тальных)				напряжениях
		пунктирной				линией.		По
		величине порового					давле­
		ния, определенного в опы­
		те, можно построить						круг
		Мора		для		эффективных
		напряжений				при	данной
		скорости				деформирова­
		ния	(на рис. 1.16				сплош­
		ная	линия).

Принимая другое нор­ мальное напряжение для образца-близнеца, выре­ занного тіз одного моно-

лита, проводим второй опыт и строим по аналогии второй круг Мора на этом же графике. По полученным в эффек­ тивных напряжениях кругам Мора проводим касатель­ ную, которая определяет параметры сдвига ср и с для данной скорости сдвига. Если провести ряд опытов на

56

перекашивание с различными скоростями сдвига, то можно установить зависимость между характеристиками прочности (углом внутреннего трения и сцепления) и различными скоростями сдвига. По опытам можно уста­ новить зависимость между напряжениями и деформа­ циями.

Т, пес/см2

бѵ = 2ßB

Рис. 1.16. Круг Мора для напряжений, построенный по результатам испытаний на приборе перекашивания образцов речного ила из райо­ на Каширы

Сопоставление результатов испытания исследуемых грунтов на приборе перекашивания с результатами ис­ пытаний тех же грунтов на срезных приборах и на стабилометрах показывает, что при испытании грунтов на приборах перекашивания угол внутреннего трения ока­ зывается на 1—2° меньше по сравнению с результатами испытания тех же грунтов на срезном приборе с предва­ рительным уплотнением грунтов такими же величинами давлений, как и на приборе перекашивания. Величина сцепления, определенная на обоих приборах, примерно

одинакова (опыты	на стабилометрах	проводились
с предварительным	обжатием грунтов	всесторонним

давлением и последующим испытанием образцов по за­ крытой системе с измерением порового давления).

При определении характеристик прочности грунтов основания в случае применения вертикальных песчаных

57

дрен с пригрузочной насыпью, а также песчаных и из­ вестковых свай и т. п. необходимо определять характе­ ристики прочности грунтов при их естественной пористо­ сти (по методике быстрого сдвига на срезных приборах или по закрытой системе на стабилометрах). Испытание следует производить при такой скорости нагружения, ко­ торую, вероятно, будут испытывать образцы грунта на данной глубине при возведении пригрузочной насыпи или других сооружений. Необходимо также установить изменяемость характеристик прочности в процессе кон­

солидации грунта до	конечной	пористости, которая
будет соответствовать	окончанию	осадки грунта под

действием песчаных или известковых свай либо пригру­ зочной насыпи. Необходимо также установить характе­ ристики прочности грунта на приборах прямого сдвига, стабилометрах и приборах перекашивания для опре­ деления прочностных характеристик грунтов после окончания процесса искусственного уплотнения основа­ ния. Скорость нагружения образцов в этих опытах должна быть равной скорости нагружения слоя грунта основания весом сооружения.

6. ПРОНИЦАЕМОСТЬ ГРУНТОВ

Для расчетов консолидации грунтов основания и из­ менения прочности грунтов во времени в процессе уплот­ нения, для расчетов осадок фундаментов и сооружений, а также для расчетов вертикальных песчаных и извест­ ковых дрен, песчаных и железобетонных свай необходи­ мо иметь достоверные данные о проницаемости грунтов. В общем случае коэффициент проницаемости грунта равен коэффициенту его фильтрации, умноженному на коэффициент вязкости жидкости, проходящей через грунт.

Согласно	нашим исследованиям	(более подробно
см. главу II)	проницаемость слабых	водонасыщенных

глинистых грунтов должна характеризоваться коэффи­ циентами фильтрации грунта до и после уплотнения основания, начальным градиентом напора (если филь­ трация происходит с отклонением от закона Дарси) и зависимостью начального градиента напора от коэф­ фициента пористости в процессе уплотнения грунтов ос­ нования. Для расчета вертикальных песчаных дрен, дре­ нажных прорезей, песчаных и железобетонных свай

58

и некоторых других видов искусственных оснований не­ обходимо знать коэффициенты фильтрации грунтов в горизонтальном направлении до и после уплотнения основания, а также начальный градиент напора, если фильтрация в горизонтальном направлении происходит

сотклонением от закона Дарси.

Впроцессе уплотнения коэффициент фильтрации не­ которых разностей сильносжимаемых глинистых грун­ тов изменяется в 100 и 1000 раз, поэтому для расчетов необходимо знать закономерности изменения этой ве­ личины.

При проведении инженерно-геологических исследова­ ний на стадии проектного задания для слабых водона­ сыщенных глинистых грунтов необходимо установить начальный коэффициент фильтрации грунтов природной пористости и коэффициент фильтрации грунтов, уплот­ ненных давлением 2—5 кгс/см2.

Определение коэффициента фильтрации слабых во­ донасыщенных глинистых грунтов может проводиться на компрессионно-фильтрационных приборах типа Ф-1М, приборах конструкции Ю. М. Абелева—А. И. Озерецкого, П. А. Аргунова, Г. И. Тер-Степаняна и др., т. е. на приборах, в которых коэффициент фильтрации опреде­ ляется для образцов в различном напряженном состоянии.

Особое внимание при проведении фильтрационных исследований следует уделить качеству воды, которая проходит через образец грунта. Для незасоленных грун­ тов (емкость поглощения больше 1,4 мг/экв-л) приме­ няют дистиллированную дегазированную воду (вакуумируется в течение 2 ч). В связи с тем, что при измене­

нии	температуры газосодержание • в		воде	меняется,
фильтрационное		исследование необходимо		проводить
при	постоянной	температуре ( ± 2 ° С)	в течение всего
опыта.

Необходимо обеспечить плотность соприкосновения образца глинистого грунта ненарушенной структуры со стенками кольца компрессионно-фильтрационного при­ бора. Для этого перед помещением образца грунта в кольцо стенки последнего смазывают разогретым пластелином или густым техническим маслом, которое за­ полняет все пустоты между стенками кольца и образца.

Фильтрацию создают по схемам «сверху вниз» или «снизу вверх» при постоянном или переменном напорах, однако для сокращения времени проведения фильтраци-

59