- •1. Предмет и задачи грунтоведения.
- •2.2. Специальная классификация.
- •3. Общие сведения о грунтах.
- •3.2. Вода и газ в горных породах.
- •3.3. Структура, текстура и связность грунтов.
- •4. Основные физические характеристики грунтов.
- •5. Некоторые классификационные характеристики грунтов
- •Примеры решения задач
- •5. Водные свойства пород
- •6.1. Деформационные свойства.
- •6.2. Прочностные свойства пород с жесткими связями.
- •7. Механические свойства дисперсных (несцементированных) пород.
- •7.1. Сжимаемость (деформационные свойства).
- •2. Построить кривые консолидации – графики зависимости степени консолидации в процентах в зависимости от времени.
- •8. Методика и приборы для проведения компрессионных испытаний.
- •Просадочность
- •8.1. Полевые способы определения сжимаемости пород
- •9. Прочность горных пород и грунтов
- •10. Определение нормативных и расчетных характеристик грунтов.
- •11. Определение напряженного состояния в грунтовом массиве на основе теории линейно деформируемых тел
- •11.1. Распределение напряжений в случае пространственной задачи.
- •12. Определение осадок при строительстве инженерных сооружений
- •13 Теория предельного напряженного состояния грунтов и ее приложение
- •1. Определение коэффициента устойчивости для центра скольжения о1 (рис.13.9)
- •3. Определение коэффициента устойчивости для центра скольжения о3 (рис.13.11)
- •14.1 Расчет оснований сооружений по несущей способности
- •I. Определить расчетное сопротивление грунтов основания r0 и ориентировочные размеры фундамента. Грунт основания имеет следующие физические характеристики:
- •14.2 Расчет основания здания по деформациям
5. Водные свойства пород
Грунтоведение изучает влияние воды на горные породы в отношении устойчивости, сохранения структуры и прочности, а также способность пород поглощать воду и пропускать ее через себя - т.е. - водные свойства горных пород.
1. Набухание
Под набуханием понимают увеличение объема породы под воздействием воды, что особенно характерно для глинистых пород. При набухании происходит увеличение пористости породы и ее влажности в связи с увеличением толщины гидратных оболочек на поверхности глинистых частиц. Максимальное набухание происходит в дистиллированной воде; по мере увеличения в воде концентрации солей набухание уменьшается.
Для характеристики набухания изучают:
давление набухания - давление, которое развивается в породе при ее насыщении водой или раствором;
влажность набухания - влажность насыщенной породы;
величину набухания - отношение приращения объема набухшей породы к ее первоначальному объему.
VD= (Vнаб - V0/V0) * 100%
2. Усадка.
Усадкой называется уменьшение объема породы при высыхании - процесс, противоположный набуханию. Усадка сопровождается образованием в породе трещин, что снижает прочность породы и уменьшает устойчивость пород на естественных склонах, откосах, бортов карьеров и т.д.
Характеристики усадки.
Объемная или линейная - уменьшение объема или блины образца породы относительно его первоначального объема или длины:
При этом Vиl прямо пропорционально зависят от начальной влажности.
3.Размокание и размягчаемость пород - процесс распада породы в воде вследствие полной потери связей между частицами.
У некоторых пород размокание вызывает резкое снижение прочности без признаков распада - происходит размягчение образца. Для каждой глинистой породы характерна некоторая критическая влажность. Образцы с влажностью ниже критической размокают, выше - нет. Исследования размокаемости ведут при изучении переработки берегов и изысканиях по трассам каналов.
4.Водопроницаемость.
Под водопроницаемостью пород понимают способность пород фильтровать воду по имеющимся в них трещинам, порам и другим пустотам. Фильтрация - течение воды в порах - происходит под влиянием следующих факторов:
1. силы тяжести (гравитационное движение воды);
2. разности напоров;
3. сжатия породы под влиянием внешнего давления и ряда других факторов.
В механике грунтов движение воды изучается, главным образом, при действии напоров, вызываемых в поровой воде внешней нагрузкой, которая выражается высотой столба воды, вызываемого давлением от внешней нагрузки:
, где Р- внешнее давление.
Введем понятие градиента напора (уклона потока) :
Гидравлический градиент равен отношению потери напора Н2 – Н1 к длине пути фильтрацииL.
Рис. 5.1 Схема фильтрации воды в грунтах
Движение (фильтрацию) воды в грунте можно рассматривать, как параллельно-струйное ламинарное (очень медленное) течение в среде с переменной пористостью, которое обуславливает переменную водопроницаемость данной пористой среды.
Ламинарное движение воды происходит с тем большей скоростью, чем больше гидравлический градиент
Явление водопроницаемости характеризуется коэффициентом фильтрации, понятие которого ввел Дарси в 1885 году.
По экспериментальным данным (Жуковский, Пуазель, Дарси, Павловский), объем воды, протекающий через водопроницаемое тело, пропорционален площади поперечного сечения, времени и разности напоров (гидравлическому уклону).
Q = k . S . I . t
Объем, протекающий в единицу времени через единицу поперечного сечения, называется скоростью фильтрации.
, (*)
причем, истинная скорость фильтрации
nэф.0,1n(эффективную пористость определяют специальными методами).
Таким образом, можно определить, что kф- коэффициент фильтрации - численно равен скорости фильтрации при единичном градиенте напора потока.
Коэффициент фильтрации есть функция минералогического и гранулометрического состава грунта, структуры и пористости.
Зависимость процесса фильтрации от механического состава грунта характеризуется понятием начального градиента. Согласно экспериментальным исследованиям, фильтрация воды в глинистых грунтах начинается лишь при достижении градиента напора некоторой начальной величины, преодолевающей внутреннее сопротивление движению, оказываемое водно-коллоидными пленками, окружающими каждую глинистую частицу.
Рис. 5.2. Зависимость скорости фильтрации V от градиента напораI:
I– для песка,II– для глины (в разных масштабах).
На кривой IIможно различить 3 участка: начальный 0-1, когда скорость фильтрации практически равна нулю (Vф=0), 1-2 – криволинейный, отображающий переходный процесс еще не установившейся фильтрации и 2 - 3 – прямолинейный участок установившегося процесса фильтрации, когда скорость фильтрации пропорциональна действующему градиенту.
Зависимость характера фильтрации от структуры грунта характеризуется различной водопроницаемостью (различной величиной коэффициента фильтрации) в разных направлениях. Такие породы называются анизотропными относительно водопроницаемости.
Кверт.
Кгор.
Для лессов Кверт. > Кгор.
Кверт
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . Для ленточных глин Кверт< Кгор.
Кгор.
Рис 5.3 Соотношение вертикальных коэффициентов фильтрации для разных грунтов.
Разница значений водопроницаемости (коэффициента фильтрации) по вертикали и по горизонтали для разных пород может составлять порядки величин. Существует классификация грунтов по водопроницаемости. В гидрогеологии вводится понятие водопроводимости: T = k . m
В инженерной геологии рассматривают гидростатические напоры, которые создаются внешней нагрузкой, что приводит к выдавливанию воды из пор.
- интенсивность внешней нагрузки.
Рассмотрим простейшую модель: сосуд заполнен водой, закрыт поршнем с отверстиями, который поддерживается пружиной.
Рис 5.4 Схемы приборов, поясняющие две системы давлений
в водонасыщенных грунтах:
а– схема передачи давлений на скелет грунта,
б- модель сжатия грунтовой массы (вначале вся нагрузка передается на воду,
затем, по мере сжатия, на скелет грунта)
При этом: вода в сосуде - грунтовая вода;
пружина - скелет грунта;
отверстия в поршне - поры грунта.
По мере приложения нагрузки давление сначала передается на воду, которая вытекает через отверстия в поршне, а затем на пружину, которая посте5пенно полностью принимает на себя внешнюю нагрузку, что соответствует состоянию равновесия в грунтовой массе.
Давление на воду - это нейтральное давление. Оно не уплотняет грунт, а создает напор в воде, вызывающий ее фильтрацию: PW=в.h
Давление на пружину (скелет грунта) называется эффективным. Под его действием происходит уплотнение грунта. PZ= (-в) ·z- эффективное давление на глубинеz.
Общее давление, передаваемое на грунт (нагрузка) P=PW+PZ.
5.Водоотдача
Водоотдача - способность породы отдавать свободную гравитационную воду при снижении уровня воды или давления. По механизму отдачи различают гравитационную и упругую водоотдачу. В первом случае объем породы отдает воду и осушается в результате вытекания воды из пор и трещин под действием силы тяжести. Показатель свойства —коэффициент гравитационной водоотдачиμ.Во втором случае объем породы, полностью насыщенный водой, отдает ее без осушения в результате упругого расширения воды и уменьшения пористости в объеме. Показатель свойства —коэффициент упругой водоотдачиμ*. Оба показателя выражаются в долях единицы.
Водопоглощение —способность породы поглощать некоторое количество свободной воды при повышении уровня или давления в выделенном объеме породы. В первом случае показателем свойства является недостаток гравитационного насыщенияμн, во втором —недостаток упругого насыщенияμ*н. Это свойство, обратное водоотдаче.
6. Водопроводимость.
Водопроводимость —свойство достаточно выдержанного по разрезу слоя горных пород пропускать через себя некоторое количество свободной воды при полном его насыщении и характеризующее систему в целом. Величина водопроводимостиТизмеряется в квадратных метрах в сутки и характеризуется показателем водопроводимости
T=km.
где m —мощность водоносного слоя.
Уровне- или пьезопроводностьхарактеризует способность пласта, как системы, проводить с той или иной скоростью созданные в нем изменения пьезометрического уровня или давления. Если рассматривается распространение по пласту изменений пьезометрического уровня в виде колебаний уровня грунтовых вод, то свойство называется уровнепроводностью. Если в пласте распространяется изменение пластового давления, (что наблюдается в напорных водах), то свойство называется пьезопровод-ностью. Обе величины измеряются в квадратных метрах в сутки и характеризуются показателема.
Для грунтовых вод параметр процесса распространения давления определяется зависимостью
a=T/μ,
для напорных вод
a*=T/μ
Наибольшей водоотдачей обладают крупнозернистые породы, наименьшей - тонкозернистые пылеватые пески. Водоотдача глинистых пород ничтожно мала. Водоотдача () ориентировочно рассчитывается исходя из полной влагоемкости пород.
6. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД С ЖЕСТКИМИ СВЯЗЯМИ
Механические свойства пород характеризуют способность горных пород сопротивляться нагрузкам, т.е. механические свойства пород характеризуют деформируемость и прочность пород.