4.3. Одновимірна задача теорії компресійного ущільнення (консолідації) грунтів

Осідання шару ґрунту при суцільному навантаженні (основна задача). При дії суцільного навантаження (поширеної на значні відстані у бік) шар ґрунту випробовуватиме тільки стиснення без можливості бічного розширення, абсолютно аналогіч­не компресійному стисненню у невисокому циліндрі з жорсткими стін­ками. За даних умов матимемо строго одновимірну задачу компресійного ущільнення ґрунтів і для визначення повного стабілізованого осідання шару ґрунту скористаємося результа­тами компресійних випробувань.

Осідання ґрунту відбудеться внаслідок зміни його об'єму за рахунок зменшення пористості при збільшенні зовнішнього тиску, а об'єм твердих частинок ґрунту при цьому залишиться практично незмінним. Для ґрунтів, що сильно стискаються, при дуже великих змінах їх коефіцієнта пористості під навантаженням і великому діапазоні зміни зовнішнього тиску необхідно враховувати зміну коефіцієнту пористості по криволінійній залежності наприклад по логарифмічному рівнянню.

Зміна осідань у часі. Осідання не закінчуються за час будівництва (виняток становлять лише чисті піски); як пра­вило, величина повного осідання для різних ґрунтів досягається у різне, іноді вельми тривале (від декількох років до декількох десятків і сотень літ) час.

На процес протікання осідань у часі впливає як водопроникність ґрунтів (в умовах водонасичення), так і повзучість ске­лета ґрунту, а також деформація усіх компонентів ґрунти (порової води, включень повітря, пари і газів, орга­нічних речовин і т. п.).

Водонасичені пластичні і особливо текучьопластичні глинясті ґрунти дають найбільші осідання, часто поволі затухаючі, і створюють найбільші складності для будівництва. Осідання споруд на цих ґрунтах може сягати сотень сантиметрів і протікати десятки і сотні літ. Важливим показником є швидкість протікання осідань, оскільки різні будівельні конструкції мають різну міру здатності перерозподіляти зусилля, що виникають при нерівномірних осіданнях підґрунть. При великих швидкостях осідань можуть мати місце крихкі (аварійні) руйнування конструк­цій, при менших - повільні деформації повзучості.

Швидкості осідань можна визначити, вивчивши протікання їх у часі. Для повністю водонасичених ґрунтів найбільш широко застосовується теорія фільтраційної консолідації ґрунтів. Передумови теорії фільтраційної консолідації:

1) розглядаються повністю водонасичені ґрунти («ґрунтова маса») з наявністю в порах вільної, нестискаємої і гідравлічно безперервної води;

2) скелет ґрунту приймається таким, що лінійно деформується, напруже­ння в якому миттєво викликають деформації;

3) ґрунт не структурний, і зовнішній тиск у перший момент часу повністю передається на воду;

4) фільтрація води в порах ґрунту повністю підкоряється закону Дарсі.

Таким чином, теорія фільтраційної консолідації ґрунтів (без додаткових умов) буде застосовна для неущільнених, повністю водонасичених глинястих ґрунтів.

У початковий момент часу ґрунтова маса сходиться у статичному стані, тобто поровий тиск води дорівнює нулю. Позначимо: pw - поровий тиск понад гідростатичного; ре - тиск, що передається на тверді частинки (ефектив­ний), тобто для будь-якого моменту часу на будь-якій глибині від дренуючої поверхні z (мал. 4.2), тиск у поровій воді і скелеті рівні зовнішньому тиску р.

Рис. 4.2. Схема розподілу тиску у кістяку ґрунту (р) і у поровій воді (рш) у водонасиченому шарі ґрунту при суцільному навантаженні для різних проміжків часу.

У перший момент часу зовнішній тиск повністю передається па порову воду (якщо вона нестискаєма, що можна допустити при повній відсутності у поровій воді пухирців повітря і пари), але в подальші проміжки часу тиск у воді буде зменшуватися, а у скелеті ґрунту збільшуватися до тих пір, поки усе навантаження не передасться на скелет ґрунту.

Урахування структурності ґрунтів і стисливості поро­вої води, що газомістить. Згідно теорії фільтраційної консолідації зовнішній тиск у перший момент повністю передається на порову воду. Проте якщо ґрунт має структурні зв'язки, то тиск, що передається на воду, складає лише деяку частину від зовнішнього тиску і тим меншу, ніж більша структурність ґрунту, або чим більше він був заздалегідь ущільнений. Останнє характеризується коефіцієнтом початкового порового тиску Р0.

Величина вторинної консолідації. Ступінь консолідації ґрунтів, що визначається для повністю водонасичених ґрунтів відповідатиме процесу їх ущільнення лише до досягнення консолідацією деякої величини (різної для ґрунтів різної щільності і стисливості), оскільки при значному часі ущільнення на процес консолідації впливатимуть як виникаючі нові структурні водно-колоїдні зв'язки, так і вторинні ефекти, обумовлені повзучістю мінерального скелету ґрунту і тонких водно-колоїдних оболонок твердих частинок. При навантаженні водонасичених ґрунтів спочатку спостерігається миттєве стиснення (адіабатичне, обумовлене стисливістю порової води), потім процес ущільнення фільтрацією, обумовлений переважно вичавлюванням води з пір ґрунту, і, нарешті, додається процес вторинної консолідації, або повзучість скелета ґрунту, обумовлений зсувами частинок, агрегатів, водно-колоїдних оболонок і т. п. коли вичавлювання води стає вельми незначним.

Для наближеного встановлення початку етапу фільтраційного ущільнення використовується метод Д. Тейлора. Початок консолідації визначається по початковій ділянці кривої ущільнення (мал. 4.3). Оскільки процес протікання фільтраційного осідання пропорційний t, то, продовжуючи прямолінійну ділянку кривої ущільнення до вісі осідань (мал. 4.3, а), одержують точку, відповідну початку ущільнення фільтрацією (тобто U = 0).

Рис. 4.3. Визначення етапу фільтраційного ущільнення водо­насичених ґрунтів: а - початок фільтраційної консолідації (U = 0); б - кінець фільтраційної консолідації (U = 100%).

Кінець ущільнення (U = 100%) визначають по А. Казагранде по тій кривій, але у напівлогарифмічній системі координат шляхом знаходження точки перетину нижньої ділянки кривої фільтра­ційного ущільнення і останньої ділянки кривої, відповідної вторинній консолідації (мал. 4.3 б). У знайдених межах можна вважати, що процес ущільнення водонасичених ґрунтів визначатиметься в основному фільтраційною консолідацією, а далі йде за рахунок вторинної консолідації. Величина осідання зобразиться на осі осідань відрізком 1-2 (мал. 4.3б). Закінчення процесу фільтраційної консолідації легко встано­вити експериментальним шляхом, ретельно вимірюючи надмірний поровий тиск. Якщо приріст порового тиску практично буде рівний нулю, то можна вважати процес фільтрації закінченим, а осідання, що продовжується, слід розглядати як деформацію повзучості кістяку.