28 Эффективные и нейтральные давления (напряжения) в грунте.

Когда к грунту прикладывается внешняя нагрузка, то она в общем случае воспринимается как твердыми частицами, так и водой в порах (поровой водой). Давление в «поровой» воде называется нейтральным (поровым), давление в твердой части (скелете) грунта называется эффективным.

Доля нейтральных и эффективных давлений в общем (суммарном) давлении зависит от вида грунта и меняется во времени. При загружении водонасыщенного грунта, в первый момент времени нагрузка воспринимается только водой в его порах (нейтральные давления максимальны), затем эта вода начинает выдавливаться (отфильтровываться) в окружающие зоны с меньшими напороми, так что усилия постепенно перераспределяются на твердые частицы. В конечном итоге вся нагрузка воспринимается только твердыми частицами.

К. Терцаги провел лабораторный эксперимент, в котором водонасыщенный грунт подвергался вертикальному давлению, одинаковой величины, но создаваемому разными способами: нагружением свинцовыми шариками и нагружением слоем воды. Измерялись осадки (уплотнение) этого грунта под действием создаваемых давлений.

 Р исунок 3.13.1 - эксперимент К. Терцаги по уплотнению водонасыщенного грунта двумя разными методами: а – исходное положение , б – нагружение слоем воды, в – нагружение свинцовыми шариками, 1 – сосуд с пьезометром, 2 – грунт, 3 – вода, 4 – свинцовые шарики.

Полученные результаты показали, что уплотнение грунта происходило только при нагружении его свинцовыми шариками, давление же воды не вызывало никакой осадки этого грунта. Это подтвердило мнение, что уплотнять грунт способны только эффективные напряжения.Нейтральные давления, будучи всесторонними, не прижимают частицы грунта друг к другу. На дне водоемов частицы грунта не уплотняются, какой бы ни была загружающая их толща воды. Предельные касательные напряжения не возрастают, если нагружение не вызывает роста эффективных напряжений. При быстром загружении или при медленно уплотняющихся грунтах в законе Кулона следует использовать не общие напряжения σ, а эффективные σ_эф.

 г де σ, σ_эф, u – соответственно общее, эффективное и нейтральное давления:

  У небольших сооружений к моменту приложения полной эксплуатационной нагрузки нейтральные давления обычно успевают уменьшиться до величин, при которых ими можно пренебрегать. В крупных сооружениях, рассматривая поведение недоуплотненного грунта, целесообразно, кроме общих напряжений σ, принимать во внимание их «эффеткивную часть» σ-u (т.е. значения σ, уменьшенные на величину нейтрального давления).

29 Природа (физические причины) длительного протекания деформаций в грунте.

В отличие большинства твердых конструкционных материалов (сталь, бетон, железобетон, кирпич и т.д.), деформации которых реализуются в первые же секунды после приложения нагрузки, грунты в основаниях деформируются очень медленно месяцы, годы, десятилетия (иногда даже столетия). Это связано с двумя причинами:

- в порах грунта находиться вода, которую необходимо «выдавить», чтобы грунт уплотнился, а быстрое перемещение воды в грунте, особенно глинистом, невозможно;

- твердая часть (скелет) грунта обладает вязкопластичными свойствами, т.е. для развития в нем деформаций также необходимо время.

К . Терцаги предложил мысленную модель деформаций водонасыщеного грунта, которая очень наглядно иллюстрирует происходящие в нем процессы. Модель представляет сосуд с пористым поршнем  и пружиной, на которую этот поршень опирается, при этом внутренний объем сосуда заполнен водой. Пружина отображает скелет грунта. В первый момент вся нагрузка, передаваемая через поршень, воспринимается водой, в пружине (скелете грунта) на этой стадии напряжений не возникает. Затем вода постепенно выдавливается (фильтруется) через щели в поршне, и нагрузка постепенно передается на пружину (скелет грунта), которая по мере нагружения сжимается. В конечном итоге пружина воспримет всю нагрузку, а давление в воде упадет до нуля.

модель деформирования водонасыщенного грунта: а– начальное состояние, б – конечное состояние

Раздел механики грунтов, изучающий механические процессы, связанные с выдавливанием воды из пор грунта под действием нагрузки, называется теорией фильтрационной (первичной) консолидации. Эта теория основывается на идее К. Терцаги, который в 1924 г. показал, что процесс выдавливания воды из нагруженной зоны грунта может иметь ту же математическую модель (описываться тем же дифференциальным уравнением), что и распространение тепла в нагреваемом материале.

Данная идея получила дальнейшее развитие в трудах очень большого числа специалистов во всем мире, и, особенно, в нашей стране. Теория фильтрационной консолидации позволила рассматривать деформации водонасыщенных оснований как процесс, развивающийся во времени. Разработаны практические методы расчеты деформаций, ожидаемых через то или иное количество месяцев после приложения нагрузки. Необходимо лишь отметить, что строительная практика второй половины ХХ века показала, что поведение грунта под нагрузкой значительно сложнее, чем это представлял себе К. Терцаги. Тем не менее, теория фильтрационной консолидации своего значения не утратила. До настоящего времени в нормах большинства стран прогнозирование осадок во времени в значительной мере основывается на теории фильтрационной консолидации (особенно для гидротехнических объектов).

Раздел механики грунтов, изучающий процессы сопротивляемости уплотнению самого скелета грунта, называется теорией вторичной консолидации (теорией ползучести скелета). Ее методы наиболее эффективны для грунтов средней и малой степени водонасыщения, т.е. когда не все поры грунта заполнены водой.

В обеих теориях используется понятие «степень консолидации» U, которое отражает долю реализации деформаций. Например, в первый момент нагружения, когда деформации еще не начались, U=0; при реализации 50% деформаций U=0,5, при реализации 100% деформаций U=1. Естественно, что способы определения степени консолидации U в упомянутых теориях различны.

Ф актически в основаниях развиваются параллельно как процессы фильтрационной (первичной) консолидации, так и процессы вторичной консолидации (ползучести скелета), но в водонасыщенных грунтах превалируют процессы фильтрационной консолидации. В отечественных нормах проектирования оснований сооружений (СниП 2.02.01-83*) учитываются оба фактора. Осадка в момент времени t определяется по формуле:

 где S_t и S – соответственно осадка в момент времени t и конечная осадка;

U₁ и U₂ – соответственно степени превичной и вторичной консолидации грунта;  а – величина, зависящая от вязкопластичных свойств грунта, определяемая по результатам компрессионных испытаний.