Консолидация грунта

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Два одометра в Кембриджском университете. Для грунта одномерно сжатого водонасыщенного слоя грунта в одометре:

Консолидация грунта (по Карлу фон Терцаги) любой процесс, который включает уменьшение содержания воды в насыщенном грунте без замены воды воздухом[1].

Когда грунт, насыщенный водой, подвергается увеличению давления, высокая объемная жесткость воды по сравнению с грунтовой матрицей означает, что вода изначально поглощает все изменение давления без изменения объема, создавая избыточное поровое давление воды. По мере того как вода диффундирует из областей с высоким давлением из-за просачивания, грунт постепенно воспринимает изменение давления и сжимается в объеме.

В узком смысле «консолидация» относится строго к замедленной объемной реакции на изменение давления из-за постепенного движения воды. В широком смысле для обозначения любого процесса изменения объема грунта в результате изменения приложенного давления. Консолидация – это процесс, при котором происходит уменьшение объема за счет постепенного вытеснения или поглощения воды при длительных статических нагрузках. [2] Это более широкое определение охватывает общую концепцию уплотнения, оседания и пучения почвы. Некоторые типы почв, в основном органические, демонстрируют значительную ползучесть, при которой почва медленно изменяет объем при постоянном эффективном напряжении в течение более длительного периода времени, чем консолидация из-за диффузии воды. Чтобы различать эти два механизма введены понятия «первичная консолидация» (англ. primary consolidation, консолидации из-за рассеяния избыточного давления воды) и «вторичная консолидация» (ползучесть) [3].

Эффект консолидации наиболее заметен, когда здание стоит на грунте с низкой жёсткостью и низкой водопроницаемостью, например на морской глине, что приводит к значительной осадке в течение многих лет. Риск консолидации велик при намывных территориях, строительстве насыпей, а также проходке туннелей и устройству подвалов в глине. Геотехники используют одометры для количественной оценки консолидации.

Глины подвергаются консолидации, оседанию не только под действием внешних нагрузок (дополнительных нагрузок), но и под действием собственного веса или веса грунтов, существующих над глиной.

Глины также подвергаются оседанию при обезвоживании (откачке грунтовых вод), потому что эффективное напряжение на глину увеличивается.

Крупнозернистые грунты не подвергаются консолидации из-за высокой по сравнению с глинами гидравлической проводимости. Вместо этого они подвергаются немедленной осадке.

График зависимости коэффициента пустот от эффективного напряжения в обычной и логарифмической шкале (см. рисунок справа).

Графическое представление консолидации грунта[править | править код]

Большинство параметров консолидации находят, анализируя зависимости коэффициента пустотности от эффективного напряжения, которые можно представить в обычной и логарифмической шкале.

Зависимость коэффициента пустот от эффективного напряжения в логарифмической шкале[править | править код]

"Участок Cc" указывает на то что грунт ранее не видел текущих эффективных напряжений (англ. virgin consolidation, девственная консолидация), в связи с чем происходит резкое изменение пустотности. Зная значения и можно построить кривую компресионного сжатия по уравнению , где и – коэффициент пустотности в конце консолидации при действующих напряжениях и соответственно. Участки точек е1 и е2 можно выбирать в любом месте прямой линии тангенс будет одинаковым.

Когда к грунту прикладывается напряжение, частицы грунта компонуются, вода выжимается. В случае использования логарифмической зависимости между объемом образца почвы и эффективным напряжением константа пропорциональности (изменение коэффициента пустотности на порядок изменения эффективного напряжения) известна как индекс сжатия и обозначается символом при расчете в натуральном логарифме и при расчете в логарифме по основанию 10. [2]

Для нормально консолидированных грунтов может соблюдатся равенство =0.009*(LL-10), для переуплотнённых грунтов =0.007*(LL-10). /=0,1~0,2.

Участок Cr[править | править код]

На "участке Cr" грунт ранее "видел" текущие эффективные напряжения. Участок Cr (индекс рекомпресии, англ. swelling) появляется в переуплотненных грунтах, где конечное эффективное напряжение меньше напряжения предварительного уплотнения OCR. На этом участке можно увидеть, что при повышении эффективного напряжения пустотность изменяется слабо, изменение объема слабо выражено, так как грунт в своей истории повторно воспринимает ту же нагрузку и реакции не дает.

Участок Cc[править | править код]

Участок Cs[править | править код]

Кривая Cc, приблизительно пересекает лабораторную кривую при коэффициенте пустотности 0.42 (Terzaghi and Peck, 1967). - коэффициент пустотности глины в поле.

Когда напряжение с консолидированного грунта снимается, грунт восстанавливает часть объема, утраченного в процессе консолидации. При повторном приложении напряжения грунт снова будет уплотняться по кривой рекомпрессии, определяемой индексом рекомпрессии. Тангенс угла наклона касательной к линий набухания и рекомпрессии на графике идеализированно принимают одинаковым как «индекс набухания» (обозначается символом при расчете в натуральном логарифме и при расчете по основанию 10). При разгрузке все упругие деформации убираются а пластические остаються. Модуль разгрузки на этом участке важен, с точки зрения пластики грунта.

Когда конечное эффективное напряжение больше, чем OCR, эти два уравнения должны использоваться в комбинации для моделирования как части повторного сжатия, так и части исходного сжатия процессов консолидации, как показано ниже:

где σ zc – напряжение предварительного уплотнения грунта.

Этот метод предполагает, что консолидация происходит только в одном измерении по оси Z. Лабораторные данные используются для построения графика зависимости деформации или коэффициента пустотности от эффективного напряжения, где ось эффективного напряжения находится в логарифмической шкале . Наклон графика — это индекс сжатия или индекс рекомпресии.

Зависимость коэффициента пустот от эффективного напряжения в обычной шкале[править | править код]

Консолидацию можно представить как зависимость коэффициента пустотности от эффективного напряжения в обычной и логарифмической шкале (справа). Из обычного графика находят коэффициент сжимаемости (в России используется обозначение ), коэффициент относительной сжимаемости или коэффициент объемной сжимаемости . Используя эти коэффициенты можно вычислить изменение высоты образца в одометре .

Из графика в логарифмической шкале берется индекс компрессии , который имеет большее практическое значение для расчетов.

Сжимаемость насыщенных образцов глинистых минералов возрастает в ряду каолинит <иллит<смектит. Индекс сжатия Сс, определяемый как изменение пористости при 10-кратном увеличении давления консолидации, находится в пределах от 0,19 до 0,28 для каолинита, от 0,50 до 1,10 для иллита и от 1,0 до 2,6 для монтмориллонита, для различных ионных формы. Чем более сжимаема глина, тем более выражено влияние типа катиона и концентрации электролита на сжимаемость.

Одометрический модуль деформации[править | править код]

Одометрический модуль деформации , получают в ходе консолидационных испытаний, он связан с модулем деформации по данным компрессионных испытаний .[4][5]

Одометрический модуль деформации является секущим модулем, который действует для определенного интервала напряжения. Одометрический модуль деформации и модуль деформации по данным компрессионных испытаний , МПа, в заданном интервале давлений (секущие модули) вычисляем с точностью 0,1 МПа по формулам: , где – относительные деформации при соответствующих ступенях нагружения. При испытании песков первую ступень давления принимают в зависимости от степени пустотности, а при испытании глинистых грунтов в зависимости от нижнего текучести IL.

Модифицированный коэффициент компрессии вычисляется по формуле: .

Компрессионный модуль деформации вычисляется по формуле: , где – коэффициент, учитывающий боковые деформации равный .

Связь напряжения предварительного уплотнения с консолидацией[править | править код]

Грунт, с которой снята нагрузка, считается «переуплотненным». Это относится к грунтам, на которых ранее были ледники . Наибольшее напряжение, которому он подвергался, называется « напряжением предварительного уплотнения ». Коэффициент переуплотнения (OCR) определяется как максимальное испытанное напряжение, деленное на текущее напряжение (таким образм OCR не может быть меньше 1). Грунт, который в настоящее время испытывает наибольшее напряжение, называется «нормально консолидированным» (NC) и имеет OCR=1. Грунт можно считать «неуплотненным» сразу после приложения новой нагрузки, но до того, как избыточное поровое давление воды рассеется. Иногда слои почвы, образующиеся в результате естественного отложения в реках и морях, могут иметь исключительно низкую плотность, которую невозможно получить с помощью одометра; этот процесс известен как «внутренняя консолидация». [6]. Грунт, который в настоящее время испытывает напряжения, меньше чем испытвал в прошлом называется «пере консолидированным, переуплотненным» (Overconsolidation, OC) и имеет OCR>1. Такие грунты считаються идеальными для оснований сооружений, так как дадют меньшую осадку и могут выдерждать больше нагрузки, имеют высокую прочность на сдвиг.

Зависимость от времени[править | править код]

Аналог с пружиной[править | править код]

Аналогия с пружиной для консолидации: (a)- (c) Модель одного слоя грунта; (d) - (f) модель для нескольких слоев грунта.
На рисунке (a-c) показаны поршень и клапан, соединенные с пружиной в одном цилиндре. Диаграмма давление-глубина приведена на рисунке b. Пружина представляется как грунт, а вода, наполняющая контейнер, представляет поровую воду в грунте.

Грунт (пружина), находится в равновесии при начальном эффективном напряжении Предположим, что вся нагрузка на поршень , первоначально передается на избыточное давление поровой воды. (гидростатическое давление . Это линейное (одноосное) напряженное состояние, которое не относится к объемному (трехосному) напряженному состоянию. Со временем вода сжимается, выбрасывается из клапана, и избыточное поровое давление уменьшается. При постепенной передаче напряжения и эффективного напряжения от поровой воды к скелету грунта одновременно происходит усиление напряжения.

На рисунке c начальное эффективное напряжение , изменение эффективного напряжения (увеличение), избыточное поровое давление , в момент времени t =
Вертикальные пунктирные линии t1, t2 указывают время от начала нагрузки. С точки зрения представления синхронности эти линии называются изохронными (изобары — это контуры изобар на карте погоды; изопахита- линия на карте, проведенная через точки, соответствующие одинаковой мощности пласта горной породы; изотаха - линия на географической карте, соединяющая точки с равным значением скорости ветра).
Спустя годы все избыточное поровое давление будет рассеяно, и эффективное напряжение будет равно сумме начального напряжения и приращения приложенного напряжения. Величина осадки поршня в это время напрямую зависит от количества воды, выбрасываемой из цилиндра.

Типичный слой земли намного сложнее, чем модель, показанная на рис. a-c. Увеличим количество пружин, поршней и клапанов, как на рисунке d. Теперь дренаж происходит на каждом поршне и клапане, что позволяет осуществлять слив сверху и снизу с внутренним сливом. Для того, чтобы вода могла выливаться из цилиндров с номерами 2, 3 и 4, часть воды из цилиндров с номерами 1 и 5 должна быть предварительно слита. Точно так же перед тем, как вода будет слита из цилиндра № 3, произойдет некоторый слив в цилиндрах № 2 и № 4. Поскольку все клапаны открыты, при приложении внешнего напряжения вода начнет вытекать из верхнего и нижнего цилиндров. Это приведет к внезапному снижению избыточного порового давления воды во всех цилиндрах. Как видно на рисунке f, изохоры порового давления воды смещаются вправо со временем. Они представлены разделенными линиями из-за ограниченного количества поршней и клапанов. При неограниченном количестве поршней изохоры, которые более точно представляют физические события, происходящие во время консолидации грунтовых отложений, будут иметь более пологие кривые.

На рисунке d-f можно видеть, что уменьшение давления воды , образовавшееся в середине двойного дренажа, за время , мало по сравнению с изменением давления воды у границы слоя. Это связано с тем, что сливной путь среднего цилиндра намного длиннее, чем у цилиндров № 1 и № 5.

Время консолидации[править | править код]

Метод квадратного корня для определения времени Предпочтительный метод на практике (не нужно ждать ).1.Экстраполируйте линейную часть назад, чтобы найти . 2. Измерьте длину сегмента AB (линейный участок).3.Нарисуйте AC так, чтобы AS=1.15 (AB).4. Проведите линию через и C, чтобы найти и .5. Посчитайте используя и фактор времени T

Время консолидации можно предсказать. Это особенно верно для насыщенных глин, потому что их гидравлическая проводимость чрезвычайно низка, и это приводит к тому, что вода уходит из почвы исключительно долго. Во время дренажа поровое давление воды выше нормального, потому что она несет часть приложенного напряжения (в отличие от частиц почвы).

Где T v – фактор времени.

H dr — средний самый длинный путь стока при консолидации.

t - время измерения

C v определяется как коэффициент консолидации, найденный логарифмическим методом по формуле[7]

или через корневой метод с

t 50 время до 50% деформации (уплотнение) и t 95 95%

Где Т 95 =1,129 и Т 50 =0,197.

Коэффициент консолидации находится в пределах каолинита, для иллита и для монтмориллонита.

Осадка[править | править код]

Следующее уравнение используется для оценки осадки здания:

где

осадка за счет консолидации, H - высота слоя грунта.
Cc – индекс сжатия (сжимаемость).[8]
e0 – начальный коэффициент пустотности .
σzf – конечное вертикальное напряжение.
σz0 — начальное вертикальное напряжение.

Пример расчета консолидационной осадки[править | править код]

Пример расчета консолидационной осадки.

1. Осадка для первого слоя:

Эффективные напряжения в середине 1 слоя грунта (пока без насыпи) . Так как эффективные напряжения оказались равны давлению предварительного уплотнения сразу переходим на "второй участок" кривой зависимости коэффициента пустот от эффективного напряжения в логарифмической шкале (осадки от Cr не будет, осадку будет давать только второй участок). На "втором участке" грунт увидит никогда не видящие напряжения.

Дополнительная нагрузка от насыпи

2. Осадка для второго слоя:

Эффективные напряжения в середине 2 слоя грунта (пока без насыпи) . Так как Давление предварительного уплотнения больше эффективных напряжений осадка будет и от "первого и второго участка" кривой зависимости коэффициента пустот от эффективного напряжения в логарифмической шкале (так как "эффективные напряжения грунта находяться в первом участке, а осадка от второго участка будет априори"):

Ползучесть[править | править код]

Приведенная выше теоретическая формулировка предполагает, что зависящее от времени изменение объема единицы грунта зависит только от изменений эффективного напряжения из-за постепенного восстановления стационарного порового давления воды. Это относится к большинству типов песка и глины с низким содержанием органического материала. Однако в почвах с большим количеством органического материала, таких как торф, также возникает явление ползучести, при котором грунт постепенно изменяет объем при постоянном эффективном напряжении. Ползучесть почвы обычно вызывается вязким поведением системы глина-вода и сжатием органического вещества.

Этот процесс ползучести иногда называют «вторичной консолидацией», поскольку он также включает постепенное изменение объема почвы в ответ на приложение нагрузки; обозначение «вторичное» отличает его от «первичного уплотнения», которое относится к изменению объема из-за рассеяния избыточного порового давления воды. Ползучесть обычно происходит в течение более длительного времени, чем (первичное) уплотнение, так что даже после восстановления гидростатического давления происходит некоторое сжатие грунта с меньшей скоростью.

Аналитически предполагается, что скорость ползучести экспоненциально затухает со временем с момента приложения нагрузки, что дает формулу:

Где H0 - высота уплотняющей среды, e0 – начальный коэффициент пустотности, Ca - вторичный индекс сжатия t - рассматриваемый период времени после консолидации t 95 – время достижения 95% консолидации.

Примечания[править | править код]

  1. Schofield, Andrew Noel. Critical State Soil Mechanics : [англ.] / Andrew Noel Schofield, Peter Wroth. — McGraw-Hill, 1968. — ISBN 9780641940484. Архивная копия от 27 марта 2022 на Wayback Machine
  2. 1 2 Lambe, T. William. Soil mechanics : [англ.] / T. William Lambe, Robert V. Whitman. — Wiley, 1969. — ISBN 9780471511922. Архивная копия от 27 марта 2022 на Wayback Machine
  3. влияние переориентации частиц, particles reorientation
  4. использование консолидационных испытаний для HS модели
  5. чаще всего проектировщик имеет результаты стабилометрических испытаний только для нескольких грунтов из всего разреза, залегающих, как правило, на глубине больше 20 м. Остальные характеристики задаются исходя из рекомендаций
  6. Burland, J. B. (1990-09-01). “On the compressibility and shear strength of natural clays”. Géotechnique. 40 (3): 329—378. DOI:10.1680/geot.1990.40.3.329. ISSN 0016-8505. Архивировано из оригинала 2021-08-27. Дата обращения 2022-03-27. Используется устаревший параметр |deadlink= (справка)
  7. Аналитическая формулировка коэффициента консолидации стр. 398
  8. Сжимаемость насыщенных образцов глинистых минералов возрастает по порядку каолинит<иллит<смектит. Показатель сжимаемости (однонаправленная компрессия), который определяется как изменение пустотности при 10-кратном увеличении давления консолидации, находится в диапазоне от 0,19 до 0,28 для каолинита, от 0,50 до 1,10 для иллита и от 1,0 до 2,6 для монтмориллонита. Чем более сжимается глина, тем более выражено влияние катионного типа и концентрации электролита на сжимаемость.