VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Subsiding soils are widespread in the southern regions of the Russian Federation. Building on subsiding soils have some of the features highlighted in the various activities implemented during construction. The basic principle of building on subsiding soils is the account of the precipitate with the possible soaking the soil, but often there is no soaking and foundation settlement is significant. The value depends on the initial precipitation characteristics of the ground, and in particular the porosity factor. Traditional methods of calculating the rainfall in this case do not provide sufficiently accurate results because the modulus of deformation is determined without regard to long-term loading. This article discusses the issues associated with the forecast rainfall with prolonged loading.
loam subsidence, deformation, relative deformation, porit coefficient, viscosity coefficient, long-term loading
При действии внешних нагрузок уменьшается объем грунта, и соответственно изменения коэффициента пористости его во времени.
Осадка подобного рода сооружений во многих случаях бывала значительной, неравномерной и, что особенно важно весьма длительной. Целесообразно ещё при проектировании таких сооружений проектировать их осадку, причем обязательно во времени.
При малом водонасыщении рассматриваемых грунтов их уплотнение во времени происходит вне условий возможного влияния на процесс явления фильтрационной консолидации. Вместе с тем развитие процесса уплотнения таких грунтов под постоянной нагрузкой во времени и часто в весьма замедленном темпе, невольно заставляет рассматривать этот процесс в связи с реологическими свойствами, присущими вообще глинистым грунтам.
Представлялось также желательным связать формулы по прогнозу осадки сооружений, возводимых в рассматриваемых условиях, непосредственно с теми или иными физическим показателями грунтов в их естественно ненарушенном состоянии (с ненарушенной структурой).
Известна зависимость коэффициента пористости и давлением, характеризующая изменение коэффициента пористости при изменении давления которое выражается в виде:
, (1)
где e0 – начальное значении коэффициента пористости грунта; y – величина деформации образца грунта; h – высота образца.
Следует отметить, что в формуле (1) фактор времени не учитывается. Практика строительства показывает, что глинистые грунты, находятся в основании фундаментов зданий и сооружений изменяют свои физико-механические свойства во времени от постоянно действующих нагрузок. Поэтому представляет большой интерес изучении вопросов изменения коэффициента пористости неводонасыщенных глинистых грунтов во времени при постоянной нагрузке.
Учитывая вышесказанное, выражение (1) можно представить в виде:
, (2)
здесь – относительная деформация образца грунта на время t,относящаяся к нагрузке P.
Тогда получим:
e(P,t)=e0 - e (P,t)∙(1+ e0), (2')
Для разработки поставленного вопроса были проведены экспериментальные работы в глинистых грунтах в неводонасыщенном состоянии. Физические показатели этих грунтов приведены в табл.1.
Для исследования закономерности деформации сжатия грунтов во времени применительно к условиям одномерной задачи уплотнения были использованы приборы типа «Гидропроекта».
Для предохранения образцов грунта от потери влажности во время длительного испытания цилиндрический корпус приборов покрывался полиэтиленовой пленкой с обеспечением герметичности внутренней полости, где помещался образец грунта. Эти условия обеспечивали постоянство влажностного режима во время длительного опыта, отсчеты деформации образцов исследуемого образца грунта замерялись индикаторами с точностью до 0,01 мм и брались ежедневно в одно и то же время.
Таблица 1
Физические показатели грунтов
|
Наименование показателей |
Опыт №1 |
Опыт №2 |
|
Гранулометрический состав (процентное содержание фракций, мм) |
|
|
|
0,50-0,25 |
4,5 |
3 |
|
0,25-0,10 |
10,5 |
7,5 |
|
0,10-0,05 |
15 |
19,5 |
|
0,05÷0,01 |
14,5 |
20,5 |
|
0,01-0,005 |
24,5 |
21,0 |
|
0,005÷0,001 |
14 |
18,0 |
|
<0,001 |
17,0 |
10,5 |
|
Естественная влажность, д.е. |
0,118 |
0,114 |
|
Гигроскопическая влажность, д.е. |
0,289 |
0,221 |
|
Максимальная молекулярная влажность |
16,43 |
15,97 |
|
Степень влажности |
0,374 |
0,314 |
|
Плотность частиц грунта, г/см3 |
2,71 |
2,72 |
|
Плотность грунта, г/см3 |
1,72 |
1,57 |
|
Плотность сухого грунта, г/см3 |
1,46 |
1,38 |
|
Пористость, % |
46,1 |
49,6 |
|
Коэффициент пористости предела прочности |
0,856 |
0,985 |
|
а) граница текучести, д.е. |
0,312 |
0,359 |
|
б) граница раскатывания, д.е. |
0,164 |
0,1605 |
|
в) число пластичности, д.е. |
0,148 |
0,1985 |
На основе экспериментальных данных построены графики e(p1t) = f(t).
Для практических целей можно принять, что кривые изменения относительной деформации во времени под различными постоянными нагрузками взаимоподобны и все описываются единым законом. В этом случае изменение относительной деформации во времени неводонасыщенного глинистого грунта при любом напряжении можно представить в следующем виде:
e(P,t) = f(P)∙φ(t), (3)
здесь f(P) – функции напряжения были приняты линейно, т.е. f(P) -= P;∙ φ(t) – изменение относительной деформации образца грунта при единичной нагрузке («меры ползучести»).
Произведенная математическая аппроксимация показала, что изменение относительной деформации образцов исследованного грунта во времени выражается по обменному закону в виде [1]:
е(Р,t) = Р∙αtβ, (4)
где α – параметр, равный отрезку, отсекаемому кривой деформации ползучести грунта на оси ординат при t = 1 и Р = 1;β – угол наклона кривой lg е(Р,t)-lgt к оси абсцисс; изменяющейся в пределах 0 < β < 1.
Если принять Р = 1, то получим
е(Р =1,t) = atb, (5)
Учитывая выражение (5) в формуле (2), получим зависимость между изменением коэффициента пористости и временем неводонасыщенного глинистого грунта в виде:
е(Р =1,t) = e0 - atb, (6)
Следует отметить, что изменение относительной деформации неводонасыщенного глинистого грунта можно выразить изменением коэффициента вязкости грунта.
На основе проведенных экспериментальных и теоретических анализов нами было установлено, что изменения и относительные деформации во времени неводонасыщенного глинистого грунта при единой нагрузке описывается следующей зависимостью:
(7)
где hкон – конечная величина коэффициента вязкости исследованного грунта; hнач – начальная величина коэффициента вязкости грунта; m - параметр, характеризующий свойства испытываемых грунтов определяемый по выражению:
, (7′)
Подставляя (7) в выражение (2′) получим изменение коэффициента пористости во времени неводонасыщенных глинистых грунтов через коэффициент вязкости в виде:
(8)
Как видно из рис. 1, сопоставление экспериментальных (сплошная линия) и теоретических (пунктирная) кривых, полученных по выражению (8), дает хорошую сходимость.
|
Опыт 1 |
|
Опыт 2 |
Рис. 1. Изменение коэффициента пористости неводонасыщенного грунта во времени
Дифференцируя выражение (8) по t, получим скорость изменения коэффициента пористости образцов неводонасыщенных глинистых грунтов во времени:
(9)
Как видно из выражений (8) и (9), изменение коэффициента пористости неводонасыщенного глинистого грунта во времени зависит от коэффициента вязкости, изменяющегося во времени и являющегося прямой физико-механической характеристикой грунта. Величина коэффициента вязкости глинистого грунта в том или ином виде его состояния может быть определена непосредственными опытами в лаборатории (метод «шарика») или косвенным путем на основании данных опытов по изучению деформируемости испытуемого грунта во времени в лабораторных условиях. Входящее в выражение (8) значение начального коэффициента вязкости нач определяется опытным путем, т.к. измеряется величина относительной деформации
– сжатие образца за начальный промежуток времени
. Затем, принимая изменение скорости относительной деформации образца за указанный период времени постоянным, определяем значение еe
, (10)
Зная еconst, находим значение начального коэффициента вязкости исследованного грунта:
, (11)
Значения коэффициента вязкости испытуемого грунта соответствует времени t = , что исключает возможность его прямого экспериментального определения.
Величина может быть найдена по следующему выражению:
, (12)
Здесь величина коэффициентов вязкости соответствуют времени t1, t2, и t3 и значение их определяется экспериментальной кривой зависимости
на некотором участке её. В месте с тем
может быть определена иным путем, в частности при соблюдении условия:
Из выражения (12) получим:
, (13)
При определении коэффициента вязкости на время t исследованного грунта были использованы методы «длительного опыта».
Для ориентировочного представления о пределах изменения коэффициента вязкости глинистых грунтов могут быть использованы следующие данные, приведенные Карауловой З.М. [2].
Грунты в мягкопластичной консистенции пуаз;
грунты в тугопластичной консистенции a∙1012÷a∙1013 пуаз;
грунты в полутвердой консистенции a∙1014÷a∙1015 пуаз;
грунты в твердой консистенции a∙1015÷a∙1017 пуаз.
Полученные нами в результате экспериментальных работ значения коэффициента вязкости исследованных грунтов при длительном уплотнении изменяются в пределах a∙1014÷a∙1016 пуаз.
1. Cytovich N.A. Mehanika gruntov. M.,1963.
2. Karaulova Z.M. Porog polzuchesti i koefficient vyazkosti glinistyh gruntov // Trudy koordinacionnyh soveschaniy po gidrotehnike. L.: Energiya, Leningradskoe otdelenie, 1968. Vyp. 38. S. 120-130.
