Виды воды и газообразных включений в грунте

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Вода в грунте, ее виды и свойства могут быть весьма различ­ными в зависимости от ее содержания в грунте и величины сил взаимодействия с минеральными частицами, определяемой, глав­ным образом, гидрофильностью минеральных частиц.

Минеральные частицы грунтов заряжены отрицательно, а мо­лекулы воды представляют диполи, заряженные положительно на одном (атом кислорода) и отрицательно на другом (два атома водорода) конце. При соприкосновении твердой минеральной ча­стицы с водой возникают электромолекулярные силы взаимодей­ствия, которые притягивают диполи воды к поверхности минераль­ных частиц с огромной силой (особенно первые слои), и чем больше удельная поверхность частиц, тем большее количество мо­лекул воды будет находиться в связанном состоянии. Электромо­лекулярные силы взаимодействия, по современным данным, очень велики и у поверхности минеральных частиц (для первого ряда связанных молекул воды) составляют величину порядка несколь­ких сотен мегапаскалей. По мере же удаления от поверхности твердых частиц они быстро убывают и на расстоянии, равном примерно 0,5 мкм, становятся близкими к нулю. Самые близкие к минеральной частице слои в 1—3 ряда молекул воды, соприка­сающиеся с твердой поверхностью, настолько связаны электромо­лекулярными силами притяжения с поверхностью, что их не удает­ся удалить ни внешним давлением в несколько атмосфер, ни дей­ствием напора воды, и эти слои образуют пленки так называемой прочносвязанной адсорбированной воды.

Следующие слои молекул воды, окружающей минеральные час­тицы, будут связываться и ориентироваться граничной фазой по мере удаления от твердой поверхности грунтовых частиц все мень­шими силами; они образуют слои рыхлосвязанной (лиосорбиро-ванной) воды, которые поддаются выдавливанию из пор грунта внешним давлением до нескольких сотен килопаскалей (иногда и до нескольких мегапаскалей).

Наконец, молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью мине­ральных частиц, будут образовывать свободную (по проф. А. Ф. Ле­бедеву)— гравитационную воду, движение которой происходит под действием разности напора, и капиллярную, подтягиваемую на некоторую высоту от уровня грунтовых вод силами капилляр­ного натяжения воды (капиллярными менисками, образующимися под действием адсорбцион­ных сил поверхности в тон­ких порах грунтов и обус­ловливающими ^капиллярные силы в грунтах).

На рис. 1.3 показана схе­ма электромолекулярного взаимодействия поверхности минеральных частиц с во­дой.

Газообразные включения (пары, газы) всегда в том или ином количестве содер­жатся в грунтах и могут на­ходиться в следующих со­стояниях: замкнутом, располага­ясь в вакуолях (пустотах) между твердыми минераль­ными частицами, окружен­ными пленками связанной воды, свободном, когда га­зы (воздух) соединяются с атмосферой, и, наконец, растворенными в поровой воде.

Наличие пузырьков газов, как замкнутых, так и содержащихся в поровой воде, существенно сказывается на деформируемости грунтов, обусловливая сжимаемость поровой воды и увеличивая упругость грунта.Содержание же свободных газов (воздуха), соединяющихся с атмосферой, особого значения в механике грунтов не имеет, так как они практически не участвуют в распределении давлений меж­ду частицами.

6.Особенности уплотнения песчаных и глинистых грунтов. Компрессионные испытания, обработка результатов.

Для установления основных показателей сжимаемости грунта производят испытания его на уплотнение под нагрузкой в условиях одномерной задачи, когда деформации грунта могут развиваться только в одном направлении и никакие другие силы, кроме внешней нагрузки, не действуют. Опытами (проф. К. Терцаги и др.) было установлено, что для водонасыщенных, но маловодопроницаемых глинистых грунтов каждому приращению внешнего давления соответствует вполне определенное изменение влажности. Зависимость между влажностью и Давлением можно изобразить в виде кривой (рис. 2.2, а), которая носит название компрессионной кривой. Так как для полностью водонасы­щенных грунтов существует законо­мерная связь между влажностью и коэффициентом пористости [зависи­мость (1.7)], то компрессионную кривую (рис. 2.2, а) легко перестро­ить в координатах «коэффициент пористости — давление»Более общим методом построения компрессионных кривых явля­ется метод определения коэффициента пористости по осадкам об­разцов грунта при уплотнении их в компрессионном приборе. Если обозначить:е_н — начальный коэффициент пористости грунта; вычисляется по формулам (1.П и (1.2) и данным удельного веса сухого грунта, влажности и удельного веса частиц грунта;еi— коэффициент пористости грунта при любой ступени нагруз­ки;Si — полная осадка образца при данной нагрузке (pi), измерен­ная от начала загружения;Дя/— изменение пористости грунта (объема пор) от начала загружения;h—начальная высота образца грунта.ei=eн-(1+eн)Si/h –компрессионная зависимостьЕсли ограничиться небольшим изменением давлений (порядке 0,1—0,3 МПа, что обычно и имеет место в основаниях сооружеЯ ний), то с достаточной для практических целей точностью можнЛ принять отрезок прямой к1 компрессионной кривой) за прямую. e_l = e_Q — tgap_l. Тангенс угла наклона отрезка компрессионной кривой к оси давлений tga характеризует сжимаемость грунта в рассматриваемом диапазоне давлений (от р\ до р_й), так как чем больше уголЯ наклона а, тем больше будет и сжимаемость грунта. Эта величина носит название коэффициента сжимаемости грунта и обозначается то, т. е.m₀ = tga. Коэффициент сжимаемости может быть выражен через з или, обозначив р₂—р\ = р (где р — приращение давлений, или так лазываемое действующее давление), будем иметь

6. m₀ = (e_l — e₂)/p_{t т е}. коэффициент сжимаемости равен отношению изменения коэф­фициента пористости к величине действующего давления.Подставляя в уравнение (2.3) вместо tga величину т₀, полу­чим уравнение прямолинейного отрезка компрессионной кривой в видеe_l = e₀—m_Gp_i.Для отрезка к’l’ (рис. 2.5) кривой набухания (разгрузки) точ­но таким же путем получимe'₍₌=e₀-tgz'_Pi, где tg a' — коэффициент набухания.При расчетах осадок уплотнения грунтов часто пользуются так называемым коэффициентом относительной сжимаемости tn_v, равным

m_v=m₀/(\ + e_Q). значения р и е для крайних точек к и I прямолинейного отрезка (рис. 2.5): Закон уплотнения. Уравнение (2.3') описывает изменение коэф­фициента пористости лишь для спрямленного участка компрессионной кривой, поэтому является уравнением приближенным. Если - изменения давлений будут бесконечно малыми, то изменения коэффициента пористости будет строго (точно) пропорциональны изменению давления. Дифференцируя уравнение (2.3'), получим

de = — m_Qdp. Этот закон формулируется следующим образом: бесконечно¹ малое изменение относительного объема пор грунта прямо про­порционально бесконечно малому изменению давления.

При небольших изменениях давлений уравнение (2.6) можно распространить и на конечные изменения величин вир е_г — e_z = m₀ (р2 –р1) Тогда закон уплотнения может быть сформулирован следую­щим образом; при небольших изменениях уплотняющих давлений изменение коэффициента пористости прямо пропорционально из­менению давления. Зависимость между, влажностью, давлением и коэффициентом пористости. Для установления основных показателей сжимаемости грунта производят испытания его на уплотнение под нагрузкой в условиях одномерной задачи, когда деформации грунта могут развиваться только в одном направлении и никакие другие силы, кроме внешней нагрузки, не действуют.При испытании водонасыщенного грунта его поверхность покры­вают слоем воды, что позволяет избежать высыхания грунта в процессе опыта (который длится обычно от нескольких часов до нескольких дней), а следовательно, избежать развития в нем сил капиллярного давления.При испытании грунта на сжимаемость используют приборы с жесткими стенками (одометры) для обеспечения сжатия грунта только в одном направлении (без возможности его бокового рас­ширения, рис. 2.1, а). Подобные граничные условия соответствуют в натуре сжатию отдельного слоя грунта под действием сплошной равномерно распределенной нагрузки (например, веса вышележа­щих слоев грунта, рис. 2.1, б). Нагрузку на поверхность грунта прикладывают отдельными возрастающими ступенями (например, 0,005;0,010; 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4 МПа), так как чем более будет уплотнен грунт предыдущей ступенью нагрузки, тем меньше будут его деформации и требуется большая точность измерений.

7. Какие сущ-т хар-ки сжимаемости грунтов и методы их определения. Как изменяются хар-ки сжимаемости под влиянием внешних воздействий и изменения физич. состояния грунтов.

Сжимаемость грунтов – характернийшее их св-во, и заключается в способности грунтов изменять свое строение(упаковку твердых частиц) под влиянием внешних воздействий (сжимающей нагрузки, высыхания, коагуляции коллоидов и пр.) на более компактное за счет уменьшения пористости грунта.

Уменьшение пористости грунтов при более компактной упаковке частиц происходит как вследствие возникновения некотор. местных сдвигов частиц и соскальзывания более мелких частиц в поры грунта, так(особенно водонасыщенных глинистых грунтов) и вследствие изме нения толщины водно-коллоидных оболочек минеральных частиц под влиянием увеличения давления, высыхания, коагуляции и пр.

На переупаковку частиц влияет ползучесть скелета грунта и оболочек прочносвязанной воды(их также можно относить к скелету грунта), обусловлен. искажением формы кристал- лич. решеток минеральных частиц и медленным вязким течением молекулярных слоев проч- носвязанной воды.

Для полностью водонасыщ. грунтов изменение пористости возможно лишь при изменении их влажности и некоторого внутри-объемного сжатия газовых включений; для неводонасыщ оно может происходить и при сохранении их влажнос ти.

Основной процесс изменения объема грунтов – уплотнение их под нагрузкой, а изменения объема пор дисперсных грунтов при высыхании, а также в рез-те медленных физико-хим. процессов учит. лишь в отдельных исключит. случаях.

Различают уплотняемость грунтов при кратковременном действии динамич. нагрузок (механич)

и уплотнение при длительном действии постоянной статич. нагрузки(компрессию, консолидацию и пр.).

При механич. воздействии вибрационными, трамбующими и подобными механизмами хоро шо уплотняются лишь маловлажн. рыхлые песчаные и неводонасыщ. грунты, имеющие жесткие контакты между минеральн. частицами, которые при этих воздействиях легко нарушаются, что и обуславливает перегруппировку частиц и более плотную их упаковку. В водонасыщ. же песках динамич. нагрузки вызывают значит. напоры в воде, грунт взвеши -вается в некотор. области и при определенных условиях разжижается, растекаясь по большой площади. Однако чем больше внешнее давление на пов-ть, грунта подвергаемого динамич. воздействию, тем менее оно эффективно, т.к. труднее преодолеваются усилия в точках контакта частиц.

В глинистых грунтах возникающие в воде напоры при незначит. их водопроницаемости погашаются на весьма малом расстоянии и разжижения не происходит.

При уплотнении грунтов сплошной постоянной нагрузкой следует рассматр., по крайней ме ре 2 диапазона давлений: 1- когда внешнее давление < прочности структурных связей и 2- когда эти связи преодолены.

В первом случае уплотнения грунтов не происх., т.к. возникающие под действием внешней нагрузки деформации в этом случае будут упругими деформациями структурных связей и грунт будет деф ормироваться как сплошное квазитвердое тело.

Во 2-м случае грунты будут уплотняться значит-но, причем для грунтов с водно-коллоидны- ми связями уплотнение происх. за счет сжатия водно-коллоидных оболочек минеральных частиц с выдавливанием некотор. кол-ва воды, а также и за счет ползучести скелета грунта. Выдавливание же воды для данных глинистых грунтов возможно лишь при напоре, вызыва емом действием внешней нагрузки, большем некоторой начальной величины.

Компрессионное сжатие-- сжатие без возможности бокового расширения.

Колич-ные хар-ки сжимаемости: 1)коэф-т уплотнения или сжатия; 2) модуль осадки;

3)модуль деформации.

В данной хар-ке опред-ся: 1) лабораторными методами в компрессионных приборах для испытания грунта на сжимаемость (одометры, стабилометры);

2) полевые при помощи штампа в скважинах и шурфах; строят график осадки; опред-ют модуль деформации грунта (по уже полученным результатам.)

Схемы компрессионного сжатия грунта

а)в жестком кольце б) при сплошной нагрузке

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Организация работы процедурного кабинета

Области применения синхронных машин

Оптимизация по Винеру и Калману