Одновременное уплотнение глинистых грунтов

Сжимаемость (деформация объема) является одной из основных особенностей глинистых грунтов, которая играет исключительно важную роль в формировании их прочностных и деформационных свойств во времени под действием уплотняющих напряжений и имеет первостепенное значение для расчета оснований и земляных сооружений по второму предельному состоянию — по предельным деформациям (осадкам).
В силу пористости сжимаемость глинистых грунтов в основном обусловлена уплотнением, вызванным сближением и лучшей упаковкой минеральных частиц и агрегатов. Поскольку сжимаемость минеральных частиц очень мала — в десятки тысяч раз меньше изменения пористости — и не оказывает заметного влияния на сжимаемость грунта в целом, ею обычно пренебрегают. Очень мала и сжимаемость газонесодержащей поровой воды. Поэтому грунт, поры которого полностью занолнены газонесодержащей водой при обычно встречаемых на практике нагрузках и отсутствии дренажа (закрытая система) практически несжимаем. Из этого следует, что для уплотнения грунтовой массы (двухфазной системы скелет —вода) необходимо отжатие поровой воды, требующее определенного времени. Однако, когда поры грунта содержат некоторое количество свободного или защемленного в поровой воде пузырьков газа (воздуха), принцип несжимаемости грунтовой массы теряет свою силу. В таком случае грунт может уплотняться во времени и без удаления из пор воды — только за счет, ползучести скелета и легкого сжатия газообразной фазы.
Уплотнение глинистых грунтов всегда протекает в условиях сложного напряженного состояния. Вместе с тем природных условиях, в зависимости от мощности сжимаемой толщи и вида ее загружения, уплотнение грунта может быть как простым, так и сложным. В случае простого деформирования грунт сжимается только в направлении действия наибольшего главного нормального напряжения о1 (рис. 20, a), a в случае сложного деформирования — в двух или трех направлениях. Простое ,деформирование называется одномерным или уплотнением (сжатием) в условиях отсутствия бокового расширения под действием сплошной равномерно распределенной нагрузки р. С определенным приближением к одномерному уплотнению можно отнести также сжатие грунтовой толщи, когда ее мощность в два и более раза меньше наименьшего размера подошвы фундамента.

Одномерное уплотнение грунта в лабораторных условиях моделируется сжатием образца (с соотношением диаметра к высоте более трех) в жестком рабочем кольце прибора (см. рис. 20, б), называемом компрессионным одометром или прибором одномерного уплотнения, а само испытание — компрессией. Компрессионные испытания, которые введены в лабораторную практику К. Терцаги, являются одним из самых простых и безупречных экспериментов механики грунтов, результаты которых в соответствующих условиях находят непосредственное применение для расчета осадок сооружений. В силу изложенного выше, компрессионные испытания имеют исключительно широкое применение в лабораторной практике, а их результаты служат основой для получения характеристик сжимаемости грунтов — закономерностей их уплотнения с учетом практически всех природных и внешних факторов. Этими испытаниями определяют также коэффициенты фильтрации грунта, бокового давления и Пуассона в пределах линейных деформаций в различных состояниях его плотности р.
Одномерное уплотнение, как и уплотнение глинистых грунтов вообще, является длительно протекающим процессом, завершающимся полной стабилизацией деформаций. Эти деформации представляют большой теоретический и практический интерес, а их определение является одной из основных проблем механики и реологии глинистых грунтов. Большой интерес к этому вопросу вызван, во-первых, важностью прогноза длительно протекающих осадок и прочности оснований различных инженерных сооружений, ядер плотин из грунтовых материалов и т. д., а во-вторых, необходимостью определения изменяемости во времени напряженно-деформированного состояния элементов конструкций инженерных сооружений, взаимодействующих с грунтовым основанием.
Уплотнение глинистых грунтов представляет собой весьма сложное явление. He вдаваясь в природу этого явления, отметим только, что оно обусловлено многими природными и внешними факторами. К числу важнейших природных факторов относятся минеральный и гранулометрический составы, влажность, плотность, структурная прочность, характер связей между частицами и агрегатами, водопроницаемость, просадочность и набухаемость при дополнительном увлажнении, усадка при высыхания и т. д. и их изменчивость во времени под действием внешних факторов — величины, скорости, способа приложения и длительности действия нагрузок, температуры, увлажнения, высыхания, выветривания и т.д. Вопросы влияния ряда факторов на реологическое поведение глинистых грунтов вообще и при их одномерном уплотнении в частности будут подробно изложены в соответствующих главах этого раздела книги.
Длительно протекающая деформация одномерного уплотнения еc (0 скелета глинистых грунтов (как и всех других реальных тел), возникающая под действием постоянной нагрузки o1, складывается из мгновенной компрессионной деформации есо и деформации компрессионной ползучести sсt (см. рис. 1):

В реологии глинистых грунтов закономерности мгновенных и ползучих деформаций, как обычно, исследуются раздельно с учетом перечисленных выше факторов.
Одномерное уплотнение (сжатие, деформация объема) при загружении и разуплотнение (набухание, обратимая объемная деформация) при разгрузке грунтов вообще и глинистых в частности впервые исследованы К. Терцаги в целях расчета деформации (осадок) сооружений. Используя результаты компрессионных испытаний водонасыщенных глинистых грунтов и методику термодинамической аналогии, он впервые сформулировал и решил одномерную задачу их уплотнения в виде слоя конечной толщины, положив тем самым начало разработке теории уплотнения, получившей в дальнейшем название классической, или фильтрационного уплотнения (консолидации). Теория К. Терцаги, которая была разработана для прогноза длительных осадок сооружений, была названа фильтрационной потому, что причиной длительного деформирования слоя водонасыщенного глинистого грунта считался только фактор отжатия — фильтрации поровой воды под действием внешней нагрузки, а скелет рассматривался как линейно-деформируемое тело, обладающее свойством мгновенного деформирования.
В дальнейшем теория фильтрационного уплотнения была развита трудами советских и зарубежных ученых Н.М. Герсеванова, В.А. Флорина, Д.Е. Польшина, С.А. Роза, Ю.К. Зарецкого, Л.В. Горелика, Л. Рендулика, Н. Карилло, М. Био, Т. Менделя и многих других. Были рассмотрены и решены одно-, двух- и трехразмерные задачи уплотнения с учетом различных факторов — условий загружения, наличия газа в поровой воде, изменяемости коэффициентов пористости, фильтрации и т. д.
В начале 30-х годов Г.И. Покровский, К. Бюиссман, Г. Грей, а еще позже Н.Я. Денисов и др. показали, что длительность уплотнения водонасыщенных глинистых грунтов зависит не только от скорости отжатия поровой воды, но и от «перемещения и различных деформаций скелета» (по определению Г.И. Покровского). В связи с этим Г.И. Покровский в 1933 г. рассмотрел задачу об определении осадки фундамента во времени исходя из второго начала термодинамики (принцип Больцмана) и получил логарифмическое выражение, близкое к эмпирической формуле Д.Е. Польшина. К. Бюиссман, на основании длительных опытов (до 500 дней), предложил эмпирическую зависимость в виде логарифмической функции, устанавливающую связь между величиной сжатия слоя грунта и временем. В 1948—1953 гг, были опубликованы работы, посвященные уточнению формулы К. Бюиссмана.
Первую попытку пересмотра классической теории и решения одномерной задачи уплотнения водонасыщенных глинистых грунтов с учетом вторичной консолидации — длительной деформации скелета предприняли Д. Тейлор и В. Мерчант в 1940 г. Работа Д. Тейлора и В. Мерчанта положила начало развитию нового направления теории уплотнения — теории вторичной консолидации (уплотнения). Деформация скелета в этой теории считалась вторичной потому, что она является продолжением первичной — фильтрационной консолидации.
Оригинальную методику для инженерного решения рассматриваемой проблемы предложил Н.Н. Маслов. Для определения длительной деформации слоя глинистого грунта он использовал показатель консолидации теории фильтрационного уплотнения в качестве коэффициента масштабного фактора для перехода от лабораторных опытов к натуре.
Основанием дальнейшего наиболее существенного развития теории уплотнения явились опубликованные в 1953 г. работы В.А. Флорина, которые положили начало новому направлению — теории уплотнения пористой ползучей водонасыщенной земляной среды. В ней принято условие совместного действия (с самого начала уплотнения) факторов фильтрации и ползучести скелета, протекающих в соответствии с линейной теорией наследственной ползучести стареющих материалов. Справедливость такого подхода к рассматриваемому вопросу в дальнейшем была подтверждена многими экспериментальными исследованиями.
Труды В.А. Флорина послужили основой для выполнения экспериментальных исследований по проверке главных предпосылок теории уплотнения — по определению характера изменяемости порового давления во времени, распределению внешней нагрузки между скелетом грунта и поровой жидкостью, определению закономерностей ползучести скелета, большого цикла теоретических работ в новом, наиболее прогрессивном направлении теории уплотнения с учетом самых различных, ранее не учитываемых, но реально существующих факторов, и решения задач, связанных с взаимодействием элементов инженерных сооружений с ползучим грунтовым основанием. Во всех этих работах ползучесть скелета глинистых грунтов описывается линейными или неленейными уравнениями теорий наследственной ползучести твердых тел.
Вопросы уточнения теории уплотнения глинистых водонасыщенных грунтов, относительно учета ползучести их скелета стали предметом исследования и зарубежных ученых. В большинстве случаев они исходили из основных положений теории вторичной консолидации. В этих работах для аппроксимации деформаций вторичного уплотнения использовались самые различные известные или предложенные авторами линейные и нелинейные реологические модели для деформации скелета, а также интегральные уравнения Больцмана—Вольтерра теории наследственной ползучести.
Работы В.А. Флорина и М. Био, опубликованные в 1938 и 1941 гг., подняли теорию уплотнения на новую ступень развития. В частности, В.А. Флорин в 1938 г. предложил более общую модель трехфазного грунта — расчетную «модель объемных сил» в виде двух совмещенных сред — мгновенно- и линейно-деформируемого скелета с защемленными пузырьками газа и поровой воды. В этой модели взаимодействие между фазами осуществляется в виде соответствующих объемных сил, обусловленных явлением взвешивания скелета и газа в воде и сопротивления относительному перемещению скелета грунта и поровой воды (фильтрационные силы).
В расчетной модели «объемных сил» деформация скелета грунта представляется в виде двух инвариантных законов — деформации формоизменения и деформации объема. Это позволяет теорию легко распространить на случаи плоской и пространственной задач уплотнения, для решения которых используются уравнения равновесия и совместимости Бельтрами—Митчела и основное уравнение трехмерной консолидации, справедливое для любых свойств скелета. Используя эту расчетную модель, В.А. Флорин в 1948 г. рассмотрел плоскую и пространственную задачи мгновенного приложения внешней нагрузки на грунт и показал, что при u = 0,5 полученные результаты совпадают с результатами решения по модели Терцаги — Герсеванова. М. Био в 1941 г. дал общую постановку и основные системы уравнений теории уплотнения и ряд решений
Расчетная модель объемных сил Флорина — Био получила в 1957—1958 гг. развитие в работах Тан Тьенг-ки, который впервые использовал реологическую модель максвеллова тела для описания деформации вторичного уплотнения, Т. Менделя и др. Эта расчетная модель получила новое толкование в работах Ю.К. Зарецкого, который рассмотрел задачи уплотнения двух- и трехфавных грунтов с учетом ползучести скелета, сжимаемости поровой жидкости и изменяемости суммарного поля напряжений в грунте и т. д. Решения, полученные по этой расчетной модели для задач одномерного уплотнения, совпадают (при соответствующих исходных предпосылках) с аналогичными решениями теорий К. Терцаги и В.А. Флорина.