title-icon
Яндекс.Метрика
» » Теория фильтрационного уплотнения (консолидации) К. Терцаги

Теория фильтрационного уплотнения (консолидации) К. Терцаги

В теории уплотнения слоя глинистого грунта под действием равномерно распределенной нагрузки p1 (рис. 31), в основу которой положены определенные по компрессионной кривой зависимость между нормальным напряжением и коэффициентом пористости (3.8) коэффициент фильтрации k, принимается.

1) условие полного водонасыщения грунта до состояния «грунтовой массы» и несжимаемости последней;
2) однородность и изотропность грунта;
3) линейная зависимость между нормальным напряжением о1 и коэффициентом пористости е (3.8);
4) возможность одностороннего или двустороннего (см. рис. 31) оттока отжатой из слоя грунта поровой воды (наличие дренажа у нижней и верхней поверхностей слоя);
5) применимость закона ламинарной фильтрации Дарси (3.31) о прямой пропорциональности скорости движения v свободной воды по порам грунта к разности напоров H1—H2 и обратной пропорциональности к длине пути фильтрации l.

где i — градиент напора (гидравлический уклон);
6) неизменяемость в процессе уплотнения грунта коэффициента фильтрации k = const и среднего значения коэффициента пористости еm.
В теории Терцаги в силу несжимаемости грунтовой массы внешняя нагрузка в момент приложения t=0 полностью воспринимается поровой водой, а затем, по мере ее отжатия из пор, она постепенно (во времени) передается на мгновенно линейно-деформируемый скелет грунта. Следовательно, уплотнение грунтовой массы возможно только при отжатии поровой воды, а длительность ее деформирования зависит только от скорости фильтрации. Тогда в любой момент времени t, на любой глубине г слоя (см. рис. 31) внешняя нагрузка складывается из эффективного давления o1, возникающего в скелете грунта,, и избыточного давления в поровой воде uw, называемого нейтральным давлением

По мере возрастания эффективного давления имеет место постепенное уплотнение скелета грунта, а гидростатическое нейтральное давление не участвует в этом процессе.
При принятых условиях дифференциальное уравнение уплотнения слоя водонасыщенного глинистого грунта, вследствие фильтрации поровой воды под действием внешней нагрузки, для любых деформационных свойств скелета записывается в следующем виде:

Используя выражение (3.8) и условие (3.32), соотношение (3.33) принимает следующий вид:

где mv = mc/1+em — коэффициент относительной сжимаемости.
Вводя обозначение

выражение (3.34) получает следующий окончательный вид:

где Cv — коэффициент фильтрационной консолидации.
Решение дифференциального уравнения (3.36) при удовлетворении начальным и граничным условиям (3.37)

определяется выражением избыточного давления в поровой воде слоя грунта толщиной 2h (см рис. 31):

Учитывая, что согласно (3 2) уменьшение толщины слоя грунта на величину dS = Ahc под действием эффективного давления j1 = p1 — uw с учетом (3.8) примет вид

осадку слоя Л, залегающего на водонепроницаемом основании, во времени S(t) определяем по соотношению

а учитывая (3.38), из (3.40) получим

При t = 00 uw = 0 p = o1 и поэтому выражение (3.41) совпадает с соотношением конечной осадки слоя (3.39).
Из (3.41) получается весьма важное соотношение, связывающее между собой длительности уплотнения t1 и t2 слоев грунта различной толщины h1 и h2:
Теория фильтрационного уплотнения (консолидации) К. Терцаги

Рассмотрение теории фильтрационного уплотнения К. Терцаги в свете современных представлений о природе прочности и деформации глинистых грунтов выявляет очевидную неточность и недостаточную строгость ее основных исходных положений. Теория фильтрационного уплотнения игнорирует свойство ползучести скелета, которое (наряду с фактором фильтрации) оказывает решающее влияние на весь процесс деформации грунта во времени и поэтому не случайно, что первые же проверки теории показали ее несоответствие эксперименту.
Анализ экспериментальных данных по уплотнению образцов глинистого грунта различной высоты (1 и 4 см) позволил Г.И. Покровскому в 1938 г. показать, что длительности протекания их деформаций мало отличаются друг от друга — высота образца практически не влияет на продолжительность уплотнения. Этот экспериментальный факт, который в дальнейшем получил подтверждение в работах многих ученых, находится в полном противоречии с приведенными выше положениями теории,
Несоответствие теории эксперименту было показано также в работе Д. Тейлора и В. Мерчанта путем сопоставления экспериментальных и теоретических кривых деформация — время. Ими было установлено, что начиная с некоторого значения коэффициента пористости наблюдается возрастающее расхождение между указанными кривыми.
Из всего вышеизложенного следует, что длительность уплотнения слоя водонасыщенного глинистого грунта (ползучесть в целом) обусловлена двумя основными факторами: фильтрацией поровой воды и структурными и структурно-адсорбционными деформациями, названными Д. Тейлором и В. Мерчантом вторичной консолидацией, а В.А. Флориным — ползучестью скелета. Выражаясь словами H.Н. Маслова (1955 г.), «при деформации водонасыщенного глинистого грунта всегда имеет место конкурентная борьба: а) сопротивляемости прохождения через толщу воды, отжимаемой из нее под нагрузкой (фактор коэффициента фильтрации, k) и б) сопротивляемости деформации уплотнения породы за счет внутренних водно-коллоидальных связей (фактор вязкости). Под фактором вязкости понимается то сопротивление, которое препятствует перемещению частиц в породе».
В зависимости от прочности структурного каркаса приложенная к грунту внешняя нагрузка может быть полностью воспринята как скелетом, так и поровой водой. Когда грунт обладает достаточно высокой структурной прочностью, а величина нагрузки не превышает ее предельного значения o1,str, то вся внешняя нагрузка будет воспринята его скелетом. Если же внешняя нагрузка превышает указанный предел, то в зависимости от степени разрушения начальной структуры грунта эта нагрузка в момент приложения будет воспринята поровой водой частично или полностью. В первом случае скорость передачи нагрузки на поровую воду будет зависеть от скорости разрушения структуры грунта.
Эксперименты показывают, что в отличие от схемы Д. Тейлора и В. Мерчанта, факторы фильтрации и ползучести скелета водонасыщенного глинистого грунта действуют совместно с самого начала процесса его уплотнения. При этом протекающая во времени деформация уплотнения выражается некоторой интегральной кривой, названной автором книги кривой ползучести грунта в целом.
Резюмируя изложенное, можно заключить, что теория фильтрационного уплотнения К. Терцаги соответствует одному из частных, сравнительно мало встречаемых в природе, случаев. Поэтому при решении задач уплотнения водонасыщенных глинистых грунтов, быть может за исключением отдельных случаев, учет ползучести (кроме других факторов) является обязательным.

title-icon Подобные новости