title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Влияние высоты образца на уплотнение водонасыщенных глинистых грунтов и методика определения ползучести их скелета

Влияние высоты образца на уплотнение водонасыщенных глинистых грунтов и методика определения ползучести их скелета

Автором книги в 1958—1959 гг. был выполнен большой цикл экспериментальных исследований по определению влияния высоты образца на уплотнение ряда достаточно различных по составу и свойствам глинистых грунтов нарушенного сложения текучей консистенции. На одномерное уплотнение в основном испытаны геометрически подобные образцы (h=2 и 6 см, d=7 и 21 см, d/h = 3,5) на малых и больших компрессионных приборах М-2 и М-3, а также образны высотой 1 см при диаметре 7 см. Хотя в последнем случае условие подобия образцов не было соблюдено, но, как было показано выше, это не оказало заметное влияние на результаты опытов.
Образцы высотой 1 и 6 см подвергались ступенчатому нагружению при одностороннем, а высотой 2 см при одностороннем и двустороннем движении отжимаемой из грунта поровой воды. Ступени нагрузки прикладывались к образцам на полную величину без удара за предельно короткое время — «мгновенно». Для примера на рис. 39 показаны начальные участки кривых ползучести суглинка, полученных от действия четырех последовательно приложенных ступеней нагрузки.
Рассмотрение результатов опытов показывает, что на начальной стадии уплотнения кривые ползучести образцов различной высоты значительно расходятся друг от друга, а затем, постепенно (в зависимости от точности опытов) приближаясь, сливаются в одну или располагаются параллельно друг другу. Как правило, по мере возрастания высоты образца и вследствие этого увеличения длины пути фильтрации и замедления процесса отжатия из грунта поровой воды имеет место снижение скоростей уплотнения грунтов, В то же время кривые уплотнения образцов высотой 1 и 2 см при одностороннем и двустороннем отжатии поровой воды практически совпадают в виду равенства длин путей их фильтрации. И поскольку отмеченное выше расхождение между кривыми уплотнения образцов различной толщины связано с масштабным эффектом (обусловленным фактором фильтрации), период времени, в течение которого наблюдается влияние этого эффекта на процесс уплотнения, принято называть (преимущественно в зарубежной литературе) «периодом фильтрационной консолидации».
Условие независимости деформации от высоты образца считается достигнутым, если: 1) кривые уплотнения после периода «фильтрационного уплотнения» t1 совпадают; 2) расхождение между кривыми уплотнения образцов различной высоты не превышает точности измерения деформаций; 3) в силу определенного разброса опытных данных скорости деформирования указанных образцов равны, т. е. имеет место их параллельное расположение. Очевидно, что, начиная с момента сливания или параллельного расположения кривых уплотнения образцов различной высоты, процесс отжатия из грунта поровой воды можно считать практически законченным. Поэтому период времени, в течение которого уплотнение водонасыщенного глинистого грунта не зависит от высоты образца (фактора фильтрации), принято называть периодом нефильтрационной — вторичной консолидации, вязкого сопротивления или ползучести скелета или просто вторым периодом уплотнения.

На рис. 35 и 39 видно, что период «фильтрационной консолидации», t1 подвержен существенному изменению как в зависимости от высоты образца, так и изменяемости состояния плотности-влажности грунта в процессе загружения.
Если для образцов глины 4—57 высотой 1 и 2 см длительность t1 при первой ступени нагрузки равна 4 ч, то для образцов высотой 2 и 6 см — 24 ч. Аналогичная картина резкого изменения длительности «фильтрационного уплотнения» наблюдается и при переходе от одной ступени нагрузки к другой. Например, если i1 на первой ступени нагрузки для этого же грунта (h=1 и 2 см) равна 4 ч, а на второй ступени t1=2—3 ч, то на третьей и четвертой ступенях она едва достигает 30 мин. Такая же картина наблюдается при испытании других грунтов. Очевидно, что уменьшение t1 связано с увеличением плотности грунта и свидетельствует о возрастании доли влияния вторичной консолидации, полностью обусловленной ползучестью скелета.
Для выяснения степени влияния факторов, действующих в процессе уплотнения водонасыщенных глинистых грунтов в период выжимания из них поровой воды, в табл. 7 приведены некоторые значения показателя n, вычисленные по кривым уплотнения, определенным при испытании образцов высотой 2 и 6 см при одном, произвольно взятом значении деформации.

Анализ данных табл. 7 показывает, что в зависимости от свойств испытанных грунтов показатель n на первых двух ступенях нагрузки колеблется в пределах от 0,4 до 2,0. Из этого следует, что с самого начала процесса уплотнения ползучесть водонасыщенного грунта в целом обусловлена влиянием двух основных факторов — фильтрации и ползучести скелета (табл. 8). Игнорирование влияния ползучести скелета на процесс уплотнения в так называемом «периоде фильтрационного уплотнения» может стать причиной значительных погрешностей и несоответствия теории эксперименту. Именно поэтому период влияния масштабного эффекта на процесс уплотнения является периодом совместного действия факторов фильтрации и ползучести скелета и его следует называть первым периодом уплотнения (объемной ползучести) t1. Следовательно, при рассмотрении вопросов длительного уплотнения водонасыщенных глинистых грунтов следует решить смешанную задачу теории уплотнения в постановке В.А. Флорина при обеспечении надлежащих начальных и краевых условий.
Для определения ползучести скелета, т. е. выделения ползучести скелета из общего процесса деформирования, следует стремиться к предельно возможному уменьшению первого периода уплотнения. Для этого целесообразно идти по пути уменьшения толщины испытываемого образца. Тогда выбор методики определения ползучести скелета сведется к определению оптимальной высоты образца, которая обеспечит пренебрежимо малое влияние фактора фильтрации и минимальное нарушение природного сложения грунта при его вырезке из монолита.

Из табл. 8 видно, что t1 предварительно неуплотненных образцов глинистых грунтов нарушенного сложения толщиной 2 см для первых ступеней нагрузки, равных (за исключением грунта 2—57) 0,025 МПа, колеблется в пределах от 1 до 4 ч, а деформации составляют еc1=13,3—89% от полных при данной продолжительности испытания Если исключить из рассмотрения результаты, соответствующие минимальному значению бытового давления — 0,05 МПа, то вместо приведенных выше цифр будем иметь t1=0,25/2 ч; еc1=22,0/48,1%. Если также учесть, что опыты выполнены при одностороннем отжатии из образцов поровой воды, то при двустороннем отжатии последней величины t1 и еc1, соответственно уменьшатся в четыре и два раза. Имея в виду, что первый период уплотнения в значительной степени обусловлен ползучестью скелета (nm < 1), доля влияния фактора фильтрации будет пренебрежимо малой. Поэтому с достаточным основанием можно считать, что с самого начала испытания образцов высотой 2 см, предварительно уплотненных бытовым давлением о1,0 = 0,05 МПа, практически уплотнение полностью обусловлено ползучестью скелета грунтов.
Очевидно, что если в указанных выше наиболее неблагоприятных для эксперимента условиях ползучести скелета глинистых грунтов можно определить испытанием образцов высотой 2 см при двустороннем отжатии поровой воды, то ползучесть скелета всех их других разновидностей (независимо от сложения, состояния влажности и плотности) можно определить испытанием образцов таких же размеров при тех же условиях дренирования. Более того, когда степень влажности малосжимаемых и среднесжимаемых глинистых грунтов Sr < 0,95, а сильносжимаемых Sr < 0,8, то при определении ползучести скелета в пределах обычно действующих нагрузок (0,3—0,5 МПа) высоту испытываемого образца можно не ограничивать. В этом случае деформация ползучести скелета тождественно равна ползучести образца в целом.
Вопросы влияния высоты образца на одномерное уплотнение водонасыщенных глинистых грунтов изучались также А.Г. Соколовым в 1958 г., Е.И. Медковым в 1960 г., H.Н. Масловым и Ле Бa Лыонгом в 1972 г. В работе А.Г. Соколова рассмотрены результаты испытания тяжелой супеси, диатомитовой и бентонитовой глин. Результаты опытов и сделанные по ним А.Г. Соколовым выводы полностью совпадают с выводами автора книги и тем самым подтверждают их правильность. В этой работе опыты выполнены без соблюдения условия геометрического подобия образцов различной высоты и не приведены данные о величине и изменяемости показателя консолидации грунтов в процессе уплотнения.
Е.И. Медковым в 1960 г. проведено много серий испытаний образцов различной высоты пластичных и сыпучих грунтов. В каждой серии опытов испытаны по три образца диаметром 5,5 см при высоте 2,75; 5,5 и 11,0 см, а по полученным результатам определены показатели консолидации n и произведена проверка справедливости соотношения (3.42) для этих грунтов. По значениям n, вычисленным для двух ступеней нагрузки для образцов, испытанных при одностороннем дренаже и величине степени уплотнения U = 90%, установлено (табл. 9), что n=/=const, а его предельное значение может быть и больше двух.

Выводы Е.И. Медкова об изменяемости показателя п по мере уплотнения глинистых грунтов полностью согласуются с ранее полученными результатами, изложенными выше, однако согласиться с тем, что его величина может быть больше двух, никак нельзя. Ни один из специалистов, который занимался определением показателя консолидации водонасыщенных глинистых грунтов, не получал для n величину, большую двух. Надо полагать, что на полученные Е.И. Медковым результаты повлияло несоблюдение условия геометрического подобия образцов различной высоты и в связи с этим их избыточное боковое трение о резиновую оболочку стабилометра его конструкции. В его работах не приводятся данные, позволяющие судить о величинах указанных погрешностей.
H.Н. Маслов и Лe Ba Лыонг в 1972 г. исследовали изменяемость показателя консолидации п образцов различной высоты (h = 4,2; 6,3, 8,3 и 10,7 см при F = 60 см2) четырех глинистых грунтов нарушенного сложения текучепластичной консистенции в зависимости от влажности. Для определения n ими использованы данные о временах t1, t2 и т. д., достижения образцов высотой h1, h2 и т. д. заданного значения влажности. Установлено, что под действием o1 от 0,05 до 0,1 МПа показатель n изменяется в пределах 2 > n > 0 (n=2 при текучепластичной, n=0 при твердой консистенции) в зависимости от показателя консистенции а, по H. Н. Маслову (а=1—В, где В — показатель консистенции по СНиП 11-15-74). Эти данные еще раз подтвердили полученные ранее другими учеными результаты о зависимости показателей n и t1 водонасыщенных глинистых грунтов от изменяемости их состояния в процессе уплотнения и неточность полученных Е.И. Медковым значений для n.
Для определения продолжительности первого периода уплотнения t1, деформаций фильтрационного уплотнения и ползучести скелета С.А. Роза и А.И. Котов в 1956 г. замерили избыточные давления в поровой воде водонасыщенных глинистых грунтов нарушенного сложения гидроаэростатическими манометрами при испытании образцов диаметром 50 см в условиях одностороннего дренирования (табл. 10).

Экспериментами установлено (табл. 11), что при последовательном загружении образцов ступенями нагрузки порядка 0,05 МПа изменяется коэффициент передачи давления на поровую воду. Наибольшее значение этого коэффициента (около единицы) соответствует первой, а наименьшее — последней ступени нагрузки (0,2 для грунта 2; 0,42 — для грунта 4). Установлено также, что срабатывание избыточных напоров в порах образцов происходит медленнее теоретического, а продолжительность «фильтрационного уплотнения» является функцией плотности грунта.

Определению t1 посвящены также работы В.М. Павилонского и В. П. Сипидина, выполненные соответственно в 1959 и 1960 гг.
По данным В.М. Павилонского, при нарастании давлений ступенями, величины которых в разных опытах равны 0,187; 0,2; 0,379; 0,561 и 0,74 МПа (после предварительного уплотнения нагрузками 0,025—0,1 МПа), время затухания избыточного давления в поровой воде образцов грунта нарушенного сложения при одностороннем дренировании изменяется в пределах 3—5 ч. Несколько большие значения t1, по сравнению с данными автора книги, можно объяснить частичным или полным разрушением структуры испытанного грунта под действием достаточно больших нагрузок. Для определения t1 В.И. Сипидиным использован метод фиксации момента времени резкого падения скоростей деформации и избыточного давления в поровой воде.
К сказанному выше добавим, что при небольшой структурной прочности грунта его загружение большими ступенями нагрузки способствует сокращению сроков затухания порового давления вследствие высокого значения последнего и лавинного разрушения структуры.
В заключение отметим, что Д. Тейлор и А. Казагранде предложили методы для определения коэффициентов фильтрации k и консолидации Cv (3.35) по результатам компрессионных испытаний образцов водонасыщенных глинистых грунтов.
Суть указанных методов заключается в том, что из экспериментальной кривой деформация — время, построенной в координатах деформация — корень квадратный из времени или деформация — логарифм времени, выделяются участки «фильтрационной» консолидации. Для определения Cv и k в соотношение (3.41) вводится следующее обозначение:

Из (4.3) с учетом (3.35) получаются следующие формулы для определения Cv и k:

где Tv — коэффициент времени (безразмерный), определяемый по теоретической зависимости U=U (Tv); h — половина толщины испытываемого грунта при двусторонней фильтрации; t — время, соответствующее степени консолидации U; остальные обозначения имеют прежние значения.
Для определения времени t Д. Тейлор пользуется величиной деформации, соответствующей 90% первичной консолидации (T90=0,848). Принимая, что из-за явлений вторичной консолидации теоретическая и экспериментальная кривые деформаций совпадают до U = 60% для определения t А. Казагранде пользуется величиной U = 50% (750=0,197). Начало и конец, следовательно, и продолжительность «фильтрационной» консолидации определяются разными методами.
Как было показано выше, при испытании на компрессию стандартных образцов высотой 2 см в условиях двустороннего дренирования процесс длительного деформирования под действием нагрузок, превосходящих бытовое давление, практически полностью обусловлен ползучестью скелета. Поэтому определение k и Cv по соотношениям, полученным из фильтрационной теории консолидации, является совершенно необоснованным и ошибочным.

title-icon Подобные новости