title-icon
Яндекс.Метрика
» » Характеристика изменяемости избыточного давления в поровой воде и показателя одновременной консолидации

Характеристика изменяемости избыточного давления в поровой воде и показателя одновременной консолидации

При уплотнении водонасыщенных глинистых грунтов в условиях одномерного уплотнения В.М. Павилонским в 1959 г., Я.Л. Коганом и в 1960 г. В.П. Сипидиным был обнаружен экстремальный характер изменяемости во времени избыточного давления в поровой воде. Аналогичные результаты в дальнейшем были получены Р.А. Спенсом и Т.Е. Глинном, Р.В. Витманом и др. Были высказаны и сомнения относительно этого явления. Чтобы проверить справедливость экстремального характера изменяемости порового давления, автором книги использованы результаты испытания образцов различной высоты и построенные на их основе кривые изменяемости показателя консолидации т в зависимости от степени уплотнения первого периода деформирования U* (U* = ect/ec, где еc — конечная деформация периода t1).
На примерах испытания суглинка, диатомитового грунта и ново-швейцарской глины проследим за изменением показателя n с самого начала загружения образцов высотой 2 и 6 см, результаты которых были рассмотрены ранее.

В качестве примера на рис. 41 показаны кривые изменяемости во времени степени уплотнения, в табл. 12 приведены данные опытов и расчет показателя n для различных состояний диатомитового грунта, а на рис. 42 — кривые n = n(U*) трех указанных выше грунтов. Анализ данных, приведенных в табл. 12, а также графики на рис. 42 не оставляют сомнения в экстремальном характере изменяемости показателя n в зависимости от степени уплотнения и тем самым полностью подтверждают правильность полученных ранее результатов об экстремальном характере изменяемости порового давления. Как и следовало ожидать, по мере уплотнения грунтов наблюдается существенное уменьшение п, что свидетельствует об уменьшении доли влияния фактора фильтрации и возрастании роли ползучести скелета в первом периоде деформирования. Обращает на себя внимание и тот факт, что в ряде случаев в самом начале загружения процесс уплотнения водонасыщенных грунтов протекает без заметного повышения давления в поровой воде (n=0).

Экстремальный характер изменяемости избыточного давления в поровой воде uw и вследствие этого показателя консолидации n всецело обусловлен отношением внешней нагрузки к величине структурной прочности грунта. Если бы ступени нагрузки были значительно выше структурной прочности испытанных грунтов, повышение порового давления до максимума протекало бы практически мгновенно. Следовательно, в зависимости от указанного выше отношения и содержания газа в поровой воде уплотнение грунта может протекать с «мгновенным» повышением порового давления до максимума, при экстремальном характере изменяемости этого давления или же при его практически нулевом значении — полностью за счет ползучести скелета. Время, необходимое для достижения поровым давлением наибольшего — пикового значения, обусловлено структурной прочностью и скоростью ползучести скелета. В случае испытания грунта в условиях закрытой системы — без возможности отжатия из грунта поровой воды — поровое давление после достижения некоторой величины остается постоянным в течение всего эксперимента.

Таким образом, сомнения некоторых специалистов относительно экстремального характера изменяемости избыточного давления в поровой воде водонасыщенных глинистых грунтов не имеют основания. Результаты, изложенные в работах упомянутых выше авторов, не только не расходятся, во всяком случае качественно, с современными представлениями о природе уплотнения водонасыщенных глинистых грунтов, но еще раз показывают их справедливость. Погрешности в опытах В.П. Сипидина и др. безусловно, имелись, однако они не были настолько значительными, чтобы изменить качественную картину характера изменяемости порового давления.
При всех равных условиях содержание газа, даже в небольшом количестве (которое имеется во всех природных водонасыщенных глинистых грунтах), вводит свои коррективы в процесс уплотнения. В одном случае оно становится причиной значительного снижения или возникновения пика порового давления, а в другом — уплотнения водонасыщенного грунта без удаления поровой воды.
В связи с изложенным выше представляет определенный интерес исследование отжатия поровой воды и изменяемости степени водонасыщения из стандартных образцов разданской (ps = 2680 кг/м3; w0 = 0,424; Ip = 0,18) и часовъярской глин (ps = 2650 кг/м3; w0 = 0,635; Ip = 0,379), выполненное автором совместно с Э. М. Маркарян, Образцы в состоянии пасты текучей консистенции были подвергнуты предварительному уплотнению под действием р1,0 = 0,1; 0,224; 0,4 и 0,8 МПа в течение 41—60 дней. Под действием указанных нагрузок образцы-близнецы уплотнены по четыре, из которых два использованы для определения основных показателей физических свойств после стабилизации деформаций от действия p1,0, а два — для определения этих же показателей после приращения нагрузок на 0,1 МПа
Эксперименты показали, что независимо от состояния, после приложения нагрузки 0,1 МПа, влажность образцов разданской глины практически не изменилась, а степень водонасыщения не достигла величины Sr=1 (табл. 13).

Уплотнение высокопористой слабой часовъярской глины протекало с некоторым отжатием поровой воды. Поскольку и в этом случае степень водонасыщения не достигает величины Sr=1, следует полагать, что отжатие поровой воды имело место из зон, примыкающих к торцевым поверхностям образцов.
Описанные эксперименты полностью доказали возможность уплотнения газосодержащего водонасыщенного глинистого грунта без отжатия поровой воды. Очевидно, что в этом случае процесс уплотнения протекает без участия фактора фильтрации.
В смысле учета влияния защемленного в водонасыщенном глинистом грунте газа на процесс его уплотнения представляет особый интерес полученное В.А. Флориным решение задачи одномерного уплотнения слоя рассматриваемого грунта без учета ползучести скелета. Дифференциальное уравнение уплотнения вследствие отжатия поровой воды и сжимаемости газа представлено следующим приближенным выражением:

где bm — среднее значение коэффициента сжимаемости объема газа.
Задача одномерного уплотнения сведена к решению уравнения

При решении задачи в качестве одного из начальных условий принято равенство объемной деформации скелета и объемного сжатия газа при t = 0. В этих условиях внешняя нагрузка в момент приложения в отличие от (3.77) частично передается на скелет, а частично на норовую воду. Установлено, что при трехпроцентном содержании защемленного газа в малосжимаемом глинистом грунте (mc = 0,05, 1/МПа) воспринимаемое поровой водой давление составляет всего 20% от внешнего уплотняющего давления р1 = 0,3 МПа.
Экстремальный характер изменяемости избыточного давления в поровой воде водонасыщенного глинистого грунта при Sr=1 впервые теоретически был изучен в 1961 г. H.Н. Веригиным при решении задачи одномерного фильтрационного уплотнения глинистого грунта без учета ползучести скелета. Уравнение (3.36) указанной теории решено при условии полной передачи внешней нагрузки к скелету грунта в момент ее приложения uw(z, t = 0) = 0. Аналогичные результаты получены в 1965 г. Л. Барденом при решении задачи уплотнения не полностью водонасыщенного (трехфазного) глинистого грунта (Sr > 0,9) без учета ползучести скелета. Им теоретически установлены экстремальный характер изменяемости во времени избыточного давления в поровой воде нормально уплотненного озерного мела при Sr=0,92 и 0,96 и зависимость его пикового значения от толщины уплотняемого слоя. Показано, что при изменении толщины слоя от 0,01 до 10,0 м пиковое значение порового давления возрастает на порядок.
Задача одномерного уплотнения трехфазного грунта с учетом ползучести скелета рассмотрена А.Л. Гольдиным в 1965 г. Используя основное дифференциальное уравнение трехфазного грунта в форме записи В. А. Флорина (4.6), а также учитывая (3.62) и (3.71) при Emc,i = mc,1 получено следующее уравнение одномерного уплотнения с учетом ползучести скелета:

Из решения (4.9) при соблюдении соответствующих граничных и начальных условий (в том числе при uw(z, t — 0) = 0) получено выражение избыточного давления в поровой воде, из которого следует экстремальный характер ее изменяемости во времени.
Поставленную В.А. Флориным задачу об одномерном уплотнении слоя водонасыщенного глинистого грунта при одновременном учете сжимаемости газосодержащей поровой воды и наследственной ползучести скелета (3.64) также решил в 1965 г. З.Г. Tep-Мартиросян. Соотношение (3.69) в предположении Ks = 00, k = const записано в следующем виде:

а с учетом (3.64) и (3.67) получено уравнение уплотнения

где aw = 1/Kw — коэффициент объемного сжатия поровой воды; Vw — рассматриваемый объем жидкости; рa — атмосферное давление.
Решением (4.11) получено выражение порового давления, из которого также следует экстремальный, характер изменяемости последнего во времени (рис. 43).
З.Г. Тер-Мартиросяном выполнено сопоставление кривой изменяемости порового давления, замеренного при уплотнении образца (h = 4 см) саратовской глины нарушенного сложения при p1 = 0,2 МПа, и кривой, построенной по полученному из решения задачи выражению. На рис. 43 видны хорошая сходимость теории с экспериментом, а также количественное и качественное расхождение эксперимента с решением теории фильтрационной консолидации К. Терцаги. Наблюдается расхождение также между решением задачи уплотнения с учетом ползучести скелета (без учета сжимаемости газа), полученного В.А. Флориным и З.Г. Тер-Мартиросяном. Решение последнего практически совпадает с теорией фильтрационного уплотнения, из чего следует, что. ползучесть скелета практически не влияет на величину порового давления. Это противоречие между решениями одной и той же задачи, полученными В.А. Флориным и З.Г. Тер-Мартиросяном, на основании изложенного выше можно объяснить большой величиной уплотняющей нагрузки, существенно превосходящей структурную прочность саратовской глины нарушенного сложения, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Очевидно, что при небольших ступенях нагрузки величина вычисленного по полученному соотношению давления в поровой воде в момент ее приложения была бы значительно меньше.

Ю.П. Смолиным 1974 г. решены задачи уплотнения водонасыщенных глинистых грунтов при равномерном всестороннем и одномерном уплотнении с учетом ползучести скелета, сжимаемости поровой жидкости, структурной прочности, начального градиента напора и анизотропии. Им сопоставлены замеренные в опыте (при компрессии и гидростатическом сжатии) избыточные давления в поровой воде многих разновидностей глинистых грунтов с полученными из решений задач уплотнения. Как и в рассмотренных выше случаях, Ю.П. Смолиным получен экстремальный характер кривой изменяемости порового давления во времени и показано хорошее приближение экспериментальной кривой к кривой, построенной согласно решению задачи уплотнения с учетом ползучести скелета, сжимаемости поровой воды и начального градиента напора. Показано также, что кривые изменяемости избыточного давления в поровой воде во времени, построенные по решениям К. Терцаги и В.А. Флорина, в отличие от рассмотренного выше примера (см. рис. 43), значительно отличаются как друг от друга, так и от экспериментальной кривой.

title-icon Подобные новости