Фильтрационная консолидация грунта как влияет на устойчивость

Обновлено: 04.10.2024

Явления консолидации водонасыщенных грунтов — это процесс сближения частиц грунта, уменьшения объема пор, сопровождаемый отжатием из них воды. Поэтому теория консолидации грунтов может рассматриваться как задача неустановившейся фильтрации в деформируемой среде.

Существенным этапом развития теории консолидации грунтов явилось опубликование в 1938 г. В. А. Флориным работ, содержащих полную постановку плоской и пространственной задач консолидации трехфазного грунта, основанной на расчетной модели линейно деформируемой среды (так называемая модель объемных сил). Позднее в 1941 г. подобную модель консолидирующегося грунта предложил М. А. Био.

Дальнейшее развитие решения задач консолидации на основе модели объемных сил В. А. Флорина и широкого учета реологических свойств грунтов получили в работах Ю. К- Зарецкого [9]. Основная расчетная модель В. А. Флорина была использована в исследованиях Л. В. Горелика [8], А. Л. Гольдина, М. Ю. Абелева, 3. Г. Тер-Мор- тиросяна [37] и др. На основе этой же модели П. Л. Ивановым решались задачи консолидации водонасыщенных песчаных грунтов с учетом необратимых деформаций виброползучести скелета грунта [10, 11].

Из зарубежных авторов следует отметить работы Н. И. Карилло, Р. Е. Гибсона, И. Манделя, Тан Тьонг-Ки и др. На различных этапах развития теории консолидации определенный вклад внесли работы Д. Е. Польшина, Я - М. Мачерета, С. А. Роза, М. Н. Гольдштейна, В. Г. Короткина и др.

Основой успеха в решении физически сложных задач консолидации послужило принятие К. Терцаги, Н. М. Герсевановым и особенно

В. А. Флориным трехкомпонентной модели грунта. Поэтому в предлагаемом иногда рассмотрении в задачах консолидации трехфазного грунта, как условного двухфазного (квазидвухфазного) и тем более однофазного (квазиоднофазного), нет необходимости и в ряде случаев это может приводить к ошибкам и уж безусловно является шагом назад.

Консолидация грунта - замедленное уплотнение водонасыщенного грунтового слоя во времени, происходящее за счет выжимания воды или сближения грунтовых частиц.
В зависимости от характера грунта следует различать два типа процесса консолидации. Консолидация первого типа наблюдается в грунтах со слабыми водно-коллоидными связями (пылеватые и песчанистые глинистые грунты), обусловливается водопроницаемостью грунта и условиями оттока выжимаемой из грунта воды; это так называемая фильтрационная консолидация. Консолидация второго типа наблюдается в глинистых грунтах со значительными водно-коллоидными структурными связями, которые осложняют процесс уплотнения.

Фильтрационную консолидацию грунта называют также первичной консолидацией. Первичная консолидация протекает в водонасыщенных грунтах при степени их влажности больше 0,8. При меньшей влажности процессами фильтрационной консолидацией пренебрегают.

Предпосылки теории фильтрационной консолидации сводятся к следующему:

- скелет грунта линейно-деформируемый, деформируется мгновенно после приложения к нему нагрузки и вязкими связями не обладает;

- структурной прочностью грунт не обладает, давление в первый момент полностью передается на воду;

- грунт полностью водонасыщен, вода и скелет объемно несжимаемы, вся вода в грунте гидравлически непрерывна;

- фильтрация подчиняется закону Дарси (закон установившейся фильтрации (при ламинарном течении), показывающий линейную зависимость между скоростью фильтрации (просачивания) в мелкозернистых грунтах (песчаных, глинистых и т.п.) и уклоном (гидравлич. градиентом потерей напора на единицу длины).

Теория фильтрационной консолидации описывает деформирование во времени полностью водонасыщенного грунта. Принимается, что полное напряжение, возникающее в элементе грунта от приложенной нагрузки, разделяется на напряжения в скелете грунта (эффективные напряжения) и давление в поровой воде (поровое давление). В различных точках массива грунта под действием нагрузки возникают разные значения порового давления. Вследствие этого образуется разность напоров в поровой воде и происходит ее отжатие в менее нагруженные области массива. Одновременно под действием эффективных напряжений происходят перекомпоновка частиц и уплотнение грунта.

Считается, что уменьшение пористости грунта (его уплотнение) пропорционально расходу воды (оттоку воды из пор грунта). Следствием этого является важное положение о том, что скорость деформации грунта будет находиться в прямой зависимости от скорости фильтрации в нем поровой воды. Поэтому основной характеристикой грунта, определяющей время протекания процесса фильтрационной консолидации, является коэффициент фильтрации. Скелет грунта принимается линейно деформируемым.

(м2/с) (чем больше коэффициент консолидации, тем больше скорость прохождения процесса консолидации).

Сv- коэффициент фильтрационной консолидации, прямо пропорциональный коэффициенту фильтрации и обратно пропорциональный коэффициенту относительной сжимаемости грунта.

В статье рассматривается влияние фильтрационной консолидации на допустимую нагрузку и несущую способность свайных фундаментов в водонасыщенных глинистых грунтах в строительный период.

Ключевые слова: свайные фундаменты, водонасыщенные грунты, степень консолидации.

Поведению свайных фундаментов в водонасыщенных глинистых грунтах в СП-24–13330 2011 (Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СниП 2.02.-03–85) не уделяется должного внимания.

При погружении свай в водонасыщенный глинистый грунт под действием динамического воздействия происходит вытеснение грунта в сторону и уплотнение в торцевой части. Пористость грунта уменьшается, а находящаяся в порах вода испытывает повышенное поровое давление, уменьшая силы трения грунта, взвешивающе воздействуя на скелет грунта. При этом в результате нарушения структурных связей в скелете грунта происходит его размягчение и даже разжижение. Известно, что начальная несущая способность свай ориентировочно меньше стабилизированной в супесях в 1,1–1,2, в суглинках 1,3–1,5, а в глинах в зависимости от влажности 1,7–6 раз.

Второй этап нагружения свайного фундамента внешней нагрузкой. При этом свайный фундамент работает как условный уплотненный массив грунта, воздействуя на область грунта ниже острия свай. В этом случае уплотненная область свайного массива грунта под действием внешней нагрузки увеличивает поровое давление более глубоких слоев грунта, причем срок его рассеивания может достигать несколько лет, вызывая осадку фундамента сооружения во времени.

Расчет свайных фундаментов, взаимодействующих с водонасыщеным грунтом, в строгой постановке относится к числу смешанных упругопластических задач двухфазной сплошной среды, решаемых численным методом в программных комплексах Plaxis, ЛИРА и др. Ввиду сложности задачи, наряду со строгими решениями существуют инженерные. Ниже предлагается инженерный вариант такого решения.

Несущая способность свайного фундамента в виде условного грунтового массива шириной B и протяженностью L в процессе фильтрационной консолидации со дня забивки аналогична [1]:

где К_об = 1.45 — обобщенный коэффициент учитывающий расчетную схему; — ширина и длина поперечного размера фундамента; , — нагрузка на уровне низа фундамента и нагрузка от сил сцепления; – предельное значение безразмерной функции вертикального давления — коэффициенты пассивного и активного давления условной грунтовой стенки клина выпирания, наклоненного к вертикали под углом α=45 о -0.5φ к вертикали); q — интенсивность нагрузки от грунтового массива, F — площадь грунтового массива.

Несущая способность сил трения по боковой поверхности условного грунтового массива в процессе фильтрационной консолидации равна:

где Е_б — равнодействующая бокового давления на боковую часть свайного основания шириной 1мм.

Таким образом несущая способность свайного фундамента на водонасыщенных глинистых грунтах с учетом фильтрационной консолидации имеет вид:

Величиназависит от коэффициента (степени) консолидации (уплотнения) определяемого из фильтрационной теории:

Кривая безмерного деформирования, зависящая от времени рассеивания порового давления имеет вид:

где , — переменное и стабилизированное время фильтрации;

m–показатель степени

Примем период времени рассеивания порового давления свайного фундамента в процессе забивки в глинистых грунтах c показателем текучести I_l 0,25–0,75 составляет порядка 6 недель [2].

Зависимость несущей способности свайного фундамента во времени со дня забивки, связанная с величинами Q и приведена на рис 1.

Рис. 1. Влияние коэффициента консолидации на величину безразмерной функции давления, значение которой ограничивают допускаемую нагрузку со дня забивки свайного фундамента

К примеру, при величине несущая способность грунта в данной контактной точке на относительный момент времени ограничена до величины определяемой горизонтально к кривой, (рис. 1).

По решению теории фильтрационной консолидации периоду времени соответствует коэффициент консолидации , приведенный во втором квадранте. Значениюбудет соответствовать свое предельное значение несущей способности грунта для данного периода времени в виде коэффициента вертикального давления на безразмерной кривой в первом квадранте. Опустив из значения вертикаль в четвертый квадрант определим величину допускаемой нагрузки от сооружения на период времени .

Дальнейшее увеличение периода времени приведет к повышению значения , что в свою очередь способствует смещению точки на относительной кривой вправо. По графику на рис. 1 в первом квадранте, видно что в начальный период времени несущая способность свайного фундамента минимальна.

Приведено уравнение несущей способности свайного фундамента в виде условного грунтового массива, зависящее от времени рассеивания порового давления в глинистом водонасыщенном грунте основания.

Показано влияние коэффициента консолидации на величину безразмерной функции давления, которая определяет несущую способность свайного фундамента во времени.

Коровкин В. С. Расчет бетонных камер судоходных шлюзов. СПб: СПбГПУ, 2010. 64 с
А. А. Бартоломей и др. Прогноз осадок свайных фундаментов. Стройиздат. Москва, 1994, 380с

Основные термины (генерируются автоматически): свайный фундамент, несущая способность, поровое давление, фильтрационная консолидация, период времени, грунтовой массив, день забивки, скелет грунта, условный грунтовой массив, фундамент.

Почитайте учебники по механике грунтов. Начать можно с любого. Почти везде вы найдете основные понятия по теории фильтрационной консолидации. Далее сформулируйте уже более конкретные вопросы. Тема, безусловно, интересная, о ней можно не одну книгу написать.

Геотехника. Теория и практика

Почти все уже написано - от Терцаги до Вялова, Ломизе,Тер-Мартиросяна, Абелевых, Малышева, Зарецкого, Ленинградская школа Далматова, Улицкого и др.
Освоение того, что необходтимо зависит от начальной подгтовки, прежде всего математической и конкретной поставленной задачи.

Геотехника. Теория и практика

Да, есть его метод, но он ограничен в применении - для одноосной консолидации для случая равномерно-распределенной нагрузки на поверхности. Скажем, для прогноза уплотнения пригрузкой с поверхности водонасыщенных грунтов, каким-то образом можно притянуть осадку большеразмерных фундаментных плит и т.д.
Но большинство из тех, кого перечислил - в основном его школа.
Реологические модели, теории первичной и вторичной консолидации Вялова, Зарецкого до настоящего времени признаются большинством геотехников во всем мире. И это наша школа, наша наука.

Если вкратце, то..
Теория фильтрационной консолидации опсывает деформирование во времени полностью водонасыщенного грунта. Принимается, что полное напряжение, возникающее в элементе грунта от приложенной нагрузки, разделяется на напряжения в скелете грунта (эффективные напряжения) и давление в поровой воде (поровое давление). В различных точках массива грунта под действием нагрузки возникают разные значения порового давления. Вследствие этого образуется разность напоров в поровой воде и происходит ее отжатие в менее нагруженные области массива. Одновременно под действием эффективных напряжений происходят перекомпоновка частиц и уплотнение грунта.
Считается, что уменьшение пористости грунта (его уплотнение) пропорционально расходу воды (оттоку воды из пор грунта). Следствием этого является важное положение о том, что скорость деформации грунта будет находиться в прямой зависимости от скорости фильтрации в нем поровой воды. Поэтому основной характеристикой грунта, определяющей время протекания процесса фильтрационной консолидации, является коэффициент фильтрации. Скелет грунта принимается линейно деформируемым.
А теперь вопросы.
1) Почему это всё справедливо только для полностью водонасыщенных грунтов. А что же происходит в "недомоченном" грунте, он что не консолидируется вообще?
Осадка – это отжатие воды и воздуха из пор грунта, вымывание частиц из под фундамента и потом ползучесть скелета.
2) Насколько часто в природе встречаются полностью водонасыщенные грунты? Полагаю, их почти нет. А осадки есть везде.

И вообще утверждение, что фильтрационная консолидация происходит только в полностью водонасыщенном грунте противоречит сама себе, т.к. сразу после начала консолидации грунт перестаёт быть полностью водонасыщенным и, следовательно консолидация должна прекратиться.

Геотехника. Теория и практика

А теперь вопросы.
1) Почему это всё справедливо только для полностью водонасыщенных грунтов. А что же происходит в "недомоченном" грунте, он что не консолидируется вообще?
Осадка – это отжатие воды и воздуха из пор грунта, вымывание частиц из под фундамента и потом ползучесть скелета.
2) Насколько часто в природе встречаются полностью водонасыщенные грунты? Полагаю, их почти нет. А осадки есть везде.

Ответы.
1) Теория фильтрационной консолидации основана на предположении о неразрывности течения жидкости, как и теория напряженного состояния грунтов на сплошности грунта, рассматривая его как не дискретизированное на частицы твердое тело. Диф. уравнения течения жидкости через пористые среды - непрерывные функции.
Для приближения практики к теории необходимо выполнение условия - коэффициент водонасыщения грунта должен быть близок к единице и от того, насколько он отличается и будет зависеть корректность применения теории фильтрационной консолидации для конкретной задачи.
В "недомоченном" грунте в зависимости от степени его водонасыщения в процессе уплотнения может возникнуть чистая фильтрационная консолидация, если пористость грунта уменьшиться до величины, соответствующей его полному водонасыщению. Если нет, то будет происходить уплотнение грунта без отжатия воды из пор грунта и осадка во времени будет развиваться за счет ползучести скелета грунта.
2) К водонасыщенным грунтам в соответствии с классификацией относятся грунты, имеющие степень влажности более 0,8. Несмотря на то, что водоупорные глины, подстилающие грунтовые воды находятся в твердом или полутвердом состоянии, коэффициент их водонасыщения близок к 1,0. Да и в принципе - если в ведро воды насыпать 1 кг песка, то и эту смесь можно классифицировать как грунт, имеющий влажность 1000% и коэфициент водонасыщения 1,00

Читайте также: