Определение напряжений в массивах грунтов

Рис. Зависимость скорости фильтрации в грунте от гидравлического градиента

Рис. Схема установки для определения коэффициента фильтрации

 

 

Зависимость скорости фильтрации (V_ƒ) от гидравлического градиента, характеризующего водопроницаемость фунтов, носит название закона ламинарной фильтрации.

Математическое выражение этого закона, предложенное Дарси, имеет вид:

 

Формулируется закон ламинарной фильтрации следующим образом: скорость движения (фильтрации) воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.

Ламинарное движение воды происходит с тем большей скоростью, чем больше уклон поверхности уровня грунтовых вод (так называемый «гидравлический градиент»).

Фильтрация воды в вязких глинистых грунтах имеет свои особенности, связанные с малыми размерами пор и вязким сопротивлением водноколлоидных пленок, обволакивающих минеральные частицы грунтов.

Движение (фильтрация) воды в глинистых грунтах, в отличие от песчаных (рис. кривая а), начинается лишь при достижении некоторого градиента напора (см. рис. кривая б), преодолевающего внутреннее сопротивление движения воды.

 

 

 

Для кривой (б) различают три участка:

I – начальный (0-1), когда скорость фильтрации практически равна нулю (V_f = 0);

II – переходный (1-2) криволинейный участок;

III – прямолинейный (2-3), характеризующий процесс установившейся фильтрации.

Таким образом, в глинистых грунтах, особенно в плотных, при относительно небольших значениях градиента напора фильтрация может не возникать (участок 0-1, кривая б). Увеличение градиента напора приведет к постепенному, очень медленному развитию фильтрации (участок 1-2).

Наконец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим (участок 2-3).

Напорный градиент, до достижения которого фильтрация в грунте не наблюдается, называется начальным градиентом (J'₀).
Во многих случаях исключают из рассмотрения участок 0-2 кривой «б» и закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде

 

где J'₀ — начальный градиент напора, т.е. участок на оси J, отсекающий продолжение отрезка прямой 2-3 до пересечения с этой осью. Для песчаных грунтов фильтрация начинается сразу после передачи напора (рис. кривая а).

Напряжения в массивах грунтов, служащих основанием, средой или материалом для сооружения, возникают под воздействием внешних нагрузок и собственного веса грунта. Знание напряжений необходимо для расчетов деформаций грунтов, обуславливающих осадки и перемещения сооружений, для оценки прочности, устой­чивости грунтов и давления на ограждения. Кроме того, для рас­четов конструкций фундаментов сооружений необходимо знать ре­активные напряжения, возникающие в контакте между фундамен­том и основанием.

Распределение напряжений в грунтовой толще зависит от мно­гих факторов. Прежде всего к ним относятся характер и режим нагружения массива, инженерно-геологические и гидрогеологичес­кие особенности площадки строительства, состав и физико-механи­ческие свойства грунтов. Формирование напряжений в грунтовой толще происходит не мгновенно при приложении нагрузки, а может развиваться весьма длительное время. Это связано со скоростью протекания деформаций и особенно сильно проявляется в пылевато-глинистых грунтах, где процессы ползучести развиваются очень медленно.

Под действием собственного веса в массивах грунтов всегда формируется начальное напряженное состояние. Поэтому напря­жения, возникающие в массивах грунтов от действия сооружения, накладываются на уже имеющиеся в нем собственные напряжения.

Это приводит к формированию сложного поля напряжений в грун­товой толще. Таким образом, определение напряжений в массиве грунтов представляет собой сложную задачу. Во многих случаях при ин­женерных расчетах решение этой задачи основывается на ряде упрощающих допущений, рассм ранее.

Определенное с помощью теории упругости поле напряжений соответствует конечному, стабилизированному, состоянию гру­нтов, т. е. тому моменту времени, когда все деформации, вызванные приложением нагрузок, уже завершились. В особых случаях, при проектировании наиболее ответственных -сооружений, а также при строительстве в сложных грунтовых условиях, применяются и более сложные модели, позволяющие определять изменение поля напря­жений в процессе деформирования грунтов.

Одним из важнейших следствий применения теории упругости к расчетам напряжений в грунтах является постулирование при­нципа суперпозиции, т- е. независимости действия сил. Это позволяет рассчитывать напряжения в массиве от действия со­бственного веса грунта и нагрузок, вызываемых сооружением, неза­висимо друг от друга и, суммируя полученный результат, опреде­лять общее поле напряжений.