ПОРОВОЕ ДАВЛЕНИЕ И КОНСОЛИДАЦИЯ ГРУНТОВ

Обычно в грунте выделяют три основные составляющие фазы: твердые составляющие, вода и воздух. Когда в грунте присутствуют все три фазы, то считается, что фунт трехфазный; если грунт состоит из твердой фазы и воды, то фунт двухфазный; если в грунте вода отсутствует, то фунт однофазный. Физические уравнения, описывающие состояние фунта, т. е. уравнения, связывающие между собой напряжения, деформации и прочность фунта, называют уравнениями состояния или физической моделью фунта. В зависимости от числа присутствующих в грунте фаз модели грунта бывают одно, двух н трехфазные. Каждая фаза (твердая, жидкая и газообразная) обладает специфическими физическими уравнениями, общее уравнение состояния должно, с одной стороны, описывать эти свойства, а с другой отражать взаимодействие этих фаз между собой. Создать такую обобщенную модель фунта еще предстоит. Существующие модели фунта упрощены.

Наибольшее распространение применительно к плотинам из грунтовых материалов получила так называемая модель фильфационной консолидации, разработанная В.А. Флориным. Основы этой теории заложил К. Терцаги. Сущность теории консолидации заключается в распределении действующей на фунт нафузки между твердой и жидкой фазами. Важность этой задачи трудно переоценить, так как только та часть нафузки, которая передается на твердую фазу, создает внутреннее трение в фунте. Действующее в рассматриваемой точке среднее нормальное напряжение (часто называемое тотальным) распределяется на две составляющие: среднее нормальное напряжение, действующее в скелете фунта, называемое эффективным о; среднее нормальное напряжение, которое воспринимает вода.

Поскольку модуль объемного сжатия воды во много раз выше модуля объемного сжатия совокупности частиц твердой фазы, то обычно принимают, что вода несжимаема. Тогда, в случае двухфазной модели грунта при приложении нагрузки к грунту в начальный момент, а затем под действием появившегося избыточного давления (по отношению к атмосферному давлению) в порах грунта начнется процесс неустановившейся фильтрации воды из пор грунта. Давление воды в порах начнёт падать и неуравновешенная часть давления будет передаваться на твердую фазу грунта появится. Грунт начнет деформироваться, уменьшая свой объем. Одновременно с деформированием твердая фаза грунта начнет накапливать прочность за счет появления в этих контактах трения. Спустя какоето время, зависящее от коэффициента фильтрации грунта, поровое давление понизится до атмосферного давления. В этот момент грунт достигает максимальной прочности, так как с учетом порового давления закон Кулона записывают в виде

В случае трехфазного грунта в момент за счет сжатия воздуха не вся нагрузка передается на воду и часть нагрузки сразу будет восприниматься скелетом грунта (твердой фазой). Таким образом, с уменьшением коэффициента водонасыщения условия работы грунта улучшаются.

Наличие воды в порах любого грунта создает потенциальные возможности к образованию порового давления, но время его существования будет различным в зависимости от проницаемости грунта. На практике при рассмотрении работы сооружения под действием статических сил поровое давление имеет смысл определить только в глинистых грунтах (супесь, суглинок, глина). В песчаных и более крупнозернистых фунтах его не определяют, так как оно быстро уменьшается (рассеивается) за счет высокой водопроницаемости этих фунтов.

Определение порового давления по методу компрессионной кривой. Метод компрессионной кривой простой метод определения максимального порового давления для трехфазной модели фунта. Метод был предложен занятых воздухом; ед то же, для пор, занятых водой; коэффициент растворимости воздуха в воде согласно закону Генри , который можно принять равным 0,0245; изменение коэффициента пористости грунта, полученное после приложения внешней нагрузки; 3 ед количество растворимого воздуха в воде, содержащейся в единице объема грунта.

Всякое дополнительное изменение внешней нагрузки будет целиком передаваться на воду [выражение (12.22) определяет давление в газообразной фазе грунта], когда грунт переходит из трехфазной системы в двухфазную.

Постулируя условие, что давления в газообразной и жидкой фазе равны, мы тем самым имеем возможность определить нейтральное давление в грунте по приведенным выражениям для случая отсутствия оттока воды (Рв)пих Важнейшей характеристикой грунта, необходимой для расчетов порового давления, является коэффициент порового давления, равный отношению максимального порового давления к общему среднему давлению, действующему в грунте (тотальному среднему давлению):

Определение максимальных значений порового давления возможно на основе компрессионных свойств грунтов и полученных зависимостей

Построение компрессионной зависимости осуществляется в открытой системе, т.е. вода по мере приложения нагрузки к грушу имеет возможность филировать. В этом случае поровое давление в грунте постепенно падает до атмосферного давления (рассеивается). Следующая ступень нагрузки на грунт прикладывается после стабилизации объема на предыдущей ступени нагружения, в результате чего происходит рассеивание порового давления после приложения каждой степени нагрузки. Именно такая методика принята в механике грунтов для построения компрессиональной кривой. На рис. 12.10, а и б показана компрессионная кривая . На этом графике значение Pt=fz(e) для закрытой системы построено по зависимости (12.21).

Имея эти два графика, можно установить те средние напряжения (полные), которые необходимо создать в грунте, чтобы он в закрытой системе деформировался так же, как в открытой. Сумма даст новую кривую деформации в закрытой системе. Точка А на графике указывает значение Р когда весь воздух растворился и коэффициент пористости, соответствует полному насыщению пор водой (переход к двухфазной системе). В закрытой системе грунт будет деформироваться только до точки А. Затем вся нагрузка будет передаваться на воду. Теперь легко построить графики, что и показано на рис. 12.10, б.

Зависимость имеет криволинейный характер только на участке сжатия воздуха (точка А) затем приращение внешней нагрузки передается только на воду и кривая графика) становится прямолинейной, наклоненной под углом 45° к оси.

Построение вспомогательных графиков позволило определять Ря=(ху у) в теле плотины при отсутствии оттока воды. Для этого надо знать напряжение ст. Если сведения о тотальных средних напряжениях отсутствуют, то принимая коэффициент Пуассона в грунте равным 0,5, где у мощность лежащей выше толщи грунта, можно считать ст=сту=УфУ, Принятые допущения соответствуют распределению среднего давления в жидкости, что приводит к завышению порового давления.

Изложенный метод в силу приведенных выше допущений и предположения об изменении порового давления в зависимости от напора, определенного по гидродинамической сетке, построенной на момент образования установившегося фильтрационного потока, дает завышенные значения порового давления. Более точный метод основан на фильтрационной теории консолидации, но он позволяет оценить величину максимального порового давления в рассматриваемой точке и возможные максимальные осадки при рассеивании порового давления до величины фильтрационного или даже полностью, если это возможно.

Метод фильтрационной теории консолидации может включать для определения метод компрессионной кривой, изложенный выше, или эта зависимость может определяться непосредственно из экспериментов. Эксперименты следует проводить с глинистыми грунтами в стабилометре, так как в этом случае известны все компоненты напряжений, прикладываемых к грунту. Одометры можно использовать только в крайнем случае, поскольку известно только сту и переход к ст сопровождается допущениями о предполагаемом значении коэффициента Пуассона.

Составив уравнение неразрывности для трех фаз грунта, В.А. Флорин получил уравнение консолидации трехфазной земляной среды, которое для условий плоской деформации имеет вид:

Плоская задача в фильтрационном отношении может быть сведена к одномерной, если принять условие горизонтального оттока воды, что равносильно учету большой фильтрационной анизотропии в грунте, когда к>к?. Это допущение не приводит к серьезным отклонениям от действительности. Проверка этого допущения, предложенного А.А. Ничипоровичем, выполненная различными авторами, показала, что применительно к тонким грунтовым противофильтрационным элементам (ядра, экраны) оно не дает существенных отклонений по сравнению с более строгими решениями, и даже ближе к натурным данным, чем результаты строгих решений, т.к. в действительности в грунте всегда имеет место фильтрационная анизотропия

Это допущение позволило А.А. Ничипоровичу совместно с Т.И. Цыбульник получить решение задачи о консолидации в замкнутом виде. Кроме того, авторы приняли характеристики грунта и среднее напряжение постоянными вдоль горизонтального сечения противофилырационного элемента и предположили, что на поровое давление (на объемные деформации) деформации формоизменения не влияют. Как будет видно из п. 12.4, эти дополнительные допущения и предположения, по крайней мере, для ядра плотины являются приемлемыми. Ниже приводится результат вывода зависимости Ра&(х, у, t), сделанный А.А. Ничипоровичем и Т.И. Цыбульник. Окончательное выражение для порового давления, распределенного в рассматриваемом горизонтальном сечении, имеет вид:

Величина принимается постоянной и равной среднему значению в диапазоне изменения напряжений а от 0 до максимальных на рассматриваемом уровне у. Величину а лучше определять из опытов в приборе трехосного сжатия. Скорость нарастания нагрузки равна:

Полученная зависимость позволяет находить значения порового давления в любом горизонтальном сечении по высоте сооружения. Часто для получения решения достаточно учесть один член ряда, хотя встречаются случаи, когда требуется учитывать первые три члена ряда (г=1; 3; 5), Второй индекс подчеркивает происхождение порового давления от веса выше лежащего грунта.

Уравнение (12.27) позволяет учесть переменность любых характеристик по высоте сооружения: коэффициента фильтрации, начальной плотности, влажности и т.д. Если заранее из решения задачи о напряженнодеформированном состоянии плотины неизвестны распределения напряжений в противофильтрационном элементе сооружения, то можно использовать допущения. Это допущение даст завышенные результаты значения ст и порового давления.

Для случая изменения напора Т.И. Цыбульник получила общее решение о поровом давлении:

Зависимость (12.28), по существу, является решением задачи неустано вившейся фильтрации, вызванной подъемом воды в верхнем бьефе при анизотропных свойствах грунта {к= 0).

В практических случаях мы можем иметь самые разнообразные графики возведения сооружения, при этом скорость подъема воды в верхнем бьефе может значительно отставать от скорости строительства. Все эти сложные сочетания подъема воды в верхнем бьефе и возведения сооружения могут разбиваться на элементарные сочетания, отвечающие полученным зависимостям. Если подъем воды идет (условно) равномерно со строительством, то при определении следует учитывать взвешивание, т.е. а следует брать с учетом взвешивания.

Если подъем уровня запаздывает по сравнению со скоростью возведения ядра, надо вводить Р поровое давление от взвешивания, тогда полное давление

Рассмотренное решение задачи консолидации не учитывало ползучести грунта. Решение такой задачи в квазиодномерной постановке дал А.Л. Гольдин.

Рассмотренные выше допущения позволяют решать задачи о распределении порового давления в сравнительно тонких противофильтрационных элементах, когда применима «открытая» система (средний градиент ср=2).

Необходимость учета реальных значений с видна из рис. 12.15. Построение выполнено А. Пенменом по данным натурных наблюдений за поровыч давлением и напряжениями в плотине ЛинБриан (Англия). Как видно из результатов, поровое давление достигло исключительно больших значений в нижней половине ядра плотины (а»1). Практически это поровое давление вывело ядро плотины из работы на устойчивость, так как почти вся нагрузка передалась на воду, защемленную в порах фунта.

Если сравнивать Рв с оу, то картина существенно благоприятней, чем сопоставление, но именно оно наиболее правильно.

Важнейшее условие снижения порового давления консолидации снижение коэффициента водонасьпцения при укладке фунта в тело плотины.

В результате обобщения данных натурных наблюдений за поровым давлением, выполненных Ю.П. Ляпичевым, можно сделать вывод о том, что не только толщина ядра определяет применимость «открытой системы» для решения задачи о поровом давлении, но и свойства фунта. Условие применимости «открытой системы» можно сформулировать следующим образом: применение «открытой системы» возможно для элементов плотин с Т>2 (I средний фадиент напора на ядро) при условии, что эти элементы выполнены из фунтов с числом пластичности Wn<89 и коэффициентом водонасьпцения G<0,85. В противном случае рассеивание порового давления очень медленное, ядро работает в условиях «полузакрытой системы» и решение надо строить по «полузакрытой системе», используя выражение (12.24).

Работа ядра (экрана) по закрытой системе заключается в том, что около зоны дренажа оно быстрее отдает воду и деформируется. В результате в этих зонах уменьшается коэффициент фильтрации и фильтрация из центральной части ядра практически прекращается. Формула (12.24) в целом отражает эту картину, так как учитывает первоначальное рассеивание перового давления. Снижение порового давления возможно главным образом за счет снижения начального коэффициента водонасьпцения. Поэтому нельзя укладывать грунт с влажностью выше оптимальной. Целесообразно снижать влажность по сравнению с оптимальной на 0,51% (в зависимости от высоты плотины).

Специальный дренаж в теле противофильтрационного элемента обычно не устраивается. Иногда для снижения порового давления вынуждены снижать темпы возведения или вообще останавливать на несколько месяцев отсыпку грунта. Однако это дает эффект в случае строительства плотины или ядра из сравнительно сильнопроницаемых грунтов (легкие суглинки, супеси). Снижение порового давления имеет большое влияние на устойчивость откосов. По данным Мура (X конгресс по большим плотинам, Монреаль, 1970), увеличение а на 0,1 снижает.

Экспериментальное изучение коэффициента порового давления и осадки глинистых плотин в эксплуатационный период. Коэффициент порового давления может быть определен и непосредственно замером порового давления в грунте. В настоящее время такие исследования выполняются во многих лабораториях. Наиболее полные систематические исследования в одометрах были выполнены В.М. Павилонским. На рис. 12.16, а показаны изолинии а для различных грунтов, которые имеют разные число пластичности, влажность на пределе раскатывания и различную плотностью.

Эксперименты в стабилометре показывают, что при развитии деформаций формоизменения, т. е. при доведении грунта из состояния всестороннего сжатия до предельного состояния поровое давление снижается. Выше использовалось допущение об отсутствии влияния на поровое давление деформаций формоизменения. Из рис. 12.16, б видно, что это допущение незначительно меняет результаты расчета для ядер плотины, так как в основном объеме ядра грунт не достигает предельного состояния, и ошибка в значениях а не превысит 57 %. В то же время как в экранах, наклонных ядрах и в локальных зонах массивных ядер или однородных плотин ошибка может достигать 30%, особенно, когда влажность превышает предел раскатывания на 12%.

До сих пор рассматривалось поровое давление в глинистых грунтах. В сравнительно сильнопроницаемых грунтах, таких, как средние и крупные пески, песчаногравелистые и песчаногравелистогалечниковые грунты, поровое давление имеет смысл рассматривать только при наличии динамических воздействий на плотину, так как время рассеивания порового давления обычно мало. Однако в мелкопесчаных грунтах (особенно, если есть глинистые частицы) рассеивание порового давления может происходить в течение суток, недель и даже месяцев, что учитывается при проектировании скорости намыва песчаных плотин. Исследования порового давления в песчаных грунтах были выполнены П.Л. Ивановым. Коэффициент порового давления в таких грунтах, зависит, в частности, от динамического уплотнения грунта. Опасность разжижения таких грунтов (а=1) возрастает при отсутствии пригрузки из грунтов с&ф, значительно большим, чем рассматриваемые.

Осадки. Рассеивание порового давления консолидации (Pv/Vb) приводит к сжатию грунта, т. е. появлению со временем осадок. Осадки, которые наблюдаются в сооружении после окончания строительства, называются эксплуатационными. Обычно рассматривают эксплуатационные осадки на момент времени />оо. Осадки глинистых элементов плотин происходят не только за счет оттока воды из грунта, но и за счет ползучести скелета (его вязких свойств), однако эти осадки сравнительно малы, поэтому оценивают осадки в ядрах обычно только за счет фильтрационной консолидации ядра:

Зависимость (12.30) может быть получена из рассмотрения рис. 12.16, г. Пусть имеется элемент грунта, в котором Л, высота твердых частиц (скелета), ha высота пор занятых водой и воздухом, то же после деформирования этого элемента. Тогда сжатие элемента

Технология расчета проста и сводится к следующему:

Для предварительного определения эксплуатационной осадки можно воспользоваться эмпирической формулой Лаутона

Формула дает приемлемое совпадение с натуральными данными для плотин высотой до 150 м, и отсыпаемые большими слоями с уплотнением гидромониторами. Горизонтальные эксплуатационные перемещения обычно составляют (0,5+

Поровое давление в глинистом основании грунтовой плотины. В силу того, что основание полностью водонасыщено и коэффициент перового давления в начальный момент приложения нагрузки равен 1, правильность оценки рассеивания порового давления в некоторых случаях определяет возможность строительства плотины без осуществления специальных мер по снижению этого давления.

При расчете порового давления в основании следует различать два основных случая [207]:

Если толщину глинистого слоя принять за 2А, то для случая мгновенного приложения внешней нагрузки Р давление в скелете Pz равно

Изложенные решения получены из общей теории фильтрационной консолидации в предположении, что глинистый грунт дренируется с верхней и нижней сторон. Если дренаж находится с одной стороны, следует рассчитывать фиктивный слой, приблизительно в 2 раза более мощный действительного. Поровое давление рассматривается только в верхней половине слоя в рассчитанные осадки [зависимость (12.30)] фиктивного слоя должны быть в 2 раза уменьшены.

Для определения сжатия слоя грунта имеются и замкнутые решения, которые изложены в курсе механики грунтов [75]. При строительстве плотин на слабых иловатых основаниях часто возникает необходимость ускорить процесс консолидации основания. Это достигается устройством в таком основании вертикальных песчаных дрен (рис. 12.17 и 12.32). Расчеты одно и двухслойных

Устройство вертикальных дрен в основании для ускорения процесса консоли дацин считается эффективным, когда Аф=1 • 10,3 см/с, а коэффициент консолилалин с<0,1м3/сут. Диаметр дрен из условия производства работ назначают 3545 см. Располагают дрены в шахматном порядке на одинаковом расстоянии одна от другой или по углам квадратов. Зону действия дрены для удобства расчета принимают в плане в виде круга. В настоящее время расчеты консолидации в теле плотины и в основании обычно решаются численными методами.

Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. - 576 с.