Процесс консолидации грунтов. Нейтральные и эффективные напряжения

Деформация сжатия грунта находит свое выражение главным образом за счет уменьшения объема заключенных в нем пор. Вместе с тем влияние на этот процесс уменьшения объема частиц твердого скелета грунта совсем ничтожно. Следовательно, если поры грунта полностью заполнены водой, его заметное сжатие может произойти только при условии удаления из пор избыточной воды. Постепенное сжатие грунта, когда оно вызвано в статических условиях гравитационными силами, например весом самого грунта или сооружений, возведенных на нем, называется консолидацией. Это не синоним уплотнения грунта, под которым понимается искусственное сжатие грунта механическими средствами.

Если насыщенный водой грунт легко проницаем (например, чис+ый песок), то консолидация грунта при приложении к нему дополнительной статической нагрузки будет почти мгновенной, так как избыточная вода при удалении ее из пор не встретит особого сопротивления. С другой стороны, если водонасыщенным грунтом является глина с малой водопроницаемостью, то ее консолидация будет протекать исключительно медленно, так как для отжатия из пор глины даже самого малого количества избыточной воды и ее отвода к дренирующим граничным слоям может потребоваться очень много времени.

При приложении нагрузки к полностью водонасыщенному связному грунту в пластичной консистенции все сжимающее напряжение р, возникающее от действия нагрузки, сначала воспринимается водой, заключенной в порах грунта. Тогда говорят, что р = u, где u — давление в воде, которое возникло в результате приложения к грунту нагрузки р. Давление u называется нейтральным напряжением. Зачастую используются другие названия напряжения u, например, избыточное гидростатическое давление или избыточное поровое давление.

С течением времени некоторое количество воды под воздействием нагрузки отдавливается и удаляется в граничащие с ней пласты грунтов с повышенной фильтрационной способностью, если такие имеются. Уменьшение объема пор полностью насыщенной водой глины соответствует количеству выжатой из нее воды. В результате этого процесса твердые частицы скелета грунта приходят в более тесное соприкосновение друг с другом и оказываются способными воспринимать некоторую часть приложенной к грунту нагрузки. Возникшие таким образом в скелете грунта напряжения называются эффективными напряжениями fe. Любое уменьшение нейтральных напряжений воды в порах должно соответствовать равному ему увеличению эффективных напряжений в скелете грунта, и наоборот. Сумма эффективных fe и нейтральных напряжений u в любой точке грунта все время должна оставаться постоянной и равной прилагаемому к грунту давлению р, т. е.

Когда все давление р будет передано на скелет грунта, так что p=fe, нейтральное напряжение, или избыточное поровое давление, u станет равным нулю.

Дальнейшее удаление воды из пор и, следовательно, дальнейшее сжатие глины с этого момента прекратится. В этом случае говорят, что консолидация достигла 100% своего конечного значения. Промежуточные этапы в этом процессе могут определяться степенью консолидации

где S — линейное изменение высоты образца грунта или осадка в вертикальной плоскости слоя грунта в период одномерной его консолидации за определенный период времени;

S2 — линейное сжатие или осадка за весь период консолидации.

Процесс консолидации может быть наглядно представлен с помощью модели (рис. 6.1), которую использовал Терцаги, чтобы пояснить предложенную им теорию консолидации. Схема изображает цилиндр, наполненный жидкостью. В цилиндре имеется поршень, удерживаемый в своем положении системой пружин, выполняющих в модели роль скелета грунта. При приложении к поршню давления P жидкость из цилиндра может уходить через многочисленные мелкие отверстия в поршне. Величина сопротивления, оказываемого жидкостью усилию Р, и скорость уменьшения этого сопротивления являются функцией скорости, с которой вода может проходить через отверстия в поршне, и, следовательно, также функцией диаметра этих отверстий. Если диаметр отверстий уменьшить, то соответственно будет уменьшаться и скорость ухода воды из цилиндра. (Этот принцип применялся уже давно в гидравлических амортизаторах артиллерийских орудий). По мере того как вода отходит через отверстия в поршне, он под воздействием внешнего усилия P опускается. В результате происходит сжатие пружин, которое вызывает увеличение сопротивления продолжающемуся опусканию поршня. В то же время давление в воде u = уwh будет уменьшаться, и уровень в пьезометре, показанном на рис. 6.1, соответственно снизится. Движение поршня вниз и удаление воды из цилиндра прекратятся, когда сопротивление сжатых пружин будет равно внешнему усилию Р. В этот момент u и h будут равны нулю.

Строгое математическое решение проблемы процесса консолидации было впервые опубликовано Терцаги в 1923 г. Благодаря этой работе Терцаги стал общепризнанным основателем новой науки — механики грунтов, отличающейся от традиционной механики твердого тела преобладающим влиянием, которое оказывает на механические свойства грунтов вода, находящаяся в их порах. Таким образом, фактор времени приобретает важное значение в оценке этих свойств. Развитие механики грунтов позволило проникнуть в причины наблюдаемых нередко длительных осадок сооружений, возведенных на водонасыщенных глинистых грунтах, залегающих с большой мощностью в основании сооружений. Эти осадки продолжаются иногда много лет. Раскрытие процесса консолидации позволяет также глубже уяснить причины изменяемости во времени сопротивления глинистых грунтов сдвигу, которое, как было выявлено, возрастает с увеличением во времени давления, передаваемого от частицы к частице твердого скелета грунта, т. е. в связи с так называемыми межчастичными давлениями или эффективными напряжениями. С другой стороны, нагрузка, воспринимаемая водой, находящейся в порах грунта, не способствует увеличению сопротивления грунтов сдвигу, поэтому возникающее в рассматриваемых условиях давление в воде называется «нейтральным напряжением».