уменьшению объема пора избыточная поровая водазаполняющая порыотфильтровывается
Процесс фильтрации воды из зоны действия сжимающих напряжений будет продолжаться до тех порпока силы внутреннего сопротивления скелета грунта не станут равными внешней нагрузке
Данный механизм деформирования грунта под нагрузкой можно пояснить при помощи физической модели водонасыщенного грунтасостоящей из цилиндразаполненного жидкостью и поршня с отверстиемподпертого пружинойрис
РисФизическая модель водонасыщенного грунта
В данной схеме пружина моделирует действие внутренних сил сопротивления скелета грунта сжатиюЖидкостьзаполняющая герметичную емкостьпредставляет собой поровую водукоторая может удаляться из камеры через отверстие в верхнем поршнеДиаметр
отверстия в поршне зависит от фильтрационных свойств моделируемого грунта
Если к верхнему поршню данной модели приложить внешнюю нагрузку сразу возникнет избыточное давление в камере и вода начнет изливаться через отверстие в поршнеПо мере отжатия воды в работу включается пружинаи часть внешней будет передаваться на нееОбозначим реакцию в пружине через тогда в общем случае
Очевидночто в начальный момент времени при
По истечении достаточного времени ∞вся внешняя нагрузка уравновеситься реакцией в пружинеизбыточное давление снизиться до и процесс отжатия воды прекратитсяТогда при ∞
Перейдем теперь от физической модели к грунтуВнешняя нагрузка будет соответствовать полному сжимающему напряжению σдавление в жидкости давлению в поровой воде и реакция в пружине напряжениювозникающему в скелете грунта
Тогда по аналогииуравнение можно представить в виде
В механике грунтов поровое давление называется давлениема давление в скелете грунта
Нейтральное давление (u)– избыточное давление в поровой воде грунта.
Нейтральным это давление называется изза тогочто оно не оказывает влияния на величину деформаций уплотнения грунтаКаким бы не было значение нейтрального давлениявеличина деформации грунта будет зависеть только от напряжений в скелете грунта
Эффективное напряжение ( ) –напряжение в скелете грунта,
обуславливающее деформации уплотнения грунта под нагрузкой.
По аналогии с физической моделью можно утверждатьчто деформации грунтового основания происходят до тех порпока нейтральное давление не станет равным нулю
Отметимчто состояниепри котором поровое давление не равно нулю называется
Влияние порового давления на свойства грунта
6.7.1. Деформационные свойства
Возникновение порового давления в грунте оказывает существенное влияние на процесс деформирования грунта во времениВодонасыщенные грунты с низким коэффициентом фильтрации могут деформироваться
под нагрузкой длительное время
Рассмотрим графики деформирования глинистых и песчаных грунтов во времени совмещения с графиком изменения парового давления
РисДлительность процесса осадки основания для различных грунтов
изменение порового давления в песчаных основанияхто же в глинистыхизменение осадки фундамента для песчаных основанийтоже для глинистых
На рисунке показаночто деформирование глинистых грунтов может продолжаться длительное время и этот процесскак правилоне
завершается по окончании строительствадеформации грунтового
основания по окончании строительства могут привести к развитию нежелательных повреждений в надземных конструкциях уже после проведения внутренней отделки
Поэтому при расчёте оснований необходимо определять время наступления стабилизации осадок
В песчаных грунтах фильтрация протекает значительно быстрее
паровое давление рассеивается достаточно быстро и по завершению строительства деформирование грунтакак правилоне происходит
6.7.2. Прочностные свойства
Рассмотрим закон Кулона с учетом эффективного и нейтрального давленияТак как величина силприжимающих частицы грунта друг к другузависит только от эффективного давления то предельное сопротивление грунта срезу τбудет определяться по зависимости
Учитываячто соотношение между эффективным и нейтральным давлением изменяется по мере фильтрации воды из пор грунтато и
сопротивление водонасыщенного грунта сдвигу так же будет изменяться со временем
Полученные зависимости сопротивления сдвигу на различных стадиях его уплотнения приведены на рис
РисСопротивление грунта сдвигу
на различных стадиях уплотнения грунта
Таким образом при то есть когда грунт находится в нестабилизированном состояниисопротивление грунта сдвигу значительно меньшечем при стабилизированном
Вопросы для самоконтроля
каких факторов вода в грунте может совершать движение
Дайте определение процессу фильтрации
При каких условиях возникает фильтрация воды через грунт
Сформулируйте закон Дарси ламинарной фильтрации
Что такое градиент напора
Назовите причины возникновения градиентов напора в грунте
Дайте определение начальному градиенту напора
Какие методы определения коэффициента фильтрации Вы знаете
Почему паровое давление в грунте называется нейтральным
Как влияет паровое давление на деформационные и прочностные свойства грунта
Соседние файлы в папке УМК по механике грунтов
Внешние нагрузки, передающиеся на грунт,
представляют собой механические силы,
которые могут быть поверхностными
или объемными.
Поверхностная нагрузка вызвана
действующими на поверхность тела
(массива грунта, образца и т. п.) силами,
которые создаются инженерным сооружением
или действием сил от соседнего объема
грунта. Интенсивность (q)
поверхностной нагрузки равна отношению
силы (Р) к площади ее действия (S):
q =Р/S.
Объемные нагрузки могут быть
приложены к любой части объема, одной
из объемных нагрузок грунта является
его собственный вес.
Разложив q на
составляющие, действующие по нормали
к площадке ΔS и
вдоль нее, получим q2
= σ2+τ2 (плоский
случаи, когда ΔP
лежит в плоскости z,
x), или для объемного
случая q2=
σ2+τy2+
τz2,
где τy и
τz – компоненты
напряжений τ, лежащие в плоскости
z, у, и действующие
вдоль осей Z и Y.
Напряжения, действующие по нормали к
площадке ΔS,
называется нормальными (σ),
а действующие вдоль нее – касательными
(τ).
Напряжение является векторной величиной,
характеризующейся точкой приложения
и направлением действия. Совокупность
всех векторов напряжений для всех
площадок, проходящих через точку М,
характеризует напряженное состояние
в точке. Оно определяется тензором
напряжений (Тп), компонентами
которого являются три нормальных
(σx, σy
и σz) и шесть
касательных (τxy=
τyx,
τyz=τzy,
τzx=τxz)
напряжений (рис. 8.1, б).
Компоненты нормальных (σx,
σy и σz)
и касательных (τxy=τyx,
τyz=τzy,
τzx=τxz)
напряжений вызывают соответствующие
им компоненты нормальных (εx,
εy и εz)
и касательных (γxy=γyx,
γyz=γzy,
γzx=γxz)
деформаций. При действии на тело
всесторонних нагрузок, например,
гидростатического обжатия (σv=σy=σz=σx),
в нем возникают объемные деформации
(εv).
Нормальные напряжения могут быть
положительными при сжатии или
отрицательными при растяжении.
Они вызывают изменение объема и формы
тела; касательные напряжения вызывают
изменение формы тела, т. е. отражают
деформации.
Механической деформацией называется
изменение относительного положения
частиц тела, связанное с их перемещением
под действием механических напряжений.
Выделяют линейные деформации
(ε), вызванные нормальными
напряжениями (σ); касательные
(γ), или сдвиговые деформации,
вызванные касательными напряжениями
(τ).
Различают деформации упругие (после
снятия нагрузки форма и объем тела
полностью восстанавливаются), пластические
(после снятия нагрузки форма и объем
тела восстанавливаются не полностью)
и разрушающие (грунт теряет
сплошность, разрушаясь на части).
Линейные деформации могут быть
положительными, т. е.
деформациями сжатия; и отрицательными,
т. е. деформациями растяжения.
Кроме того, могут возникать механические
деформации изгиба и кручения, формирующиеся
под действием внешних нагрузок в
зависимости от способа их приложения
к телу.
Мерой линейных деформаций
является относительная линейная
деформация (ε), определяемая как
отношение приращения длины, или абсолютной
линейной деформации (Δl),
к начальной длине (l0):
где Δl =l0–l.
Она измеряется в % или в долях
единицы.
Мерой касательных деформаций
является относительная деформация
сдвига (γ), д. ед. равная тангенсу
угла перекоса (рис. 8.2, б):
Мерой объемных деформаций тела
является относительная объемная
деформация (εv),
которая равна сумме относительных
линейных деформаций по трем координатным
осям (рис. 8.2, б):
εv = ΔV/V=
εx+εy+εz,
где ΔV –
абсолютное изменение объема, V
– первоначальный объем тела.
Основные механические свойства грунтов,
характеризующие их сопротивляемость
внешним воздействиям, в общем случае
определяются следующими условиями:
- законом сжимаемости, т. е. зависимостью
между действующими нормальными
напряжениями и соответствующими
объемными деформациями, или изменениями
коэффициента пористости, - законом формоизменения, или сдвига,
т. е. зависимостью между касательными
напряжениями и деформациями сдвига, - условием предельного состояния или
прочности грунтов, определяющим
предельное соотношение между нормальными
и касательными напряжениями в грунте
по площадкам скольжения.
а)
б)
в)
Одним из важнейших вопросов в
механике грунтов является установление
зависимости между напряжениями и
соответствующими им деформациями, т. е.
установление функций вида ε=f(σ),
γ=f(τ). Эти
зависимости являются нелинейными и
зависят от большого числа факторов,
поэтому не существует универсальных
уравнений описывающих эти взаимосвязи,
которые обычно устанавливаются опытным
путем. Для частных случаев эти зависимости
являются линейными и описываются
простыми линейными уравнениями для
нормальных, касательных и объемных
напряжений, известными в механике как
закон Гука, в виде:
σ = Еε,
τ = Gγ,
σv
= Кεv,
где Е – модуль Юнга (или модуль
упругости), Па; G –
модуль упругого сдвига, Па; К –
модуль объемной упругости, Па.
При одноосном сжатии образца под
напряжением σz
происходит изменение как продольных,
так и поперечных размеров тела. При
этом связь продольных (εz)
и поперечных (εx)
деформаций с напряжением, в общем виде,
характеризуется зависимостями,
представленными на рис. 8.3, a.
По мере роста напряжения прямо
пропорционально увеличивается деформация
и до точки А (или А’) выполняется закон
Гука, который для продольных и поперечных
деформаций записывается и виде: σz= Е εz,
а также σx= Е εx.
Напряжение σупр,
соответствующее точке А (или А’), называется
пределом пропорциональности, совпадающим
с пределом упругости материала данного
тела. В общем случае они могут не
совпадать. В случае нелинейной упругости
тело может деформироваться упруго не
до точки А, а до точки В (рис. 8.3, а)
и на участке АВ закон Гука уже не
выполняется.
В общем случае деформация образца
складывается из двух частей – обратимой
и необратимой (остаточной) деформации
(рис. 8.3, б):
где εобщ
– общая деформация образца (рис. 8.3,
б, отрезок 0В); εобр
– обратимая, или упругая, деформация
(отрезок ВБ); εост
– остаточная, или необратимая,
пластическая деформация (отрезок Б0).
Аналогичные соотношения имеют место
для сдвиговых (γ) и для объемных (εv)
деформаций:
Эти соотношения имеют место также для
трех компонент линейных и шести компонент
касательных деформаций (рис. 8.1, б).
Обратимые деформации являются
следствием упругих свойств тела.
Причинами обратимости деформаций при
снятии напряжений являются: проявления
сил взаимного отталкивания между атомами
в кристаллической решетке тел при их
механическом «сближении»; проявления
упругих свойств газов и жидкостей в
порах (микропустотах) грунта; возникновение
сил «расклинивающего» давления в
дисперсных грунтах.
Как было отмечено выше, механические
свойства грунтов проявляются под
воздействием на них внешней нагрузки
(веса сооружений и вышележащих слоев
грунта) под влиянием которой они находятся
в напряженном состоянии. К. Терцаги
предложил для полностью водонасыщенного
деформирующегося под нагрузкой глинистого
грунта модель двухкомпонентной
грунтовой среды в виде заполненного
водой цилиндра, внутри которого находится
стальная пружина, имитирующая грунтовый
скелет (рис. 8.4, а). Цилиндр закрыт
поршнем, при движении которого происходит
сжатие пружины и отток воды через малые
отверстия в поршне. В начальный момент
времени перемещение поршня отсутствует
и вся нагрузка воспринимается водой.
Если открыть кран, то вместе с отжатием
воды, давление в пружине будет расти, а
в воде – уменьшаться. Чем меньше диаметр
отверстий (пор), тем медленнее будет
скорость отжатия (дренирования) воды,
чем жестче пружина, тем меньше переместится
поршень (или уплотнится грунт).
Предпосылки теории фильтрационной
консолидации К. Терцаги сводятся к
следующим положениям:
- 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.
Реальный грунт состоит из твердого
скелета и системы сообщающихся пор,
которые частично или полностью заняты
водой. При приложении к грунту нагрузки
полные напряжения σ распределяются
между скелетом грунта и поровой водой
(рис. 8.4, б). Поровое давление воды u
действует одинаково во всех направлениях,
следовательно, действующее только в
скелете грунта напряжение, представляет
собой разность между полным напряжением
и поровым давлением – эффективное
напряжение σ’. Вода вытесняется из
пор, что ведет к росту разности ( σ – u ),
в результате начинаются деформации
скелета. Скорость вытеснения воды
зависит от проницаемости грунта и
условий дренированности.
Бишоп предложил следующие простые
гипотезы, положенные им в основу теории
эффективных напряжений:
- Рис.
8.4. Модель двухкомпонентной
грунтовой среды
К. Терцаги
изменение объема и деформация
грунта зависит не от полных напряжений,
а от разности между полным напряжением
и поровым давлением воды, - прочность грунта на сдвиг зависит не
от полных напряжений, действующих по
нормали к рассматриваемой плоскости,
а от эффективных напряжений.
Следовательно,
жесткость скелета грунта влияет на
величину осадки консолидации и
сжатие грунта происходит только за счет
действия эффективных напряжений, так
как поровое давление вызывает напор в
грунтовой воде и приводит к ее фильтрации.
В начальный момент приложения внешней
нагрузки полное давление равно поровому
давлению вследствие малой сжимаемости
грунтовой воды.
Таким образом, если грунты водонасыщены,
то напряжения в них могут быть подразделены
на два вида:
- эффективные напряжения (σ’)
передающиеся либо непосредственно
на скелет грунта от частицы к частице,
либо через коллоидно-гидратные пленки,
либо через сцементированные контакты
между частицами, - поровые давления (u)
действующие в поровой воде.
Эффективное напряжение определяется
как разность между полным напряжением
в образце грунта и давлением в поровой
жидкости. Только эффективное напряжение
действует на скелет грунта, вызывая его
сжатие, уплотнение и упрочнение, повышает
сопротивление грунта срезу.
Соответственно, напряженное состояние
грунта на глубине z
характеризуется следующими параметрами:
- вертикальным эффективным напряжением:
σ′zg
= h;
где
– удельный вес вышележащих слоев
грунта, кН/м3, h
– мощность вышележащих слоев грунта
на глубине z, м.; - горизонтальным эффективным напряжением:
σ′xg
= σ′yg=ξ
σ′zg,
где ξ – коэффициент бокового
расширения грунта; - поровым давлением – uz;
- полными вертикальными и горизонтальными
напряжениями: σzg = σ′zg
+ uz;
σxg = σyg = ξ
σ′zg+uz.
Кроме этого в грунтоведении используются
такие термины как бытовое давление и
среднее давление в условиях природного
залегания.
Бытовым давлением σ1g
называется вертикальное эффективное
напряжение в массиве грунта на данной
глубине от веса вышележащих слоев грунта
с учетом или без учета взвешивающего
действия воды во время опробования.
Средним давлением в условиях природного
залегания σср.g
называется среднее напряжение в
массиве грунта на данной глубине,
обусловленное воздействием бытового
и бокового давления и вычисляемое по
формуле:
σср.g
= σ1g
(1+2 ξ) / 3,
где ξ – коэффициент бокового
давления покоя.
Следует отметить, что как в зарубежной,
так и в российской практике при обработке
экспериментальных данных используется
термин «давление» (pressure), однако
фактически имеется в виду вертикальное
напряжение.
В результате
уплотнения грунта под воздействием
внешних нагрузок и собственного веса
грунта происходят деформации, не
сопровождающиеся коренным изменением
его структуры, называемые
осадками (s).
При расчете конечной осадки s,
см, используются полные напряжения zg
и поровое давление не учитывается,
так как при завершении первичной
(фильтрационной) консолидации оно будет
практически равно нулю, а эффективные
напряжения равны полным σzg = σ′zg.
Осадку основания с использованием
расчетной схемы в виде линейно
деформируемого полупространства,
определяют методом послойного суммирования
по формуле:
где – безразмерный
коэффициент, равный 0,8; zp,i
– среднее значение вертикального
нормального напряжения (далее –
вертикальное напряжение) от внешней
нагрузки в i–ом
слое грунта по вертикали, проходящей
через центр подошвы фундамента, кПа; hi
– толщина i–го
слоя грунта, см, принимаемая не более
0,4 ширины фундамента; Ei
– модуль деформации i–го
слоя грунта по ветви первичного
нагружения, кПа; zg,i
– среднее значение вертикального
напряжения в i–ом
слое грунта по вертикали, проходящей
через центр подошвы фундамента, от
собственного веса выбранного при отрывке
котлована грунта, кПа; Ee,i
– модуль деформации i–го
слоя грунта определяемый по ветви
вторичного нагружения, кПа; п –
число слоев, на которые разбита
сжимаемая толща основания.
Нижнюю границу сжимаемой толщи основания
Нс принимают на глубине
z, где выполняется
условие:
где zр
– дополнительное вертикальное
напряжение на глубине по вертикали,
проходящей через центр подошвы фундамента
от нагрузки от сооружения, zg
– вертикальное напряжение от
собственного веса грунта, коэффициент
равный:
а) k = 0,2 при
b 5 м;
б) k = 0,5
при b 20 м;
в) при 5 < b 20 м
k определяют
интерполяцией.
Коэффициент в
формуле 8.2 определяется из выражения:
При отсутствии экспериментальных данных
допускается принимать ν равным:
0,30–0,35 – для песков и супесей; 0,35–0,37 –
для суглинков; 0,2–0,3 при Il<0;
0,3–0,38 при 0≤ Il
≤0,25; 0,38–0,45 при 0,25≤ Il
≤1,0 – для глин. При этом меньшие значения
ν принимают при большей плотности
грунта.
При расчете осадки способом послойного
суммирования боковые давления
принимаются такими, какими они получаются
при сжатии грунта в одометре:
При определении осадки верха сооружений
следует учитывать, кроме осадки основания,
осадки от уплотнения и самоуплотнения
насыпного грунта в основании и теле
сооружения, а также от суффозии, усадки,
просадки, оттаивания мерзлых грунтов
и пр., определяемые по нормам
проектирования соответствующих
сооружений.
Конечная осадка слабого основания
в пределах активной зоны сжатия также
определяется методом послойного
суммирования для условий одномерной
задачи с использованием модуля
осадки Ес по формуле:
где n – число слоев;
Нс – мощность слоя; Еs
– модуль осадки грунта слоя, найденный
на компрессионной кривой при нагрузке
σ, равной вертикальному нормальному
напряжению для середины данного слоя
от веса насыпи.
При расчете деформаций основания с
использованием расчетной схемы в виде
линейно деформируемого полупространства
с условным ограничением глубины сжимаемой
толщи Нс, среднее давление
под подошвой фундамента не должно
превышать расчетное сопротивление
грунта основания R,
определяемое по формуле:
Таким образом, расчет несущей
способности оснований производится с
использованием физических характеристик
,
прочностных параметров φ и c, с
учетом гранулометрического состава
песков и числа пластичности глинистых
грунтов. Для оснований в условиях
стабилизированного состояния и
возможности дренирования при нагружении
внешней медленно возрастающей нагрузкой,
силы сцепления и угол внутреннего трения
определяются методом одноплоскостного
среза или трехосного сжатия в условиях
консолидировано-дренированного сдвига.
В том случае, если на глинистое
водонасыщенное основание (при Sr ≥0,85)
передаются нагрузки, при которых
возникает избыточное поровое давление,
то расчетные значения параметров
прочности φ и c, определяются из
испытаний образцов глинистых грунтов
в условиях трехосного
консолидировано-недренированного
сдвига с измерением порового
давления, а прочность грунта оценивается
из выражения: τ=(σ−u) tg φ +c.
Из выражения следует, что учет порового
давления приводит к уменьшению прочности
грунта.
При быстром возведении сооружения или
сейсмических нагрузках и отсутствии в
основании дренирующих слоев грунта
избыточное поровое давление не успевает
рассеиваться и равно полному напряжению
u = σ и прочность грунта
определяется из выражения τ c.
Параметр c определяется из результатов
трехосных испытаний в условиях
неконсолидированно-недренированного
сдвига c =cu.
Чтобы выполнить
основные требования по расчету
устойчивости сооружений и ограничению
деформаций основания следует рассматривать
все возможные предельные состояния.
В основании
различных сооружений грунт испытывает
разные условия силового нагружения
(рис. 8.7) от условий простого сдвига (DSS)
до условий трехосного сжатия (TS),
трехосного расширения (ТЕ) и компрессионного
сжатия (СС).
ПОРОВОЕ ДАВЛЕНИЕ
Градиент порового давления прямо пропорционален
концентрации солей в пластовом флюиде.
Разница величины нормального порового давления в разных регионах Земли обусловлена степенью
минерализации воды в породах в различных
Нормальное поровое давление в различных
геологических районах будет разным.
КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ В СКВАЖИНЕ
Аномально высокое давление
Аномально низкое давление
КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ В СКВАЖИНЕ
Нормальным градиентом пластового давления считается градиент давления пресной воды:
Или в системе API:
для пресной воды = 0.433 psi /ft
Для морской воды =0.465 psi /ft
Градиент столба жидкости в скважине:
Psi / ft = MW (ppg) x 0.052
Гидростатическое давление столба жидкости в скважине:
Давление (атм) = 0.1 х вес раствора (г/см3) х Вертикальную глубину скважины (метр)
Давление (psi) = 0.052 х MW (ppg) x TVD (ft)
Эквивалентный вес бурового раствора создает
давление на забой скважины равный:
весу столба жидкости + давление циркуляции в
затрубье + избыточные давления разной природы.
P общее (кг/м2) =
Р гидростатики + Р гидродинамики + Р избыточное
Градиент гидроразрыва пласта:
В случае, когда давление в скважине превысит давление гидроразрыва пласта произойдет поглощение раствора в пласт и потеря контроля скважинного давления.
В связи с опасностью поглощения бурового раствора в пласт необходимо проводить так называемый тест на утечку раствора.
После разбуривания очередного башмака обсадной
1.Пробурить от 3 до 5 метров свежего ствола.
2. Загермитизировать скважину и начать закачивать раствор на пониженных ходах насоса = 0.5 – 1.0 литр/ сек
Медленная закачка исключит гидроразрыв пласта
Точка начала падения давления на диаграмме давления и будет точкой начала поглощения.
3. Записать на этот момент давление на насосе.
Расчет давления начала поглощения:
F (ppg) = MW (ppg) + (P насосоа (psi)) / (0.052 x TVD (ft))
Или в метрической системе:
ДГ(давление гидроразрыва) атм = Вес раствора (г/см3) +(давление на насосе (атм)) / (0.1 x Вертикальную глубину ( метр))
Соседние файлы в предмете Бурение нефтяных и газовых скважин
Собрание уникальных книг, учебных материалов и пособий, курсов лекций и отчетов по геодезии, литологии, картированию, строительству, бурению, вулканологии и т.д.Библиотека собрана и рассчитана на инженеров, студентов высших учебных заведений по соответствующим специальностям. Все материалы собраны из открытых источников.
Измерение давлений и напряжений в грунтах
Оценивать прочность грунта можно экспериментально определением порового давления (той части полного напряжения, которое передается на воду в порах). Поровое давление нужно знать для выявления уплотнения водонасыщенного грунта: сначала вся дополнительная нагрузка, приложенная к грунту, воспринимается водой в порах, а на скелет грунта (твердые частицы) давление не передается; по мере уплотнения грунта и отжатия воды поровое давление снижается до нуля, вся нагрузка передается на скелет грунта и уплотнение заканчивается. Поровое давление определяют поропьезометрами, которые могут быть совмещены с приборами для определения плотности грунта пенетрометрами.
Для замера нормальных и касательных напряжений и их направления на контакте двух тел (фундамента и грунта, тела плотины и ее основания, подземного сооружения и грунта, конструкции и опорной части и др.) применяются месдозы давления и трения.
Месдозы могут быть контактными (располагаемыми на контакте фундамента и грунта) и грунтовыми (закладываемыми в грунт). Месдозами можно замерить силы давления и трения грунта по фундаменту.
Месдозы делят на мембранные тензорезисторные, мембранно-балочные, мембранные, струнные, противодавления, магнитоупругие и др. Наиболее широкое применение нашли мембранные и струнные месдозы (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Месдозы:
а — тензорезисторная; б — с балочкой; в — комплексная кубическая; г — гидравлическая; д — струнная; 1 — крышка месдозы давления; 2 — тензорезисторы; 3 — корпус; 4 — кольцевая выточка; 5 — упругая прокладка; 6 — шарики; 7 — измерительный элемент месдозы трения; 8 — балочка; 9 — трубка; 10 — жидкость; 11 — мембрана; 12 — струна; 13 — электромагнит
Мембранная тензорезисторная месдоза состоит из жесткого корпуса 3 с прикрепленной крышкой (гибкой упругой мембраной 1), контактирующей с грунтом. С внутренней поверхности мембраны на нее наклеен тензорезистор 2 (например, кольцевой), реагирующий на небольшие прогибы мембраны. Для исключения концентрации краевых напряжений на краях мембраны сделаны кольцевые выточки 4, заполненные обычно Пористой резиной 5. Деформируемость мембраны подбирают таким образом, чтобы жесткость месдозы соответствовала жесткости материала, в котором она располагается.
Перед испытаниями месдозы градуируют в специальном приспособлении (обычно — в баке, в котором создается контролируемое распределенное давление воды или воздуха, или в грунте). Для каждой месдозы строят градуировочный график, который должен быть прямолинеен при создании и снятии нагрузки и не иметь петель. Погрешность измерений не должна превышать 5—10 %. При градуировке месдоз на грунте он должен быть того же состава и той же начальной плотности, что и принятый в опытах
Мембранно-балочная месдоза (рис. 3.6, б) в качестве измерительного элемента содержит металлическую ба- лочку 8 с тензорезистором 2. От гибкой мембраны 1 перемещения передаются на балочку 8 через винт. Наряду с активным тензорезистором, наклеенным на балочку, в месдозе должен быть термокомпенсационный, обычно наклеиваемый на жесткий корпус 3; возможна наклейка двух тензорезисторов в сжатой и растянутой зоне балочки, что повышает чувствительность месдозы.
Разработана конструкция кубической месдозы (рис. 3.6, с), в которой объединены месдозы давления и трения. Такая конструкция позволяет замерять все составляющие напряжений в точках основания. В месдозе трения жесткая крышка может перемещаться на шариках 6 относительно корпуса, при этом гибкая мембрана 7 реагирует на горизонтальные перемещения. На мембрану 7 наклеивают тензорезистор 2. На шести гранях кубической месдозы располагают три месдозы давления и три месдозы трения.
Несколько более сложной является мембранная грунтовая месдоза (рис. 3.6, г). У нее обе поверхности мембраны — рабочие, гибкие. Месдоза состоит из гибкого корпуса (с двумя мембранами), заполненного жидкостью, обычно дистиллированной окрашенной водой, под вакуумом во избежание появления пузырьков воздуха. От корпуса отходит тонкая трубка, на конце которой устанавливают капиллярную стеклянную трубку с миллиметровыми делениями. Мениск окрашенной жидкости должен быть виден в стеклянной трубке. При создании давления грунта на месдозу мениск жидкости перемещается в капиллярной трубке, что позволяет судить с величине давления грунта.
Широко распространенной и надежной для проведения длительных испытаний является струнная месдоза конструкции НИИСК Госстроя УССР (рис. 3.6, д). В этой месдозе перемещения мембраны 11 передаются натянутой стальной нити (струна) 12, Которая меняет частоту собственных колебаний в зависимости от степени ее натяжения. Таким образом, работа струнных месдоз аналогична работе струнных тензометров (см. рис. 1.8). Для большей чувствительности месдозы в корпусе 3 устроена полость, заполненная жидкостью 10. Электромагнит 13 реагирует на колебания струны 12.
Закрепленные
В механике грунтов под реологическими понимают процессы деформирования скелета грунта, протекающие во времени. Развитие во времени объемных деформаций в водонасыщенных грунтах в значительной мере определяется процессом отжатия или всасывания воды при изменении объема их пор. Развитие таких деформаций грунтов, определяемых только длительностью фильтрации воды, не относят к категории реологических. К чисто реологическим следует относить только протекающие во времени деформации самого скелета грунта в условиях практического отсутствия сопротивления воды или газа изменению объема пор грунта. В глинистых грунтах реологические процессы обусловлены вязкими связями между частицами скелета грунта.
Основные явления, определяющие реологические свойства грунтов: ползучесть грунта, релаксация и длительная прочность. Под ползучестью понимают деформируемость скелета грунта во времени при постоянной нагрузке. Релаксацией называют процесс расслабления (уменьшения) напряжений в грунтах при заданной неизменной деформации. Длительная прочность — прочность грунтов при длительном действии на них нагрузки.
Ползучесть грунтов при сжатии. В условиях компрессионного сжатия какой-либо постоянной нагрузкой о достаточно тонкого образца трехфазного относительно плотного глинистого грунта поровое давление мало и при этом проявляются свойства ползучести его скелета (рис. 1.45). Быстро протекающую часть деформации относят к мгновенной (^ » 0), а остальную — к деформации ползучести. Причем деформации ползучести в условиях компрессионного или всестороннего сжатия всегда затухающие во времени.
Как показали многочисленные эксперименты, в частности С. Р. Мес- чяна, кривые ползучести большинства грунтов удовлетворительно описываются уравнением
где второй член отвечает мгновенному изменению коэффициента пористости, а третий — изменению коэффициента пористости во времени, т. е. собственно ползучести грунта. Коэффициент а0 можно назвать коэффициентом мгновенного уплотнения, а аг и ^ являются параметрами ползучести. Опытами также подтверждено подобие кривых ползучести грунта при разных постоянных напряжениях а (рис. 1.45), что и заложено в уравнение (1.38).
Рис. 1.45. Кривые компрессионного сжатия (а) и ползучести (б) при «мгновенной» деформируемости и к моменту Ь’ условной стабилизации деформаций
Чем меньше величина тем медленнее развиваются деформации ползучести. При вся
деформация становится мгновенной и уравнение (1.38), учитывая, что при этом а = а0 + аъ превращается в уравнение (1.27) спрямленной компрессионной кривой (рис. 1.45). Возможность использования уравнения (1.38) определяет применимость к грунтам теории линейной ^наследственной ползучести (см. § 8.5).
Широкие экспериментальные исследования ползучести грунтов с испытанием некоторых образцов более десятка лет проводились С. Р. Месчяном. Развитие реологии грунтов во многом обязано работам С. С. Вялова, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, Г. И. Тер- Степаняна, Ю. К. Зарецкого, А. Я. Будина и др.
Все грунты обладают свойством ползучести, но наиболее ярко они проявляются в глинистых грунтах. В результате этого у сооружений, возводимых на таких грунтах, наблюдаются осадки, продолжающиеся десятками лет. Менее существенны деформации ползучести в песчаных грунтах, но плотины из каменной наброски деформируются годами. Природа ползучести в таких грунтах иная, хотя внешние проявления одинаковы — длительная деформация во времени. В крупнообломочных остроугольных грунтах разрушаются контакты, срезаются углы наиболее напряженных частиц, в результате происходит перестройка структуры и возникают большие напряжения в других частицах, затем их излом и т. д.
Ползучесть грунтов при сдвиге. Развитие сдвиговых деформаций ползучести можно исследовать на сдвиговых приборах при постоянных горизонтальных нагрузках, меньших предельных. Для этого больше подходят приборы кольцевого сдвига (см. рис. 1.19, а), позволяющие осуществлять неограниченные смещения без изменения площади образца в зоне фиксированной поверхности сдвига.
Рис. 1.46. Развитие горизонтальных смещений 5Х в зависимости от величины постоянных касательных напряжений т в сдвиговых приборах
Рис. 1.47. Кривая длительной прочности
стадию установившейся ползучести (ВС). Установившаяся ползучесть может привести к началу ускоренного деформирования (стадия прогрессирующего течения) и разрушению образца (при %” и на рис. 1.46). Такой характер ползучести глинистого грунта при сдвиге объясняется перестройкой структуры грунта с разрушением существующих и образованием новых структурных связей, а также образованием микротрещин (дефектов), с последующим частичным их закрытием, или, наоборот, развитием (М. Н. Гольдштейн, С. С. Вялов, Ю. К. Зарецкий, С. С. Бабицкая, А. Я- Туровская и др.).
На стадии неустановившейся затухающей ползучести разрушаются хрупкие связи, но закрываются некоторые микротрещины и в результате последующего сближения частиц возникает большое число новых вязких водно-коллоидных связей, и скорость нарастания деформации сдвига уменьшается. В период установившейся ползу- ‘.ести продолжающие разрушаться хрупкие и вязкие связи полностью компенсируются образующимися новыми водно-коллоидными и молекулярными связями, но одновременно происходит перестройка структуры грунта. Например, чешуйчатые глинистые частицы, до деформации грунта располагавшиеся поперек плоскости сдвига, начинают все больше укладываться своими плоскостями параллельно направлению сдвига. Такая структура грунта меньше сопротивляется внешним усилиям и поэтому развивается стадия прогрессирующего течения, переходящая в разрушение.
Чем больше т, тем за более короткий период установившаяся ползучесть грунта переходит в стадию прогрессирующего течения и раз рушения (рис. 1.46, случай т” и г'”). Проводя опыты с все меньшими нагрузками, можно достигнуть такого т, при котором в условиях даже очень длительного испытания не наблюдается перехода к разрушению.
В результате испытаний грунта можно построить график длительной прочности (рис. 1.47). На нем длительная прочность соответствует напряжению, при котором разрушение материала произойдет к заданному моменту I. Длительная прочность с течением времени снижается. Прочность при бесконечно большой продолжительности действия нагрузки называют пределом длительной прочности (т,:Х1 на рис. 1.47). Наибольшая прочность отвечает моменту I = 0 и может быть условно названа мгновенной прочностью. Прочность (рис. 1.47), получаемую при обычных относительно кратковременных лабораторных исследованиях грунта, обычно называют стандартной тс.
Методы проектирования и строительства подпорных или откосных сооружений в грунтах с ярко выраженными свойствами ползучести при сдвиге могут быть направлены по двум путям. Первый — не допускать возникновения ощутимых деформаций ползучести, что требует очень большого уположения откосов и создания тяжелых или глубоко заложенных подпорных сооружений. Второй путь, развиваемый в последние годы (А. Я- Будин), — это проектирование сравнительно легких сооружений в предположении развития деформаций ползучести исходя из допустимых смещений в течение заданного срока существования сооружения или, например, для портовых соору жений заданного срока межремонтного периода. Этот путь, как~шра- вило, оказывается экономически более оправданным.
Для некоторых глин предел длительной прочности снижается до 30% стандартной прочности. Учет при проектировании длительной прочности грунта и в особенности предела длительной прочности по сравнению со стандартной приводит к необходимости создания более дорогих материалоемких сооружений. Поэтому следует обязательно учитывать, что при возведении сооружений одновременно происходят два противоположно направленных процесса. Грунт под возникшей новой нагрузкой со временем уплотняется, т. е. упрочняется, а в случае развития деформации установившейся ползучести одновременно стремится разупрочниться. В большинстве случаев процесс упрочнения оказывается определяющим. Особенно ярко прояв- лются процессы уплотнения — упрочнения в слабых грунтах. Кроме того, при обоснованном учете длительной прочности благодаря уточнению расчетных характеристик и процессов необходимо переходить на сниженные коэффициенты запаса устойчивости сооружений (см. § 7.2).
