Когда необходимо учитывать взвешивающее действие воды
Перейти к содержимому

Когда необходимо учитывать взвешивающее действие воды

  • автор:

§ 4. УЧЕТ ВЗВЕШИВАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ГРУНТОВЫХ ВОД

В практике расчета оснований и фундаментов часто оказывается необходимым определить природное давление грунта, насыщенного водой. Для установления расчетного значения природного давления грунта, насыщенного водой, вводится понятие об эффективном и нейтральном давлениях в грунте.

Рассмотрим два случая загружения водонасыщенного грунта. В первом случае ( 28.5, а) к слою водона- сыщенного грунта прикладывается нагрузка интенсивностью р, создаваемая сплошной металлической крышкой. Давление р вызовет изменения в плотности грунта и изменит его механические свойства. Такое давление называется эффективным давлением

На кровле водонепроницаемого слоя (скального или твердого глинистого грунта с полной влагоемкостыо, равной его максимальной молекулярной влагоемкости) давление от вышележащей грунтовой воды будет передаваться на весь массив этого слоя. В таком случае разделения полного давления на нейтральное и эффективное не будет.

При этом в случае залегания водоносного слоя над водонепроницаемым на эпюре природных давлений в плоскости кровли водонепроницаемого слоя появляется характерная ступень, размер которой равен разности между выражениями

Следует особо оговорить случай, когда водонепроницаемый слой состоит из пластичных глин с молекулярной влагоемкостью, меньшей их полной влагоемкости. В таких случаях давление грунтовой воды по-прежнему будет передаваться на воду, содержащуюся в пластичном водоупорном слое, и расчет должен производиться по выражению (28.15).

Для проявления взвешивающего действия воды нет необходимости в полном заполнении пор грунта водой. Взвешивающее действие воды проявляется при наличии в грунтовой воде гидравлических связей. В песках взвешивающее действие воды начинает проявляться в среднем при степени влажности G=0,5, что соответствует категории влажных грунтов.

В глинистых грунтах взвешивающее действие грунтовой воды проявляется при условии, что природная влажность грунта больше максимальной молекулярной влагоемкости и в гравитационной воде существуют гидравлические связи. Взвешивающее действие воды в глинистых грунтах необходимо учитывать при размере природной влажности, соответствующем тугопластичному состоянию и большем.

Вопросы для самопроверки

1. Какие стадии сопротивления рассматриваются в механике грунтов?

2. Как определяют расчетное давление на грунт по СНиП П-15-74?

3. В каких случаях и как учитывают взвешивающее действие воды в грунтах?

4. Как в основаниях сооружений проверяют несущую способность подстилающего слоя?

Смотрите также:

Вода в грунте под действием капиллярных сил может под-. пяться вверх до этой величины, при этом по мере
лярного подъема воды степень водонасыщения грунта падает. При понижении уровня грунтовых вод или поступления воды с.

осуществляется под действием напора грунтовых вод, и вода поступает в приемные колодцы под действием сил гравитации, то такой способ удаления воды называется гравитационным.

Подъем грунтовых вод под самими лесными насаждениями еще значительнее. Факты устойчивого подъема уровня грунтовых вод и локального выклинивания засоленных грунтовых вод отмечались в Каменной степи.

При расположении уровня грунтовых вод на 1 м ниже пола подвала в качестве .
Отечественные буровые станки вращательного и ударного действия .

Взвешивающее действие воды и влияние на размеры фундамента.

При устройстве подземных частей зданий, глубоких фундаментов и в некоторых других случаях необходимо учитывать, что на устойчивость грунтов оказывают воздействие подземные воды, находящиеся выше, а иногда, при наличии напора, ниже дна котлована (возможно проникновение воды в подвал здания через полы). При этом большое значение имеют напорные воды, прорыв которых в котлованы и траншеи возможен через их дно.

При учете взвешивающего давления воды следует различать два рода сооружений:

а) сооружения, фундаменты и конструкции которых опущены ниже горизонта воды, располагающейся по сторонам сооружения одинаково; в этом случае на подошву фундамента передается равномерное давление воды в статическом состоянии (гидростатическое);

б) сооружения, в которых уровень воды по бокам сооружения или фундамента располагается на разных отметках (напорные); в этом случае давление воды на подошву оказывается неравномерным, и поскольку разность напоров обусловливает фильтрационное движение, явление будет гидродинамическим.

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

  • Реферат Взвешивающее действие воды и влияние на размеры фундамента. От 250 руб
  • Контрольная работа Взвешивающее действие воды и влияние на размеры фундамента. От 250 руб
  • Курсовая работа Взвешивающее действие воды и влияние на размеры фундамента. От 700 руб

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Если ширина траншеи или котлована в уровне подошвы фундамента более чем втрое превышает его ширину, вопрос о необходимости учета взвешивающего действия воды должен решаться в зависимости от вида грунта обратной засыпки. При меньших размерах котлована в расчет принимается объемный вес грунта естественного сложения, образующего откосы котлована. [17]

В случае полной водонасыщенности грунта, когда объем, занимаемый водой, VB равен объему пор vn и коэффициент водонасыщения т) 1, следует учитывать взвешивающее действие воды на любой грунт и на подпорную стенку. [18]

В случае полной водонасыщенности грунта, когда объем, занимаемый водой, va равен объему пор vn и коэффициент водонасыщения т) 1, следует учитывать взвешивающее действие воды на любой грунт и на подпорную стенку. [19]

Интенсивность горизонтального давления грунта на стенку ниже уровня грунтовых вод возрастает за счет гидростатического давления воды, но в то же время уменьшается за счет уменьшения веса грунта вследствие взвешивающего действия воды . [21]

Если грунт, расположенный вокруг фундамента и пригружаю-щий основание, песчаный, то при уровне грунтовых вод выше подошвы фундамента расчетное давление R должно вычисляться при удельном весе этого грунта 711 с учетом взвешивающего действия воды . [22]

При определении момента предельных сил вес участков каждого выделенного элемента, а также вес участков устоя и фундамента, расположенных как ниже депрессионной кривой, так и ниже горизонтали W — W, нужно определять с учетом взвешивающего действия воды . [23]

Mt, Mc — коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения; kz — коэффициент, зависящий от ширины подошвы фундамента 6; рп — осредненная расчетная плотность грунтов, залегающих ниже подошвы фундаментов ( с учетом взвешивающего действия воды ); р п — то же, залегающих выше подошвы; di — глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала; db — глубина подвала — расстояние от уровня планировки до пола подвала; си — расчетное удельное сцепление грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента. [24]

Если грунт, расположенный вокруг фундамента и пригружающий основание, является песчаным, то при уровне грунтовых вод выше подошвы фундамента расчетное давление R по формуле (3.38) ( 17) должно вычисляться при объемном весе этого грунта уцС учетом взвешивающего действия воды . [25]

Задача 1.1.7. Приняв исходные свойства грунта из условий задач 1.1.1, 1.1.5, 1.1.6, определите плотность сухого грунта, коэффициент пористости, влажность при полном насыщении, степень влажности, удельный вес грунта и удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды . [27]

Этим устраняется взвешивающее действие воды на грунтовые частицы, что увеличивает их вес, под действием которого и происходит уплотнение основания. [28]

Применение метода глубинного водопонижения исключает возможность нарушения грунтов основания и откосов котлована, причем грунт основания даже уплотняется. Уплотнение его происходит вследствие устранения взвешивающего действия воды . [29]

Взвешивающее действие воды на фундамент, выраженное последним членом зависимости (3.13), учитывают при расположении его подошвы в водопроницаемых крупнообломочных, песчаных и супесчаных грунтах. При расположении же подошвы фундамента в глинистых грунтах взвешивающее действие воды учитывают, когда это создает более невыгодные расчетные условия. В любых грунтах в случае определения их расчетных сопротивлений по приближенной формуле (1.15) взвешивающее давление воды на фундамент и грунт на его уступах не учитывают. [30]

Современные методы оценки взвешенного состояния водонасыщенных грунтов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Костюкович П. Н.

В работе систематизированы современные представления о действии взвешивающих гидростатических сил в водонасыщенных грунтах и дана концептуальная оценка вытекающим из них расчетным методам определения взвешивающего действия поровых вод. Показано, что эти методы содержат принципиальные несоответствия с физикой проявления гидростатических сил в пористых средах и, в частности, с ролью негравитационных поровых вод (кристаллизационных, прочнои рыхлосвязанных, микрокапиллярных и т. д.), формирующих межчастичные пространства без точек приложения паскалевских сил и потому не передающих гидростатического давления. В рамках современных представлений рассмотрено влияние архимедовых сил не только на плотность частиц, скелета и грунта в целом, но и на объемные фазовые характеристики водонасыщенного грунта; поставлены задачи для дальнейших исследований.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Костюкович П. Н.

Определение количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах по деформации образца
О математическом моделировании воздействия порового давления на грунт
Исследование взаимодействия строительных сооружений с сухими и водонасыщенными грунтами
Влияние степени водонасыщения глинистого грунта на его напряженно-деформированное состояние

Исследование влияния капиллярных эффектов на фазовое поведение и процессы гидратообразования жидкого и газообразного пропана в водонасыщенном песчаном коллекторе

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Present-day methods of saturated soils suspended condition assessment

The article covers present-day notions concerning suspended hydrostatic sources work in saturated soils and gives the conceptual assessment to the corresponding calculation methods of determination of porous water suspended effect. It is also shown that these methods contain principal disparity with the physics of hydrostatic forces in porous media and in particular, with the role of non-gravitational porous water (crystallic, tightly and mellow, micro capillary, etc.), which form interparticle space without the Pascal force application points and thus do not transfer hydrostatic pressure. The influence of Archimedes forces on particle, skeleton and soil density and on volume phase characteristics of saturated soil in general are dealt with. The author gives the aims of further research of this extremely sophisticated but not sufficiently studied problem (especially by experiments) which is very actual for geotechnical design of saturated and submerged geobase.

Текст научной работы на тему «Современные методы оценки взвешенного состояния водонасыщенных грунтов»

П. Н. Костюкович, д-р техн. наук, проф.

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЗВЕШЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ

В работе систематизированы современные представления о действии взвешивающих гидростатических сил в водонасыщенных грунтах и дана концептуальная оценка вытекающим из них расчетным методам определения взвешивающего действия поровых вод. Показано, что эти методы содержат принципиальные несоответствия с физикой проявления гидростатических сил в пористых средах и, в частности, с ролью негравитационных поровых вод (кристаллизационных, прочно- и рыхлосвязанных, микро-капиллярных и т. д.), формирующих межчастичные пространства без точек приложения паскалевских сил и потому не передающих гидростатического давления. В рамках современных представлений рассмотрено влияние архимедовых сил не только на плотность частиц, скелета и грунта в целом, но и на объемные фазовые характеристики водонасыщенного грунта; поставлены задачи для дальнейших исследований.

Территория Беларуси покрыта мощным чехлом осадочных отложений ледникового комплекса антропогена. Толща насыщена подземными водами. Поэтому геооснования, как правило, или подвержены циклическому воздействию капиллярной каймы, или расположены в зоне колебания уровня грунтовых вод (УГВ), т. е. периодически становятся или водонасыщенными, располагаясь ниже УГВ, или затопленными, залегая под слоем воды (например, в реках, каналах, водоемах и т. д.).

Прочность и несущая способность таких геооснований определяются с учетом действия взвешивающих или архимедовых сил

оказываемых поровыми водами на дисперсные частицы и скелет грунта, уменьшая их массу и плотность. Здесь р(Г) и р (-0 — силы гидростатического давления соответственно на выталкивающей (нижней) и потопляющей (верхней) поверхности минеральных частиц.

При анализе рассматриваемой проблемы будем исходить из допущения, что водонасыщенные грунты — это двухфазные системы, в которых существует два вида межфазовых взаимоотношений: од-

нофазовые или межчастичные и меж-фазовые «поровая вода — частицы». Межчастичные имеют место тогда, когда минеральные частицы, слагающие скелет грунта, частью своей поверхности соприкасаются между собой, образуя множество контактных поверхностей и пространств, нередко содержащих связанную влагу.

Межфазовые связи, в отличие от однофазовых, осуществляются преимущественно через объемы или пространства. Последние не обладают идеальными геометрическими формами, которые присущи модельным грунтам, а представлены неправильной формы капиллярами, каналами, щелями, ходами, отверстиями и другими видами сквозных, закрытых и тупиковых пустот или пор, заполненных водой.

С позиции гидростатики находящиеся в контактных и межфазовых пространствах поровые воды можно разделить на гравитационные или свободные, передающие гидростатическое давление и подчиняющиеся законам Паскаля и Архимеда, и негравитационные или адсорбированные, не передающие гидростатического давления и потому не подвластные законам гидравлики и фильтрации [3].

К негравитационным водам будем

относить кристаллизационные, связанные, осмотические, микрокапиллярные и другие разновидности вод атомного, ионного и молекулярного взаимодействия с минеральными частицами грунта. Поровые пространства, содержащие эти воды, ограничены строго определенными размерами, которые по сути являются нижним пределом или нижней границей проявления гравитационных сил. Эти размеры зависят от многих факторов, но прежде всего от дисперсности и текстуры грунта, геометрической формы и минералогического состава частиц, шереховатости контактирующих поверхностей, гидрохимии поровых вод и т. д., т. е. в целом — от уровня ионно-молекулярного взаимодействия воды со скелетом.

Исходя из толщины водных пленок, составляющих основную долю максимальной молекулярной влагоемкости грунтов, можно полагать, что глубина контактных пространств, заполненных негравитационными водами, равна удвоенной толщине водных пленок, составляющих максимальную молекулярную влагоемкость грунта, и в первом приближении достигает 0,01. 0,10 мм. Такие контакты между частицами водонасыщенного грунта по аналогии с заключенными в них поровыми водами будем называть негравитационными, а контактные пространства толщиной более 0,01.0,10 мм, заполненные свободными водами и являющиеся проводниками гидростатического давления, — гравитационными. Отсюда следует, что в водонасыщенных грунтах, диаметры й пор которых находятся за предельной границей проявления гравитационных сил (й < 0,01. 0,10 мм), точки приложения гидростатического давления отсутствуют и взвешивающее действие поровых вод не имеет места.

Возникновение негравитационных контактов-щелей между минеральными частицами водонасыщенного грунта указывает на существование в этих грунтах поровых пространств, недоступных гравитационным силам воды. Этот факт су-

щественно усложняет подчинение всех поровых вод гидростатическим законам. И прежде всего потому, что на поверхности контактных зон начинают формироваться дальнодействующие молекулярные силы взаимного притяжения, прижимающие одну частицу к другой. В результате в водонасыщенном грунте создаются антигравитационные условия для полного или частичного исчезновения точек приложения архимедовых сил и начинается проявление эффекта гидростатического прижатия или присасывания между минеральными частицами с одной стороны и между частицами и дном с другой. Эти явления в механике грунтов не изучены. В то же время они могут существенно ограничивать область проявления архимедовых сил в дисперсных средах и в итоге приводить не к частичной потере веса их скелета, а, наоборот, к его «утяжелению» и дополнительному уплотнению.

Для исследования этих вопросов запишем известные балансовые равенства по объемам и «воздушным», т. е. измеренным в воздухе, массам твердой (у^ ^ и жидк°й (у^ = ¥П, ^) фаз водонасыщенного грунта [2-6]:

V = V + ¥п = V + У2ш, = V + ; (2)

Чшг = 41 + Ч2*а! = 41 + 42а + 4гц , (3)

где измеренные в воздухе массы: 41 -твердых частиц объемом V1 или абсолютно сухого грунта (его скелета)

объемом V ; 42а = 4а — 41 = 42а + 428 —

поровой воды объемом

У2а = У2а + У2* = УП ; 4*а< - вОДонасЫ-

щенного грунта объемом V ; 42а и 42 —

соответственно адсорбированной объемом У2а и гравитационной объемом У2^

поровой воды; Уп = V — У1 — объем пор в грунте.

Именно водонасыщенные поры как важнейший элемент дисперсных

грунтов вносят принципиальные отличия в физику и механику проявления и распределения гидростатического давления при рассмотрении Р (А) в двух совершенно различных средах:

1) вне пористой среды, т. е. при нахождении тела (тонущего, лежащего на дне, соприкасающегося с дном и т. д.) в достаточно большом объеме гравитационной воды

У2, >> V или У2, >> У; (4)

2) внутри пористой среды, где, во-первых, объем гравитационных вод

У2я = У** — У2а = Уп — У2а = ^У (5)

сопоставим (У2 «У1) или существенно меньше (У2

тиц, и, во-вторых, имеет место множество пор и межчастичных контактов, содержащих исключительно адсорбированные воды

V,а = Уп — У2, =(« -?У = РУ , (6)

которые не передают гидростатического давления и не создают взвешивающих сил Р (Г) . Здесь /и = У2я / V , в = V2а / V и п = Уп / V — коэффициенты водоотдачи, максимальной молекулярной влагоемко-сти (адсорбированности) и пористости грунта соответственно.

Из (2) и (3) получаем, что обобщенную или интегральную плотность поровых вод рк можно выразить через истинные плотности адсорбированных ( Ра = 42а / У2а ) и гравитационных

( ря = 42 / У2 ) вод зависимостью

где /(а) и /(я) — объемные доли адсорби-

рованных и гравитационных вод в водонасыщенном грунте соответственно:

1(я) = У2г /у2а =а(1 +1/е);

очевидно, 1 (а) 1 (8) = 1

Современная методология оценки взвешивающего действия поровых вод на скелет водонасыщенного грунта изложена в [1, 8-10]. Анализ этой методологии показывает, что она обладает принципиальными упущениями. Во-первых, допускается прямое использование закона Паскаля и соответственно Архимеда для водонасыщенного грунта независимо от его пористости, дисперсности, минералогического состава, содержания в нем гравитационной воды и соотношения между объемами твердых частиц и гравитационных вод; при этом, естественно, за объем вытесненной воды, весу которой равна взвешивающая сила Р(А), принимается не объем содержащейся в грунте гравитационной воды У2 , а суммарный объем твердых частиц

У1. К примеру, Н. М. Герсеванов по этому вопросу пишет: «. мы должны принимать плотность частиц водонасыщенного грунта р[ , равной Р^ -Р№ =р8 -1, т. е. считать вес грунта облегченным вытесненным им объемом воды, хотя бы речь шла о глине в вязком или полутвердом состоянии» [1, С. 17].

В последующем в понимание и решение данной проблемы были внесены существенные дополнения и уточнения. Например, Н. Н. Маслов, рассматривая вопрос «о взвешивании грунтов ниже УГВ», приходит к такому выводу: «Как и всякое тело, погруженный в воду грунт теряет в весе. Понятно, что взвешивающее воздействие воды проявляется лишь по отношению к зернам, слагающим грунт. . Поэтому вопрос о собственном весе песчаного, гравелистого или галечного грунтов в различных состояниях разрешается

очень просто. Гораздо менее определенным представляется этот вопрос для тонкозернистых связных грунтов (глин, суглинков, тонких супесей и т. п.). Из-за их тонкозернистого сложения, особых физических свойств воды, заключенной в мельчайших порах породы, где она ведет себя почти как твердое вещество, и возможного наличия в порах так называемого защемленного воздуха, непосредственное использование выражений

для этого рода грунтов не во всех случаях возможно. Поэтому для глинистых грунтов и пород в качестве исходного принято считать их плотность в состоянии естественной влажности с учетом веса воды, заключенной в порах» [8, С. 331]. Здесь Р* — обобщенная плотность поровой воды в воздухе (принимается равной плотности непоровой гравитационной воды в 1 г/см3 = 1 т/м3),

Р* = 42а / У2шг ; Рс1 — плотность абсолютно сухого грунта (его скелета) в воздухе, Рй = 41 / V; Рй — «плотность грунта под водой с учетом взвешивающего воздействия воды, р’л = 4[ / V; Ра — плотность грунта в водонасыщенном состоянии, но без учета взвешивающего воздействия ^дь^ Р а = 4*аг / У » [8].

Как видим, водонасыщенное состояние грунта оценивается исключающими друг друга моделями: с учетом (грунт в воде) и без учета (грунт в воздухе) взвешивающего действия поровых вод. И это несмотря на то, что в водонасыщенном грунте взвешивающее действие гравитационных вод У2 проявляется всегда,

те. имеет место независимо от того, в какой среде (в воде или в воздухе) находится водонасыщенный грунт. Поэтому если одна из данных моделей верна, то

другая будет ошибочной. Такое положение в оценке взвешивающего действия поровых вод Р(А) обусловлено многими факторами, но прежде всего отсутствием способов измерения Р(а).

В третьем допущении при оценке р (А) принимается, что каждая частица водонасыщенного грунта обладает нижней (архимедовой) поверхностью, т. е. точками приложения выталкивающих гидростатических сил Р (Г). Это значит, что твердые частицы рассматриваются как отдельные затопленные тела, не обладающие контактами и другими видами взаимодействия с соседними телами и прежде всего ниже расположенными. В итоге водонасыщенный грунт приравнивается к разжиженному, в котором твердые частицы находятся во взвешенном состоянии и независимы друг от друга.

Таким образом, в механике грунтов одна из фундаментальных задач по оценке особенностей проявления взвешивающих сил, оказываемых гравитационными водами пор на скелет водонасыщенного грунта, сводится к совершенно нереальной, которая, естественно, исследуется в традиционной, архимедовой постановке: оценивается не взвешивающее действие весьма ограниченного объема гравитационных поровых вод на скелет водонасыщенного грунта, а, наоборот, действие бесконечного объема воды на помещенный в нее скелет как отдельное тело. Для этого образец водонасыщенного грунта объемом V = У1 + УП условно «вырезается» из пласта грунтовых вод и далее рассматривается как однофазное, т. е. обезвоженное, тело-скелет; сухой скелет погружается в воду. Поскольку объем вытесненной им воды равен суммарному объему твердых частиц У1, то на этой основе, в соответствии с законом Архимеда, рассчитываются: относительно объема У1 —

«плотность твердых частиц в воде»

P’s = / V и относительно всего объема

водонасыщенного грунта V — «плотность скелета взвешенного в воде грунта p’d = qj / V, облегченного весом

вытесненной им воды» [1, 8-10].

Опираясь на эти положения, обобщим современные представления о влиянии взвешивающих сил F (A) на массу и плотность фазовых характеристик водонасыщенного грунта. Результаты этих исследований будут весьма полезными для дальнейшего изучения рассматриваемой проблемы.

В соответствии с теорией линейной фазовой модели [2, 5, 6] масса qsat и

плотность psat = qsat / V водонасыщенного грунта принимают максимальные значения (по сравнению с фазовыми состояниями при меньших влажностях):

Psat = Я sat / V = fa + q2sat) / V =

= Pd (1 + Wsat )=Pd + P,n (8)

где Wsat — полная влагоемкость водонасыщенного грунта, измеренная в воздухе,

Wsat = q2sat / qj .

Наличие межчастичных гравитационных пространств и приводит к тому, что на смоченных поверхностях минеральных частиц формируются условия для появления точек приложения гидростатических сил. В этой связи будем исходить из допущения, что поровое пространство водонасыщенного грунта Vn = V2sat является гравитационным.

Иначе говоря примем модель, в которой все поры заполнены гравитационной водой и представляют собой единую водную систему, где каждая частица находится под воздействием паскалевских сил. Тогда взвешивающая или подъемная сила F (A), приложенная к нижней поверхности частиц скелета, будет равна весу вытесненной скелетом воды в объеме твердых частиц V1 :

где g — ускорение силы тяжести.

В соответствии с (9) масса взвешенного поровой водой скелета

становится кажущейся и уменьшается на величину PwV1 , равную массе вытесненного объема воды V,. Поэтому величина qj называется взвешенной (нередко эффективной) массой скелета и твердых частиц.

Существование qj влечет за собой изменение «воздушных» массы и плотности фазовых характеристик, связанных с qj. В частности, появляются взвешенные плотности твердых частиц в воде [10]:

Pj = qj / V1 = q -PwV1) / V1 =Ps -P,, (11)

скелета в воде p’d и самого водонасыщенного грунта в воде p’sat = q’sat / V. Поскольку

q1 = qsat — q2sat ; q2sat PwV2sat ;

V2 sat = Vn = V — V„ (12)

Pj= qj / V = (q-pV) / V =

= Pd-Pw(1 — n)=Pd(1 -Pw/ Ps); (13) с учетом (8)

P’d=(qsat — q2sat — P,V1 )/V =

= (qsat — PwVn — PwV1 )/ V = Psat — P, (14)

с учетом (12) [8, 9]

где е — коэффициент пористости:

е = Уп /У1 = п/(1 -п)=Р. /Ра -1. (16)

Из (15) находим, что отношение плотностей скелета р’й и твердых

частиц р\ водонасыщенного грунта в

воде равно их отношению в воздухе:

Р’с / Р’,=Ра / Р. = 1 — п =

грунта в воду вытесняется объем воды V, равный объему этого грунта V. Тогда, учитывая (11)-(15) и тот факт, что масса вытесненной поровыми водами воды Р*УП равна массе поровых вод

(при условии равенства их плотностей), имеем:

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ра = 41г / У = (41 + 42 )/ У =

= -Р*У1 Х + (42*аг — Р*УП )]/ У =

:1/(1 + е) = т = У1/У = соти (17) = 4 -ру)/у = рл — р*(1 -п). (21)

где т — зернистость (уплотненность) грунта.

Существование взвешивающих гидростатических сил в водонасыщенном грунте Р(А) и соответственно эффективных р1 и р’й возможно при допущении,

что водонасыщенный грунт — это пористое тело в воде (условие (4)). В действительности водонасыщенный грунт — это достаточно ограниченный объем гравитационных вод У2 в пористом теле, объем

твердых частиц которого У1 сопоставим или превышает У2 , т. е.

в песчано-гравийных и тонкодисперсных (глинистых, торфяных, илистых и т. д.) грунтах соответственно.

Предполагая, что объем гравитационных вод У28 достаточен для создания

взвешивающих сил Р(А) на обе фазы водонасыщенного грунта, находим эффективную массу этого грунта (массу в воде):

Разделив (19) на объем грунта V, получим эффективную плотность водонасыщенного грунта (его плотность в воде) [10]:

р’шг = раг — р* . (20)

При погружении водонасыщенного

Таким образом, если поровая вода является гравитационной, то при погружении водонасыщенного грунта в воду масса его поровой воды становится равной нулю, т. е.

4 2 тг = 4 2 ваг Р П = 0

и оказывается в невесомости (как известно, в гравитационном поле невесомость «исчезает» в условиях «среда в своей среде» и «возникает» в условиях «среда в другой среде»). Этим свойством «вода в воде», «плазма в плазме» и т. д. широко пользуются, например, рыбы путем изменения своего объема V, за счет воздуха (его плотность рУ = 0,001293 г/см3). В этом случае условие невесомости следует из того же равенства «воздушных» масс затопленного тела и вытесненной им воды:

рУ +РУ (ду, )=р* (У, +ДУу ), (23)

где р, — «воздушная» плотность рыбы, Р, = 4, / V,; 4, — масса рыбы на воздухе; ДУ, — объем воздуха, изменяющий объем рыбы V,.

Из (23) получаем относительное изменение объема рыбы в период ее невесомости:

График функции ДУу / у, = /(р, / р* )

представляет собой прямую с начальным отрезком р* /(р* — ру ) ~ 1 и угловым коэффициентом [1/ (1 — ру / р*)]«1.

Именно формула (24) отражает влияние плотности воздуха ру , а следовательно, и погоды на создание неудобств и дискомфорта в стремлении рыб к состоянию невесомости.

способу достижения невесомости в воде являются искусственные, основанные на регулировании массы затопленного тела или плотности жидкости, а также на комбинациях всех трех способов.

Из (14) и (20) получаем важнейшее свойство водонасыщенного грунта, находящегося в воде: эффективная плотность водонасыщенного грунта р’раг равна эффективной плотности его скелета рй:

рваг = рй = ршг — р* = ( — п Хр — р* ) =

= Рй ( -Р* / Рв ) = Рй-Р* ( -n), (25)

откуда следует, что действие взвешивающих сил Р (А) на скелет водонасыщенного грунта равно их действию на весь грунт.

В [2-7] доказано, что все три плотности грунта р, рй, рр. являются базовыми

или основными фазовыми характеристиками, по которым рассчитываются и через которые выражаются остальные (производные) фазовые характеристики. Таким образом, имея эффективные значения плотностей «водонасыщенного грунта в воде» р*, рй и р’шг, можно определить

влияние архимедовых сил Р (А) на его производные фазовые характеристики. При этом, очевидно, «воздушная» полная влагоемкость грунта

^ = 42а / 41 и =(й / р* (26)

при его нахождении в воде под воздейст-

вием взвешивающих сил принимает нулевое значение

К„ = %■ =0 и П’0,„ = 0, (27)

т. е. становится «невесомой», поскольку, согласно (22), масса затопленной поровой воды д 2 = 0 (естественно, при

равенстве плотностей поровой и выталкивающей вод). Это явление (особенно при неравенстве плотностей поровых и выталкивающих гравитационных вод) имеет фундаментальное значение в

теории взвешивающего действия грунтовых вод и должно учитываться при переносе «воздушных» влажностей лабораторных образцов на водонасыщенное состояние геооснований [4].

Выясним влияние Р(А) на поведение объемных характеристик водонасыщенного грунта, рассчитываемых с использованием рй и рв . В этом случае

эффективная пористость водонасыщенного грунта в воде п , определяемая с учетом выталкивающего действия гравитационных вод, будет равна

п 1 = 1 -Рй / р = 1 —(Ршг -Р* )/(Рр — Р* ) =

В (28) вместо раг подставим ее

значение по линейной фазовой модели. Учитывая, что в воздухе

К= п = 1 -Рй / Рр, (29)

Рраг =Рй (1 + Каг Х =

= Рй + р*п = рр — п(рр — р*) (30)

п. = р, ~р. + п( -р..) = п. (31)

Из (28)-(31) следует, что архимедовы силы Р(А) не изменяют пористости водонасыщенного грунта. Этот вывод подтверждается также равенством эффективного или «подводного» е 1 и «воздушного» е коэффициентов пористости водонасыщенного грунта:

е 1 = Р ‘ / Р й -1 = = (Р * -Р * )/(Р -Р * )- 1 =

или, учитывая (30),

Итак, выполненные исследования приводят к следующим выводам.

1. Теоретические основы современных представлений о взвешивающем действии грунтовых вод на скелет водонасыщенного грунта построены на «архимедовой», т. е. гидростатической, модели «тело в воде» и, в частности, «водонасыщенный грунт в воде». Эта модель имеет существенные расхождения с реальным проявлением взвешивающего действия поровых вод водонасыщенных грунтов, окруженных такими же грунтами и поро-выми водами. Поэтому более логичной является модель «вода в теле» и, в частности, «гравитационные и адсорбированные воды в пористых телах».

2. Взвешивающие силы Р (А), создаваемые поровыми водами, можно измерить только в том случае, когда образец водонасыщенного грунта находится внутри водоносного горизонта. Таких способов измерения Р(А) пока не существует [1, 4, 8-10]. Поэтому современная методология оценки выталкивающих гидростатических сил, действующих на водонасыщенный грунт и его скелет, базируется

не на опытных данных, а на расчетах, вытекающих из гидростатической модели «водонасыщенный грунт в воде».

3. Относительно способности передавать гидростатическое давление и, следовательно, оказывать взвешивающее действие на скелет водонасыщенного грунта поровые воды разделяются на гравитационные или свободные, выполняющие эти функции и заключенные в макропорах диаметром более 0,01.0,10 мм, и негравитационные или адсорбированные. К последним условно относим кристаллизационные, прочно- и рыхлосвязанные, микрока-пиллярные и другие разновидности адсорбированных вод. Поровые пространства, заполненные этими водами, имеют строго определенные размеры, которые по сути являются нижней границей проявления гидростатических сил в водонасыщенных грунтах. Эти размеры зависят прежде всего от дисперсности и минералогического состава грунта, гидрохимии поровых вод, а в целом — от уровня ионно-молекулярного взаимодействия поровой воды со скелетом. Принято, что глубина контактных пространств, заполненных негравитационными водами, равна удвоенной толщине водных пленок, составляющих максимальную молекулярную влагоемкость грунта, и в первом приближении достигает 0,01.0,10 мм.

Поскольку плотность адсорбированных вод ( ра = 1,2.2,1 г/см3) близка

к плотности полутвердых и твердых тел, т. е. существенно превышает плотность обычной гравитационной воды рг = 1 г/см3, то взвешивающее действие последней распространяется не только на скелет водонасыщенного грунта, но и на содержащиеся в нем адсорбированные воды, которые с рассматриваемых позиций, очевидно, яв-

ляются составной частью скелета [2-6]. Отсюда следует, что грунты и пористые тела, впитывающие преимущественно адсорбированную влагу и не обладающие водоотдачей (/и ^ 0 ), в водонасыщенном состоянии не находятся под воздействием взвешивающих гидростатических сил своих поровых вод (этих сил в таких средах просто нет). Данное свойство присуще прежде всего илам, глинам, суглинкам и другим тонкодисперсным грунтам и микропористым средам.

В то же время грубодисперсные грунты и макропористые тела, впитывающие в основном гравитационную влагу и не обладающие адсорбцией ( в ^ 0 ), в водонасыщенном состоянии при определенных условиях могут находиться под воздействием выталкивающих гидростатических сил своих поровых вод. Интенсивность этого воздействия различна в грунтах разной дисперсности и определяется соотношением содержащихся в них количеств гравитационной и адсорбированной воды.

4. Взвешивающее действие грунтовых вод на скелет водонасыщенного грунта может быть охарактеризовано моделями типа «свайно-пористых», основанных на существовании в водонасыщенных грунтах межфазовых и межчас-тичных пространств, заполненных адсорбированными водами и обладающих поверхностями, недоступными для точек приложения паскалевских сил и передачи гидростатического давления. Благодаря этим свойствам негравитационных пространств в водонасыщенных грунтах могут формироваться текстуры из сплошных «вертикальных колонн» или столбчатых структур, не подвергающиеся воздействию архимедовых сил из-за отсутствия в них нижних (выталкивающих) поверхностей, исчезающих при срастании этих структур с нижележащими

слоями (дном) и в процессе последующего диагенеза. Таким образом, в основу «свайно-пористых» моделей положено представление о затопленном поле свай, засыпанных песком. Очевидно, в этих моделях соотношения между потопляющими F(^) и выталкивающими F(Т) силами могут быть самыми разными и должны определяться экспериментально.

1. Герсеванов, Н. М. Основы динамики грунтовой массы / Н. М. Герсеванов. — М.-Л. : ОНТИ, 1937. — 242 с.

2. Костюкович, П. Н. Основные положения теории нелинейных и комбинированных фазовых моделей дисперсных грунтов / П. Н. Костюкович // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь : сб. статей XIV науч.-практ. семинара. — Минск, 2006. -Т. 2. — С. 229-235.

3. Костюкович, П. Н. Адсорбированная вода в песчаных и глинистых грунтах Беларуси / П. Н. Костюкович, И. П. Крошнер // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь : сб. статей XIV науч.-практ. семинара. — Минск, 2006. — Т. 2. — С. 235-239.

4. Крошнер, И. П. Теория фазовых моделей грунтов Беларуси / И. П. Крошнер, П. Н. Костюкович // Будаунщтва. Строительство. Construction. — 2002. — № 1-2. — С. 101- 122.

5. Крошнер, И. П. Водонасыщенные геооснования в линейной и нелинейных фазовых моделях / И. П. Крошнер, П. Н. Костюко-вич // Теоретические и практические проблемы геотехники : сб. тр. — СПб., 2005. — С. 143-153.

6. Крошнер, И. П. Влияние влажности на плотность естественных геооснований / И. П. Крошнер, П. Н. Костюкович // Технология строительства и реконструкции: проблемы и решения : сб. науч. тр. — Минск, 2006. — Т. 1. -С. 135- 139.

7. Крошнер, И. П. Графоаналитическое представление линейной фазовой модели дисперсных грунтов / И. П. Крошнер // Теоретические и практические проблемы геотехники : сб. тр. — СПб., 2005. — С. 161-169.

8. Маслов, Н. Н. Инженерная геология / Н. Н. Маслов. — М. : Госстройиздат, 1957. — 408 с.

9. Силкин, А. М. Основания и фундаменты / А. М. Силкин, Н. Н. Фролов. — М. : Колос,

10. Терцаги, К. Механика грунтов в инженерной практике / К. Терцаги, Р. Пек. — М. Госстройиздат, 1958. — 608 с.

Белорусский национальный технический университет Материал поступил 06.03.2007

P. N. Kostyukovitch Present-day methods of saturated soils suspended condition assessment

Belarusian National Technical University

The article covers present-day notions concerning suspended hydrostatic sources work in saturated soils and gives the conceptual assessment to the corresponding calculation methods of determination of porous water suspended effect. It is also shown that these methods contain principal disparity with the physics of hydrostatic forces in porous media and in particular, with the role of non-gravitational porous water (crystallic, tightly and mellow, micro capillary, etc.), which form interparticle space without the Pascal force application points and thus do not transfer hydrostatic pressure. The influence of Archimedes forces on particle, skeleton and soil density and on volume phase characteristics of saturated soil in general are dealt with. The author gives the aims of further research of this extremely sophisticated but not sufficiently studied problem (especially by experiments) which is very actual for geotechnical design of saturated and submerged geobase.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *