Предельное сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени нормального напряжения.

 

τ = σ · tg φ + c,                          (3.6)

 

где τ – сопротивление сдвигу; σ – нормальное напряжение (давление); φ – угол внутреннего трения грунта, определяет прочность грунта (для сыпучих грунтов практически совпадает с углом естественного откоса); tg φ – коэффициент внутреннего трения; c – сцепление грунта (характерно для глинистых грунтов).

Для сыпучих грунтов (песков) φ = 24° ÷ 40°     мелкие         крупные

Для глинистых грунтов φ = f (W) φ = 0 ÷ 45о

 

По результатам испытаний можно построить характерные графики сопротивления сдвигу для различных грунтов.

Рис. 3.8. График зависимости сопротивления сдвигу от вертикального напряжения для сыпучих грунтов

1. Сыпучие грунты

τ = σ · tg φ + c, для сыпучих грунтов практически отсутствует сцепление, c = 0, следовательно, формула универсального закона сдвига примет вид τ = σ · tg φ.

 

 

Рис. 3.9. График зависимости сопротивления сдвигу от вертикального напряжения для обычных глинистых грунтов

2. Для обычных глинистых грунтов

τ = σ · tg φ + c, есть и сцепление, и внутреннее трение в грунте; формула соответствует универсальному закону сдвига.

 

Рис. 3.10. График зависимости сопротивления сдвигу от вертикального напряжения для глины, насыщенной водой

3. Глина, насыщенная водой

 

τ = σ · tg φ + c, для глины, насыщенной водой, внутреннее трение практически отсутствует, угол внутреннего трения стремится к нулю φ →0 tg0 = 0, следовательно, формула универсального закона сдвига примет

вид τ = c.

 

 

Уравнение (3.6) указывает на линейную зависимость между касательными и нормальными напряжениями при сдвиге в грунте. В настоящее время доказано, что природа сил сопротивления грунта сдвигу имеет сложный характер, а потому простое их разделение на трение и сцепление является условным. Однако, учитывая, что многочисленные опыты хорошо подтверждают представленную уравнением (3.6) простую зависимость, пока считают возможным пользоваться указанными понятиями.

 

Для определения сопротивления грунта сдвигу сейчас существует довольно много приборов:

· односрезные сдвиговые приборы;

· 2-срезные сдвиговые приборы;

· приборы 3-осного сжатия (стабилометры);

· зондирование;

· искусственное обрушение откосов;

· лопастные испытания (крыльчатка);

· метод шарикового штампа.

Уравнение (3.6) указывает на линейную зависимость между касательными и нормальными напряжениями при сдвиге в грунте. В настоящее время доказано, что природа сил сопротивления грунта сдвигу имеет сложный характер, а потому простое их разделение на трение и сцепление является условным. Однако, учитывая, что многочисленные опыты хорошо подтверждают представленную уравнением (3.6) простую зависимость, пока считают возможным пользоваться указанными понятиями.

 

Закон ламинарной фильтрации, водопроницаемость

И фильтрационные свойства. Гидравлический градиент,

Коэффициент фильтрации

Водопроницаемость связана с уплотнением грунта, так как при уплотнении из грунта в первую очередь извлекается влага.

В строительстве фильтрационные свойства грунта связаны:

1. С инженерными задачами (фильтрация берегов в результате строительства плотин).

2. С вопросами временного понижения уровня грунтовых вод для осушения котлованов и последующего возможного устройства дренажных систем.

Фильтрацией называют движение свободной воды в порах грунта в условиях, когда поток воды почти полностью заполняет поры грунта, т. е. содержится относительно небольшое количество газа, защемленного в скелете грунта.

Закон ламинарной фильтрации Дарси устанавливает зависимость скорости фильтрации поровой воды от градиента гидравлического напора. Движение поровой воды называют фильтрацией, а связанные с этим процессы – фильтрационными. Рассматриваются такие скорости, при которых не наблюдаются завихрения гидравлического потока. Такое движение характеризуется как спокойное, или ламинарное.

Гидравлическим напором называют давление в поровой воде, выраженное в единицах высоты эквивалентного водяного столба:

 

,                   (3.7)

 

где γ_w– удельный вес воды. Градиентом гидравлического напора называют безразмерную величину, равную отношению разности гидравлических напоров на входе и выходе фильтрационного потока к длине пути фильтрации поровой воды (рис. 3.11, б):

                           (3.8)

 

В опытах (рис. 3.11, а) Дарси измерял расход воды Q (м³) при фильтрации ее через цилиндр с песком площадью поперечного сечения А.

 

б

а

 

Рис. 3.11. Схемы фильтрации поровой воды:

а – в приборе Дарси; б – в грунтовом массиве; 1 – песок; 2 – сетка;3, 4 – уровни воды на входе и выходе; j – угол наклона потока

 

 

Им получена следующая экспериментальная зависимость:

 

Q = ,                                        (3.9)

 

где k_f – коэффициент пропорциональности, названный коэффициентом фильтрации; t – время фильтрации.

Определим понятие скорости фильтрации (м/с) как расход поровой воды через единицу поперечного сечения в единицу времени. Тогда из экспериментальной зависимости Дарси будем иметь:

 

                                              (3.10)

 

Формула известна как закон ламинарной фильтрации Дарси, который можно сформулировать следующим образом: скорость фильтрации поровой воды прямо пропорциональна градиенту гидравлического напора.

Коэффициент фильтрации k_f, входящий в формулу (3.10), можно трактовать как скорость фильтрации поровой воды при градиенте гидравлического напора (говорят также, гидравлическом градиенте), равном единице. В соответствии с рисунком (3.11, б) единичному значению градиента гидравлического напора соответствует угол наклона поверхности грунтового потока к горизонтальной плоскости
j = 45°. Из приведенного выше определения следует, что коэффициент фильтрации имеет размерность скорости (м/с). В справочных материалах коэффициент фильтрации чаще всего приводится в метрах, деленных на сутки. Значения коэффициента фильтрации зависят от вида грунта и изменяются в широких пределах от 0,001 м/сутки для глин до 100 м/сутки для песков.

В формуле (3.10) фигурирует фиктивная скорость фильтрации, отнесенная к полному сечению грунта, включающему как сечения пор, так и сечения минеральных частиц. Так как фильтрация происходит только по сечениям пор, действительная скорость фильтрации выше фиктивной. Она может быть вычислена через пористость грунта: V = / n. Действительная скорость учитывается при анализе суффозионных процессов в грунтах.

Реальные грунты обладают начальным гидравлическим сопротивлением. Это означает, что фильтрационные процессы протекают лишь при гидравлических градиентах, больших определенной величины. Эту величину называют начальным гидравлическим градиентом i ₀.Величина начального гидравлического градиента, как и коэффициент фильтрации, зависит от вида грунта.

С учетом сделанного замечания запишем окончательное выражение для закона ламинарной фильтрации Дарси:

 

.                              (3.11)

 

Фильтрация воды в глинистом грунте

При i > i 0 возникает фильтрация, развиваются осадки.     При i < i 0 фильтрации нет, нет и осадки.

Рис. 3.12. Фильтрация воды в глинистом грунте

при действии сжимающей нагрузки

 

Фильтрационные характеристики грунтов используются при:

1. Расчете дренажа.

2. Определении дебита источника подземного водоснабжения.

3. Расчете осадок сооружений (оснований) во времени.

4. Искусственном понижение уровня грунтовых вод.

5. Расчете шпунтового ограждения при откопке котлованов, траншей.

 

 

В качестве примера приведем усредненные значения коэффициента фильтрации различных грунтов:

галечник чистый                                      более 100 м/сут;

галечник с песчаным заполнителем       100 – 200 м/сут;

пески чистые разной крупности             50 – 2 м/сут;

пески чистые глинистые, супеси           2 – 0,1 м/сут;

суглинки                                                        менее 0,1 м/сут;

глины                                                             менее 0,01 м/сут.

3.5. Влияние подземных вод на строительные свойства грунтов
и на фундаменты

На различной глубине от поверхности земли встречаются грунты, пропитанные водой. Эти воды называются грунтовыми, а верхняя поверхность их – уровнем грунтовых вод. Грунтовые воды оказывают большое влияние на структуру, физическое состояние и податливость грунтов. Производство работ при наличии воды в котловане сильно затрудняется. Различные примеси, растворенные в воде, могут вредно (агрессивно) влиять на материал фундаментов и разрушать его. Вода в грунте скопляется вследствие конденсации паров, проникающих вместе с воздухом, и просачивания дождевых и талых снеговых вод. Поэтому уровень грунтовых вод непостоянен: наиболее высокое стояние их бывает весной, наиболее низкое – зимой и летом. Вблизи открытых водоемов (река, канал, озеро и т. д.) колебание уровня грунтовых вод обычно связано с колебанием уровня воды в водоеме.

После проведения на большой территории планировочных работ, устройства дорог, тротуаров, канализационной сети и т. д. условия стока и просачивания меняются, что может повлечь изменение режима грунтовых вод. Поэтому в больших городах, где такие работы уже проведены, колебание уровня грунтовых вод бывает обычно незначительным. Распределение вод в толще грунта во многом зависит от характера напластования. Вода задерживается при просачивании над водоупорными (главным образом – тяжелыми глинистыми) грунтами и скопляется в водопроницаемых (песчаных) слоях, которые в этом случае называются водоносным и. Если водоносный слой находится под водоупорным, то вода в нижнем водоносном слое во многих случаях находится под давлением. Если в верхнем слое отрыть котлован, то вода поступит в него снизу под давлением и поднимется выше уровня, на котором она первоначально появилась.

Такие воды называются напорными, а уровень, до которого они поднимаются, – установившимся уровнем грунтовых вод. Очевидно, что этот уровень должен выявляться при изысканиях и учитываться при проектировании. В заключение отметим, что при просачивании воды небольшое количество ее всегда задерживается в верхнем почвенном слое (почвенные воды, верховодка). Не оказывая влияния на конструкцию фундаментов, наличие этих вод заставляет всегда принимать меры по изоляции фундаментов и стен от влаги.