книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве

МГрОиФ МИСИ А. Б. Лейкамом под руководством авторов, ко­ торые показывают, какое влияние имеют пбровое давление и рео­ логические свойства скелета на динамику развития оползневого процесса во времени (рис, 4.26—4.29).

Оползневый склон представляет собой наклоненный к горизон­ ту под углом 6—10° пласт сравнительно большой мощности (по­ рядка 70—80 ад), имеющий площадь поверхности около 60 га. Ре­ жимные инструментальные наблюдения за 20 поверхностными и 25 глубинными реперами, а также 16 пьезометрами пбрового дав­ ления показали, что наиболее активные оползневые смещения по глубине приурочены к контактным зонам разномодульных (по сдви­ гам) слоев, где обнаружены напорные воды. Наибольшая оползне-

12ог>

Рис. 4.26. Литологическое строение участка Ахангаранского оползневого скло­ на:

1 — поверхностные реперы; 2 — глубинные реперы; 3 — пьезометры; 4 — коренные породы; 5 — песчаники; б — глины; 7 — покровные суглинки

вая активность склона проявляется в весенний период, а экстре­ мальные скорости несколько сдвинуты во времени от экстремаль­ ных значений интенсивности атмосферных осадков и пьезометриче­ ского уровня воды.

Испытания глинистых образцов в приборе перекашивания при различных скоростях, деформирования с измерением пбрового дав­ ления показали (см. рис. 4.27), что разрушение глин сопровожда­ ется дилатаитными процессами разуплотнения, хотя по измерен­ ным величинам деформаций уплотнения они фиксируются не чет­ ко. Следовательно, динамика развития пбрового давления при сдви­ ге может служить индикатором развития дилатантных процессов в глинистых грунтах, которые предшествуют моменту разрушения. Это означает, что на оползневом склоне интенсивное падение пб­ рового давления также, по-видимому, можно рассматривать как индикатор, сигнализирующий о близости катастрофической фазы, что очень важно для практики.

Если провести аналогию между динамикой развития тектони­ ческих процессов в сейсмически активных зонах, механизм кото-

Рис. 4.27. Кривые зависимости предварительного обжатия (а) и сводные кри^ вые реологических испытаний глин неогена в режиме заданных скоростей «1— 1»4 деформаций сдвига в приборе перекашивания с замером порового дав­ ления в условиях закрытой системы (б):

1 — общее давление; 2 — пбровое давление; 3 — осадка во времени (по опытам

А. Б. Лейкама)

Рис. 4.28. Кривые зависимости скорости сдвига от касательных напря­ жений при различных режимах скоростей деформирования в приборах одноплоскостного среза (/), перекашивания (2) и цилиндрического сре­ за (3) при уплотняющем давлении а=2 кгс/см2 и £=0,8:

4а 5, 6, 7 — зависимости пиковой и остаточной прочности от скорости нагру­

жения в приборе цилиндрического среза

В заключение приведем еще один результат испытания глинис­ того образца в специально сконструированной нами установке, ко­ торая позволила моделировать процесс сдвига при заданном режи­ ме изменения напора воды на одном торце образца и при свобод­ ном дренировании через другой (рис. 4.29). После полной стаби­ лизации сдвиговых деформаций от действия нормальных и каса­ тельных .напряжений на .нижнем уровне образца создавался напор воды с периодическим режимом изменения во времени. В резуль­ тате его действия в образце возникал процесс распространения на­ порных волн, которые уменьшали эффективные напряжения и в конечном итоге привели к развитию, дополнительных деформаций сдвига.

Анализ многочисленных модельных испытаний глии показал, что величина и характер изменения деформации сдвига во времени су­ щественно зависят от амплитуды и частоты изменения напора, вы­ соты испытуемого слоя, а также от фильтрационных и реологиче­ ских свойств грунта. Причем степень влияния частоты изменения напора заданной амплитуды существенно зависит от высоты слоя, в которой нагнетается вода. С увеличением мощности слоя грунта и уменьшением периода действия напора амплитуда изменения порового давления постепенно затухает с расстоянием от источника питания пласта.

При заданной мощности пласта и свойств грунтов можно найти такой режим изменения напора воды, который вызвал бы макси­ мальный эффект сдвига вплоть до появления катастрофической фазы.

Для различных видов структурно-неустойчивых грунтов один из этих факторов является определяющим.

Если обозначить коэффициент пористости структурно-неустой­ чивого грунта при заданном напряжении о, при полном водонасыщении шп и оттаивании через е (а, 0, доп, R, а), а при естественной влажности w, температуре 0о и напряжении <т0 —через е0 (<т0, 0о, w, Ro, g ), то, очевидно, может иметь место одно из следующих не­ равенств:

где g — ускорение силы тяжести.

В первом случае мы имеем дело с просадочными лёссовыми, оттаивающими мерзлыми и слабыми водонасыщенными глинисты­ ми грунтами, а во втором — с переуплотненными и набухающими грунтами. Отметим, что в некоторых случаях в зависимости от ве­ личины приложенной нагрузки могут обнаруживаться и обратные эффекты. Так, например, при небольшой величине уплотняющего давления замачивание лёссового грунта, а также оттаивающего, ранее уплотненного ледником грунта, может привести к его набу­ ханию, а при большом давлении замачивание набухающей глины приводит к ее уплотнению.

Отметим, что для лёссовых, а также заторфованных, илистых и т. п. грунтов очертание компрессионной кривой может прини­ маться логарифмическим, например по формуле (2.57), а при ис­ следовании консолидации рассматриваемых видов грунтов обяза­ телен одновременный учет объемной сжимаемости газосодержащей поровой воды, например по формуле (2.50), и ползучести скелета.

Наличие в грунтовом массиве градиентов напряжений, влаж­ ности, температуры, концентрации пбрового раствора и ускорений вызывает сложнейший нестационарный процесс перестройки струк­ туры и формирование нового напряженно-деформированного со­ стояния в пространстве и во времени, которое не всегда поддается количественной оценке.

Одной из основных задач прикладной геомеханики является разработка количественных методов оценки напряженно-деформи­ рованного состояния структурно-неустойчивых грунтов при дейст­ вии поверхностных и объемных сил и физических факторов.

Накопленный экспериментальный материал по изучению физи­ ко-механических свойств структурно-неустойчивых грунтов и хоро­ шо разработанный аппарат математической физики делают воз­ можным решение ряда прикладных задач геомеханики структурно­ неустойчивых грунтов.

5.2. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ ТЕМПЕРАТУРНО-НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТОВ

Горные породы, имеющие отрицательную температуру, в кото­ рых хотя бы часть содержащейся воды замерзла, цементируя ми­ неральные частицы, образуют толщи мерзлых и вечномерзлых пород.

Льдистые мерзлые породы (содержащие более 25% по объему

щественном составе — просадочными. При строительстве на вечно­ мерзлых грунтах необходимо всегда иметь в виду следующие ос­ новные'начала физики и механики мерзлых грунтов, сформулиро­ ванные Н. А. Цытовичем на основе многолетних эксперименталь­ ных исследований* [49]: принцип динамического равновесия неза­ мерзшей воды и льда в мерзлых грунтах; принцип миграции влаги в замерзающих грунтах как результат нарушения равновесия фаз; текучесть мерзлых грунтов при постоянной нагрузке как следствие перестройки их структуры при нарушении равновесия фаз; уплотняемость пластично-мерзлых грунтов под нагрузкой как результат главным образом таяния порового льда в контактах минеральных частиц; просадочность льдистых (структурно-неустойчивых) мерз­ лых грунтов вследствие лавинного нарушения их структуры при

оттаивании; нелинейность изменения пористости оттаявших грун­ тов как результат морозного распучивания; нестабильность меха­ нических свойств мерзлых грунтов, обусловленная температурной неустойчивостью их структуры.

Из перечисленных выше «начал» физики и механики мерзлых грунтов [49] основным является первое. Действительно, экспери­ ментальные исследования по физике и механике мерзлых грунтов однозначно показывают, что в любом мерзлом грунте, при любой его отрицательной температуре (во всяком случае, до —70° С) всег­

турной, давлением и пр.). Если, например, понизится температура мерзлого грунта, то количество незамерзшей воды уменьшится, а если повысится (даже в области отрицательных температур), то количество незамерзшей воды увеличится **.

При нарушении внутрифазового равновесия вследствие измене­ ния температурных условий в грунте возникает миграция незамерз­ шей воды к фронту промерзания, а при наличии внешней нагруз­ ки— перестройка внутренней структуры грунта, что обусловливает текучесть мерзлых грунтов под нагрузкой и для льдистых (пла­ стично-мерзлых) грунтов — их уплотняемость под нагрузкой даже при неизменной отрицательной температуре. Если же повысить температуру до таяния порового льда, то у льдистых и сильнольди­

* Цытович Н. А. О началах механики мерзлых грунтов. — В кн.: Материа­ лы Всесоюзного научного совещания по мерзловеденшо (1970). М., 1972; Цы­ тович Н. А. Нестабильность механических свойств мерзлых и оттаивающих грун­

5.3. ВОПРОСЫ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ И ЗАТОРФОВАННЫХ ГРУНТАХ*

Общая классификация. Отличительной особенностью слабых водонасыщенных глинистых (илы, ленточные глины) и заторфованных грунтов являются большая и существенно нелинейная их деформируемость и проницаемость с проявлениями структурной прочности и начального градиента напора, а также специфические особенности, обусловленные историей их формирования в данных региональных физико-географических условиях. При решении мно­ гих задач прикладной.геомеханики необходимо учитывать эти фак­ торы, так как они во многом определяют процесс формирования напряженно-деформированного состояния массива грунта под воздейсгвием поверхностных и объемных сил в пространстве и со времени.

И лы принадлежат к структурно-неустойчивым водно-коллоид­ ным грунтам, образовавшимся при осаждении в относительно спо­ койной воде мелких и мельчайших минеральных частиц при одно­ временном протекании в водных осадках гидробиологических про­ цессов. Органо-минеральные коллоиды — основная часть илистых грунтов; они весьма чувствительны к электролитам; изменение со­ держания коллоидов может изменить устойчивое состояние струк­ туры скелета; коллоиды обладают способностью к обратимости набухания и коагуляции, а при действии постоянного электриче­ ского тока в них могут происходить явления электроосмоса и элек­ трофореза (перемещение коллоидных частиц). Коллоиды окружены относительно толстыми водными оболочками, удерживаемыми электромолекулярными силами, причем объем водно-коллоидных оболочек часто превышает объем самих минеральных частиц. Все это обусловливает переувлажнение илистых грунтов, значитель­ ную их сжимаемость. Кроме того, выпадая в спокойной или в очень медленно текущей воде, дисперсные органо-минеральные частицы образуют сложную структуру осадков, обладающую свойством со­ противления формоизменению, что и обусловливает структурную прочность илов при компрессионном сжатии.

Вместе с тем вследствие значительного содержания коллоидов естественная их влажность превышает, как правило, предел теку­ чести, т. е. в условиях нарушенной структуры коэффициент пори­ стости при влажности на пределе текучести меньше, чем в усло­ виях их естественного залегания, когда он всегда больше единицы для супесей и больше 1,5 для глин.

Илы могут быть пресноводными и морскими, причем в послед­ нем случае очень важна степень их засоления, в результате кото­ рой возможна повышенная устойчивость их структуры, так как при определенной концентрации солей в поровой воде увеличиваются плотность и толщина диффузного слоя (ионной оболочки) частиц

* Вопросы механики торфов, заторфоваиных грунтов и их механические свойства подробно освещены в 2.7.