книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве

Уравнения (2.46) — (2.51), вытекающие из принципа эффектив­ ных (и нейтральных — пбровых) давлений, описывают взаимодей­ ствие фаз грунта и положены в основу теории фильтрационной кон­ солидации (уплотнения) водонасыщенных грунтов, предложенной проф. К. Терцаги в 1925 г. и значительно впоследствии усовершен­ ствованной: установлены пределы ее применимости при прогнозе осадок сооружений и решении других проблем механики грунтов, а также учтены особенности фильтрации воды в дисперсных грун­ тах, значение сжимаемости поровой воды, ползучести скелета и старения грунтов. Рассмотрению этой важнейшей в прикладной геомеханике теории посвящена гл. 4 данной книги.

2. В случае пространственной задачи уплотнения в настоящее время широко используется теория объемных сил Флорина — Био,

согласно которой сумма общих (тотальных), напряжений во все время уплотнения (консолидации) грунта остается постоянной, т. е. не изменяется в процессе консолидации для любой точки де­ формируемого грунта.

3.Как показано 3. Г. Тер-Мартиросяном * при описании напря­ женно-деформированного состояния массива многофазных грун­ тов, при составлении соответствующих уравнений состояния необ­ ходимо полностью учитывать совместное взаимодействие ползуче­ сти скелета грунта и сжимаемости газосодержащей породой воды,

что и является (по нашему мнению) третьим фундаментальным положением механики многофазных грунтов. Раздельный же учет ползучести скелета грунта или отдельно сжимаемости поровой во­ ды при решении задач консолидации не обнаруживает некоторых характерных эффектов, наблюдаемых в опытах, например экстре­ мального характера кривой пбрового давления во времени и зави­ симости экстремума от длины пути фильтрации, что четко выра­ жено в решениях, построенных с учетом совместного взаимодейст­ вия ползучести скелета и сжимаемости поровой воды ** (см. конец настоящего раздела).

4.Учение о предельном равновесии грунтов, основы которого

были подробно изложены в предыдущем разделе, по его значимо­ сти также следует рассматривать как одно из фундаментальных учений в механике сыпучих и связных грунтов, на базе которого решается целый ряд важнейших инженерных задач, особенно для условий плоской задачи.

Это учение, разработанное главным образом отечественными учеными (В. В. Соколовским*** и др.), базируется на следующем: если в некоторой точке рассматриваемого напряженного массива грунта угол отклонения 0 нормального напряжения к площадке, проведенной через рассматриваемую точку, достигнет предельной

*Тер-Мартиросян 3. Г. Напряженно-деформированное состояние массивов многофазных грунтов в прикладных задачах геомеханики и строительства. Докт. диссертация. МИСИ, 1977.

**Цытович Н. А., Зарецкий Ю. К., Малышев М. В., Тер-Мартиросян 3. Г.

Прогноз скорости осадок оснований сооружений. М., 1967.

***Соколовский В. В. Статика сыпучих тел. М., 1942.

2.6. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, КОТОРЫЕ НЕОБХОДИМО УЧИТЫВАТЬ В МЕХАНИКЕ ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫХ И ОРГАНИЧЕСКИХ МАСС

Органо-минеральные и органические массы (преимущественно различные торфы и торфянистые грунты) широко распространены на земном шаре. Только в европейской части СССР площадь, за­ нятая торфяными болотами, равна приблизительно 30 млн. га.

Знание свойств природных органических масс совершенно не­ обходимо при проектировании и проведении мелиоративных и гид­ ротехнических работ, а также при использовании торфов в сель­ ском хозяйстве-и как полезных ископаемых.

Исследования органических грунтов в строительных целях на­ чались давно: так, можно отметить работу И. И. ПоклевскогоКозелла *, а позднее работы проф. М. X. Пигулевского **, проф.

Г.И. Покровского*** и др.

В1953 г. на совещании по геологии и инженерной геологии Прибалтики и Белоруссии был широко поставлен вопрос о необхо­ димости детального исследования торфянистых грунтов со строи­ тельной точки зрения ****.

ВАН БССР были составлены общая программа по рассматри­ ваемой проблеме (применительно к исследованию торфов и заторфованных грунтов) и программы частных тем: 1) по изучению ос­ новных физических свойств торфяных грунтов; 2) по изучению минерализации торфов во времени; 3) по исследованию напряжен­ но-деформированного состояния торфов под нагрузкой.

Работы по новым программам успешно велись в течение ряда лет в ИСиА АН БССР, при этом были обработаны не только по­ лученные материалы экспериментальных исследований, но и об­ общены известные к этому времени литературные и ведомственные материалы по исследованию строительных свойств торфяных грунтов *****.

Внастоящее время исследования торфяных грунтов продолжа­ ются в мелиоративных институтах и накоплены новые материалы

*Поклевский-Козелл И. И. Устройство фундаментов на болотах и плывунах. М., 1898.

**Пигулевский М. X. Физико-механические свойства рыхлых дорожных ма­

териалов. Л., 1929.

*** Покровский Г. И. О физических принципах расчета деформаций грун­ тов. — В кн.: Материалы совещания Всесоюзного института оснований соору­ жений. М., 1939.

****Цытович Н. А. Вопросы механики грунтов при освоении новых террито­ рий. Минск, 1953.

*****1) Винокуров Ф. П., Тетеркин А. Е„ Питерман М, А. Торф в строитель-

стве/Под ред. проф. Ф. П. Винокурова и проф. Н. А. Цытовича. Минск, 1959; 2) Ви­ нокуров Ф. П., Тетеркин А. Е.,Питерман М. А. Строительные свойства торфяных грунтов/Под ред. чл.-кор. АН СССР Н. А. Цытовича и акад. БССР Ф. П. Вино­ курова. Минск, 1962; 3) Цытович Н. А., Тетеркин А. Е. Исследование механи­ ческих свойств торфяных грунтов. Минск, 1962; 4) Дрозд П. А. Сельскохозяйст­ венные дороги на болотах. Минск, 1966; 5) Шапошников М. А. Геотехнические исследования болотных грунтов для строительства. Л., 1977.

ционные и в известной мере механические свойства торфов; влаж­ ность w, достигающая у торфов до «804-98% на сырую навеску и до доа« 2004-800% и более на сухую; зольность А3 и содержание органических веществ (100—Л3); кислотность pH, изменяющуюся в среднем от 2—4 для верхового торфа и до 4—8 для низинного; газосодержание, которое в торфах в среднем не превышает 3—4%.

Следует отметить, что, как показано исследованиями в Гидро­ проекте*, в заторфованных грунтах и прежде всего в илах особо

дит весьма медленно. Однако понижение уровня грунтовых вод улучшает аэрацию, увеличивая скорость разложения органических (растительных) остатков. Так, по данным А. Ф. Печкурова ***, еже­ годная минерализация пахотного слоя (30 см) уменьшает толщину торфяной залежи примерно на 3 мм, а на болотах с глубиной тор­ фа в 1,0—1,5 м в течение 50 лет сельскохозяйственного использова­

*Радина В. В. Биоэнергетические причины обусловливают газовыделение и ускоряют степень разложения. — Гидротехническое строительство, 1973, № 9.

**См.^носку на с. 76, п. 5.

***Печкуров А. Ф. О минерализации торфа.— Труды Ин-та мелиорации АН БССР, т. VI. Минск, 1955; Печкуров А. Ф. Уплотнение торфа под нагрузкой. — Труды Ин-та мелиорации АН БССР^ т. VII. Минск, 1966.

ния наблюдалось уменьшение мощности торфяной залежи до 50 см, что и необходимо учитывать при мелиорации заболоченных земель.

А. Ф. Печкуров также указывает, что в процессе лабораторных компрессионных испытаний при нескольких ступенях нагрузки, вы­ держиваемых каждая по полгода, не наблюдалось существенного влияния микробиологической деятельности на уплотнение (комп­ рессию) торфа, даже при насыщении торфа 0,2%-ной серной кис­ лотой, что подтверждается и соответствующими опытами в МИСИ. Однако при длительном уплотнении торфов и других органических масс (порядка десятков и сотен лет), несомненно, процесс раз­ ложения органики (минерализация) будет увеличивать общую осадку торфяных и подобных залежей, причем скорость минерали­ зации будет весьма различна в зависимости от колебания грунто­ вых вод (гидрологического режима) и условий аэрации, что тре­ бует в каждом отдельном случае обстоятельного эксперименталь­ ного изучения.

Считая основным фактором минерализации органо-минеральных масс концентрации солей их пбрового раствора (под влиянием микроорганизмов и аэрации), можно оценить их.скорость минера­ лизации dR/dt на основе теории диффузии по уравнению

где D — коэффициент миграции пбрового раствора, аналогичный коэффициенту диффузии.

В общем случае коэффициент D — величина переменная и за­ висит от температуры, глубины слоя, концентрации пбрового рас­ твора и других факторов, что требует экспериментального его оп­ ределения.

В первом приближении, принимая коэффициент D постоянным, решение уравнения (2.55) для слоя конечной толщины h при на­

Это уравнение определяет закономерность степени минерализа­ ции слоя торфа мощностью h при заданной на поверхности степени минерализации R\ и начальной RQ. Из уравнения (2.56) вытекает, что с увеличением толщины слоя скорость минерализации умень­ шается.

Важно отметить, что для аналитического решения задач гео­ механики, связанных с использованием органических и органо-ми­ неральных масс в качестве оснований и среды для сооружений, необходимо к вышеприведенным в предыдущих разделах уравнени­ ям механики сплошных деформируемых сред и многофазных грун-

тов (которые в рассматриваемом случае также будут лишь необ­ ходимыми, но не достаточными) добавить специальные зависимости

вида (2.55), характеризующие изменение органической составля­ ющей этих масс в пространстве и во времени и в первую очередь изменение степени их минерализации. Установление для конкрет­ ных случаев уравнения минерализации является ближайшей неот­ ложной задачей механики органических масс при изучении дли­ тельно протекающих процессов их деформирования. Кроме того, при решении задач прикладной геомеханики необходимо учесть специфические особенности механических свойств органических масс и величины механических характеристик, обусловленных структурностью, степенью разложения, содержанием пластифици­ рующих органических коллоидов и пр.

Основные механические свойства торфов, илов и других орга­ нических масс. Важнейшими механическими свойствамиэтого ви­ да пород являются структурность, значительная сжимаемость, пере­ менная водопроницаемость, длительная реологическая деформиру­ емость (ползучесть) и малая сопротивляемость внешним силам.

Сжимаемость органических пород и их структурная прочность

определяются в опытах на компрессию. Как показывают исследова­ ния*, до давлений, соответствующих разрушению (преодолению) структурных связей рстр, сжимаемость весьма незначительна (рис. 2.12), а при большем давлении чрезвычайно велика. Величи­ на рстр определяется по резкому возрастанию осадок при компрес­ сионном испытании ненарушенного образца породы небольшими давлениями [порядка 0,01—0,05 кгс/см2 (~0,1-^0,5) 104 Па)]; рез­ ко криволинейная же ветвь компрессионной кривой, обусловлен­ ная изменением пористости при давлении р*>Рстр, имеет логариф­ мическое очертание:

где е0 и а — параметры логарифмической кривой По опытам А. Е. Тетеркина, величины этих параметров, напри­

мер для сосново-пушицевого торфа с влажностью ша=658% (по отношению к сухому веществу) и # = 5 0 % , равнялись е0= 5,4 и а=1,94, а для древесно-тростникового (wa= 732% и # = 4 0 % ) ^ о = 12,1 и а=2,45.

Уплотненность рассматриваемого вида пород и их структура существенно сказываются на водопроницаемости в этих породах под действием напора: при отсутствии уплотнения и для неструк­ турных разностей полностью применим закон Дарси; для слабых,

* Абелев М. Ю., Цытович Я. А. Вопросы применения теории фильтрацион­ ной консолидации для сильно сжимаемых грунтов. — Основания, фундаменты и механика грунтов, 1964, № 3; Цытович Н. А. Вопросы теории и практики строи­ тельства на слабых глинистых грунтах. — Материалы Всесоюзного совещания по строительству на слабых водонасыщенных глинистых грунтах. Таллин, 1965.