9. Водопроницаемость грунтов. Закон Дарси. Начальный градиент в глинистых грунтах.
Движение воды в грунтах называется фильтрацией, а способность грунта пропускать через поры свободную воду – водопроницаемостью. Она зависит от пористости грунта, его гранулометрического и минерального состава, а также от передающегося на воду давления, в том числе нагрузкой от сооружения.
Закономерности движения воды в песчаных грунтах впервые были изучены французским ученым Дарси в 1854 г. Он установил, что характер фильтрации ламинарный, а ее скорость (т.е. расход воды через единицу площади в единицу времени) прямо пропорциональна длине пути фильтрации
Для движения воды необходим некоторый градиент напора, вызываемый теми или иными физическими причинами.
Гидравлический градиент напора оценивается разностью напоров H2 и H1 в разных точках, отнесенной к расстоянию между этими точками:
Разность напоров называют «действующим напором» H.
10. Эффективные и нейтральные давления в грунтовой массе.
В процессе уплотнения грунта в нем одновременно действуют две системы давлений: давление в скелете грунта, называемое эффективным, и давление в поровой воде, называемое нейтральным. Эффективное давление характеризует напряженное состояние скелета грунта. Под этим давлением грунт уже деформировался, т. е. уплотнился и упрочнился. Следовательно, такое давление эффективно сказывается на состоянии грунта. Нейтральное же давление не влияет на напряженное состояние скелета полностью водонасыщенного грунта, т. е. оно нейтрально по отношению к скелету грунта.
Обозначим эффективное давление рd, а нейтральное давление pω.
p = рd + pω
Отсюда эффективное давление
рd = p – pω
где р — полное, или тотальное, давление, действующее в грунте.
11. Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона для сыпучих и пылевато-глинистых грунтов.
Грунты в основании сооружений, а также при неодинаковых отметках их поверхности испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.
Сопротивление грунта сдвигу (предельное) может быть установлено испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез), путем трехосного сжатия, вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью, по результатам среза грунта крыльчаткой по цилиндрической поверхности и другими способами.
Если образец песка 1 поместить в сдвиговой прибор в виде кольца, разрезанного по горизонтальной плоскости ,(рис. 2.9, а), то, приложив силу N и постепенно увеличивая силу Т, можно достигнуть среза (сдвига) одной части образца по другой приблизительно по линии, обозначенной пунктиром. Прибор имеет нижнюю неподвижную обойму 4; верхнюю подвижную обойму 3 и зубчатые фильтрующие пластины сверху и снизу 2.
Рис. 2.9. Схема прибора для испытания грунта на сдвиг (о) и графики сопротивления сдвигу сыпучего (б) и связного (в) грунта
Если мы проведем несколько таких опытов при различном вертикальном напряжении σ = N/A (где А — площадь образца в плоскости среза), то получим, что чем больше σ, тем больше предельное сопротивление грунта сдвигу τu. По данным экспериментов построим зависимость предельного сопротивления сыпучего грунта сдвигу τu от давления (рис. 2.9,б). На основе многочисленных опытов установлено следующее: для несвязных (идеально сыпучих) грунтов экспериментальные точки в пределах обычных изменений напряжений (до 0,5 МПа) оказываются на прямой, выходящей из начала координат. В таком случае для любого нормального напряжения
τui = σi tg φ
где tg φ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трение грунта о грунт: tg φ = f; φ — угол внутреннего трения.
Зависимость (2.20) установлена Ш. Кулоном еще в 1773 г. Она выражает закон сопротивления сыпучих грунтов сдвигу, который формулируется так: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется законом Кулона.