Деформация ползучести грунтов и методы их описания

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 18.09.2024

Агентство по строительству и архитектуре при Правительстве

Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта публикуется в указателе "Национальные стандарты".

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в указателе "Национальные стандарты", а текст изменений - в информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в информационном указателе "Национальные стандарты"

ВНЕСЕНА поправка, опубликованная в ИУС N 12, 2012 год

Поправка внесена изготовителем базы данных

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости полускальных, дисперсных и мерзлых грунтов при их исследовании для строительства.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики

ГОСТ 5180-84 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик

ГОСТ 12071-2000 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов

ГОСТ 12536-79 Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава

ГОСТ 22733-2002 Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности

ГОСТ 23161-78 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик просадочности

ГОСТ 25584-90 Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации

ГОСТ 30416-96 Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов на территории государств по соответствующему указателю стандартов, составленному по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 25100 и ГОСТ 30416, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 эффективное напряжение: Напряжение, действующее в скелете грунта, определяемое как разность между полным напряжением в образце грунта и поровым давлением.

3.2 поровое давление: Давление в поровой жидкости грунта.

3.3 противодавление: Внешнее давление, повышающее поровое давление в образце грунта в процессе испытания.

3.4 девиатор напряжений: Разность между главными эффективными напряжениями .

3.5 реконсолидация: Восстановление природной плотности и двухфазного состояния образца грунта, разуплотненного в результате паро-газовыделения в процессе его отбора при сохранении природной влажности.

3.6 бытовое давление : Вертикальное эффективное напряжение в массиве грунта на данной глубине от веса вышележащих слоев грунта.

3.7 среднее давление в условиях природного залегания : Среднее напряжение в массиве грунта на данной глубине, обусловленное воздействием бытового давления и бокового давления и вычисляемое по формуле , где - коэффициент бокового давления покоя.

3.8 сопротивление недренированному сдвигу: Максимальное касательное напряжение при нагружении грунта в условиях отсутствия дренирования.

3.9 структурная прочность грунта на сжатие: Прочность, обусловленная наличием структурных связей и характеризуемая напряжением, до которого образец грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой практически не деформируется.

3.10 коэффициент фильтрационной и вторичной консолидации: Показатели, характеризующие скорость деформации грунта при постоянном напряжении за счет фильтрации воды () и ползучести грунта ().

3.11 ползучесть: Процесс развития деформаций грунта (сдвиговых, объемных) во времени при действии постоянного напряжения.

3.12 стадия незатухающей ползучести: Процесс деформирования грунта с постоянной или увеличивающейся скоростью при постоянном напряжении.

3.13 оттаивающий грунт: Грунт, в котором при переходе от мерзлого состояния в талое разрушаются криогенные структурные связи.

3.14 граница оттаивания: Граница раздела оттаивающего и мерзлого грунта, движущаяся сверху вниз в процессе оттаивания.

3.15 приконтактный слой грунта: Тонкий (2-4 мм) слой оттаявшего грунта вблизи границы оттаивания, имеющий наибольшие влажность, разуплотнение, водопроницаемость и поровое давление.

4 Общие положения

4.1 Настоящий стандарт устанавливает следующие методы лабораторных испытаний грунтов для определения их характеристик прочности и деформируемости:

- полускальных - одноосное сжатие;

- дисперсных - одноплоскостной срез, одноосное сжатие, трехосное сжатие, компрессионное сжатие, суффозионное сжатие, испытание на набухание и усадку;

- мерзлых - испытание шариковым штампом, одноплоскостной срез по поверхности смерзания, одноосное сжатие, компрессионное сжатие, одноплоскостной срез оттаивающего грунта.

Примечание - По специальному заданию могут применяться другие методы испытаний и конструкции приборов, обеспечивающие моделирование процесса нагружения грунта и условий его работы в основании, составе инженерного сооружения или в качестве среды его вмещающей.

4.2 Общие требования к лабораторным испытаниям грунтов, оборудованию и приборам, лабораторным помещениям, способы изготовления образцов для испытаний приведены в ГОСТ 30416. Дополнительные требования приводятся в отдельных методах испытаний.

4.3 Способы отбора монолитов и подготовки образцов для испытаний должны обеспечить практически полное сохранение их структуры и влажности в соответствии с ГОСТ 12071 и ГОСТ 30416.

4.4 Для испытываемых грунтов должны быть определены физические характеристики по ГОСТ 5180: влажность (суммарная влажность для мерзлых грунтов), плотность, плотность частиц, влажности на границах текучести и раскатывания, гранулометрический состав грунтов по ГОСТ 12536, а также вычислены плотность сухого грунта, коэффициент пористости, коэффициент водонасыщения (степень заполнения объема пор льдом и незамерзшей водой), число пластичности и показатель текучести (для связных дисперсных грунтов).

Дополнительные необходимые характеристики грунтов приводятся в отдельных методах испытаний настоящего стандарта.

4.5 Испытания мерзлых грунтов проводят при температурах ниже температуры начала замерзания: на 0,5 °С - для незасоленных и на 1 °С - для засоленных.

4.6 В процессе испытаний грунтов ведут журналы, формы приведены в приложении А, а при автоматизации процесса испытаний и обработки данных с помощью компьютерных программ результаты опыта выводятся на компьютер в форме паспорта (протокола) испытания.

4.7 Отчет об испытании должен включать в себя:

- идентификацию образца (номер буровой скважины, номер пробы, номер испытания, глубину отбора, номер инженерно-геологического элемента и т.п.);

- метод подготовки образца (ненарушенный или нарушенного сложения, предварительное водонасыщение);

В механике грунтов под реологическими понимают процессы деформирования скелета грунта, протекающие во времени. Развитие во времени объемных деформаций в водонасыщенных грунтах в значительной мере определяется процессом отжатия или всасывания воды при изменении объема их пор. Развитие таких деформаций грунтов, определяемых только длительностью фильтрации воды, не относят к категории реологических. К чисто реологическим следует относить только протекающие во времени деформации самого скелета грунта в условиях практического отсутствия сопротивления воды или газа изменению объема пор грунта. В глинистых грунтах реологические процессы обусловлены вязкими связями между частицами скелета грунта.

Основные явления, определяющие реологические свойства грунтов: ползучесть грунта, релаксация и длительная прочность. Под ползучестью понимают деформируемость скелета грунта во времени при постоянной нагрузке. Релаксацией называют процесс расслабления (уменьшения) напряжений в грунтах при заданной неизменной деформации. Длительная прочность — прочность грунтов при длительном действии на них нагрузки.

Как показали многочисленные эксперименты, в частности С. Р. Мес- чяна, кривые ползучести большинства грунтов удовлетворительно описываются уравнением

где второй член отвечает мгновенному изменению коэффициента пористости, а третий — изменению коэффициента пористости во времени, т. е. собственно ползучести грунта. Коэффициент а₀ можно назвать коэффициентом мгновенного уплотнения, а а_г и ^ являются параметрами ползучести. Опытами также подтверждено подобие кривых ползучести грунта при разных постоянных напряжениях а (рис. 1.45), что и заложено в уравнение (1.38).

Чем меньше величина тем медленнее развиваются деформации ползучести. При вся

деформация становится мгновенной и уравнение (1.38), учитывая, что при этом а = а₀ + а_ъ превращается в уравнение (1.27) спрямленной компрессионной кривой (рис. 1.45). Возможность использования уравнения (1.38) определяет применимость к грунтам теории линейной ^наследственной ползучести (см. § 8.5).

Широкие экспериментальные исследования ползучести грунтов с испытанием некоторых образцов более десятка лет проводились С. Р. Месчяном. Развитие реологии грунтов во многом обязано работам С. С. Вялова, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, Г. И. Тер- Степаняна, Ю. К. Зарецкого, А. Я. Будина и др.

Все грунты обладают свойством ползучести, но наиболее ярко они проявляются в глинистых грунтах. В результате этого у сооружений, возводимых на таких грунтах, наблюдаются осадки, продолжающиеся десятками лет. Менее существенны деформации ползучести в песчаных грунтах, но плотины из каменной наброски деформируются годами. Природа ползучести в таких грунтах иная, хотя внешние проявления одинаковы — длительная деформация во времени. В крупнообломочных остроугольных грунтах разрушаются контакты, срезаются углы наиболее напряженных частиц, в результате происходит перестройка структуры и возникают большие напряжения в других частицах, затем их излом и т. д.

Характеристики ползучести а_ъ У] определяются из результатов специальных длительных компрессионных испытаний грунтов с обязательным контролем порового давления.

Ползучесть грунтов при сдвиге. Развитие сдвиговых деформаций ползучести можно исследовать на сдвиговых приборах при постоянных горизонтальных нагрузках, меньших предельных. Для этого больше подходят приборы кольцевого сдвига (см. рис. 1.19, а), позволяющие осуществлять неограниченные смещения без изменения площади образца в зоне фиксированной поверхности сдвига.

Развитие деформаций сдвига в зависимости от приложенных ка
сательных напряжений имеет характер, приведенный на рис. 1.46. На них можно выделить участок мгновенной деформации (ОА), затем обязательный период уменьшения скорости развития деформации, т. е. стадию неустановившейся — затухающей ползучести [АВ). При малых касательных напряжениях т вся кривая ползучести является затухающей, а при их увеличении т' стадия затухающей ползучести переходит к развитию деформаций с постоянной скоростью, т. е. в

Рис. 1.46. Развитие горизонтальных смещений 5_Х в зависимости от величины постоянных касательных напряжений т в сдвиговых приборах

Рис. 1.47. Кривая длительной прочности

стадию установившейся ползучести (ВС). Установившаяся ползучесть может привести к началу ускоренного деформирования (стадия прогрессирующего течения) и разрушению образца (при %" и на рис. 1.46). Такой характер ползучести глинистого грунта при сдвиге объясняется перестройкой структуры грунта с разрушением существующих и образованием новых структурных связей, а также образованием микротрещин (дефектов), с последующим частичным их закрытием, или, наоборот, развитием (М. Н. Гольдштейн, С. С. Вялов, Ю. К. Зарецкий, С. С. Бабицкая, А. Я- Туровская и др.).

На стадии неустановившейся затухающей ползучести разрушаются хрупкие связи, но закрываются некоторые микротрещины и в результате последующего сближения частиц возникает большое число новых вязких водно-коллоидных связей, и скорость нарастания деформации сдвига уменьшается. В период установившейся ползу- '.ести продолжающие разрушаться хрупкие и вязкие связи полностью компенсируются образующимися новыми водно-коллоидными и молекулярными связями, но одновременно происходит перестройка структуры грунта. Например, чешуйчатые глинистые частицы, до деформации грунта располагавшиеся поперек плоскости сдвига, начинают все больше укладываться своими плоскостями параллельно направлению сдвига. Такая структура грунта меньше сопротивляется внешним усилиям и поэтому развивается стадия прогрессирующего течения, переходящая в разрушение.

Чем больше т, тем за более короткий период установившаяся ползучесть грунта переходит в стадию прогрессирующего течения и раз
рушения (рис. 1.46, случай т" и г'"). Проводя опыты с все меньшими нагрузками, можно достигнуть такого т, при котором в условиях даже очень длительного испытания не наблюдается перехода к разрушению.

В результате испытаний грунта можно построить график длительной прочности (рис. 1.47). На нем длительная прочность соответствует напряжению, при котором разрушение материала произойдет к заданному моменту I. Длительная прочность с течением времени снижается. Прочность при бесконечно большой продолжительности действия нагрузки называют пределом длительной прочности (т,_:Х1 на рис. 1.47). Наибольшая прочность отвечает моменту I = 0 и может быть условно названа мгновенной прочностью. Прочность (рис. 1.47), получаемую при обычных относительно кратковременных лабораторных исследованиях грунта, обычно называют стандартной т_с.

Явления релаксации напряжений. Имеют ту же природу, что и описанные выше явления ползучести. Если задать грунту быстрым загружением ст некоторую деформацию и закрепить его в этом состоянии так, чтобы деформация не менялась — сохранялась постоянной, то с течением времени в грунте уменьшаются напряжения. В результате получается кривая уменьшения напряжений во времени (рис. 1.48) обычно с сохраняющейся частью напряжений даже в течение очень длительного времени ст - Процесс уменьшения напряжений определяется внутренней медленной перестройкой структуры грунта с преодолением прочности хрупких и вязких связей между частицами и созданием новых. Учитывая единую природу реологических механических свойств грунтов, имеются предложения по данным испытаний на релаксацию оценивать ползучесть и длительную прочность грунтов (С. С. Вялов, Н. А. Цытович и др.).

Установившаяся, незатухающая ползучесть грунтов при сдвиге ярко проявляется в природе. Имеются многочисленные примеры медленного, но постоянного движения пологих склонов, сложенных глинистыми грунтами. Так, некоторые участки откосов Волго-Балтий- ского канала ежегодно смещаются на 0,5. 1 м, и в канале приходится проводить систематические дноуглубительные работы. Портовые набережные на Черном море при скорости смещения около 1 см в год сместились в сторону моря за 70. 100 лет на 50. 80 см. Следует подчеркнуть, что эти откосы и набережные исходя из критерия стандартной прочности являются устойчивыми, причем со значительными запасами.

Методы проектирования и строительства подпорных или откосных сооружений в грунтах с ярко выраженными свойствами ползучести при сдвиге могут быть направлены по двум путям. Первый — не допускать возникновения ощутимых деформаций ползучести, что требует очень большого уположения откосов и создания тяжелых или глубоко заложенных подпорных сооружений. Второй путь, развиваемый в последние годы (А. Я- Будин), — это проектирование сравнительно легких сооружений в предположении развития деформаций ползучести исходя из допустимых смещений в течение заданного срока существования сооружения или, например, для портовых соору
жений заданного срока межремонтного периода. Этот путь, как~шра- вило, оказывается экономически более оправданным.

Для некоторых глин предел длительной прочности снижается до 30% стандартной прочности. Учет при проектировании длительной прочности грунта и в особенности предела длительной прочности по сравнению со стандартной приводит к необходимости создания более дорогих материалоемких сооружений. Поэтому следует обязательно учитывать, что при возведении сооружений одновременно происходят два противоположно направленных процесса. Грунт под возникшей новой нагрузкой со временем уплотняется, т. е. упрочняется, а в случае развития деформации установившейся ползучести одновременно стремится разупрочниться. В большинстве случаев процесс упрочнения оказывается определяющим. Особенно ярко прояв- лются процессы уплотнения — упрочнения в слабых грунтах. Кроме того, при обоснованном учете длительной прочности благодаря уточнению расчетных характеристик и процессов необходимо переходить на сниженные коэффициенты запаса устойчивости сооружений (см. § 7.2).

ГЛАВА 10
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ И ИХ УЧЕТ
10.1. Сущность реологических явлений в грунтах
Область науки, рассматривающая изменения во времени напряженно-деформированного состояния различных материалов, называется реологией. Основные явления, определяющие реологические свойства грунтов, – ползучесть, релаксация и длительная прочность.

Под ползучестью понимается деформируемость скелета грунта во времени. Релаксация – уменьшение напряжений в грунте при некоторой фиксированной деформации. Длительная прочность – прочность грунта при длительном действии нагрузки [36].

Все эти явления имеют единую физическую природу. Деформирование грунта всегда связано с взаимными смещениями частиц, развитием процессов разрушения одних связей между ними и возникновением других. В зависимости от преобладания того или иного процесса изменяется характер деформирования во времени. Более сложным и ярко выраженным он будет у глинистых грунтов, обладающих как обратимыми водно-коллоидными, так и хрупкими цементационными структурными связями.

У несвязных песчаных грунтов, частицы которых взаимодействуют главным образом посредством трения, реологические процессы проявляются в меньшей степени, хотя иногда, особенно для мелких и пылеватых песков, их также нужно учитывать.

При изучении реологических свойств грунтов выявлены случаи аварийного деформирования сооружений после некоторого, иногда длительного периода их нормальной работы. При этом сооружения были запроектированы со значительными коэффициентами запаса. В литературе описаны случаи длительного нарастания осадок оснований зданий, воспринимающих главным образом вертикальные нагрузки. Еще чаще встречаются длительные смещения подпорных стен, устоев мостов, зданий и сооружений на склонах; известны случаи медленных длительных смещений (течения) даже пологих склонов.

В настоящее время проектирование оснований часто ведется без учета фактора времени. Косвенно он учитывается введением коэффициентов к нагрузкам и показателям свойств грунтов, а также общего коэффициента надежности (запаса). При таком подходе важно иметь представление о реологических свойствах грунтов.

Область расчетов и проектирования с явным учетом фактора времени расширяется, что отмечено и в действующих нормах. При таком подходе становится необходимой количественная оценка реологических свойств грунтов соответствующими зависимостями и показателями.

10.2. Экспериментальные данные о реологических

свойствах грунтов
В рассмотренной ранее схеме работы основания фундамента (см. рис.6.2) учитывались общие деформации и осадки при данной нагрузке без учета характера их нарастания во времени. Представим теперь, что для каждой ступени нагрузки фиксируется развитие осадки во времени. При этом в зависимости от общей нагрузки возможны следующие случаи (рис.10.1) [38].

Рис.10.1 - Развитие осадки во времени при различных нагрузках

3) При еще больших суммарных нагрузках кривая включает участки первого (ав) и второго (вс) типов, а затем интенсивность нарастания осадки резко увеличивается (), что соответствует переходу основания в стадию разрушения.

Во всех трех случаях имеет место некоторая начальная осадка , протекающая довольно быстро по отношению ко всему времени деформации. Ее называют условно-мгновенной, она зависит от величины нагрузки.

Если основание сложено водонасыщенным грунтом, то основной причиной развития деформаций во времени после приложения нагрузки является фильтрация воды в порах под действием возникающей разности напоров. Она приводит также к перемещениям твердых частиц – скелета грунта, что уже связано с проявлением их реологических свойств.

Но деформации ползучести, оказывая влияние на фильтрационную консолидацию, продолжаются и после ее окончания, когда давление в порах грунта рассеивается. Поэтому для водонасыщенных грунтов показанные на рис.10.1 осадки обусловлены эффектом консолидации фильтрационной (первичной) и вторичной, связанной только с деформациями ползучести "в чистом виде". Важно, что и для последних три указанных и проиллюстрированных на рис.10.1 случая имеют место. Они имеют названия, соответственно ползучести затухающей, установившейся и незатухающей или прогрессирующего течения, при которой .

Рассмотрим основные установленные опытами закономерности деформаций ползучести при сжатии и сдвиге.

Ползучесть грунтов при сжатии проще всего изучать компрессионными испытаниями тонких образцов неводонасыщенных глинистых грунтов. Возникающее при этом поровое давление малое и проявляются свойства ползучести скелета грунта. Быстро протекающую часть деформации относят к мгновенной, а остальную к деформации ползучести. Обычно испытывают несколько одинаковых образцов, нагружая их различными не изменяющимися во времени нагрузками. В зависимости от свойств грунта длительность опытов может исчисляться неделями, месяцами и даже годами (рис.10.2).

Рис.10.2 - Кривые ползучести суглинка

Ползучесть при таких испытаниях, как и при всестороннем (гидростатическом) сжатии, всегда затухающая. Как показали многочисленные эксперименты [35, 36], кривые ползучести удовлетворительно описываются уравнением
, (10.1)
где - начальный коэффициент пористости; - коэффициент мгновенной сжимаемости; - коэффициент сжимаемости во времени с учетом ползучести; - параметр ползучести.

Выражение (10.1) можно записать для деформации:

. (10.2)
Из (10.2) видно, что при получаем мгновенную деформацию:
. (10.3)
Чем меньше значение параметра , тем медленнее развиваются деформации ползучести. При значениях имеем
, (10.4)
т.е. выражение для обычной спрямленной компрессионной кривой с коэффициентом сжимаемости . Оно справедливо также для закончившейся (стабилизированной) деформации при и любом значении параметра ползучести.

Из (10.2) следует, что если построить графики ползучести неводонасыщенного грунта в полулогарифмической системе координат "" при различных давлениях , то будет получена серия прямых с разным наклоном (рис.10.3).

Следовательно, полученные зависимости для деформаций ползучести можно описать уравнением вида
, (10.5)

где - параметр ползучести, рассчитываемый по прямой при данном давлении. Например, при из рис.10.3 имеем

Для водонасыщенных глинистых грунтов деформации ползучести

Для решения этих задач можно использовать графические приемы Тейлора – для определения деформации, соответствующей началу фильтрационной консолидации, и Казагранде– для определения време-

Параметр ползучести определяется аналогично (10.6) для участка вторичной консолидации:

, (10.7)
где - время окончания фильтрационной консолидации.

Рис.10.4 - Представление графика консолидации водонасыщенного грунта: а – определение ; б – определение и

Рассмотрим ползучесть при сдвиге и связанную с ней длительную прочность грунтов. Как и при сжатии, в момент приложения нагрузки (здесь постоянных касательных напряжений) отмечается быстрое нарастание деформации сдвига, рассматриваемой как условно-мгновенная; далее идет медленное нарастание деформации ползучести.

В зависимости от величины приложенных касательных напряжений для сдвига также может иметь место затухающая, установившаяся и прогрессирующая ползучесть. Действительно, пока напряжение малое, скорость деформации уменьшается, стремясь к нулю (рис.10.5, а, напряжение ). При некотором напряжении затухающая ползучесть переходит в установившуюся, а при еще большем установившаяся ползучесть при переходит в прогрессирующую, что приводит к разрушению грунта. Чем больше напряжение, тем быстрее наступает разрушение.

По опытным данным такого типа можно построить график зависимости разрушающих касательных напряжений от времени (рис.10.5, б). Этот график называется кривой длительной прочности грунта. Асимптотическое значение , к которому приближается кривая при , называют предельно длительной прочностью грунта (или пределом длительной прочности).

Прочность, получаемую при обычных относительно кратковременных лабораторных испытаниях, называют стандартной; она близка к условно-мгновенной прочности.

Рис.10.5 - Ползучесть при сдвиге (а)

и кривая длительной прочности (б)

Рис.10.6 - Кривая релаксации

По результатам опыта можно построить кривую уменьшения напряжения во времени (рис.10.6), причем некоторая часть первоначального (мгновенного) напряжения сохраняется в течение очень длительного времени.

10.3. Реологические модели
Для наглядного выявления и описания закономерностей ползучести удобно использовать реологические модели. Они применяются также для вывода соотношений, связывающих напряжения, деформации и их скорости. Такие соотношения называются уравнениями состояния.

Наконец-то физикам и лирикам делить нечего — и те, и другие в загоне. Эмилий Архитектор
ещё >>

Читайте также: