Влияние водонасыщенности на показатели прочности песчаного грунта

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Геология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему:

«Влияние водонасыщенности на показатели прочности песчаного грунта»

Введение

Наиболее важными характеристиками при оценке грунта являются объемный вес, зависимость пористости от давления, угол внутреннего трения и сцепление. Как известно эти характеристики не могут считаться «константами», а зависят от состояния породы.

Целью работы является изучение влияния водонасыщенности на показатели прочности песчаного грунта. В последующих главах будет проведен некоторый анализ экспериментальным материалам по сопротивлению песчаного грунта сдвигу в воздушно-сухом и полностью водонасыщенном состоянии, полученным автором в лаборатории изучения физико-механических свойств грунтов. На конкретном примере будет рассмотрено непостоянство коэффициента трения для одной и той же породы в зависимости от ее состояния. А также построены кривые изменения этой характеристики в связи с изменением состояния грунта от воздушно-сухого к полностью водонасыщенному состоянию.

Также будет рассмотрена величина углов внутреннего трения песчаного грунта в зависимости от его гранулометрического состава и плотности.

грунт песчаный прочность водонасыщенность

1. Современные представления о влиянии водонасыщенности на показатели прочности песчаного грунта

Прочность грунтов в широком смысле — это их способность сопротивляться разрушению. В инженерно-геологических целях, в первую очередь, важно знать механическую прочность грунтов, т. е. их способность сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Причем, если деформационные характеристики грунтов определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению, то параметры прочности грунтов соответствуют критическим разрушающим напряжениям и определяются при предельных нагрузках, вызывающих либо разделение тела на части (для упругих грунтов), либо необратимое изменение формы тела в результате деформаций пластического течения (для пластичных грунтов).

Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между их структурными элементами — кристаллами, зернами, обломками, агрегатами, частицами и т. п., т. е. зависит от типа и особенностей структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между структурными элементами грунта, тем выше в целом его прочность [3].

Современная научная мысль многих ученых дает определенное указание, что на устойчивость и прочность грунта в сооружении большое влияние оказывает вода, присутствующая в его порах, поэтому водопрочность грунтов наряду с другими физическими характеристиками занимает значительное место в грунтоведении.

К песчаным грунтам принято относить грунты, которые имеют зернистое строение и между зернами которых из-за отсутствия того или иного цементирующего вещества нет сколько-нибудь значительной связности. Максимальное количество воды, которое может быть поглощено песчаными грунтами, не превосходит объема их пор в сухом состоянии. Впитывая воду, эти грунты не расширяются (не набухают), а высыхая — не сжимаются (не дают усадки). Кроме того, отличительными свойствами песчаных грунтов является отсутствие пластичности и некоторая способность подсасывать воду по капиллярам.

Физико-механическое взаимодействие поровой воды с поверхностью частиц не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на свойства сыпучих грунтов. Вследствие весьма значительного удельного давления в точках контакта жестких песчаных частиц, раздавливающего пленку рыхлосвязанной воды, последняя, по-видимому, не играет сколько-нибудь существенной роли в механических свойствах песка [4].

В песчаных грунтах роль воды, заполняющей поры, ничтожна из-за их большой водопропускной способности. Вода, заполняющая поры, свободно уходит при сжатии и не оказывает никакого влияния на стабилизацию деформаций. Огромное влияние на прочностные свойства этих грунтов оказывает их плотность сложения (пористость). С точки зрения гидрофизических свойств поведение грунтовой массы пылеватого песчаного грунта значительно отличается от поведения среднезернистого песка. Объясняется это тем, что в первом случае из-за больших размеров пор грунта излишняя вода при сжатии вытесняется сейчас же, почти независимо от толщины обжимаемого слоя. В пылеватом же грунте процесс вытеснения воды проходит медленно и находится в определенной зависимости от толщины обжимаемого слоя. Это свидетельствует о том, что нагрузка в крупнодисперсной грунтовой массе сразу же воспринимается твердой фазой, иначе говоря, реакция возникает только в скелете, тогда как в мелкодисперсной грунтовой массе нагрузка в первый момент воспринимается водой и только по мере ее вытеснения постепенно передается скелету [1]. Коэффициент фильтрации пылеватых песков обычно не превышает 1 м/сут, мелко-, средне- и крупнозернистых — 40−50 м/сут. Водоотдача песчаных грунтов также определяется в основном гранулометрическим составом и характером сложения. Коэффициент водоотдачи среднезернистых песков 0,20−0,25, мелкозернистых 0,15−0,20, пылеватых песков и супесей легких 0,10−0,15. Изменение степени водонасыщения песчаных грунтов естественной влажности мало сказывается на величине сжимаемости грунтов. Увлажнение же воздушно-сухих песков сопровождается быстрой дополнительной деформацией (просадкой), величина которой в зависимости от начальной плотности, дисперсности и давления при нагрузках до 0. 3−0.4 МПа может составлять около 1−2. 5% [3]. Песчаные грунты, согласно классификации ГОСТ 25 100–95, подразделяются в зависимости от крупности частиц на следующие виды (табл. 1).

Таблица 1. Виды песчаных грунтов

Название песка

Диаметр частиц (мм)

Содержание частиц в%

Крупный

> 0. 5

> 50

Средней крупности

> 0. 25

> 50

Мелкий

> 0. 1

> 75

Пылеватый

> 0. 1

< 75

Пески принято относить к представителям грунтов, в которых структурные связи отсутствуют или играют совершенную незначительную роль. Сцепление, имеющееся в этих грунтах, настолько слабо, что при свободной (без ограждения) засыпке, эти грунты легко рассыпаются. Механические контакты песчаных частиц в воздушной среде представляют собой контакты механического зацепления и «сухого» трения. Механическое сцепление может возникать между структурными элементами песчаного грунта за счет взаимного зацепления частиц. Последнее зависит от размера, формы частиц, плотности их упаковки и характера их поверхности: чем больше размер частиц, сложнее форма и выше плотность их упаковки, тем значительнее составляющая зацепления. Сцепляясь неровностями и выступами частицы могут осуществлять довольно прочные связи механического сцепления и зацепления, величина которых соизмерима с прочностью самих частиц. Однако при полном водонасыщении песчаного грунта водой, он переходит в состояние грунтовой массы, в котором всякое механическое зацепление отсутствует.

В механических контактах кроме зацепления определенную роль играет и трение в плоскости контакта двух взаимодействующих поверхностей. Его величина, характеризуемая коэффициентом трения, зависит от состава среды в зоне контакта. В воздушно-сухой среде трение выше, чем в жидкой среде. При полном водонасыщении песка, вода играет роль смазочной жидкости, которая уменьшает трение на контактах зерен, поэтому прочность сухого механического контакта обычно выше [3].

Сопротивление сдвигу песчаных грунтов существенно выше по сравнению с глинистыми и лессовыми. Оно закономерно возрастает с уменьшением дисперсности и увеличением плотности песков (табл. 2).

Рассмотрим теперь влияние воды, находящейся в песках, на величину сопротивления их сдвигу. Влияние влажности на сопротивление сдвигу несвязных грунтов проявляется через изменение величины трения между частицами, а для полностью водонасыщенных — через изменение их напряженного состояния. При незначительной влажности песка сопротивление сдвигу в нем несколько повышается за счет так называемого капиллярного сцепления, которое иногда называют кажущимся, так как оно исчезает при насыщении песка водой. Вначале при весьма малом увлажнении (0,5−0,7%) кажущееся сцепление резко возрастает, что является причиной появления в песках некоторой капиллярной связности, затем при увеличении влажности быстро падает. Однако повышение при этом сопротивления сдвигу настолько незначительно, что не имеет практического значения.

Таблица 2. Нормативные значения удельных сцеплений (Сн, МПа), углов внутреннего трения (цн, град) песчаных грунтов

Виды песчаных грунтов

Обозначения характеристик грунтов

Характеристики грунтов при коэффициенте пористости

0,45

0,55

0,65

0,75

Пески гравелистые и крупные

Сн

цн

0,002

43

0,001

40

-

38

-

-

Пески средней крупности

Сн

цн

0,003

40

0,002

38

0,001

35

-

-

Пески пылеватые

Сн

цн

0,008

36

0,006

34

0,004

30

0,002

26

Капиллярное сцепление представляет собой, в сущности, трение, создаваемое давлением частиц друг на друга, возникающим от капиллярных сил в кольцевых оболочках воды, окружающих точки контакта между зернами. Благодаря кажущемуся сцеплению можно наблюдать в маловлажном песке вертикальные откосы небольшой высоты [6].

При водонасыщении угол внутреннего трения песка, не содержащего пыли, на 1−2° меньше, чем тот же угол у песка в сухом состоянии. При наличии примеси пылеватых частиц угол внутреннего трения насыщенного водой песка оказывается меньше, чем у сухого, и это снижение тем больше, чем выше содержание пылеватой фракции. При высокой скорости сдвига водонасыщенного пылеватого песка возникает значительное поровое давление, которое уменьшает давление в скелете грунта и тем самым снижает общее сопротивление сдвигу. Если возникшее поровое давление станет равным действующему на грунт давлению то и песок перейдет в разжиженное, плывунное состояние, что будет сопровождаться потерей устойчивости сооружений, построенных на песке или его оплыванию на склонах [2].

Значительное влияние на величину сопротивления сдвигу песчаного грунта оказывает вода, находящаяся под напором. Объемная сила давления фильтрующейся воды стремится вынести мелкие частицы и значительно увеличить пористость песков, снизить их прочность и устойчивость в откосах, а, следовательно, и сопротивление его сдвигу. Прочность песков в откосах, через которые фильтруется вода, снижается на 15−20%. Если пористость водонасыщенного песка значительно превышает критическую (т.е. такую пористость, при которой сдвиг песка не сопровождается изменением его объема), то при динамических воздействиях или при сдвиге возможно его разжижение. Песок на короткое время превращается в густую жидкость, зерна его перестают опираться друг на друга, разделяются водой, и грунт растекается или уплотняется в зависимости от граничных условий (склон или равнина) [5].

Таким образом, с точки зрения прочности наиболее надежным является высушенный грунт, т. е. грунт, состоящий из скелета и воздуха, заполняющего поры. К данному состоянию ближе всего находится сухой песок. В случае большой плотности (малой пористости) сухой песчаный грунт может выдерживать значительные сжимающие и сдвигающие усилия, сопровождаемые ничтожными деформациями.

2. Характеристика объекта исследований

Для изучения влияния водонасыщенности на прочностные свойства песчаного грунта были отобраны 3 образца техногенных песков четвертичного возраста, которыми сложено основание жилого дома на территории района Печатники г. Москвы.

В ходе лабораторных исследований грунта, были получены данные о гранулометрическом и минеральном составе, изучены морфологические особенности песчаных зерен, а также были получены важнейшие физические характеристики: плотность твердой компоненты, плотность в рыхлом и плотном сложении.

Изучение морфологических особенностей песчаных зерен наиболее характерных фракций под бинокулярным микроскопом, дало понять, что пески однотипны по минеральному составу. Песок рыжий, вероятно поверхность зерен покрыта пленками коллоидов — гидратов окиси железа и алюминия. Пески техногенного генезиса. Обнаружено вполне определенное сочетание количества окатанных и слабо окатанных истертых зерен кварца с блестящей поверхностью (рис. 1). Поверхность зерен ячеистая, разъеденная, с неровностями, напоминающими среды травления. На поверхности кварцевых зерен в виде «рубашек» присутствуют пылеватые частицы, видны следы ожелезнения (рис. 2).

Значительное преобладание такого устойчивого минерала, как кварц, делает пески весьма устойчивыми в морфологическом отношении. Поэтому морфология исследуемого песка практически не изменится в период возведения и эксплуатации сооружения.

Песок полимиктовый. В меньшем количестве представлены угловатые зерна полевого шпата, округлые зерна темноцветных минералов, лимонита, бугристые глобулы глауконита и частички слюды.

Гранулометрический состав грунта показывает количественное содержание в нем первичных частиц по фракциям, характеризует предельную дисперсность грунта. Это одна из главных характеристик, на основании которого исследуемый грунт получает наименование в соответствии с существующей классификацией, он определяет в значительной мере физико-механические свойства грунта.

Рис. 1. Округлое зерно темноцветного минерала, окатанные и угловатые зерна кварца (образец № 3, фракция 1. 6−1.0 мм)

Рис. 2. Пылеватые частицы на поверхности зерен (образец № 3, фракция 0,63−0,4 мм)

При проведении гранулометрического анализа выяснилось, что образцы песка по крупности довольно разные. Результаты гранулометрического анализа приведены в виде таблиц (табл. 3), интегральных кривых (рис. 3) и гистограмм распределения частиц по фракциям (рис. 4).

Результаты гранулометрического анализа и расчеты коэффициента неоднородности показали, что исследуемый грунт неоднородный, полидисперсный, причем образец № 1 является пылеватым (по ГОСТу 25 100−95), мелким (по Е.М. Сергееву), образец № 2 — песок средней крупности (по ГОСТу 25 100−95) или крупный (по Е.М. Сергееву), образец № 3 — песок мелкий (по ГОСТу 25 100−95 и по Е.М. Сергееву).

В песке отсутствует примесь крупных частиц. В образце № 2 и № 3 преобладают частицы размерами от 0,1 мм до 0,5 мм, их суммарное содержание > 70%. Однако в образце № 1 подобной закономерности не наблюдается, в нем содержание частиц < 0,1 мм составляет > 50%. Приблизительно одинаково содержание частиц пылеватой фракции в каждом образце: пылеватая фракция в первом образце составляет 10%, во втором — 9%, в третьем — 13%.

Таблица 3. Гранулометрический состав грунта, выраженный в стандартных фракциях

Размер частиц по фракциям d, мм

> 2

2−1

1−0,5

0,5−0,25

0,25−0,1

0,1−0,05

< 0,05

Содержание частиц по фракциям, %

Образец № 1

0

2

8

30

9

41

10

Образец № 2

0

2

11

46

23

9

9

Образец № 3

0

3

14

21

38

11

13

Рис. 3. Интегральные кривые гранулометрического состава песчаного грунта

Рис. 4. Гистограммы распределения частиц песчаного грунта по стандартным фракциям

Плотность твердой компоненты. Плотность — важнейшее физическое свойство грунта, характеризующее его состояние. Плотность твердой компоненты грунта зависит от его минерального состава и содержания органического вещества. Значение плотности твердой компоненты песчаного грунта приведены в (табл. 4).

Таблица 4. Значение плотности твердой компоненты песчаного грунта

Номер образца

Плотность твердых частиц, г/смі

1

2. 66

2

2. 67

3

2. 69

Плотность при рыхлом и плотном сложении. Плотность в рыхлом и плотном сложении позволяет оценить диапазон изменения плотности песчаного грунта в естественном залегании. Значения плотности образцов песчаного грунта составили (табл. 5).

Таблица 5. Значение плотности песка при рыхлом и плотном сложении

Номер образца

Плотность, г/смі

при рыхлом сложении

при плотном сложении

1

1. 47

1. 77

2

1. 49

1. 76

3

1. 51

1. 72

Таким образом, несмотря на то, что каждый из исследуемых образцов песка неоднородный, полидисперсный, имеет схожий минеральный состав, они значительно отличаются по данным гранулометрического состава. Образец № 1 — пылеватый, № 2 — песок средней крупности, № 3 — песок мелкий. Результаты величин плотности песков при рыхлом и плотном сложении показали, что они также различаются по характеру сложения (пористости). Плотность твердых частиц в сравнении с каждым образцом песка отличается незначительно.

3. Методика исследования

Для изучения влияния водонасыщенности на показатели прочности песчаного грунта исследуемые образцы были детально изучены. В лаборатории грунтоведения для каждого образца были получены результаты гранулометрического состава, плотность твердых частиц, плотность при рыхлом и плотном сложении. В лаборатории изучения физико-механических свойств грунтов были проведены испытания на сопротивление быстрому сдвигу в воздушно-сухом и полностью водонасыщенном состоянии.

Минеральный состав. Размер, форма и характер поверхности песчаных зерен несут информацию о генезисе и во многом определяют прочностные свойства грунта (сцепление, угол внутреннего трения). Для изучения минерального состава и морфологических особенностей песчаных зерен использовался оптический бинокулярный микроскоп.

Гранулометрический состав. Для песчаных грунтов в настоящее время основным методом считается ситовой. Этот метод позволяет определить содержание в грунте фракций диаметром более 0,1 мм и с достаточной точностью определить процентное содержание каждой фракции. Диспергация грунта проводилась путем насыщения кипячением в течение 2 часов 50 граммов навески от каждого образца обменным комплексом иона аммония. Затем исследуемые образцы подверглись методу отмучивания, что позволило выделить и количественно оценить содержание частиц < 0,05 мм. Дальнейшее определение содержания частиц каждой фракции устанавливалось путем пропуска грунта через колонну сит с отверстиями разного диаметра. После чего сита встряхивались в стационарном приборе для просеивания в течение 15 минут.

Плотность твердых частиц. Определение плотности определяется пикнометрическим методом, который основан на том, что масса твердой компоненты грунта находится прямым взвешиванием, а ее объем — через массу жидкости, занимающую объем, равный объему твердых частиц. В ходе работы для определения плотности твердой компоненты песчаных грунтов был применен метод определения плотности засоленных грунтов в обезвоженном и профильтрованном керосине, т. к. данный грунт имеет техногенное происхождение.

Плотность при рыхлом и плотном сложении. Метод определения основан на заполнении песком емкости известного объема (металлического стакана). В процессе опыта объем грунта всегда остается постоянным и равным объему сосуда, в который он засыпается. В процессе опыта изменяется плотность сложения образца, что сказывается на изменении массы грунта, определяемая прямым взвешиванием. Повторяются определения не менее трех раз при плотном и рыхлом сложении. Принимаются среднее значение из двух меньших для рыхлого сложения, и из двух больших для плотного [6].

Определение сопротивления песчаного грунта сдвигу. Разрушение грунта является сложным процессом, зависящим от ряда факторов, и задачи испытания заключаются в том, чтобы правильно учесть те условия, которые будут определять работу грунта в основании сооружения. К числу наиболее существенных факторов относятся, с одной стороны, напряженное состояние — величина и скорость изменения компонентов тензора напряжений, с другой — особенности структуры и текстуры грунта и закономерностей распределения напряжений между его фазами [1].

Груз, который необходимо положить на подвеску скользящего рычага, рассчитывают по формуле

Q=PF?g / f,

где Р — заданное давление, Па;

F — площадь образца, м2;

g — вес рамы, Н;

f — передаточное число рычага.

После приложения вертикальной нагрузки соединяют трос 19 рычага, передающего горизонтальное усилие, со скобой 20 тяги 27 срезывателя. Делают зазор между верхней и нижней обоймами срезывателя путем одновременного вращения установочных винтов 26. Величина зазора должна быть от 0,5 до 1 мм.

Если вращение винтов требует значительного усилия или после изъятия винтов зазор закрывается, необходимо отсоединить трос срезывающей системы, снять вертикальное давление, проверить правильность загрузки и устранить неполадки.

После установления зазора винты, соединяющие обоймы, вывинчивают до тех пор, пока они не выйдут из своих гнезд в кронштейнах нижней обоймы 15. Сдвиг следует производить в течение 2 минут, накладывая груз на подвеску рычага 17, и ведут наблюдения за деформациями до их затухания (до тех пор, пока скорость деформаций не окажется в пределах 0,02−0,03 мм/мин). Для измерения деформации сдвига (смещения каретки) на корпусе прибора со стороны, противоположной вороту, устанавливается мессура, опирающаяся ножкой на стенку каретки.

Груз, создающий сдвигающее усилие, прикладывают ступенями от 0,1−0,15 до 1 кг (в зависимости от величины вертикального давления) до тех пор, пока не будет замечен неравномерный (скачкообразный) характер затухания деформаций сдвига. При быстром сдвиге каждая ступень прикладывается сразу после записи показания мессуры при предыдущей ступени. Опыт повторяется несколько раз отдельно для воздушно — сухих образцов и для водонасыщенных при разных нормальных нагрузках, что необходимо для построения графика зависимости напряжения сдвига от нормальной нагрузки [9].

Сдвиг образца грунта считают наступившим, если без увеличения нагрузки происходит непрерывное возрастание скорости деформации сдвига.

Сдвигающее усилие вычисляют по формуле

ф=Q T f T / F,

где Q T — вес груза на подвеске, Н;

f T — передаточное число рычага;

F — площадь образца, м2.

По окончанию исследований построены графики зависимости между касательной нагрузкой и деформацией, выраженными кривыми, проходящими через начало координат и направленными выпуклостью вверх. Были составлены карточки испытаний всех образцов на сдвиг в сухом (№ 1−3) и водонасыщенном (№ 4−6) состоянии, включающие в себя физические характеристики грунта, данные опыта и графики зависимости сопротивления сдвигу от нормального давления, по которым определялся коэффициент внутреннего трения для каждого из образцов. Величины угла внутреннего трения подчитаны для всех видов испытаний и проведен анализ полученных результатов.

4. Результаты исследований и их обсуждение

На основании результатов всех испытаний (рис. 6 и 7) установлено, что влияние водонасыщенности на сопротивление сдвигу исследуемых образцов проявляется через изменение величины угла внутреннего трения между частицами. Сцеплением пески не обладают, характеристики состава и свойств изученных песков приведены в (табл. 6).

Для песка средней крупности (образец № 2) получены следующие данные угла внутреннего трения: в воздушно-сухом состоянии ц=300, при полном водонасыщении ц=270. Для мелкого песка (образец № 3) в воздушно-сухом состоянии ц=270, при полном водонасыщении ц=250. Для пылеватого же песка (образец № 1) изменение угла внутреннего трения существенно: в воздушно-сухом состоянии ц=310, при полном водонасыщении ц=240.

Изучив полученные данные углов внутреннего трения образцов в воздушно-сухом состоянии, пришли к выводу, что величины углов зависят от гранулометрического состава изученных песков. Действительно, при рассмотрении наиболее характерной фракции песка образцов № 2 и № 3, пришли к выводу, что с уменьшением ее размеров закономерно снижается и угол внутреннего трения за счет уменьшения при этом сил сцепления (см. табл. 6). Однако, помимо этого фактора, на величину угла внутреннего трения песка заметно влияет значение его начальной пористости. Действительно, для пылеватого песка, имеющего значение пористости 39%, обнаружен самый большой угол внутреннего трения в сухом состоянии ц=310. Для мелкого же песка, имеющего значение пористости 41%, обнаружен самый маленький угол ц=270.

Это обусловлено тем, что в плотном сложении благодаря более плотной укладке каждая частица окружена большим числом соседних частиц. В результате этого в единице объема грунта возрастает число контактов, что выражается в увеличении угла внутреннего трения и относительного зацепления частиц. Опыты показывают, что сопротивление сдвигу песка, частицы которого находятся в зацеплении, может рассматриваться как особый вид трения.

Таблица 6. Характеристика состава и свойств песчаного грунта

Образец №

Вид грунта

Наиболее характерная фракция

Содержание пылеватой фракции

Плотность твердых частиц сs, г/смі

Плотность грунта с, г/смі

Пористость n, %

1

песок пылеватый

0,1−0,05 мм 41%

10

2. 66

1. 62

39

2

песок средней крупности

0. 25−0,1 мм 38%

9

2. 67

1. 62

40

3

песок мелкий

0,5−0,25 мм 46%

13

2. 69

1. 61

41

Чем плотнее песок, тем больше зацепление, тем больше дилатансия, тем больше девиаторное напряжение, необходимое для формоизменения. По мере осуществления дилатансии сопротивление дальнейшему формоизменению падает и это падение тем больше, чем плотнее песок. При установившемся течении отсутствуют зацепление и дилатенция и формоизменение происходит при постоянном значении девиаторных (сдвигающих) напряжений. В этом состоянии коэффициент пористости не зависит от начальной пористости грунта перед испытанием [4].

Гольдштейн М.Н. предложил называть составляющую сопротивления сдвигу песка, зависящую от его плотности, трением зацепления. Следовательно, величина угла внутреннего трения зависит от начальной пористости грунта.

По результатам лабораторных испытаний выяснилось, что углы внутреннего трения мелкого песка и песка средней крупности при полном водоносыщении, на 2−30 меньше, чем тот же угол у песка в сухом состоянии. Вода, поступая в поры грунта, выполняет роль смазки, облегчающей переориентацию частиц при сдвиге и уменьшающей при этом угол внутреннего трения на несколько градусов. У пылеватого же песка, содержащего частиц диаметром < 0,1 мм больше 50%, угол внутреннего трения при насыщенении водой оказывается меньше сухого на 70. Это объясняется тем, что при высокой скорости сдвига, в то время как у крупнозернистого песка выделение воды заканчивается вскоре после нагрузки, у пылеватого песка оно замедляется ввиду его незначительной фильтрующей способности. Возникает значительное поровое давление, которое уменьшает давление в скелете грунта и тем самым снижает общее сопротивление сдвигу и соответственно угол внутреннего трения. Если возникшее поровое давление станет равным действующему на грунт давлению, то и песок перейдет в разжиженное, плывунное состояние, что будет сопровождаться потерей устойчивости сооружений, построенных на песке или его оплыванию на склонах [2].

Анализируя полученные материалы, можно отметить, что сцеплением песчаные грунты не обладают. Наибольший угол внутреннего трения обнаружен для пылеватого песка, что связано с наименьшим значением его начальной пористости, который резко уменьшается при насыщении этого песка водой. Ко всему вышесказанному следует отметить, что говоря о пылеватом песке, мы имеем ввиду значительное содержание в нем преимущественно тонкопесчаной фракции. В то время как у остальных образцов преобладает содержание среднепесчаной (образец № 2) и мелкопесчаной (образец № 3). А содержание именно пылеватой фракции влияет на свойства песков в равной степени, ввиду одинакового ее количества в каждом из образцов. Влияние это проявляется через уменьшение коэффициента трения, вследствие того, что пылеватые частички, как правило, образуют структурные агрегаты, которые менее прочны, чем зерна кварца или другого минерала и которые легко разрушаются при взаимодействии с водой [8].

Заключение

На основании результатов исследований песчаного грунта установлена зависимость величин углов внутреннего трения как от гранулометрического состава и пористости, так и от степени водонасыщенности.

На величину угла внутреннего трения в песчаных грунтах влияет дисперсность. С увеличением дисперсности угол внутреннего трения закономерно снижется за счет уменьшения при этом сил сцепления частиц: для песка средней крупности ц=300, для мелкого песка ц=270. Пористость оказывает значительное влияние на величину сопротивления сдвигу, увеличивая при этом начальное сопротивление сдвигу. Действительно, для пылеватого песка, имеющего значение пористости 39%, обнаружен самый большой угол внутреннего трения в сухом состоянии ц=310. Для мелкого же песка, имеющего значение пористости 41%, обнаружен самый маленький угол ц=270. Определение сопротивления сдвигу необходимо производить с учетом пористости, так как в противном случае результаты получаются искаженными.

На конкретном примере выявлено и подтверждено предположение о непостоянстве коэффициента трения для одной и той же породы в зависимости от ее состояния. Влияние водонасыщенности на сопротивление сдвигу песков мелкого и средней крупности проявляется через незначительное изменение угла внутреннего трения. Влияние водонасыщенности обнаруживается в значительной степени лишь для пылеватых песков через изменение напряженного состояния при сдвиге и через изменение угла внутреннего трения на 70 по сравнению с воздушно-сухим состоянием.

Литература

1. Булычев В. Г. Механика дисперсных грунтов. М.: Стройиздат, 1974.

2. Грунтоведение / Под ред. Е. М. Сергеева. М.: Изд-во МГУ, 1974. с. 198−199.

3. Грунтоведение / Под ред. В. Т. Трофимова. М.: Изд-во МГУ, Наука, 2005. 1024 с.

4. Гольдштейн М. Н. Механические свойства грунтов. М.: Стройиздат, 1979. 252 с.

5. Исаковская Л. А. Сопротивление грунтов сдвигу М.: Изд-во МГУ, 1946. 14 с.

6. Лабораторные работы по грунтоведению / Под ред. В. Т. Трофимова, В. А. Королева. М.: «Высшая школа», 2008. 137 с.

7. Трение и сцепление в грунтах (сборник статей). М.: Трансжелдориздат, 1935. 43 с.

8. Троицкая М. Н. Сопротивление грунтов сдвигу. М.: Изд-во МГУ, 1979. 23 с.

9. Чаповский Е. Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. М.: Недра, 1975. 304 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой