Уплотнение почвы относится к механическому процессу , при котором почва постепенно меняет объем в ответ на изменение давления . Это происходит потому, что почва представляет собой трехфазный материал, состоящий из почвенных зерен и поровой жидкости, обычно грунтовых вод . Когда почва , насыщенная водой, подвергается увеличению давления, высокая объемная жесткость воды по сравнению с матрицей почвы означает, что вода изначально поглощает все изменения давления без изменения объема, создавая избыточное давление поровой воды . По мере того, как вода диффундирует из областей высокого давления из-за просачивания , матрица почвы постепенно воспринимает изменение давления и сжимается в объеме. Таким образом, теоретическая основа консолидации тесно связана с концепцией эффективного напряжения и гидравлической проводимости . Ранние теоретические современные модели были предложены сто лет назад Карлом Терцаги и Полом Филлунгером в соответствии с двумя разными подходами . Модель Терзаги в настоящее время наиболее широко используется в инженерной практике и основана на уравнении диффузии . [1]
В узком смысле «консолидация» относится строго к этой замедленной объемной реакции на изменение давления из-за постепенного движения воды. В некоторых публикациях термин «консолидация» также используется в широком смысле для обозначения любого процесса, в ходе которого почва меняет объем из-за изменения приложенного давления. Это более широкое определение охватывает общую концепцию уплотнения , проседания и пучения грунта. Некоторые типы почв, в основном богатые органическими веществами , демонстрируют значительную ползучесть , при которой почва медленно меняет объем при постоянном эффективном напряжении в течение более длительного периода времени, чем консолидация, из-за диффузии воды. Чтобы различать эти два механизма, «первичная консолидация» относится к консолидации за счет рассеивания избыточного давления воды, а «вторичная консолидация» относится к процессу ползучести.
Последствия консолидации наиболее заметны, когда здание расположено на слое почвы с низкой жесткостью и низкой проницаемостью, например морской глины , что приводит к большой осадке в течение многих лет. Типы строительных проектов, где консолидация часто представляет технический риск, включают мелиорацию земель , строительство насыпей , а также рытье туннелей и подвалов в глине.
Инженеры-геотехники используют одометры для количественной оценки эффекта консолидации. При испытании на одометре к тонкому диску образца почвы прикладывается ряд известных давлений и регистрируется изменение толщины образца со временем. Это позволяет количественно оценить характеристики консолидации грунта с точки зрения коэффициента консолидации ( ) и гидравлической проводимости ( ).
Глины подвергаются консолидационной осадке не только под действием внешних нагрузок (дополнительных нагрузок), но и под собственным весом или весом грунтов, находящихся над глиной.
Глины также подвергаются оседанию при обезвоживании (откачке грунтовых вод), поскольку эффективная нагрузка на глину увеличивается.
Крупнозернистые грунты не подвергаются консолидационной осадке из-за относительно высокой гидравлической проводимости по сравнению с глинами. Вместо этого крупнозернистые почвы подвергаются немедленному оседанию.
Первые современные теоретические модели консолидации почвы были предложены в 1920-х годах Терзаги и Филлунгером в соответствии с двумя существенно разными подходами. [1] Первый был основан на уравнениях диффузии в эйлеровой записи , тогда как второй рассматривал локальный закон Ньютона как для жидкой, так и для твердой фаз, в котором основные переменные, такие как парциальное давление, пористость, локальная скорость и т. д., учитывались посредством средств теории смеси . Терзаги имел инженерный подход к проблеме консолидации грунта и предложил упрощенные модели, которые до сих пор широко используются в инженерной практике, тогда как, с другой стороны, Филлунгер строго подходил к вышеуказанным проблемам и предлагал строгие математические модели, которым уделялось особое внимание. к методам локального усреднения задействованных переменных. Модель Филлунджера была очень абстрактной и включала переменные, которые было трудно обнаружить экспериментально, и, следовательно, она не была применима для изучения реальных случаев инженерами и/или дизайнерами. Тем не менее это послужило основой для передовых теоретических исследований особо сложных проблем. Из-за разного подхода двух ученых к проблеме консолидации между ними возник ожесточенный научный спор, который, к сожалению, привел к трагическому финалу в 1937 году. После самоубийства Филлунджера его теоретические результаты были забыты на десятилетия, тогда как предложенные методы Терзаги нашли широкое распространение среди ученых и специалистов. В последующие десятилетия Био полностью разработал теорию трехмерной консолидации почвы, расширив одномерную модель, ранее предложенную Терзаги, до более общих гипотез и введя набор основных уравнений пороупругости . Сегодня одномерная модель Терзагиса по-прежнему наиболее широко используется инженерами из-за ее концептуальной простоты и поскольку она основана на экспериментальных данных, таких как одометрические испытания , которые относительно просты, надежны и недороги и для которых теоретические решения в закрытой форме являются приемлемыми. хорошо известен. По мнению «отца механики грунтов » Карла фон Терцаги , консолидация — это «любой процесс, который предполагает уменьшение содержания воды в насыщенной почве без замены воды воздухом». В более общем смысле консолидация относится к процессу, посредством которого почвы меняют объем в ответ на изменение давления , включая как уплотнение, так и набухание. [2]
Консолидация — это процесс, при котором уменьшение объема происходит за счет постепенного вытеснения или поглощения воды под действием длительных статических нагрузок. [3]
Когда к почве прилагается напряжение , частицы почвы слипаются друг с другом более плотно. Когда это происходит в почве, насыщенной водой, вода будет выдавливаться из почвы. Величину консолидации можно предсказать множеством различных методов. В классическом методе, разработанном Терзаги, почвы испытываются с помощью одометра для определения их сжимаемости. В большинстве теоретических формулировок предполагается логарифмическая зависимость между объемом образца почвы и эффективным напряжением, переносимым частицами почвы. Константа пропорциональности (изменение коэффициента пустот на порядок изменения эффективного напряжения) известна как индекс сжатия, которому присвоен символ при расчете в натуральном логарифме и при расчете в логарифме по основанию 10. [3] [4]
Это можно выразить следующим уравнением, которое используется для оценки изменения объема слоя почвы:
где
Когда напряжение с консолидированной почвы снимается, почва восстанавливается, восстанавливая часть объема, потерянного в процессе консолидации. Если напряжение будет применено повторно, почва снова консолидируется по кривой рекомпрессии, определяемой индексом рекомпрессии. Градиент линий набухания и рекомпрессии на графике зависимости коэффициента пустот от логарифма эффективного напряжения часто идеализируется так, чтобы он принимал одно и то же значение, известное как «индекс набухания» (обозначается символом при расчете в натуральном логарифме и при расчете в базовом логарифме). 10 логарифмов).
C c можно заменить на C r (индекс рекомпрессии) для использования в переуплотненных грунтах, где конечное эффективное напряжение меньше, чем напряжение предварительного уплотнения. Когда окончательное эффективное напряжение больше, чем напряжение предварительного уплотнения, эти два уравнения должны использоваться в сочетании для моделирования как части рекомпрессии, так и части первичного сжатия процессов консолидации, как показано ниже:
где σ zc – напряжение предварительного уплотнения грунта.
Этот метод предполагает, что консолидация происходит только в одном измерении. Лабораторные данные используются для построения графика зависимости деформации или коэффициента пустот от эффективного напряжения , где ось эффективного напряжения находится в логарифмическом масштабе . Наклон графика — это индекс сжатия или индекс рекомпрессии. Тогда уравнение консолидационной осадки нормально консолидированного грунта можно определить следующим образом:
Почва, с которой была снята нагрузка, считается «переуплотненной». Это относится к почвам, на которых ранее были ледники или которые пострадали от проседания земли . [5] Самый высокий стресс, которому он подвергся, называется « стрессом предварительной консолидации ». «Коэффициент чрезмерной консолидации» (OCR) определяется как наибольший пережитый стресс, разделенный на текущий стресс. Почва, которая в настоящее время испытывает наибольшую нагрузку, считается «нормально консолидированной» и имеет показатель OCR, равный единице. Грунт можно считать «неуплотненным» или «неуплотненным» сразу после приложения новой нагрузки, но до того, как избыточное давление поровой воды рассеется. Иногда пласты почвы, образующиеся в результате естественного отложения в реках и морях, могут иметь исключительно низкую плотность, которую невозможно достичь с помощью одометра; этот процесс известен как «внутренняя консолидация». [6]
Процесс консолидации часто объясняют идеализированной системой, состоящей из источника , контейнера с отверстием в крышке и воды. В этой системе источник представляет собой сжимаемость или структуру самой почвы, а вода, наполняющая контейнер, представляет собой поровую воду в почве.
Время консолидации можно предсказать. Иногда консолидация может занять годы. Это особенно верно для насыщенных глин, поскольку их гидравлическая проводимость чрезвычайно низка, и это приводит к тому, что воде требуется исключительно много времени для выведения из почвы. Во время дренажа поровое давление воды превышает нормальное, поскольку оно несет на себе часть приложенного напряжения (в отличие от частиц почвы).
Где T v – временной фактор.
H dr — средний самый длинный путь стока во время консолидации.
t — время измерения
C v определяется как коэффициент консолидации, найденный с помощью логарифмического метода с
или корневой метод с
t 50 время до 50% деформации (уплотнения) и t 95 это 95%
Где Т 95 =1,129 Т 50 =0,197
Теоретическая формулировка, приведенная выше, предполагает, что изменение объема грунтовой единицы во времени зависит только от изменений эффективного напряжения из-за постепенного восстановления установившегося давления поровой воды. Это справедливо для большинства типов песка и глины с низким содержанием органических веществ. Однако в почвах с большим количеством органического материала, таких как торф , также возникает явление ползучести , при котором почва постепенно меняет объем при постоянном эффективном напряжении. Ползучесть почвы обычно вызвана вязким поведением системы глина-вода и сжатием органического вещества.
Этот процесс ползучести иногда называют «вторичной консолидацией» или «вторичным сжатием», поскольку он также включает постепенное изменение объема грунта в ответ на приложение нагрузки; обозначение «вторичная» отличает ее от «первичной консолидации», которая относится к изменению объема вследствие рассеивания избыточного давления поровой воды. Ползучесть обычно происходит в течение более длительного периода времени, чем (первичная) консолидация, так что даже после восстановления гидростатического давления некоторое сжатие грунта происходит с медленной скоростью.
Аналитически предполагается, что скорость ползучести экспоненциально затухает со временем с момента приложения нагрузки, что дает формулу:
где H 0 - высота уплотняющей среды,
e 0 - начальная степень пустотности,
C a - индекс вторичного сжатия,
t - продолжительность времени после рассматриваемого уплотнения,
t 95 - продолжительность времени для достижения 95% уплотнения.
Коэффициент сжимаемости . Сжимаемость насыщенных образцов глинистых минералов увеличивается в ряду каолинит < иллит < смектит. Индекс сжатия Сс, который определяется как изменение коэффициента пустот при десятикратном увеличении давления консолидации, находится в пределах от 0,19 до 0,28 для каолинита, от 0,50 до 1,10 для иллита и от 1,0 до 2,6 для монтмориллонита для различных ионных формы. [7] Чем более сжимаема глина, тем более выражено влияние типа катиона и концентрации электролита на сжимаемость.
Коэффициент объемной сжимаемости
