Меню

  • На главную

Поиск

  • Влияние временных эффектов

    Posted 7/31/2009 в 9:01:19 ПП

    Деформируемость и прочности грунтов в условиях, когда при заданной системе внешних нагрузок на грунт последний находится в равновесном состоянии с фиксированными полями напряжений, деформаций и смещений. При определенных условиях (сухие или маловлажные грунты, медленно меняющиеся внешние нагрузки и т. п.) такие состояния вырабатываются синхронно с изменением внешней нагрузки. Однако не менее распространенными являются случаи, когда такого рода стабилизированные состояния вырабатываются в течение более или менее продолжительного времени после прекращения изменений внешней нагрузки. Это связано с тем, что наличие воды в порах грунтовой среды (как правило, это глинистые грунты) обусловливает при приложении нагрузки протекание процессов ползучести минерального скелета и фильтрации так называемой свободной воды в грунте через пористый скелет, что, в свою очередь, приводит к перераспределению напряжений и возникновению дополнительных деформаций скелета. Процессы подобного рода, обусловленные только фильтрацией свободной воды, в механике грунтов имеют специальное название — фильтрационная консолидация грунтов. Эффекты же, вызываемые ползучестью скелета, в литературе иногда называются вторичной консолидацией.
    Очевидно, перестройка напряженно-деформированного состояния грунтового массива под сооружением или в откосах, обусловленная процессами ползучести и консолидации, может привести к эффектам, влияние которых в ряде случаев будет решающим и должно быть принято во внимание при оценке несущей способности основания, его деформируемости и т. д. Поэтому задача правильного количественного описания этих процессов представляется важной для механики грунтов.
    Исторически вопросы фильтрационной консолидации грунтов начали разрабатываться раньше, чем проблема ползучести в грунтах. Первые работы в этом направлении были выполнены К. Терцаги и Н. М. Гер-севановым (1934). В этих работах была предложена модель, в которой грунтовый скелет предполагался линейно деформируемым и проницаемым для поровой жидкости, причем фильтрация описывалась при помощи закона Дарси (К. Терцаги) или уточненного за счет учета движения скелета грунта, связанного с его деформируемостью, закона Дарси — Гер--севанова. На этой основе был решен ряд одномерных задач фильтрационной консолидации грунтов.
    Впоследствии существенный клад в рассматриваемую проблему был сделан в работах В. А. Флорина (1938—1953), которым были учтены силовое воздействие фильтрационного потока жидкости на пористый скелет, зависимость фильтрационных характеристик процесса от меняющейся пористости, существование фильтрационного порога (начального градиента напора), сжимаемость жидкости в порах грунта, обусловленная присутствием газа в жидкости, влияние ползучести скелета на процесс консолидации и т. д. В. А. Флориным были составлены уравнения консолидации для общего пространственного случая и решено большое количество конкретных задач. Следует отметить, что для возможности более полного учета многочисленных нелинейных эффектов, сопровождающих консолидацию, В. А. Флориным были развиты численные методы решения задач, что в его время, когда еще не была создана современная вычислительная техника, было, безусловно, большим достижением.
    Аналогичная теоретическая модель для описания консолидации была предложена за рубежом М. А. Био (J. Appl. Phys., 1941, vol. 12).
    В связи с развитием теории консолидации грунтов необходимо отметить также работы Я. А. Мачерета (1934), Н. А. Цытовича (1934, 1940), С. А. Роза (1937, 1950), Я. И. Френкеля (1944), В. Г. Булычева (1948), Д. Е. Полынина (1948), В. Г. Короткина (1951, 1955), М. Н. Гольдштейна (1952) и др. Фильтрационная теория консолидации развивалась и в последнее время.
    На основе модели Флорина — Био был решен ряд неодномерных задач (Н. Н. Веригин, 1961, 1965; В. 3. Партон, 1961, 1965), рассмотрены некоторые вопросы распространения акустических волн в такой среде (В, Н. Николаевский, 1962).
    Н. Н. Масловым (1935, 1955, 1958) и М. Н. Гольдштейном (1952, 1957) была ясно сформулирована важность и необходимость введения в рассмотрение явления ползучести минерального скелета при расчетах процессов деформирования грунтов во времени. Последующие исследования, ъ частности экспериментальные, показали, что развитие деформаций грунтов во времени при фиксированных внешних нагрузках обусловлено двумя существенно разными по природе явлениями — фильтрационной консолидацией и ползучестью скелета. Было показано также, что наличие газа в порах скелета, приводящее к заметной сжимаемости поровой жидкости, существенно сказывается на количественных характеристиках процесса.
    Первое математическое описание явления ползучести грунта в рамках линейной наследственной теории было выполнено еще В. А. Флориным (1953). Однако дальнейшие исследования ползучести грунтов проводились в какой-то мере в отрыве от теории фильтрационной консолидации. Этому, вероятно, способствовало появление существенных экспериментальных данных о свойствах ползучести плотных глинистых грунтов и мерзлых грунтов (С. Р. Месчян, 1954—1967; С. С. Вялов, 1955—1965; М. Н. Гольд-штейн, 1957, 1962; А. М. Скибицкий, 1957, 1961; Н. Н. Маслов, 1958, 1965; А. Л. Гольдин, 1963, 1965; Е. П. Шушерина, 1964, 1966, и др.), ^которые удовлетворительно согласовывались с теорией наследственной ползучести. Стали интенсивно разрабатываться детали этой теории применительно к конкретным особенностям грунтовой среды. Исследовались влияние характера напряженного состояния на соотношения ползучести (С. С. Вялов, 1961, 1964), нелинейность оператора ползучести (А. Л. Гольдин, 1963; Ю. К. Зарецкий, 1964; С. Р. Месчян, 1964, 1967; В. А. Мизюм-ский, 1964, и др.), возможность описаний без наследственных операторов в рамках нелинейно вязкой модели Шведова — Бингама (Н. Н. Маслов, 1958).
    Следует отметить, что развитие теоретических работ в этом направлении оказалось в определенном несоответствии с экспериментом в том смысле, что существующий экспериментальный материал не столь богат и представителен, чтобы на его основе с необходимой полнотой производить апробацию многочисленных теорий и их конкретизацию для реальных разновидностей грунтов. С другой стороны, чрезмерная слояшость указанных теорий затрудняет широкое их использование для решения конкретных прикладных задач.
    В этой связи нам представляется рациональной попытка Н. Н. Мас-лова обойтись для описания процессов ползучести грунтов простыми аппроксимациями соотношений ползучести в рамках ненаследственных моделей. Можно надеяться, что в дальнейшем на этом пути для многих задач будут получены относительно простые решения, достаточные по точности для приложений.
    Работы последнего периода по рассматриваемой проблеме характеризуются попытками построения расчетных моделей, в которых производится одновременный учет как свойства ползучести грунтового скелета, так и фильтрационной консолидации. В этой связи укажем на работу Ю. К. Зарецкого (1967), в которой сделано обобщение модели фильтрационной консолидации Флорина — Био путем введения линейных наследственных операторов вместо упругих постоянных для грунтового скелета и на этой основе решен ряд задач. Нужно, однако, отметить, что при построении общей системы уравнений Ю. К. Зарецким вводится физически нереальное предположение о разуплотняющем действии порового давления в жидкости на минеральный скелет, причем этот эффект также наделяется свойством наследственной ползучести. С другой стороны в соотношениях этой модели утрачен ряд существенных особенностей ловедения грунта, введенных в рассмотрение еще В. А. Флориным (нелинейные эффекты, порог фильтрации и т, д.). Поэтому неясно, в какой мере подобные обобщения соответствуют реальному поведению грунта.
    В зарубежной литературе вопросу одновременного учета фильтрационной консолидации и ползучести скелета посвящены выполненные в КНР работы Т. К. Тана (1957—1959), которые отличает математическая простота схематизации ползучести скелета (скелет наделяется свойством вязкости).
    Среди работ последнего времени нужно отметить экспериментальные исследования   М.  Н.   Гольдштейна   (1957),   М.   Ю.  Абелева (1963),С. С. Бабицкой (1963), 3. Г. Тер-МартиросянаиН. А. Цытовича (1965,1967)f в которых проводилось лабораторное изучение развития порового давления и деформаций грунта в образцах при разнообразных способах приложения внешней нагрузки. Эти исследования позволяют опытным путем оценить отдельно влияние сжимаемости поровой жидкости, обусловленной наличием в ней пузырьков газа, фильтрационных эффектов и свойств ползучести минерального скелета. В работах 3. Г. Тер-Мартиросяна и М. Ю. Абелева по результатам опытов отмеченного типа на основе решений соответствующих задач, возникающих для условий опыта, предложены методики нахождения количественных характеристик указанных выше эффектов, определяющих протекание деформаций грунта во времени. Обсуждаемое направление экспериментально-теоретических исследований временных свойств грунтов представляется важным. На этом пути возможно дальнейшее совершенствование и упрощение теоретических моделей, приспособленных и практически пригодных для прикладных целей. Аналогичное утверждение нужно сделать относительно направления экспериментально-теоретического изучения свойств ползучести грунтов для случаев, когда эти свойства оказываются единственно существенными (плотные глины, мерзлые грунты и т. д.).
    Следует еще остановиться на вопросах оценки влияния порового давления на прочность и несущую способность оснований и откосов. Подобно тому как изучение эффектов ползучести и фильтрационной консолидации существенно для прогноза развития деформаций оснований и осадок сооружений во времени, учет этих факторов в задачах о несущей способности и устойчивости оснований и откосов также необходим и важен для приложений. Простейшие и широко распространенные приемы для такого учета сводятся к следующему. В соотношении, связывающем сдвигающие и нормальные напряжения в предельном состоянии, из нормальных сжимающих напряжений вычитается поровое давление. Допустимые внешние нагрузки на основание или откос при этом оказываются пониженными. Решение практических задач устойчивости обычно производится по приближенной схеме с использованием поверхностей скольжения фиксированной формы. По этому вопросу следует отметить работы Г. И. Тер-Степаняна (1957, 1961), М. Н. Гольд-штейна (1964) и др.
    К обсуждаемым вопросам примыкает проблема длительной прочности в грунтах, т. е. задача исследования эффекта снижения сопротивления сдвигу в процессе ползучести (Н. Н. Маслов, 1958, 1964, 1965; М. Н. Гольд-штейн и С. С. Бабицкая, 1959, 1964; Я. Л. Коган и В. А. Иоселевич, 1961; С. Р. Месчян, 1961, 1962, 1965; А. М. Скибицкий, 1961, и др.).
    В связи с рассматриваемым в настоящем параграфе кругом задачг нам представляется важным еще следующее обстоятельство. При обсуждении проблемы описания деформируемости грунтов было отмечено что существующие расчетно-теоретические методы, основанные на схеме линейно деформируемой модели среды (теории упругости), находятся в резком противоречии с данными наблюдений, и это вынуждает вводить искусственные схематизации в расчеты (эквивалентный упругий слой, активная толща и т. д.).
    Как было показано, природа такого несоответствия кроется во взаимной игре нелинейной деформируемости грунта и его весомости, учет которой позволяет легко согласовать данные наблюдений с теоретическим прогнозом. Поскольку эта нелинейность, безусловно, влияет столь же существенным образом на все характеристики фильтрационной консолидации и ползучести грунтов (это влияние было установлено на самых ранних стадиях изучения консолидации и рассматривалось уже в работах Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина и др.), то для многих практических задач, в которых массивы грунта, охваченные процессами консолидации и ползучести, простираются на достаточные глубины, влияние взаимодействия нелинейности и весомости может оказаться определяющим. Об этом, по-видимому, свидетельствует следующий факт. Значения коэффициента вязкости грунтов, получающиеся при лабораторных исследованиях образцов грунта, как правило, на несколько порядков меньше оценочных значений, получающихся при обработке данных наблюдений за осадками крупных натурных сооружений.
    К сожалению, исследование этих вопросов, как и в теории стабилизированных деформаций грунтов, пока еще не получило должного развития.
    К проблеме исследования и описания изменений во времени напряженно-деформированного состояния грунтов при фиксированных нагрузках относятся также специфические задачи о так называемом набухании глинистых грунтов и морозном пучении промерзающих грунтов. Существо явлений, о которых идет речь, состоит в следующем. Плотные глинистые грунты, поры которых не вполне насыщены влагой, при контакте ? водой интенсивно ее поглощают, что приводит к увеличению объема грунта. Если возможность такого увеличения объема ограничена, в грунте возникают дополнительные напряжения, которые могут достигать значительных величин. Аналогичное явление наблюдается при промерзании грунтов.
    Распространяющийся в грунте фронт промерзания, поглощающий незамерзшую влагу, создает впереди себя дефицит влажности, что порождает миграцию незамерзшей воды по направлению к фронту. Возникающее при этом перераспределение влаги в массиве грунта после ее замерзания приводит при соответствующих условиях к заполнению пор льдом и возникновению обусловленных этим напряжений. Здесь так же, как и в случае набухания глин, будут возникать дополнительные деформации и перемещения в грунтовом массиве и дополнительные значительные напряжения. Естественно, при расчете деформируемости и прочности оснований и сооружений на них эти эффекты могут оказаться важными, и нужны методы их количественного описания.
    Ясно, что как процесс набухания, так и морозное пучение, будучи обусловлены миграцией влаги в порах грунта, развиваются во времени. Поэтому теория этих явлений должна основываться на закономерностях массо- и теплопереноса в пористой среде и предсказывать развитие напряженно-деформированных состояний в грунтах во времени.
    К сожалению, экспериментальному изучению процессов набухания посвящено весьма небольшое число работ, выполнявшихся, как правило, в связи с конкретными прикладными задачами. Некоторые теоретические результаты по этому вопросу были получены в работах Б. В. Дерягина {1937, 1956), С. В. Нерпина (1955, 1958, 1961). Однако сколько-нибудь развитая теория этих процессов пока отсутствует.
    Аналогичным образом дело обстоит с вопросами морозного пучения. Экспериментальное исследование морозного пучения проводилось в работах М. И. Сумгина (1932, 1937), Н. А. Цытовича (1937, 1940, 1941, 1945, 1947), И. А. Тютюнова (1947, 1951), М. Н. Гольдштейна (1948, 1950), Б. И. Далматова (1954, 1957), Г. М. Шахунянца (1955, 1958, 1961) и др.