Консолидация (Одномерное уплотнение торфа во времени)

Консолидация это упрочнение грунта во времени за счёт уплотнения. В торфяных грунтах уплотнение происходит за счёт отжатия жидкости, поэтому консолидацию называют фильтрационной. Водонасыщенные дисперсные системы при уплотняющих нагрузках деформируются в течении длительного времени. Это связанно с большим сопротивлением отжатию жидкости.

Осадка происходит при внешнем нагружении под действием собственного веса и во время осушения торфяных залежей.

Сущность теории фильтрационной консолидации в том, что она рассматривает полностью водонасыщенные грунты, в которых движение жидкости подчиняется закону Дарси. Твердая фаза и дисперсионная среда считаются не сжимаемыми.

Более сложен вопрос об изменении плотности залежи ( γ ) при консолидации под действием собственного веса. Увеличение γ снижает водопроницаемость залежи в несколько раз и приводит к появлению начального градиента напора, который необходимо учитывать в формуле Дарси.

Высокое давление, вызывает уплотнение торфяной залежи до определенного порога плотности когда вообще может прекратиться движение жидкости и в залежи будет сохранятся остаточное поровое давление.

Степень консолидации это отношение осадки за определённое время к конечной стабилизированной осадке:

,

Где S_t – осадка основания во времени; S_K – конечная стабилизированная осадка.

Классическая формула определения степени консолидации

,

где е – основание натурального логарифма

Рекомендуюется определять сроки консолидации, в зависимости от мощности торфяной залежи, по экспериментальным данным. Табл 7.1

Таблица 7.1 Значение сроков консолидации торфяного основания различной мощности ( в сутках) (К.С.Ордуянц)

Для достижения U =100% требуется очень значительное время, поэтому ограничиваются U=90% а часто принимают U=30%

На практике чаще всего требуются определить время t, соответствующее данной степени консолидации, т.е.

t = 4h ² N/(π ² c _ν ),

где h глубина залежи, см.; С_v - коэффициент консолидации, см²/час

с _ν = к _ф /(а _о γ _w )

а₀- коэффициент относительной сжимаемости,см²/час к_ф – коэффициент фильтрации, см/сут; γ_w – плотность воды, т/см³. N - показатель степени в формуле классического определения степени консолидации

N = π ² c _ν t/4h ²

N зависит от времени. Обычно его берут по таблице.

Пример: Найти время t при степени консолидации U= 0,5;0,9 для т/з с h=3м и средним коэффициентом фильтрации 10^-6 см/сек и коэффициентом относительной сжимаемости а _о = 1см ² /кг.

1.Коэффициент консолидации

С _ν = к _ф /(а _о γ _w ) = 10^-6 ·3·10 ⁷ /(1·0,001) = 30000см ² /год

2. 50%

t = 4h ² /(π ² c _ν ) = 4*300 ² /(9,87*30000) =0,89 года

3. Время при степени консолидации U=90%

t = 4*300 ² *2,35/(9,87*30000) = 2,85 года

Таблица 7. 2 Значения N для случая Р = γh (нагрузка от собственного веса)

Ускорить процесс осадки можно уменьшением расстояния движения влаги при фильтрации до осушителя, т.е. делать каналы чаще, выполнить дополнительный дренаж или интенсивным дополнительным нагружением (например, насыпь с пригрузом, который при достижении заданной осадки или плотности грунта снимается или смещается в сторону от насыпи).

8. Предельно - напряжённое состояние торфяной залежи

Предельное напряжённое состояние соответствует такому состоянию, когда малейшее добавочное силовое воздействие нарушает равновесие и приводит грунт в неустойчивое состояние. В массиве грунта возникают поверхности скольжения, разрывы, нарушается прочность связей между частицами и их агрегатами.

Важно уметь оценить максимально возможную нагрузку на грунты, при которой он ещё будет находиться в равновесии и не потеряет прочность и устойчивость.

8.1 Фазы напряжённого состояния торфяной залежи

При погружении жесткого тела (штампа) в торфяную залежь, под действием внешней нагрузки деформируемая зона проходит через различные фазы в зависимости от интенсивности погружения.

Фазы напряженного состояния выделяются на кривой изменения деформаций торфа при действии на поверхности торфяной залежи ступенчато (или непрерывно) возрастающей нормальной нагрузки

Рис 8.1 Кривая деформаций торфа при действии на его поверхности местной возрастающей нагрузки.

Первая фаза (Зона 0 – С ) фаза уплотнения

Вторая фаза (зона C – d ) фаза деформирования

Третья фаза (от d и далее) фаза прогрессирующего течения.

В начале первой фазы (участок кривой до точки b ) при небольших нагрузках, пока не превышена структурная прочность, грунт будет испытывать незначительные упругие деформации и при снятии нагрузки его осадка полностью восстановится.

При дальнейшем нагружении, под штампом произойдет уплотнение грунта за счёт уменьшения его пористости и после снятия нагрузки останется след, который не восстанавливается.

Первая фаза ограничивается давлением, названным первым предельным - P ^I_пр . Это давление не вызывает потерю несущей способности или развития заметных пластических деформаций в торфе. При таких давлениях не нарушается линейная связь между напряжениями и деформациями

Вторая фаза- деформирования продолжается до начала прогрессирующего течения. Вследствие развития пластических деформаций в этой фазе наблюдается нарушение линейной зависимости деформаций от напряжений. Давление, соответствующее второй фазе называется вторым предельным – P ^II_пр или просто предельным.

Третья фазапрогрессирующего течения сопровождается полным провалом штампа в залежь или выпором. В этой фазе напряжения превышают второе предельное.

соответствует началу возникновения в грунте зон сдвигов и окончание фазы уплотнения. В это время грунт по периметру штампа приходит в предельное напряжённое состояние.

соответствует нагрузке, при которой под нагруженной поверхностью образуется сплошная область предельных напряжений и грунт приходит в неустойчивое состояние, полностью исчерпывает свою несущую способность.

8.2 Фазы напряжённого состояния торфяной залежи при полосообразной нагрузке

1) Первая фаза (первое предельное давление

Рис 8.2 Схема действия полосообразной нагрузки (в - ширина нагрузки)

Рис 8.3 Поверхности скольжения и уплотненное ядро (q = γ h)

Рассмотрим состояние точки М на глубине Z (Рис 9.1):

g=γh – природное давление.

Чем больше g за счёт глубины и плотности или просто за счёт дополнительной боковой пригрузки, тем выше будет несущая способность грунта.

Впервые задачу определения решил профессор Пузыревский Н.П .(1929).

Если не допускать развитие зон предельных напряжений ни в одной точке, то следует принять z=0, тогда

Это безопасное давление, которое не требует введения коэффициента запаса прочности.

2) Вторая фаза (второе предельное давление )

Оно определяется по уравнению Прандтля и Рейснера:

Конец фазы уплотнения (точка «с» на кривой) сопровождается началом образования зон сдвигов у краев штампа (рис. 9.3), где сдвигающие напряжения наибольшие. Такое поведение является характерным показателем механических свойств торфа и соответствует критической нагрузке, названной первым предельным нагружением . Такая нагрузка безопасна и не вызывает потери несущей способности залежи и развития необратимых пластических деформаций.

При дальнейшем увеличении нагрузки (P> ) касательные напряжения вызывают местные необратимые сдвиги в грунте по периметру штампа – площадки скольжении и зоны сдвигов, частичных выпоров и пластических сдвигов.

Рис 8.4 Фаза появления пластических деформаций

Это состояние является пределом, при превышении которого даже незначительное увеличение давления вызывает полную потерю несущей способности торфяной залежи, сопровождающееся провалом штампа, выпором или просадкой.

деформации до начала прогрессирующего течения называется фазой развития пластических деформаций, где линейность связи S=f(P) сильно нарушена

При этом под штампом формируется жёсткое ядро, которое при дальнейшем нагружении разжимает грунт в стороны, обусловливая значительную просадку штампа.

Рис 8.5 Фаза появления пластических деформаций

Линии скольжения (1 ), ядро уплотнения (2) и добавочные пластические области ядра (3).

Ядро полностью формируется при достижении грунтом его максимальной несущей способности, после чего остается неизменным.

Но возникают добавочные пластические области, примыкающие к ядру, которые постоянно изменяют свое положение, как бы выискивая слабые места в массиве грунта.

При таком предельно - напряжённом состоянии в грунте преобладают боковые смещения частиц и формируются непрерывные поверхности скольжения, в результате чего толща грунта теряет устойчивость. Начинается прогрессирующее течение.

Давление, соответствующее началу прогрессирующего течения называется вторым предельным давлением .

Третья фаза называется прогрессирующим течением или течением лавинного разрушения (Р> ) сопровождается полным провалом тела в залежь.

9. Устойчивость откосов каналов и выпор торфа.