Разрушение грунта в придонной зоне канала и выпор грунта.

Причиной напряженного состояния грунта (залежи) в зоне осушителей являются фильтрационные силы и вес грунта, лежащего выше плоскости дна канала.

Разрушение грунта происходит там, где касательные напряжения

превышают прочность грунта, выраженную

предельным сопротивлением сдвигу

- касательные напряжения, вызванные фильтрационными силами

- касательные напряжения, вызванные массой грунта.

Причиной нарушения равновесия

является малая прочность грунта, малая водопроницаемость, преувеличенная глубина канала.

Экспериментально установлено, что зона разрушения выражена в виде треугольника АВD. Рис.7.4

Рис 9.4 Расчетная схема выпора дна канала

- плотность водонасыщенного грунта.

На грунт по границе АД действуют, направленные вверх, объемные фильтрационные силы

- плотность воды

Н- пьезометрический напор

z- расстояние от рассматриваемой точки до канала по вертикали.

Нормальное напряжение от фильтрационных сил:

или

действующий напор; - напор в точке с координатами z. Равнодействующая фильтрационных сил по границе АС( из соображений симметрии берем только левую половину рисунка 7.4)

;

Касательные напряжения вдоль линии АВ, имеющей длину

или

Анализ зон разрушения грунта показал, что , тогда

Касательное напряжение в любой точке в основании канала, вызванные массой грунта, расположенного выше плоскости х-х

Высота зоны разрушения зависит от глубины канала. Высота выпора линейно зависит от величины зоны разрушения.

Если необходимо выкопать канал с глубиной большей максимально допустимой исходя из условия отсутствия выпора дна, разработка ведется поэтапно с постепенным углублением отметок (величина углубления 0,4-0,6м с учетом осадки залежи) через 3-4 месяца летом и 6-7 месяцев осенью и зимой.

10.Изменение физических свойств грунтов при промерзании.

10.1 Мёрзлые грунты

Мерзлыми грунтами называются грунты, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть содержащейся воды замерзла. Замерзшая вода, превратившись в лёд, цементирует структуру грунта.

Мерзлые грунты относятся к структурно-неустойчивым, т.к. при повышении температуры выше 0⁰ С в них происходят осадки и просадки.

При замерзании воды в грунте свойства грунта изменяются:

1) Возникает большое число цементационных связей между частицами. Их тем больше и тем они прочнее, чем ниже температура.

2)Увеличивается объём грунта. Изменение объёма идёт неравномерно. Частицы после оттаивания не возвращаются в первоначальное положение.

3)При промерзании в грунтах происходит перераспределение влаги (миграция). Это вызывает пучение грунтов, образование бугров и другие явления.

Структура мерзлых грунтов отличается от грунтов, не подвергшихся замораживанию. При их оттаивании увеличивается водопроницаемость и сжимаемость, Снижается устойчивость. Увеличивается размокание. При замерзании в порах грунта одновременно со льдом может находиться определенное количество воды в жидком виде.

Фазовый состав воды:

1)Твёрдая фаза - лёд. Это основной цементирующий материал. Его свойства зависят от величины отрицательных температур. При понижении температуры он упрочняется т.к. подвижность водородных атомов в кристаллической решетке льда уменьшается. Он встречается в виде льда-цемента, в виде линз и прослойков разной толщины

2)Жидкая фаза. Её присутствие обусловлено. влиянием электромолекулярных сил, действие которых сказывается понижением температуры замерзания лиосорбированной воды, т.е воды диффузных оболочек.

При 0⁰ С вода замерзает только в широких сосудах. В капилляре, диаметром 1,57мм она замерзает при -6,4 град.. В капилляре диаметром 0,06мм при -18,5 град. Т.е, чем тоньше капилляр, тем сильнее сказывается действие поверхностных молекулярных сил адсорбции, что и понижает температуру замерзания воды. Так же ведут себя тонкие водные плёнки.

Вода в грунтах замерзает постепенно: вначале свободная в крупных парах и капиллярах, затем слои лиосорбированной воды достаточно далеко удалённые от поверхности твёрдых частиц, потом слои, расположенные ближе к поверхности и т.д. Небольшая часть воды, даже при температуре минус 30градусов,остаётся незамёрзшей.

3) Водяной парзаполняет свободные от льда и плёнок воды крупные поры, морозобойные трещины и др. объёмы. Пар движется от мест с большим давлением к местам с меньшим давлением т.е из мест с более высокой температурой к местам с пониженной температурой т.е к области промерзания.

Кривые изменения температур замерзания грунтов делятся на несколько участков (зон): 1) зона, где идёт процесс охлаждения и переохлаждения грунта; 2) зона - процесс замерзания грунта; 3) зона - участок наступившего равновесия между внешней теплоотдачей и теплоприходом от выделенной скрытой теплоты льдообразования ( кривая имеет горизонтальный участок); 4) дальнейшее снижение температуры и замерзания более связанной воды..(рис10.1)

Рис 10.1 . Кривая замораживания и оттаивания

Влага в промерзающих грунтах мигрирует из нижних слоев грунта к верхним. В водонасыщенных грунтах миграция идёт преимущественно в жидкой фазе, при неполном насыщении грунта водой - за счет передвижения парообразной воды. Миграция жидкости происходит за счёт действия осмотических сил, из-за наличия температурных градиентов, из-за неравномерности промерзания и за счёт действия капиллярных сил, обусловливающих подъём воды по трещинам и порам замерзания. Осмотические силы возникают в форме всасывающей силы раствора и зависят от температуры, увеличиваясь с её понижением. Разность осмотических сил в слоях воды у поверхности охлаждения и в подстилающих слоях обусловливает перемещение влаги (медленное) к границе охлаждения.

При понижении температуры до отрицательной в крупных порах возникают центры кристаллизации воды, к которым притягиваются другие молекулы воды из капилляров соседних объёмов. Начинают расти кристаллы льда.

Вследствие роста кристаллов толщина слоев связанной воды быстро уменьшается и давление всасывания в них увеличивается. Возникает непрерывный ток воды к границе промерзания.

Скорость миграции воды зависит: от гидратационной способности твёрдых частиц; от интенсивности охлаждения; от фильтрационной способности грунта. Особенно велика миграция в тонкодисперсных грунтах. В крупнодисперстных грунтах(крупный песок) она может совсем отсутствовать. Иногда наблюдаются обратный эффект отжатия влаги растущими кристаллами льда из-за очень малой силы всасывания и отсутствия сопротивления выжиманию воды(Поршневой эффект - используется в дорожном деле для устройства противопучинных прослоек, прерывающих приток воды к границе промерзания (крупнопесчаные грунты)).

Образование прослоек и линз льда называют льдовыделением. Оно бывает нормальным (если нет притока дополнительной влаги из нижележащего грунта) и избыточным, когда есть, т.е. с подтоком воды извне.

На льдовыделение влияет: состав грунта, влажность, температура, режим замораживания, гранулометрический состав(в крупных меньше). При быстром замораживании до очень низких температур(- 50 град) образование прослойки льда, видимых невооруженным глазом, не наблюдается (т.е. можно сохранить структуру и свойства грунта). Мощные линзы образуются при длительной задержке границы промерзания на некотором уровне (при оттепелях) или при колебании границ промерзания, а так же при наличии подтока воды извне.

Грунт подвергшийся замораживанию и оттаиванию приобретает разрыхлённую структуру, что обусловливает его дополнительную осадку под нагрузкой. Ухудшаются его механические свойства и устойчивость.

Основания сооружений не должны подвергаться замораживанию в условиях возможного избыточного льдовыделения при высоком стоянии уровня грунтовых вод (даже в песчаных грунтах).