Модель водонасыщенного грунта

Для лучшего понимания процесса уплотнения грунта во времени рассмотрим механическую модель уплотнения грунтовой массы (модель К. Терцаги).

Рис. 3.8. Модель деформации во времени полностью водонасыщенного грунта.

В стакан 1 поставим пружину 5 и до её верха нальём практически несжимаемую (не содержащую воздуха) воду 4. На поверхность воды и верх пружины поставим поршень 2 с отверстием малого диаметра и приложим к поршню нагрузку 3, создающую давление р.

В первый момент времени после загружения (при t=0), пока несжимаемая вода не успела выйти из отверстия, поршень ещё не переместился по вертикали. Следовательно, пружина не получила деформацию, и усилие в ней, отнесённое к единице площади поршня p_z будет равно нулю (p_z = 0). В воде же возникает давление p_ω = p. Таким образом, в первый момент времени давление полностью передаётся на воду.

По мере выдавливания воды из стакана через отверстие в поршне последний будет опускаться. В течение этого процесса значение p_ω уменьшается, а значение p_z увеличивается. В результате будет сохраняться равенство

. (3.37)

После выдавливания определённого количества воды из-под поршня давление p будет полностью передано на пружину, т. е. при t = ∞; давление p_ω = 0 и p_z = p.

Эта модель в известной степени иллюстрирует деформацию полностью насыщенного водой грунта, не обладающего структурной прочностью и ползучестью скелета. При сжатии образца водонасыщенного грунта, помещённого в одометр, в поровой воде возникает давление p_ω. По мере выдавливания воды из образца давление в поровой воде падает, а давление p_z в деформирующемся скелете грунта увеличивается. Таким образом, давление в пружине моделирует давление в скелете, а давление в воде соответствует давлению в поровой воде.

Если в поровой воде содержится воздух в растворённом виде или в виде пузырьков, то она мгновенно деформируется сразу после приложения нагрузки. Это можно исследовать с помощью той же модели (рис. 3.8.). В данном случае вследствие сжатия воды после приложения нагрузки часть давления будет передаваться на воду, а часть на скелет, т. е. справедливо выражение (3.37). Чем большей сжимаемостью обладает поровая вода, тем большая часть усилия в начальный момент времени передаётся на скелет. Во все последующие отрезки времени после загружения давление в воде станет уменьшаться вследствие выдавливания её из грунта. Этот процесс развивается до тех пор, пока всё давление не будет передано на пружину (скелет грунта).

В водонасыщенном грунте, обладающем ползучестью, деформации развиваются во времени как в результате постепенного выдавливания воды из пор грунта, так и вследствие ползучести самого скелета.

Модель наглядно демонстрирует, что в процессе уплотнения грунта в нём одновременно действуют две системы давлений: давление в скелете грунта, называемое эффективным, и давление в поровой воде, называемое нейтральным. Эффективное давление характеризует напряжённое состояние скелета грунта. Под этим давлением грунт уже деформировался, т. е. уплотнился и упрочнился. Следовательно, такое давление эффективно сказывается на состоянии грунта. Нейтральное же давление не влияет на напряжённое состояние скелета полностью водонасыщенного грунта, т. е. оно нейтрально по отношению к скелету грунта.