Поровое давление и консолидация грунтов

Обычно в грунте выделяют три основные составляющие фазы: твердые составляющие, вода и воздух. Когда в грунте присутствуют все три фазы, то считается, что грунт трехфазный; если грунт состоит из твердой фазы и воды, то грунт - двухфазный; если в грунте вода отсутствует, то грунт однофазный.

Совокупность физических уравнений, описывающих состояние грунта, т.е. уравнения, связывающие между собой напряжения, деформации и прочность грунта, называют уравнениями состояния или физической моделью грунта. В зависимости от количества присутствующих в грунте фаз, модели грунта бывают однофазные, двухфазные и трехфазные. Каждая фаза (твердая, жидкая и газообразная) обладает своими специфическими физическими уравнениями, общее уравнение состояния должно, с одной стороны, описывать эти свойства, а с другой - отражать взаимодействие этих фаз между собой. Создать такую обобщенную модель грунта еще предстоит. Существующие модели грунта упрощенны.

Наибольшего распространения применительно к плотинам из: грунтовых материалов получила так называемая модель фильтрационной консолидации, разработанная в СССР В. А. Флориным. Основы этой теории заложил К. Терцаги.

Сущность теории консолидации заключается в распределений действующей на грунт нагрузки между твердой и жидкой фазами. Важность этой задачи трудно переоценить, так как только та часть нагрузки, которая передается на твердую фазу, создает внутреннее трение в грунте. Действующее в рассматриваемой точке среднее нормальное напряжение (часто называемое тотальным) распределяется на две составляющие: среднее нормальное напряжение, действующее в скелете грунта, называемое эффективным; среднее нормальное напряжение, которое воспринимает вода, - нейтральное, т. е.

 .                              (14.12)

Поскольку модуль объемного сжатия воды во много раз выше модуля объемного сжатия совокупности частиц твердой фазы, то обычно принимают, что вода несжимаема. Тогда, в случае двухфазной модели грунта, при приложении нагрузки к грунту в начальный момент (t = 0, где t - время),  и , затем под действием появившегося избыточного давления в порах грунта (по отношению к атмосферному давлению) начнется процесс неустановившейся фильтрации воды из пор грунта, давление воды в порах начнет падать и неуравновешенная часть давления будет передаваться на твердую фазу грунта - появится . Грунт начнет деформироваться, уменьшая свой объем. Одновременно с деформированием твердая фаза грунта начнет накапливать прочность за счет появления нормальных сил в контактах соприкасающихся частиц и появления в этих контактах трения. Спустя какое-то время зависящее от коэффициента фильтрации грунта поровое давление снизится до величины атмосферного давления (математически при ). В этот момент  и . В этот же момент грунт достигает максимальной прочности, так как с учетом порового давления закон Кулона записывают в виде

 .                     (14.13)

В случае трехфазного грунта в момент времени t = 0 , так как за счет сжатия воздуха не вся нагрузка передается на воду- часть нагрузки сразу будет восприниматься скелетом грунта (твердой фазой). Таким образом следует, что с уменьшением коэффициента водонасыщения условия работы грунта улучшаются.

Наличие воды в порах любого грунта создает потенциальные возможности к образованию порового давления, но время его существования будет различными зависимости от проницаемости грунта. На практике при рассмотрении работы сооружения под действием статических сил поровое давление имеет смысл определять только в глинистых грунтах (супесь, суглинок, глина). В песчаных и более крупнозернистых грунтах его не определяют, так как оно быстро уменьшается (рассеивается) за счет высокой водопроницаемости этих грунтов.