Несжимаемый грунт: Несжимаемый грунт — Общие вопросы по комплексам изысканий — Форумы

Автор

Содержание

грунт несжимаемый — это… Что такое грунт несжимаемый?

грунт несжимаемый

сығылмайтын топырақ

Русско-казахский терминологический словарь «Архитектура и строительство». — Академия Педагогических Наук Казахстана.. 2014.

  • грунт несвязный
  • грунт нескальный

Полезное


Смотреть что такое «грунт несжимаемый» в других словарях:

  • Грунт (почва) — Грунт (нем. grund основа, почва) горные породы (включая почвы), техногенные образования, залегающие преимущественно в пределах зоны выветривания, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом… …   Википедия

  • Грунт твердомерзлый — дисперсный грунт, прочно сцементированный льдом, характеризуемый относительно хрупким разрушением и практически несжимаемый под внешней нагрузкой.

    .. Источник: ГОСТ 25100 95. Грунты. Классификация (введен в действие Постановлением Минстроя РФ от… …   Официальная терминология

  • Грунт — У этого термина существуют и другие значения, см. Грунт (значения). Грунт (нем. Grund  основа, почва)  любые горные породы, почвы, осадки, техногенные (антропогенные) образования, представляющие собой многокомпонентные, динамичные… …   Википедия

  • грунт твердомерзлый — дисперсный грунт, прочно сцементированный льдом, характеризуемый относительно хрупким разрушением и практически несжимаемый под внешней нагрузкой. (Смотри: ГОСТ 25100 95. Грунты. Классификация.) Источник: Дом: Строительная терминология , М.: Бук… …   Строительный словарь

  • твердомерзлый грунт — 3.41 твердомерзлый грунт: Дисперсный грунт, прочно сцементированный льдом, характеризуемый относительно хрупким разрушением, практически несжимаемый под внешней нагрузкой. Источник: ГОСТ 25100 2011: Грунты.

    Классификация оригинал документа …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация — Терминология ГОСТ 25100 2011: Грунты. Классификация оригинал документа: 3.1 антропогенный грунт (синоним антропогенно образованный): Образовавшийся естественно историческим образом (культурные слои) или созданный человеком разными способами грунт …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Выбор типа фундамента

Типы фундаментов: 1. Буронабивной (свайно-ростверковый) Буронабивной – это фундамент, в которых нагрузки от здания на грунт используют буронабивные сваи. Буронабивной фундамент целесообразно возводить тогда, когда несжимаемый слой грунта находится настолько глубоко, что другие типы фундаментов применять нельзя, а именно в случае строительства дома на слабых грунтах (например, в торфяной или в болотистой местности).
А так же можно закладывать такой фундамент при строительстве деревянных и каркасных домов. При строительстве дома на склоне применение буро набивных свай является наиболее лучшим. Технология устройства фундамента на буро набивных сваях заключается в бурении скважины и заливки туда бетона. Сначала в грунте бурят скважину на глубину заложения сваи, это делают с помощью мотобура или ручного бура нужного диаметра. Затем в скважину ставится опалубка. Если грунт плотный, то опалубку устанавливать не обязательно, и заливать бетон прямо в скважину, при этом опалубку ставят только над поверхностью земли, чтобы сделать оголовок сваи. Если скважина проходит сквозь сыпучие грунты, то устройство опалубки будет необходимо. Для опалубки можно установить свернутый рубероид или асбестоцементную трубу. Буро набивная свая работает на сжатие и на разрыв. Сжимающая нагрузка действует на нее со стороны дома, нагрузка на разрыв может действовать со стороны пучинистого грунта, когда нижняя часть сваи будет зажата в нижнем слое грунта, а верхнюю часть будет тянуть верх промерзший грунт.
Поэтому необходимо армирование буро набивных свай.

2. Щелевой (стена в грунте)

Щелевым называют фундамент прямоугольного сечения, залитый в подготовленую траншею, в данном случае, является опалубкой нижней части фундамента, опалубка подвальной части изготавливается из обрезной доски или других подручных материалов. Нагрузка на грунт передается нижней и боковыми поверхностями фундамента. Щелевой фундамент применяется при строительстве легких домов, небольших построек на глинистых, связных грунтах. Грунт не должен сыпаться в траншею при заливке бетонного раствора, а также должен иметь ровные грани. Желательно выполнять заливку сразу после подготовки траншей т.к. при высыхании траншеи, происходит осыпание грунта и при заливке он смешивается с раствором, что отрицательно скажется на строительстве. Щелевой фундамент наиболее экономичен, по сравнению с классическим ленточным фундаментом т.

к. не требуется ставить опалубку на всю высоту и сокращается объем работ. Глубоко заглубленные щелевые фундаменты закладываются ниже глубины промерзания, при этом расчет ведется на устойчивость и принимается нагрузка подошвы фундамента на грунт, а также боковое давление пучинистого грунта.

Применение щелевых фундаментов:

Мелкозаглубленный щелевой фундамент обычно применяют для не пучинистых грунтов. Если опалубка отсутсвует то боковые грани фундамента имеют неровную поверхность и, поэтому, происходит большое сцепление с грунтом, который при морозном пучении может поднять строение и в результате чего дом будет перекошен или, при недостаточной прочности, разрушить ленту фундамента.

Конструкции ленточных фундаментов:

а) и б) щелевые фундаменты ;

3. Ленточный

Ленточный фундамент применяют при строительстве сооружений с тяжелыми стенами (каменные, бетонные, кирпичные), либо с тяжелыми перекрытиями. Ленточный фундамент устраивается под всеми внешними и внутренними несущими стенами. По всему периметру ленточного фундамента форма сечения закладывается одинаковая. Такой фундамент необходим, если под домом вы решили сделать гараж, подвал или какое либо другое помещение. Если присутствует опасность деформирования основы здания в случае его неглубокого заложения, ленточный фундамент следует усилить армированным поясом. Подошва ленточного типа должна находиться на 0,2 м ниже глубины промерзания. Если грунт сухой или песчаный, то строительство фундамента можно начинать не меньше, чем на 0,5 м от уровня земли. Если грунты вспучиваются или промерзают, то ленточные фундаменты применяются очень редко или вообще не применяются. Толщину песчаной подушки для ленточного фундамента лучше делать до 60 см, но она не должна быть больше половины общей высоты фундамента.

4. Плита

Плитный фундамент относится к не заглубленным или мелко-заглубленным фундаментам. Он представляет собой железобетонную плиту, уложенную на слой утрамбованного щебня или песка, толщиной 15-35 см, под которым находится выровненный грунт.Толщина плиты составляет, около, 20-40 см. Возможно применение как монолитной плиты, возводимой на месте проведения работ, так и сборного железобетона например: дорожных плит. В этом случае поверх плит укладывается выравнивающая стяжка из цементного раствора или обычного бетона. Монолитный фундамент имеет большую пространственную жесткость, очень надежен и долговечен в эксплуатации нежели сборный. Бетонирование плитного фундамента может обойтись куда дешевле чем покупка, доставка и монтаж дорожных плит. А так же их придётся «накрывать» цементной стяжкой из раствора.

Плюсы плитного фундамента. Благодаря своей площади и пространственному армированию, такой фундамент снижает давление на грунт до 0,1 кг/см2, а также выдерживает нагрузки, которые возникают при различном движении грунта. Ввиду того, что сплошной железобетонный фундамент располагается под всем зданием, его возведение наиболее оправдано в случае строительства сравнительно небольших объектов.

Случаи при которых целесообразно возводить плитный фундамент

Если сравнивать плитный фундамент с ленточным или свайным, то первый целесообразно применять:

1. на сложных грунтах

2. для домов без подвалов

Фундамент под каркасный дом: какой выбрать?

Фундамент дома удерживает на себе все остальные его элементы. От его качества зависит долговечность всей постройки. В каркасно-щитовых домах из нагрузка равномерно ложится по всей площади фундамента, не только по периметру. Это исключает проседание или перекос отдельных частей здания. В зависимости от площади строения и типа почвы на участке выбирают один из видов фундамента:

  • ленточный
  • столбчатый
  • свайный

Дорогостоящий плитный фундамент здесь не требуется, так как общая масса каркасного дома на порядок меньше кирпичного монолитного. Это позволяет снизить общую смету постройки – при строительстве капитальных домов значительная часть бюджета уходит именно на фундамент.

Рассмотрим, чем разные виды отличаются друг от друга.

Ленточный фундамент под каркасный дом

Это железобетонная полоса, идущая по периметру всего здания, которую закладывают под все внешние и несущие стены. Степень ее углубления в грунт зависит от проекта дома и типа почвы. На таком основании можно строить дома от 1 до 3 этажей. Каркас ленты обеспечивает равномерное распределение нагрузки, защищая стены здания от деформаций. Ленточные фундаменты подходят для участков с неоднородным, смешанным грунтом, где присутствует риск морозного пучения. Для сильнопучинистых грунтов предпочтительны свайные основания. Глубина залегания фундамента определяется несущими характеристиками почвы и предполагаемой нагрузки. В типовых проектах “Строим Дом” используются преимущественно свайные и столбчатые основания. Ленточные фундаменты предпочтительны при индивидуальном строительстве каркасно-щитовых и кирпичных домов.

 

Столбчатый фундамент

Представляет собой группу блоков размером 40х40х20 см, установленных на равном расстоянии друг от друга по всей площади будущего дома. На них укладываются поперечные рамы, так называемые ростверки, которые соединяют блоки в единую конструкцию и распределяют нагрузку между ними. Сбоку конструкция из столбов и ростверков напоминает стол с множеством ножек. Эти “ножки” выступают в роли несущих опор для будущего дома. Гидроизоляция опор выполняется с помощью рубероида.

Столбчатые фундаменты под каркасные дома оптимальны для участков с высоким уровнем залегания грунтовых вод. Они подходят для небольших домов в 1-1,5 этажа, вес которых не превышает 1000 кг/м3. Все бюджетные здания из нашего каталога возводятся именно на столбчатых основаниях.

Свайный фундамент

Используется при постройке каркасно-щитовых домов для постоянного проживания, с суммарной нагрузкой более 1000 кг/м3. Вместо бетонных блоков используются забивные железобетонные сваи, которые упираются в несжимаемый слой грунта и обеспечивают высокую надежность всей постройки.

При закладке фундамента сваи устанавливаются в углах будущего здания, в местах пересечения несущих стен и между самими стенами, что гарантирует равномерное распределение нагрузки. Такое основание идеально подходит для зыбких грунтов с глубоким расположением твердого слоя.

В типовых проектах каркасно-щитовых домов тип используемого фундамента указан в расширенном описании.

Урал56.Ру – Новости Оренбурга, Орска и Оренбургской области. Политика, бизнес, аналитика

Мусорная площадка на улице Машиностроителей

Глава Орска Василий Козупица потребовал исправить ситуацию с грязью и рыхлой землей около новых заглубленных мусорных контейнеров. 

По его словам, сейчас поступает много жалоб. А раз люди не могут не подойти к площадкам, то будут бросать мусор так, куда смогут дойти. 

Это серьезный вопрос. Действительно, не подойдешь. А раз не подойдешь, значит будут бросать там, где можно дойти. Поэтому я попрошу к этому вопросу серьезнее подойти. Вот мы запланировали сметы, бетонирование, заглубление, а этот момент как-то прошел. Я думаю, что сейчас надо все это исправлять.

Василий Козупица

Глава города Орска

Артем Учкин, замглавы по муниципальному хозяйству, заверил, что в апреле, как только начнется фрезерование дорог, асфальтовый срез в первую очередь направят на отсыпку подходов и подъездов к этим площадкам. 

В первых числах апреля начинаем фрезерование дорожного полотна. Полученный срез предполагается в первую очередь на отсыпку подъездных и подходных путей к контейнерам заглубленного типа.

Артем Учкин

Замглавы города Орска

Однако градоначальника такой ответ не совсем устроил. Он поручил продумать, как именно это сделать, какой грунт использовать, чтобы ситуация не повторилась.

А вы прям на землю будете срез сыпать? Проедем КамАЗ, все смесит, опять будет грязь. Несжимаемый грунт нужен, щебень. Давайте рассмотрим этот вопрос.

Василий Козупица

Глава города Орска

Напомним, подобная ситуация сложилась на нескольких мусорных площадках города. Грязь и рыхлая земля мешает не только жителям, но и специализированной технике.

Использование тепловых насосов в качестве систем термостабилизации грунта в криолитозоне

Необходимость применения инновационных способов и устройств для управления температурным режимом и поддержания отрицательных температур в мерзлых грунтах и замораживания талых грунтов оснований обусловлена существенным ростом строительства отечественных объектов промышленной, транспортной, газовой и нефтяной отраслей в пределах криолитозоны, где сосредоточены основные разведанные запасы природного газа и нефти, алмазов, золота, редких и цветных металлов. Область распространения многолетнемерзлых пород является наиболее перспективным ресурсным регионом страны, без освоения природных богатств которого невозможно представить устойчивое развитие России.

Возведение зданий и сооружений в условиях распространения вечномерзлых грунтов, в частности устройство оснований и фундаментов, имеет ряд существенных особенностей, без учета которых в надземных конструкциях неизбежно возникают недопустимые деформации, происходят повреждения сооружений и продолжается рост аварийности всех видов зданий и сооружений [1, 2].

Применяемые при строительстве объектов промышленного и топливно-энергетического комплексов технические решения с использованием свайного фундамента обеспечивают необходимую прочность сооружений и обладают достаточной надежностью при строительстве и эксплуатации объектов. Однако свайное основание имеет и свои недостатки:  высокая трудоемкость возведения, недостаточное использование в полной мере прочностных характеристик материала свай (несущая способность свай по грунту намного меньше несущей способности по материалу), дороговизна строительно-монтажных работ по устройству свайного поля, а следовательно, и низкая экономическая эффективность фундамента в целом. Как крупный недостаток следует отметить и невозможность надежной защиты конструкции сваи от грунтовой коррозии, что особенно актуально для засоленных грунтов побережья северных морей (месторождения полуострова Ямал, резервуарный парк в районе поселка Варандей  и др.) и аридных районов Центральной Якутии и Прибайкалья.

Установка основных производственных зданий на фундаменты мелкого заложения – альтернативный сваям вариант – практически не производится из-за сложностей с обеспечением необходимых прочностных и деформационных характеристик основания, так как прочный и практически несжимаемый вечномерзлый грунт залегает зачастую на сравнительно большой глубине. Кроме того, выполнение малозаглубленных фундаментов практически не применяется из-за сложности производства земляных работ в условиях Севера. По опыту строительных организаций можно сказать, что строителям проще (быстрее, доступнее) производить погружение свай, нежели заниматься сложными в северных условиях процессами по разработке котлована, возведению качественной подсыпки, работами по обеспечению инженерной защиты территории, требования по которой значительной выше, чем при свайном основании.

Таким образом, целью опытно-конструкторских работ по разработке и внедрению более эффективных конструкций фундаментов и способов устройства оснований, отвечающих всем требованиям надежной эксплуатации, технологичности и экономичности, должно стать устранение недоработок и недостатков фундаментов мелкого заложения и разработка технических решений поверхностных фундаментных конструкций, не предъявляющих столь высокие требования к основанию, подсыпке, инженерной защите территории, не требующие в больших объемах трудновыполнимых земляных работ и других обстоятельств, не позволяющих сейчас рассматривать бессвайные основания  как альтернативные варианты.

Эффективным способом поддержания или усиления мерзлого состояния грунта в основаниях сооружений является использование низких температур наружного воздуха с помощью парожидкостных термосифонов, называемых термостабилизаторами. Термостабилизаторы грунта позволяют сократить сроки возведения зданий и сооружений в условиях «вялой» (высокотемпературной) мерзлоты и возводить здания без вентилируемого подполья на несливающейся и высокотемпературной мерзлоте.

Несмотря на описанные выше достоинства, сезоннодействующие саморегулирующиеся установки обладают и весьма существенным недостатком: при наличии постоянно действующего источника растепления, они из-за своей сезонности в работе и недостаточной производительности, не всегда способны длительно поддерживать требуемую отрицательную температуру грунта на протяжении всего года. По этим причинам в условиях возможного глобального потепления климата термостабилизаторы не смогут обеспечить безопасный и лолговечный заданный по проекту температурный режим основания и устойчивость сооружения в целом [1, 3].

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.

Схема работы теплового насоса.

1 – горячий теплообменник; 2 – расширитель; 3 – холодный теплообменник;      4 – компрессор.

Наибольший эффект с точки зрения эксплуатационной надежности, обеспечения безопасности и снижения стоимости сооружений могут дать управляемые (регулируемые) системы оснований и фундаментов, которые позволяют на всех этапах строительства и эксплуатации управлять термонапряженно-деформированным состоянием грунтовых оснований и устойчивостью конструктивных элементов фундаментов.

Если рассматривать эффективности, долговечности и безопасность парожидкостных термостабилизаторов грунта, то для возможности их функционирования в теплый период времени в транспортный участок устанавливают дополнительный теплоотводящий (охлаждающий) элемент. Включение в состав транспортных участков термостабилизаторов дополнительных теплоотводящих элементов позволяет обеспечить функционирование термостабилизаторов в период года с положительными температурами атмосферного воздуха за счет циркуляции в них промежуточного хладагента, охлаждаемого дополнительной холодильной машиной. Тем самым обеспечивается непрерывный (круглогодичный) режим работы.

Яркий пример применения горизонтальных термостабилизаторов грунта в комбинации с холодильным агрегатом – возведение оснований и фундаментов вертикальных стальных резервуаров (РВС) Варандейского терминала [4].

Основной проблемой, препятствующей широкому использованию комбинированных термостабилизаторов грунта и стандартных морозильных агрегатов в строительстве, является их высокая стоимость. Одним из путей устранения этого недостатка, может явиться использование теплонасосной техники вместо обычных холодильных установок.

Термодинамически тепловой насос (ТН) аналогичен холодильной машине. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту.

Процесс в тепловом насосе осуществляется следующим образом:

  • рабочая жидкость (например, фреон) закипает в испарителе при невысокой тем-пературе ( — 10 °С) за счет тепла грунта;
  • образовавшийся пар сжимается компрессором до необходимой температуры;
  • пар поступает в теплообменник и нагревает рабочее вещество отопительной си-стемы, а сам при этом остывает;
  • давление понижается и охлажденный хладагент возвращается в испаритель;
  • далее цикл процесса повторяется (рисунок 1).

 

Рисунок 2.

Схема теплового насоса с грунтовым парожидкостным теплообменником. 1 – подающая линия системы отопления; 2 – отводящая – линия системы отопления.

 

Рисунок 3.

Пример использования теплового насоса с грунтовым парожидкостным теплообменником.  1 – парожидкостной грунтовый контур; 2 – тепловой насос.

 

Рисунок 4.

Теплотехнический расчет эксплуатации сезоннодействующей системы.

Рисунок 5.

Теплотехнический расчет эксплуатации круглогодичной системы с тепловым насосом.

 

В опубликованной литературе предложение по использованию ТН на территории криолитозоны для одновременного охлаждения грунтов в основании здания и снабжения его внутренних помещений теплом, по-видимому, впервые было высказано Стенбик-Нильсоном и Л.Свитом [5]. В 80-х годах прошлого столетья попытки реализовать данное предложение были предприняты в Норвегии и Канаде. Использование тепловых насосов при строительстве в криолитозоне в отечественной практике было предложено одним из первых профессором Перльштейном Г.З. с коллегами [6, 7].

Однако классическая схема теплового насоса имеет серьезный недостаток, т.к. в качестве грунтового теплообменника как правило используются полиэтиленовые трубы, заполненные антифризом (гликолевым раствором). В случае утечки антифриза в грунт произойдет растепление, устранение которого будет крайне затруднено и трудозатратно. Также для прокачки антифриза по трубам используется насосное оборудование, что повышает энергопотребление системы и снижает надежность функционирования. Для надежной эксплуатации такой системы придется использовать плитный фундамент, поверх которого будет устраиваться теплообменный контур.

С целью устранить все вышеописанные недостатки в ООО «НПО «Север» разработана комбинированная система термостабилизации грунта с использованием теплового насоса с грунтовым парожидкостным теплообменником. В качестве грунтового теплообменника используются тепловые трубы (испарители термостабилизаторов грунта). В верхней части тепловых труб установлены теплоотводящие элементы, которые являются испарителем компрессора (рисунок 2). При использовании гравитационных тепловых труб отпадает необходимость применения насосного оборудования, что как минимум на 10 % снижает энергопотребление. В качестве хладагента используются фреоны, аммиак или двуокись углерода, которые никак не повлияют на оттаивание грунтового основания в случае утечки. Объем заправки хладагентов на порядок ниже объема антифриза в жидкостном грунтовом теплообменнике. А использование современных технических решений позволит конструировать различные комбинации из вертикальных и горизонтальных (слабонаклонных) тепловых труб (рисунок 3).

На предлагаемую систему получено решение на выдачу патента (заявка № 2014150935 от 16.12.2014г.).

В качестве примера успешного применения теплового насоса с парожидкостным грунтовым теплообменником приведен численный теплотехнический расчет работы сезоннодействующей (рисунок 64а) и круглогодичной (рисунок 4б) систем термостабилизации грунта  здания шириной 14 м с фундаментом мелкого заложения. Расчет выполнен с использованием программы Tundra2D, разработанной на кафедре геокриологии МГУ. Температура внутри здания постоянна и равна +20оС, коэффициент теплообмена с учетом термического сопротивления пола a = 0.5 Вт/(м2×К). Расчетная область представляет половину здания, так как его продольная ось является плоскостью симметрии, тепловой поток через которую равен нулю (граничное условие II рода). Боковые и нижняя границы в расчетной области заданы граничными условиями (ГУ) II рода с нулевым теплопотоком. Описание работы сезоннодействующей системы производится путем присвоения внутренним блокам ГУ III рода с приведением среднемесячных температур воздуха на поверхности и коэффициента теплообмена, определяемого с учетом теплоотдачи с единицы поверхности испарителя 21 Вт/(м2·°С) при скорости 3,0 м/с из расчета свободного обдува конденсаторного блока. Описание работы круглогодичной системы производится путем присвоения внутренним блокам ГУ II рода с значением теплового потока, равным 40 Вт/м2.

По результатам расчета видно, что при применении сезоннодействующих систем под сооружением будут возникать знакопеременные температуры грунтов (растепление на конец теплого периода и промораживание на конец холодного). Это может привести к деформации сооружения в период эксплуатации. Для получения положительного результата требуется увеличить толщину слоя теплоизоляции или уменьшить шаг раскладки термостабилизаторов. При использовании круглогодичной системы грунт постоянно поддерживается в мерзлом состоянии.

При строительстве в криолитозоне применяются как сезоннодействующие системы термостабилизации грунта, так и круглогодичные. Если рассматривать теплонасосное охлаждение оснований в контексте глобального потепления климата, то его использование представляется очень удачным техническим решением. С его помощью можно предотвратить колоссальный социально-экономический ущерб от потери устойчивости сооружений, возведенных на вечномерзлых грунтах, и при этом не только полностью компенсировать капитальные расходы на приобретение ТН-оборудования, но и заметно понизить стоимость затрат на снабжение теплом населения и хозяйственных объектов. Для высотных сооружений данная технология позволит использовать подземное пространство для паркинга или технического этажа.

как определить условные размеры фундамента

Схематическое изображение висячего фундамента

Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются строители — это слабый грунт. На такой почве довольно трудно заложить надёжное основание даже для небольшого одноэтажного дома, не говоря уже о массивных многоэтажках. Наиболее эффективным выходом из данной ситуации является свайный фундамент. В зависимости от типа опирания на грунт, данная технология подразделяется на две разновидности: сваи стойки и висячие сваи.

Два вида свайной технологии

Каждый из двух подтипов свайной технологии имеет свои плюсы и свои недостатки. Общим для обоих методов является то, что и в том, и в другом случае постройка опирается своим весом на сваи, заглублённые в грунт. Однако, способы заглубления в обоих случаях абсолютно разные, как и принципы работы стоечной и висячей опорной конструкции.

Свая-стойка

Сваи стойки представляют собой опору, которая проходит сквозь слабые слои почвы и углубляется в твёрдый грунт. Степень заглубления в прочные слои зависит от массивности строящегося здания, и не должна быть меньше 0,5 м. Принцип действия опоры в данном случае такой: свая, подобно жёсткому стержню, воспринимает на себя вес постройки, и передаёт его плотным слоям почвы. В этом случае основную работу по перераспределению массы производит нижняя часть сваи, опирающаяся на прочный несжимаемый грунт.

Подобный метод отлично подходит для тех случаев, когда слабый слой почвы не слишком большой, и не превышает в глубину нескольких метров. При более глубоком залегании несжимаемых грунтов финансовые расходы на установку свай-стоек резко возрастают. Прежде всего, это связано с необходимостью соблюдать минимальное соотношение длины стойки и её сечения, для сохранения её жёсткости и прочности, что значительно увеличивает размеры каждой опоры.

Принцип работы сваи-стойки (слева) и висячей опоры

Висячие сваи

Висячие сваи, в отличие от свай-стоек, «работают» по совершенно другому принципу. Опирание в данном случае происходит на слабый просадочный грунт, а не на прочные несжимаемые породы. Опоры находятся в полуподвешенном состоянии, но, тем не менее, способны нести на себе значительные нагрузки. Происходит это за счёт силы трения боковых поверхностей опор об окружающий её слабый грунт.

При этом до 70% всего веса постройки передаётся почве через боковые стенки сваи, в результате силы трения. И лишь около 30% – непосредственно через нижнюю торцевую часть. Для свай-стоек данная пропорция обратная: практически 90% нагрузки передаётся прочным породам через остриё опоры.

Виды опор

В качестве материала для свайных опор могут выступать дерево прочных пород (лиственница, дуб, сосна), металлические трубы, железобетонные конструкции. Согласно нормативам ГОСТ, все виды железобетонных опор, как стоечного, так и висячего типа, подразделяются на несколько классов, в зависимости от:

  • Типа поперечного сечения.
  • Способа внутреннего армирования.
  • Типа конструкции.
Типы сечения фундаментных опор

В поперечном сечении они чаще всего имеют форму квадрата или круга, реже – прямоугольника или двутавра. Продольное сечение бывает прямоугольным, в виде призмы, ромба или трапеции. Могут быть цельнолитыми или пустотелыми, и выполняться как совсем без армирования, так и с продольным или продольно-поперечным способом установки арматуры. Железобетонная опора обычно исполняется в виде монолитного бетонного столба, но особо габаритные конструкции могут делаться составными, из нескольких стыкуемых друг с другом деталей. Такой метод используется при необходимости опускания сваи на значительную глубину, или при значительной массивности опоры – для удобства транспортировки и заглубления.

По типу заглубления висячие сваи могут быть:

  • Забивными, когда заглубление в почву происходит механическим воздействием на верхнюю часть опоры – молотом-копром, вдавливающим или вибрационным механизмом.
  • Буронабивными. В этом случае в почве бурятся отверстия необходимой глубины, которые заполняются бетонным раствором.
  • Винтовыми. Подобные опоры снабжаются спиралевидными лепестками, и закручиваются при помощи специальных машин – сваекрутов.
  • Буровыми – в грунте бурится скважина определённого диаметра, который не должен превышать размер сечения сваи. В данное отверстие заглубляется свая под действием собственного веса либо посредством воздействия на неё извне.

Область применения

Используется висячая технология при возведении зданий самой различной массы и этажности – от небольших малоэтажных строений, до больших заводских цехов и многоквартирных домов. Выбор висячего или стоечного фундамента производится ещё на стадии проектирования здания в зависимости от геологических условий и конструктивных особенностей постройки. Перед этим в обязательном порядке производятся предварительные геодезические исследования, цель которых – определение показателей плотности грунта и глубины залегания твёрдых пород.

Особое внимание следует уделить возможности подвижек слабой почвы в результате сезонных или тектонических воздействий – замерзания и таяния, землетрясений, селей и оползней. Данные характеристики могут стать противопоказаниями к использованию при строительстве висячей технологии.

Не рекомендуется использования висячих свай на грунтах, сложенных илистыми и болотными осадками, торфяниках, а также на искусственных насыпях. Категорически запрещается монтаж висячих фундаментов на слабых поверхностях, имеющих уклон к горизонту, из-за высокой вероятности оползней.

Бетонные монолитные сваи

Инженерные расчёты

Технология висячего фундамента достаточно сложна, и требует произведения тщательных расчётов ещё на этапе планирования. Данные вычисления отличаются от расчётов для свай-стоек – в них учитывается гораздо больше прямых и косвенных значений и параметров. Связано это с ненадёжностью слабых просадочных грунтов, как несущей опоры.

Определить необходимую несущую способность фундамента можно по формуле, данной в разделе №2-02-03-85 СНиП. Инженерные расчёты достаточно сложны, и производить их следует специалистам, обладающим соответствующим образованием. Для точного вычисления понадобятся следующие параметры:

  • Наружный периметр сечения сваи (u).
  • Площадь нижнего торца опоры (A).
  • Длина заглублённой части висячей опоры (Hi).

Также в формулу входит ряд табличных значений:

  • Сопротивление грунта под нижней частью опоры (R).
  • Сопротивление всех слоёв почвы, сквозь которые проходит свая (Fi).
  • Условный коэффициент работы конструкции под наконечником и на боковых поверхностях опоры. Зависит от способа заглубления и даны в соответствующих таблицах СНиП.

Рассчитывается нагрузка на сжатие каждой отельной опоры в соответствии со следующей формулой.

Это базовая формула для висячих опор, заглубляемых забивным методом. Имеется ещё одна формула, позволяющая рассчитать несущую способность сваи. Выполняется она на определение минимальной выдёргивающей нагрузки.

Параметры, используемые в данном случае аналогичны ранее приведённым, с той лишь разницей, что коэффициент условий работы имеет другое значение.

Недостатки технологии и способы их устранения

Главным недостатком висячего фундамента является его недостаточная несущая способность. Чтобы решить данную проблему и повысить надёжность конструкции, разработан целый ряд технологических методик.

  1. Увеличение поперечного сечения и длины опоры. Это позволяет сделать силу трения, удерживающую сваю в подвешенном состоянии более существенной.
  2. Использование «куста» из нескольких свай, забитых рядом друг с другом.
  3. Расширение нижней части опоры в виде пяты, что позволяет распределить давление массы постройки на большую площадь.

Практическое применение перечисленных методик имеет неплохую отдачу, однако, далеко не во всех случаях. Увеличение сечения и длины сваи неизбежно ведёт к удорожанию сметной стоимости постройки. Более габаритную сваю также сложнее транспортировать до места строительства, а работа с ней более трудоёмка.

При работе на слабых грунтах любое увеличение массы конструкции ведёт к ещё большей осадке фундамента. Это касается методики «кустистых» свай, когда опоры заглубляются пачками по 2 – 4 штуки.

Как показали наблюдения, в данном случае технология хорошо работает, если расстояние между отдельными «кустами» не превышает их 3-х диаметров. В противном же случае усадка «кустов» из-за их большей массы аналогична усадке одиночной сваи, а иногда и превышает этот показатель.

В настоящее время ведётся разработка новых, более эффективных способов увеличения прочности висячих фундаментов:

  1. Уплотнение грунта вокруг уже заглублённых опор. Достигается это при помощи бурения в межсвайных промежутках. При этом окружающий новую скважину грунт уплотняется, плотнее прилегая к уже имеющимся опорам. Для достижения большего эффекта рекомендуется производить бурение до глубины, превышающей нижний уровень заглубления фундамента на 1-2 м. В этом случае почва уплотняется и непосредственно под сваей, создавая опору для её острия. Чтобы закрепить достигнутый результат, в пробуренные скважины нагнетается быстротвердеющий цементный раствор.
  2. Целенаправленная инъекция бетонных растворов под каждую из установленных ранее свай. Это позволяет создать вокруг каждой опоры, а также под ней, прочную армирующую подушку из бетона. Среди плюсов инъекторного метода – отсутствие необходимости в проведении сложных земельных работ, и возможность усиления фундамента спустя длительное время после постройки здания. Данный способ вполне возможно применять для усиления и ремонта прочих типов фундаментов – ленточных, столбчатых и плитных.

На видео показаны основные виды свайных фундаментов.

Из-за сложности расчётов и самой технологии метод висячих свай чаще всего применяется профессиональными строителями. В частной же застройке он мало востребован из-за своей трудоёмкости. Однако при необходимости данный способ возведения фундамента вполне может быть использован и при строительстве небольших зданий с малой массой: деревянных жилых домов, хозяйственных построек и т.д.

Устройство свайно-винтового фундамента — ЗСК Интересные статьи и общая информация

« Назад

21.03.2014 00:03

Как известно, на сегодняшний день фундамент на сваях является одним из самых популярных видов фундамента. Это объясняется тем, что данный можно устанавливать в любом типе грунта, в том числе и сложном, на заболоченных участках и любое время года. Кроме этого винтовые сваи отличаются быстрым монтажом/демонтажем и прекрасными эксплуатационными характеристиками.

Устройство винтового фундамента

В начале, необходимо определиться с длиной, диаметром и количеством свай. Длина сваи должна быть больше толщи грунта на 1-1.5 метра. Это условие должно быть соблюдено, т.к. острие сваи обязательно заглубляется в несжимаемый грунт на глубину не менее 600-800 мм. Порой возникают такие ситуации, когда длины винтовой сваи не хватает. В подобных случаях сваи можно легко нарастить путем приваривания до нужной длины. Прочностные и несущие способности сваи от этого никоим образом не станут ниже. Что касается диаметра свай, то он выбирается исходя из особенностей будущего строения.

Чтобы понимать какое количество свай требуется, нужно ориентироваться на проект будущего дома и учитывать тот факт, что шаг винтовых свай должен быть не более 2.5 метров. Кроме этого, сваи следует установить под всеми углами и пересечениями несущих стен дома.

После всех вышеперечисленных работ производится разбивка осей несущих стен дома на участке. Разбивка должна выполняться с максимальной точностью, чтобы впоследствии правильно установить фундамент. Далее отмечаются точки, в которые будут завинчиваться сваи.

Следующим этапом является ввинчивание свай. Монтаж свай для фундамента хорош тем, что для него не требуется множество разнообразной строительной и дорогостоящей техники. Для устройства фундаментов можно использовать специальные механизмы так и монтировать вручную.

Многие предпочитают заниматься самостоятельной установкой фундамента, полагая, что это легко и просто. В действительности это так, но только при условии выполнения этого дела профессионалами. При самостоятельной установке фундамента зачастую совершается множество ошибок, к примеру, это выкручивание сваи с целью регулировки высоты, регулировка наклона сваи в ввинченном состоянии. Последствия таких ошибок в будущем могут стоить целого фундамента.

Когда сваи погружены, производится обрезка оголовков на одном уровне. Высота над уровнем грунта должна составлять 40-50 см. Далее стволы свай заполняются бетоном. Завершающим штрихом монтажа фундамента является установка опорной конструкции по оголовкам винтовых свай. Это может быть ростверк, конструкция из бруса или свайно-ленточный фундамент. Ее выбор напрямую зависит от материала стен дома.

Эффективное напряжение | SpringerLink

Abstract

Почву можно представить как каркас из твердых частиц, окружающих сплошные пустоты, содержащие воду и / или воздух. В диапазоне напряжений, обычно встречающихся на практике, отдельные твердые частицы и вода могут считаться несжимаемыми: воздух, с другой стороны, обладает высокой сжимаемостью. Объем почвенного каркаса в целом может изменяться за счет перестановки частиц грунта в новые положения, в основном за счет качения и скольжения, с соответствующим изменением сил, действующих между частицами.Фактическая сжимаемость каркаса грунта будет зависеть от структурного расположения твердых частиц. В полностью насыщенном грунте, поскольку вода считается несжимаемой, уменьшение объема возможно только в том случае, если часть воды может вытечь из пустот. В сухой или частично насыщенной почве всегда возможно уменьшение объема за счет сжатия воздуха в пустотах при условии, что частицы могут перегруппироваться.

Ключевые слова

Давление поровой воды Гидравлический градиент Вертикальное напряжение Насыщенная почва Избыточное давление поровой воды

Эти ключевые слова были добавлены машиной, а не авторами.Это экспериментальный процесс, и ключевые слова могут обновляться по мере улучшения алгоритма обучения.

Это предварительный просмотр содержимого подписки,

войдите в

, чтобы проверить доступ.

Предварительный просмотр

Невозможно отобразить предварительный просмотр. Скачать превью PDF.

Ссылки

  1. 3,1

    Скемптон, А. У. (1961): «Эффективное напряжение в почвах, бетоне и скалах»,

    Труды конференции по поровому давлению и всасыванию в почвах

    , Баттерворт, Лондон.

    Google Scholar
  2. 3,2

    Тейлор Д. У. (1948):

    Основы механики грунтов

    , John Wiley and Sons, New York.

    Google Scholar
  3. 3,3

    Терзаги, К. (1943):

    Теоретическая механика грунта

    , John Wiley and Sons, Нью-Йорк.

    CrossRefGoogle Scholar

Информация об авторских правах

Авторы и аффилированные лица

  1. 1. Кафедра гражданского строительства, Университет Данди, Великобритания

Нелинейный анализ несжимаемого грунтового основания для гравитационных арктических структур | Международная конференция по океанологии и полярной инженерии

Представлен смешанный метод конечных элементов, основанный на вариационном принципе Ки, для упругопластического анализа несжимаемых грунтов.С использованием этого подхода проанализирована недренированная несущая способность жестких конструкций на тонких слоях арктического ила. Анализ показывает, что настоящий подход может обеспечить очень быструю сходимость решений для сильно нелинейных упругопластических задач.

ВВЕДЕНИЕ

Морское дно Арктики характеризуется наличием тонких слоев слабых илистых грунтов, лежащих на вечной мерзлоте или плотных грунтах. Для добычи углеводородов в этом регионе может потребоваться использование гравитационных платформ, чтобы справиться с боковой ледовой нагрузкой.Для насыщенных грунтов с низкой проницаемостью, таких как арктический ил, время, необходимое для регулирования порового давления, обычно очень велико по сравнению с тем, в котором действуют гравитационные нагрузки. Гравитационная платформа может быть построена на удалении и отбуксирована к месту размещения. Даже если платформа построена на месте, период строительства может быть относительно коротким по сравнению с периодом, необходимым для уплотнения почвы. Следовательно, практически без дренажа преобладают условия, по крайней мере, во время и в течение короткого времени после приложения нагрузки.Ранее Baligh2 и другие исследовали в рамках исследовательского проекта Центра научных достижений в области морского строительства Массачусетского технологического института несущую способность жестких гравитационных конструкций без дренажа на тонких слоях арктического ила. Исследование состояло в основном из параметрических исследований с использованием метода конечных элементов смещения для оценки влияния нескольких переменных на несущую способность. Переменные включали сжимаемость грунта, скорость деформационного упрочнения (Et / E) и отношение диаметра платформы к толщине слоя (B / H).Исследование показало, что при заданных значениях Et / E и B / H сжимаемость грунта сильно влияет на прогнозы несущей способности.

Моделирование взаимодействий вода-почва-структура с использованием гидродинамики несжимаемых сглаженных частиц — Университет Кюсю

TY — JOUR

T1 — Моделирование взаимодействий вода-почва-структура с использованием гидродинамики несжимаемых сглаженных частиц

AU — Aly, Abdelraheem M.

AU — Asai, Mitsuteru

AU — Mohamed, Ehab Mahmoud

N1 — Информация о финансировании: Выражение признательности: авторы хотели бы выразить свою признательность деканату научных исследований в Университете короля Халида, Абха, Саудовская Аравия, за финансирование этой работы в рамках проекта исследовательской группы под номером гранта (Р.G. P2 / 70/41). Информация о финансировании: Заявление о финансировании: Эта работа была поддержана деканатом по научным исследованиям Университета короля Халида, Абха, Саудовская Аравия, в рамках проекта исследовательской группы в рамках гранта номер R.G.P2 / 70/41. Авторские права издателя: © 2020 Tech Science Press. Все права защищены.

PY — 2020/7/23

Y1 — 2020/7/23

N2 — В настоящей работе представлен метод гидродинамики несжимаемых сглаженных частиц (SPH) для моделирования взаимодействий вода-почва-конструкция.В текущем расчете вода моделируется как ньютоновская жидкость. Почва моделируется в двух разных случаях. В первом случае гранулированный материал рассматривается как жидкость, где конститутивная модель типа Бингема предлагается на основе критерия предела текучести Мора-Кулона, а вязкость выводится из угла сцепления и трения. Кроме того, вводятся фиктивные слои взвеси между водой и почвой в зависимости от концентрации почвы. Во втором случае закон Гука вводит упругий грунт.В ISPH давление оценивается путем решения уравнения Пуассона для давления с использованием полунеявного алгоритма, основанного на методе проекции, а вихревая вязкость для воды моделируется с помощью моделирования больших вихрей с помощью модели Смагоринского. В предлагаемом методе ISPH давление стабилизируется для моделирования многофазного потока между почвой и водой. Численные эксперименты по потоку водно-почвенной взвеси при разрыве эрозионной плотины Лувена с плоским грунтовым основанием смоделированы и подтверждены с использованием метода 3D-ISPH.Моделируется взаимосвязь между взаимодействиями воды и почвы с различными твердыми конструкциями. Результаты показали, что слои суспензии с моделью грунта Бингема дают более точные результаты в эксперименте по сравнению со случаем модели Бингема без слоев подвески. Кроме того, модель упругого грунта по закону Гука может точно моделировать горку грунта по сравнению с моделью Бингема. На основе моделирования, предотвращение эрозии позади конструкции для предотвращения разрушения конструкции во время наводнения исследуется с использованием удлиненной конструкции или клиновой конструкции.

AB — В данной работе вводится метод гидродинамики несжимаемых сглаженных частиц (SPH) для моделирования взаимодействия воды, почвы и конструкции. В текущем расчете вода моделируется как ньютоновская жидкость. Почва моделируется в двух разных случаях. В первом случае гранулированный материал рассматривается как жидкость, где конститутивная модель типа Бингема предлагается на основе критерия предела текучести Мора-Кулона, а вязкость выводится из угла сцепления и трения.Кроме того, вводятся фиктивные слои взвеси между водой и почвой в зависимости от концентрации почвы. Во втором случае закон Гука вводит упругий грунт. В ISPH давление оценивается путем решения уравнения Пуассона для давления с использованием полунеявного алгоритма, основанного на методе проекции, а вихревая вязкость для воды моделируется с помощью моделирования больших вихрей с помощью модели Смагоринского. В предлагаемом методе ISPH давление стабилизируется для моделирования многофазного потока между почвой и водой.Численные эксперименты по потоку водно-почвенной взвеси при разрыве эрозионной плотины Лувена с плоским грунтовым основанием смоделированы и подтверждены с использованием метода 3D-ISPH. Моделируется взаимосвязь между взаимодействиями воды и почвы с различными твердыми конструкциями. Результаты показали, что слои суспензии с моделью грунта Бингема дают более точные результаты в эксперименте по сравнению со случаем модели Бингема без слоев подвески. Кроме того, модель упругого грунта по закону Гука может точно моделировать горку грунта по сравнению с моделью Бингема.На основе моделирования, предотвращение эрозии позади конструкции для предотвращения разрушения конструкции во время наводнения исследуется с использованием удлиненной конструкции или клиновой конструкции.

UR — http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=850909&partnerID=8YFLogxK

UR — http://www.scopus.com/inward/citedby.url?scp=850909&partnerID=8Y

U2 — 10.32604 / cmc.2020.09227

DO — 10.32604 / cmc.2020.09227

M3 — Артикул

AN — SCOPUS: 850909

VL — 65

SPO — 205

EP — компьютеры , Материалы и прочее

JF — Компьютеры, материалы и прочее

SN — 1546-2218

IS — 1

ER —

Frontiers | Взаимосвязи и связи между механикой грунта, физикой пористых сред, физико-химической теорией и теорией эффективной среды

Введение

Геотехническая инженерия — это часть вопросов гражданского строительства, связанных с гидромеханическим (или термогидромеханическим) поведением грунтов.В классической механике грунтов (геотехническая инженерия) используются следующие основные принципы:

• Равновесие (сохранение количества движения)

• Массовый баланс (Сохранение массы)

• Тепловой баланс (сохранение энергии)

• Принцип эффективного напряжения (Terzaghi или Bishop) для напряжения, переносимого скелетом почвы и ответственного за деформацию.

• Материальные отношения между напряжением и деформацией

• Поток Дарси для поровой жидкости (ей)

• Закон Фурье для теплопроводности

Континуальный подход является наиболее часто используемым подходом для удовлетворения уравнений баланса количества движения, совместимости, баланса массы и теплового баланса.Деформация и / или напряжения (силы), действующие на конструкции, являются одной из основных проблем, которую должен решить инженер-геолог. В насыщенных воздухом почвенных системах (сухих грунтах), когда степень нагрузки не слишком высока (например, нагрузка от взрыва), уравнение равновесия является единственным уравнением, которое необходимо решить. В водонасыщенных системах (а также в частично насыщенных системах) объемная деформация системы напрямую связана со способностью пористой системы дренировать / поглощать воду, поэтому уравнение баланса массы также должно быть принято во внимание.Практические инженерные задачи, связанные с неизотермическими условиями, например, проекты искусственного промерзания грунта, также требуют учета уравнения теплового баланса.

В классической механике грунтов, предполагая несжимаемые зерна, деформация системы рассматривается как результат процесса проскальзывания, расширения и замыкания между частицами зернистой среды. Проскальзывание, расширение и закрытие гранулированных материалов будет продолжаться до достижения заблокированного состояния.Инженеры-геотехники называют это состояние «критическим состоянием» почвы. При наступлении критического состояния громкость системы будет заблокирована и систему можно будет только искажать. Критическое состояние — это своего рода геометрическое состояние, которое можно найти аналитически. Однако инженеры-геотехники находят это состояние экспериментально и используют механическую конструктивную основу, чтобы связать градиенты деформации с эффективной мерой напряжения системы [1].

Механическая конститутивная модель — ключевой аспект вычислительной геотехнической инженерии.Традиционно в классической геотехнике эти модели разрабатываются в рамках теории пластичности. Однако также возможно найти связи между градиентом деформации и эффективным напряжением на основе теории эффективной среды. Для читателя, не знакомого с терминологией, теория эффективной среды (EMT) — это способ описания макроскопических свойств композитного материала на основе некоторого усреднения нескольких значений составляющих этого композита (например, [2–5] ). Свойства системы рассчитываются на основе свойств компонентов, зная объемную долю компонентов и геометрические детали.Обычно это используется для определения удельной проводимости (гидравлической, тепловой или электрической) в композитных системах. В случае механических свойств материала, такого как горные породы, EMT может использоваться для определения модулей упругости композита из модулей упругости составляющих (например, [6]). Объемная доля и индивидуальные свойства составляющих часто легко установить, однако геометрию расположения составляющих оценить трудно [7, 8]. Следовательно, эффективная теория среды часто приводит к строгим верхним и нижним границам из крайних предположений о геометрическом расположении и представительной модели между этими двумя крайностями, которая требует экспериментальной калибровки.

В этой статье будут приведены некоторые соотношения между макроскопическим поведением материала (т. Е. Определяющими законами) и эквивалентными свойствами, которые могут быть получены из теории эффективной среды. Основная попытка сделана на механических конститутивных отношениях; однако в нем также будут рассмотрены возможности использования соотношений, полученных в результате использования теории эффективной среды, для расчета гидравлической и теплопроводности смеси.

Теория эффективных сред и деформационные свойства сухих грунтов

В качестве примера теории эффективной среды и ее применения к грунту в качестве отправной точки выбран случай сжимаемости / жесткости.В случае грунтов или того, что в физике пористых сред часто называют «неконсолидированными» пористыми материалами, теория эффективной среды была применена несколькими исследователями, например, для установления объемной сжимаемости в сухом состоянии и модуля сдвига композита, предполагая, что система сфер и контактная модель Герца-Миндлина (например, [9, 10]). В инженерно-геологическом сообществе была предпринята аналогичная попытка, но под другим названием «метод дискретных элементов», для определения характеристик деформации композита (например,г., [11–13]).

Объемная сжимаемость в сухом состоянии, полученная из теории эффективной среды, которая будет функцией среднего (эффективного) напряжения и / или пористости (или коэффициента пустотности) в дополнение к контактной жесткости (сжимаемости зерен) модели Герца-Миндлина, кажется, быть относительно в соответствии с измеренными значениями для крупно-градуированных почв (например, [14]). Как видно из традиционных геотехнических испытаний образцов песка в условиях изотропного напряжения, объемная сжимаемость в сухом состоянии или обратное свойство, являющееся объемной жесткостью, являются функцией пористости и / или среднего напряжения [1].Эмпирические данные обычно показывают, что объемная жесткость песка изменяется пропорционально квадратному корню из среднего напряжения, по крайней мере, при уровнях рабочего напряжения, обычно встречающихся в инженерно-геологической практике. Houlsby et al. [15] получили гиперупругую формулировку, предложив функцию для энергии упругой деформации (свободная энергия Гельмгольца) и / или дополнительной свободной энергии Гиббса. Вывод из Houlsby et al. [15] дает не только изменение объемной жесткости в изотопных условиях как функцию среднего напряжения, но также и остальную часть тензора жесткости 4-го порядка и его зависимость от напряжения.Как следует из описания гиперупругости, в условиях общего напряжения жесткость зависит от общего напряженного состояния, а не только от среднего напряжения. Однако формулировка дает, в предположении изотропных условий, объемную жесткость, зависящую от среднего напряжения, которая затем очень хорошо согласуется с результатами, полученными с помощью теории эффективной среды [14]. Стоит отметить, что зависимость мощности в соответствии с гиперупругостью может варьироваться от единицы (линейное изменение) до нуля (постоянная жесткость), как экспериментальное открытие e.г., Джанбу [16]. Теория эффективной среды в неизотропных условиях показывает, как, например, было замечено Норрисом и Джонсоном [17], что объемная сжимаемость станет функцией тангенциального смещения скольжения в контактах и ​​тангенциальной контактной жесткости в модели Герца-Миндлина. Это связано с общей зависимостью напряжения (сдвига), обнаруженной Houlsby et al. [15] и также будет генерировать условия связи между объемной жесткостью и жесткостью на сдвиг в среде аналогичным образом.

Принцип эффективного напряжения в почвах, влияние поровой жидкости

В приведенном выше разделе показано, что теория эффективной среды по существу дает те же результаты для сухой зернистой среды, что и те соотношения, которые уже используются в механике грунтов, когда дело касается деформации среды.Следующим естественным шагом было бы увидеть взаимосвязь между теорией эффективной среды и эффективной мерой напряжения в полностью насыщенных почвах. Это важно, поскольку в геотехнической инженерии эффективное напряжение рассматривается как единственная переменная напряжения, контролирующая деформацию почвы. На основе экспериментальной работы и теории хорошо установлено, что для насыщенных условий и для грунтов с плотной структурой (например, песка и гравия) действует принцип эффективного напряжения Терзаги (см., Например, [18]).Ниже кратко излагается эта концепция. В условиях насыщения из-за малой площади контакта между относительно крупными зернами можно просто записать уравнение (1) с учетом одного компонента нормального напряжения и плавучести зерен в воде.

σ ′ = 1A · (A · σ-Aw · (pw-pam) -A · pam) = σ-pam + AwA · (pam-pw) (1)

Где A — это общая площадь поперечного сечения, проходящего через точки контакта, A w — это площадь, покрытая водой (обратите внимание, что вода может быть заменена любыми другими нереактивными поровыми жидкостями) , σ ‘и σ — эффективное и полное нормальное напряжение соответственно, p w и p am — давление воды и окружающей среды.Это соответствует выражению, найденному Бишопом [19]. Дальнейшая установка A w / A = 1 (т.е. игнорирование площади контакта между зернами) и переопределение общего напряжения как σ — p am , а поровое давление как p w p am , эффективное напряжение Терзаги получается как:

Обратите внимание, что выше сжатие и давление считаются положительными.

Де Бур и Элерс [20] использовали концепцию теории смеси , и свободную энергию, чтобы показать, что, когда составляющие считаются несжимаемыми (несжимаемые зерна и несжимаемая жидкость) и что жидкость считается имеющей пренебрежимо малое напряжение сдвига, Тензор полных парциальных напряжений в твердом теле (действующий по всей площади) аддитивно разлагается на давление поровой жидкости и уравнение тензора эффективных напряжений (3). Вышеупомянутое предположение остается в силе, поскольку сдвиговая жесткость жидкости равна нулю для ньютоновских жидкостей, а вязкость, умноженная на скорость сдвиговой деформации, в жидкости пренебрежимо мала или равна нулю (что справедливо для предположения о течении Дарси).

σijS = σ′ijS + nS · pF · δij (3)

Где n S — объемная доля твердого вещества, а p F — давление жидкости.

Аналогично тензору парциальных напряжений поровой жидкости (действующему по всей площади) уравнение де Бура и Элерса дает:

σijF = nF · pF · δij (4)

, где n F — объемная доля жидкости, которая в геотехнике в случае насыщенной среды называется пористостью n (соотношение между объемом пор и общим объемом).

При объединении уравнений (3, 4) в полное напряжение эффективной среды получается следующее, поскольку для случая насыщения n S + n F = 1:

σij = σijS + σijF = σ′ijS + (nS + nF) · pF · δij = σ′ijS + pF · δij (5)

Это дополнительно уточняет классическое эффективное напряжение Терзаги [21], заменяя жидкость водой и опуская индекс S для твердого тела:

σ′ij = σij-pw · δij (6)

Именно для этого эффективного напряжения должно быть сформулировано определяющее уравнение механического поведения насыщенной смеси.

Для случая частично насыщенного грунта (который может быть расширен на случай более чем одного типа поровой жидкости) Nikooee et al. [22], полученный на основе термодинамического подхода, аналог напряжения для эффективного напряжения Бишопа [23]:

σ′ij (B) = σij-pa · δij + χ · (pa-pw) · δij (7)

, где p a — поровое давление воздуха. Уравнение вводит параметр эффективного напряжения χ. Параметр χ является функцией водонасыщенности (включая значение входящего воздуха) и удельной поверхности раздела воздух-вода.Обратите внимание на сходство формул (7) с установкой χ = A w / A . В других работах, таких как работа Борха [24], с помощью теории смесей показано, что параметр χ может быть установлен равным степени водонасыщенности ( S w ), что означает, что удельный воздух -водная межфазная площадь будет зависеть только от почвы и степени насыщения, а не от того, подвергается ли почва увлажнению или высыханию. Это, вероятно, предположение, которое в действительности неверно и легко оказывается неверным путем экспериментального тестирования (например,· (Αij-δij)) (8)

Где A вводится для учета анизотропного эффекта всасывания из-за тензора ткани α ij . Последствия загрязнения ткани приводят к эффективному измерению напряжения, которое зависит от переменной состояния (ткани). Следовательно, было бы более уместно работать с определением Терзаги эффективного напряжения, Уравнения (6) и всасывания ( p a p w ) в качестве независимой переменной напряжения при конституционный уровень.

Поскольку эффективное напряжение — это хорошо зарекомендовавшая себя основа, хорошо работающая для крупнозернистых грунтов и имеющая твердые теоретические объяснения, следующим шагом будет изучение более мелкодисперсных грунтов, таких как глина. Такие авторы, как Осипов [30], подчеркивают, что приведенный выше принцип эффективного напряжения не учитывает влияние каких-либо физико-химических сил на эффективное напряжение. Митчелл и Сога [31] обнаружили, что принцип эффективного напряжения можно модифицировать, чтобы включить в него электростатические силы притяжения и отталкивания «на большом расстоянии» и химические ограничения на близком расстоянии.После интеграции эффекта тесной химической связи и контактных напряжений это приводит к следующему выражению для эффективного напряжения:

σ′ij = σij + A-pw · δij (9)

, где A (заглавная α, а не латинское A ) представляет собой интеграл сил электростатического притяжения, деленный на площадь. Однако реальное значение A очень сложно оценить. Размер и знак которых будут зависеть от ориентации частиц и расстояния, толщины двойного слоя и т. Д. Для водонасыщенных глин без прямого контакта между частицами, как в мягких природных глинах с полностью открытой пористой структурой, A равно интеграл по местному чистому разъединяющему / притягивающему давлению по рабочим зонам, деленный на общую площадь.Таким образом, чистая величина A является функцией расстояния между частицами, которое в среднем представлено пористостью глины (то есть объемной долей свободной воды). Связь между этим и классической геотехнической терминологией — это то, что мы ощущаем как эффект консолидации до напряжения , p c ′ глины. С точки зрения конститутивного моделирования это позволяет использовать два варианта: конститутивная модель, сформулированная в терминах эффективного напряжения с учетом «A»; или используя предыдущее определение эффективного напряжения для насыщенных грунтов и добавив дополнительную переменную состояния, являющуюся напряжением перед консолидацией.Последнее — то, как это часто делается сегодня в механике грунтов. В качестве альтернативы в качестве переменной состояния можно использовать меру пористости. Для более плотной глины могут образоваться закрытые поры. В таком случае даже для состояния насыщения параметр χ (как отношение « A w / A ») может локально интерпретироваться как меньше единицы; и местное поровое давление может быть выше, чем гидростатическое давление, так как местное герметичное давление не может консолидироваться.Такое поведение характерно, например, для глин, богатых смектитом (набухающих глин). Однако это поведение также можно рассматривать на конститутивном уровне с учетом эффективного напряжения Терзаги [32], поскольку локальное эффективное напряжение не требуется для рассмотрения макроскопического поведения глинистых агрегатов, а микроскопические эффекты (взаимодействие частиц с частицами) могут быть включены переменными состояния в модели (т. е. через ткань).

Основное моделирование и выбор эффективной меры напряжения

Отношения между двумя физическими величинами, заданными для материала, называются определяющими отношениями.Примерами определяющих соотношений являются отношения между разностью потенциалов и средними потоками (текучая среда, электричество, тепло и т. Д.) Или между градиентами деформации и напряжениями (механическое поведение). Что касается почв, то в контексте механики почв необходимо рассмотреть три основных определяющих отношения. А именно, для гидравлической части (гидравлическая проводимость, т. Е. Поток жидкости из-за градиента гидравлического потенциала, закон Дарси, т. Е. Тензор 2-го порядка, k ), для тепловой части (теплопроводность, т.е.е., тепловой поток из-за градиента температуры, закон Фурье, т. е. тензор 2-го порядка λ) и для механической части (изменение эффективного напряжения в зависимости от изменения деформации, т. е. тензор тангенциальной жесткости 4-го порядка, D ).

Гидравлическая проводимость, k , является функцией проницаемости почвы (как функция пористости и анизотропии ) и вязкости жидкости (как функции от температуры ). Кроме того, градиент гидравлического потенциала связан через градиент давления и плотность (плотность жидкости также является функцией температуры).

Несмотря на то, что точное описание на макроуровне для установления эффективных тензоров гидравлической и теплопроводности является сложным, с точки зрения теории эффективной среды, его вывод одинаков как для консолидированных, так и для неконсолидированных пористых сред.

Деформационные свойства сухой пористой среды обсуждались в предыдущем разделе. Принимая во внимание, что эффективное напряжение будет единственной переменной напряжения, ответственной за механическое поведение, к насыщенным или частично насыщенным почвам будут применяться те же основные правила, что и к сухим почвам.Следовательно, соотношения упругой жесткости, полученные из теории эффективной среды, применимы и здесь. Однако на самом деле упругая деформация рыхлой пористой среды (т. Е. Упругая часть деформации в материале грунта) обычно вносит небольшой вклад в общую деформацию. Фактически, большинство деформаций в почвенном материале будут пластическими деформациями (деформацией, которая не способствует увеличению внутренней обратимой энергии).

Исходя из предположения о несжимаемости твердых компонентов, как показано e.g., Gajo [33], пластические деформации в среде (скелете почвы) могут быть найдены из формулировки, учитывающей текучесть и потенциальную поверхность, которые сформулированы в терминах эффективных напряжений, определенных в предыдущем разделе.

В случае сжимаемых компонентов традицией в сообществе механиков грунтов и горных пород является использование так называемого определения эффективного напряжения Био вместо эффективного напряжения Терзаги. В соответствии с Био и Уиллисом [34] эффективное напряжение Био, σ ″ ij , определяется уравнением.

σ ∙ ″ ij = σ ∙ ij-α · p ∙ w · δij (10)

Где α — параметр Био (принимаемый здесь как константа). Обратите внимание, что когда и каркас почвы, и твердые зерна ведут себя изотропно-упругими, объемная деформация твердых частиц может быть включена в параметр Био, исходя из отношения объемной жесткости зерновой системы каркаса почвы к объемной жесткости твердых частиц. . Что тогда в насыщенном состоянии будет:

, где K, ″ — объемная жесткость твердой системы (каркаса и зерен), а K S — жесткость твердых зерен.Тогда объемную деформацию системы можно просто рассчитать как:

p ∙ v = p ∙ ″ K ″ (12)

, где p ″ — среднее эффективное напряжение Био ( p ″ = σ ″ ii /3).

Другой вариант — использовать принцип эффективного напряжения Терзаги для каркаса грунта и теорию эффективной среды, чтобы найти влияние сжимаемых составляющих на конститутивном уровне. В этом случае общая объемная деформация в системе распределяется на объемную деформацию в самих твердых частицах и объемную деформацию каркаса почвы.В то время как объемная деформация в скелете почвы связана с изменением эффективного среднего напряжения ( p ′), объемная деформация в твердых частицах связана с изменением среднего напряжения твердых частиц ( p s ). Согласно уравнению (3) напряжение в твердых зернах зависит как от эффективного напряжения, p ′, так и от порового давления, p w . Однако напряжение твердого тела в уравнении (3) действует по всей площади, и его можно масштабировать на твердой поверхности, формируя напряжение σ S :

(σS) ij = σijS1-n = σ′ijS1-n + pF · δij (13)

Это уравнение можно переписать в терминах средней скорости напряжения как

p ∙ S = p ∙ ′ 1-n + p ′ (1-n) 2 · n ∙ + p ∙ w (14)

, где используется определение Терзаги:

и p — полное среднее напряжение, а p ′ — эффективное среднее напряжение.

Увеличение объемной деформации в частицах связано с p S через объемную жесткость твердого компонента, если твердые зерна ведут себя изотропно упругими.

(ε ∙ S) v = p ∙ SK′S (16)

, где ( ε s ) v — объемная деформация частиц, а K S ′ — фактическая эффективная объемная жесткость твердого материала.

Увеличение объемной деформации в каркасе связано с p ′ через объемную жесткость каркаса, если каркас ведет себя изотропно упругий.

ε ∙ ′ v = p ∙ ′ K ′ (17)

, где ε ‘ v — объемная деформация каркаса, а K ′ — эффективная объемная жесткость каркаса почвы. Тогда общая объемная деформация системы может быть рассчитана как

. ε ∙ v = (1-n) · (ε ∙ S) v + ε ∙ ′ v (18)

Теперь можно связать параметры жесткости по Био с параметрами эффективной жесткости через: (полный вывод дан в Приложении)

KS = K′S1-n · (1-p′K′S · n1-n) K ″ = (1-p′K′S · n1-n) · ((1-p′K′S · 11- n) · 1K ′ + 1K′S) -1 | (19)

Обратите внимание, что обычно как K ″, так и K ‘являются функцией n и / или p ‘.Если K S ‘ p ‘, тогда отношения упрощаются до уравнения (20), и присутствует только зависимость от пористости.

КС≃11-н · К′СК ″ ≃ (1К′С + 1К ′) — 1 (20)

Получим коэффициент Био как функцию пористости:

α≃K′S + n · K′K′S + K ′ (21)

Разница между использованием меры эффективного напряжения Био и эффективного напряжения Терзаги состоит в том, чтобы просто использовать K ′ или K ″ для объемной жесткости только каркаса почвы или твердой системы в целом, соответственно, и K S или K S ′ для зерна.Это означает, что выбор меры напряжения — это выбор, если рассматривать эффекты на конститутивном уровне. Обратите внимание, что указанная выше связь с определением эффективного напряжения Терзаги может быть расширена до анизотропной упругости для зерен грунта или каркаса грунта путем модификации Уравнений или соответственно. В таблице 1 дается краткое изложение трех показателей стресса, указанных в статье, и их связи с необходимыми переменными.

Таблица 1 . Сводная таблица некоторых мер стресса.

Поскольку почва на самом деле не ведет себя изотропно линейно-упругим образом (см. Раздел, посвященный теории эффективной среды и деформационным свойствам сухих грунтов), определение эффективного напряжения Био будет зависеть от реакции. Следовательно, для нелинейного, анизотропного и / или неупругого отклика материала более удобно иметь эффективную меру напряжения, которая не зависит от реакции (уравнение 6), то есть определение эффективного напряжения Терзаги и напряжение твердого тела как напряжение переменные состояния для механической конститутивной модели.

Конститутивное моделирование, выбор функций и переменных состояния

Например, для мягких глин часто обнаруживается линейная зависимость между средним эффективным напряжением и упругой объемной жесткостью при небольшом изменении пористости. Такое наблюдение и другие подобные наблюдения — важная информация, позволяющая сформулировать основные модели механического поведения почв. Однако определяющие уравнения не могут быть сформулированы произвольно, должно применяться следующее (не в специально упорядоченном порядке):

1.Ведите себя детерминированно или более строго, как описано: Принцип причинности

2. Соблюдайте 2-й закон термодинамики (принцип энтропии)

3. Вести себя объективно (Принцип материального безразличия)

4. Сохраняйте симметрию материала, что означает соответствие между симметрией материала и определяющим уравнением.

5. Принцип равноприсутствия, означающий, что все определяющие уравнения должны включать все одинаковые переменные состояния.Если только не будет показано, что они не действуют. Или что такое присутствие нарушает законы физики (то есть сокращается другими принципами).

6. Наконец, необходимо описать конститутивное поведение на местном уровне (принцип местного действия). Это означает, что только действие в бесконечно малом пространстве дает эффект в этом бесконечно малом пространстве. Однако в некоторых случаях допускается отклонение от этой точки, например, для использования континуального описания локального явления.

Конститутивная модель механического поведения

Хоулсби и Пузрин [35] используют тот факт, что для получения гиперэластопластического описания механического поведения материала определяющие уравнения должны быть сформулированы на основе 1-го и 2-го закона термодинамики.Как следствие их происхождения, можно придумать формулировку так называемых поверхностей текучести и потенциальных поверхностей, сформулированных в обычном пространстве напряжений (т. Е. В терминах σij ‘, p w , p a , θ, ∇θ, / dt , ∇ (/ dt ), κ ). Где θ — температура, а κ — набор внутренних переменных состояния. В простейшей форме κ выражается просто тензором пластической деформации εijp.Обратите внимание, что Хоулсби и Пузрин используют диссипативное обобщенное напряжение « X ij », чтобы сформулировать основу в своей статье, а также предполагают, что сама механическая работа должна быть диссипативной (чтобы подчиняться 2-му закону термодинамики). Однако возможно преобразование между формулировкой в ​​терминах диссипативного обобщенного напряжения и обычного тензора напряжений. Обычно упругопластическое описание грунтовых материалов выводится не из энергетических потенциалов и функций диссипации, а скорее из предложенных выражений для поверхностей текучести, потенциальных поверхностей и правил упрочнения для пластической или вязкопластической части.Для эластичной части некоторые используют гипоэластичное описание, в другом случае — гиперэластичное описание (где последнее определенно предпочтительнее).

Материальные соотношения для потока жидкости

Закон Дарси для квазистатического состояния (установившегося состояния) однофазного потока в насыщенных пористых средах дает, что тензор скорости жидкости, w , по всей площади относительно зерновой системы каркаса почвы равен пропорционально разнице гидравлических потенциалов:

w = -kρw · g · (∇pw-ρw · g) (22)

Где:

и k — это тензор гидравлической проводимости (в геотехнике, называемый тензором проницаемости, который для изотропных условий заменяется одним значением k ), v w — фактический тензор скорости вода, v — тензор скорости системы скелетных зерен, ρ w — массовая плотность воды, g — тензор гравитации [0 0 –g] T .Гидравлическая проводимость находится по формуле:

. k = κ · ρw · gμw (24)

, где κ — тензор абсолютной проницаемости, а μ w — динамическая вязкость воды. Ожидается, что тензор абсолютной проницаемости будет функцией пористости, n , и анизотропии / ткани α . μ w и ρ w являются функциями температуры (θ) [и давления жидкости ( p w )].Инженерно-геологическая практика устанавливает это экспериментально. Однако для установления такой взаимосвязи можно использовать теорию эффективной среды. В случае частично насыщенного грунта обычно используется концепция относительной проницаемости, описанная у Брукса и Кори [36]. Концепция легко распространяется на анизотропную среду, например, [37].

Материальное соотношение для теплового потока

В отличие от гидравлической проводимости, которая зависит от тензора абсолютной проницаемости, свойств порового пространства и свойств жидкости, теплопроводность зависит от структуры каркаса, свойств твердой части, структуры пор и свойств жидкости. поровая жидкость.Wang et al. [38] и Gong et al. [39] рассмотрел изотропный представительный объем и показал, что унифицированное уравнение для модифицированной модели теории эффективной среды для теплопроводности двухфазной системы (частный случай многофазной системы) соответствует уравнению (25).

λ ′ = λS · λw + 2λm · ((1-n) · λS + n · λw) (1-n) · λw + n · λS + 2λm (25)

Где λ ′ — эффективная теплопроводность, λ S и λ w — теплопроводность твердого тела и жидкости (воды) соответственно, λ м — неизвестный эффективный параметр проводимости среды. что дает связь, крайние значения которой являются последовательной или параллельной связью (λ м = 0 или λ м = ∞).Устанавливая λ m = λ ′, можно получить более оригинальную форму модели ТЭИ (для электропроводности со сферическими включениями) Ландауэра [40]. Обратите внимание, что λ м , вероятно, сама будет зависеть от пористости, но эта зависимость не имеет значения, как обсуждается, например, в Gong et al. [39] для случая песка, где эмпирические данные хорошо согласуются с использованием уравнения (25). Однако в целом ожидается, что теплопроводность почвы может быть не изотропной, а выражаться тензором ( λ ‘).Которая, как и гидравлическая проводимость, зависит от тензора ткани α . Установление полного тензора λ ‘ можно выполнить, следуя процедуре модифицированного ТЭИ с разной структурой в разных направлениях, но в литературе можно найти мало ссылок на такую ​​работу. Даже с экспериментальной точки зрения измерение анизотропной теплопроводности является сложной задачей [41]. Наконец, закон Фурье показывает, что тепловой поток q выражается как:

q = -λ ′ · θ (26)

Обратите внимание, что в приведенном выше описании предполагается, что свойства K ′ S и λ S отражаются одним минералогическим составом.Однако естественная почва состоит из множества различных минералов с разными значениями K S и λ S . Расчет этих двух средних величин для основной массы зерна является идеальным упражнением при использовании ЕМТ. Для случая эффективной объемной жесткости твердого тела такое соотношение будет иметь форму уравнения (27) после модификации и расширения соотношения Ландауэра [40].

∑ (niS · K′S-KSif · K′S + KSi) = 0 (27)

Где n iS — объемная доля твердого компонента, i и f — геометрический коэффициент от нуля до бесконечности.Для эффективной (комбинированной) теплопроводности твердого тела λ′S можно использовать следующее соотношение:

∑ (niS · λ′S-λSif · λ′S + λSi) = 0 (28)

Уравнения (27, 28) не являются точной формой эффективных величин для твердого тела, потому что они не отражаются на анизотропии, но это простое предложение в качестве отправной точки.

Тепловое расширение

В зависимости от отдельного компонента объемное тепловое расширение следует уравнению (29)

ε ∙ θ, v = -∑i (ni · αi) · θ ∙ (29)

, где α i — объемное тепловое расширение компонента.Однако для твердых зерен, когда они объединены в систему зерен скелета почвы, состоящую из нескольких различных минералов, коэффициент теплового расширения не обязательно является изотропным.

Окончательные управляющие уравнения

Основные уравнения для насыщенной пористой среды в тензорной форме представлены ниже. Уравнение баланса массы записано с эйлеровым описанием жидкой фазы по отношению к лагранжевому твердому телу:

nρ ∙ w-ρw (ε ∙ ′ v-ε ∙ θ, v) + ∇. (ρwww) = 0 (30)

Первый член в уравнении (30) можно найти по модулю объемной упругости воды ( K w ):

ρ ∙ w = p ∙ wK′w (31)

Подставляя уравнения (18, 31, 29) в уравнение (30), получаем:

nK′wp ∙ w-ρw [ε ∙ v- (1-n) · (ε ∙ S) v + ((1-n) · α′S, v + n · αw) · θ ∙] + ∇.(ρwww) = 0 (32)

С учетом уравнений (16, 32) можно переписать как:

nK′wp ∙ w-ρw [ε ∙ v- (1-n) · p ∙ sK′s + ((1-n) · α′S, v + n · αw) · θ ∙] + ∇. (ρwww) = 0 (33)

Где общая объемная деформация находится от:

ε ∙ v = -∇ · v (34)

Вводя уравнения (14, 34) в уравнение (33) и переставляя, можно найти окончательную форму уравнения баланса массы как:

(∇ · v + p˙ ′ + p′1 − n · n˙K′S + (1 − nK′S + nKw) · p˙w — ((1 − n) · α′S, v + n · αw ) · Θ˙) · ρw + ∇ · (ρw · w) = 0 (35)

Где α ‘ S, v и α w — эффективный объемный коэффициент теплового расширения твердого тела и коэффициент теплового расширения воды соответственно.Конкретная форма уравнения (35) выбрана так, чтобы она включала в себя относительное изменение давления жидкости к напряжению твердого тела через уравнение (14) за счет изменения эффективного среднего напряжения и / или из-за изменения пористости.

Уравнение равновесия записывается с использованием определения эффективного напряжения Терзаги плюс напряжение твердого тела, что соответствует гидромеханическому поведению полностью насыщенной системы.

∇ · σ ′ + ∇pw-ρ · g = 0 (36)

И, наконец, для теплового баланса:

((1-n) · ρS · CS + n · ρw · Cw) · θ ∙ + ρw · Cw · w · θ + ∇ · q-Q = 0 (37)

, где Q — общий отпуск (или потери) тепла. C S и C w — теплоемкость твердого тела и жидкости соответственно.

Заключение

В этой статье делается попытка связать использование различных концепций физики пористых сред, таких как теория эффективной среды, с классическими концепциями механики грунтов / геотехники. В статье показано, что использование принципа эффективного напряжения Терзаги справедливо для всех типов геоматериалов при условии, что конститутивная модель поведения материала учитывает все соответствующие переменные состояния.Это означает, что нет реальной необходимости в эффективном стрессе Био или Бишопа или в какой-либо модификации такого эффективного стресса, чтобы учесть, например, физико-химические силы, сжимаемость зерна или капиллярное всасывание в частично насыщенной почве. Тем более, что параметр Био в любом случае не является постоянным, но зависит от деформации, физико-химические силы не могут быть оценены должным образом, и капиллярное всасывание в любом случае должно рассматриваться как переменная состояния на конститутивном уровне для учета ткани почвы.Для случая сжимаемых зерен в этой статье предлагается модифицированное уравнение баланса массы, в которое включено напряжение твердого тела (а не параметр Био). Понимание геоматериалов, полученное из теории эффективных сред и термодинамики, показывает, что традиционная методология, используемая в современном численном моделировании в инженерно-геологической практике, является теоретически правильной. Сюда входят такие вещи, как эффективная жесткость, зависящая от напряжения, для механической части, а также описание гидравлической и теплопроводности, где эмпирические значения хорошо согласуются с теоретическими исследованиями EMT, как указано в различной литературе.

Доступность данных

Никаких наборов данных для этого исследования не создавалось и не анализировалось.

Авторские взносы

Все авторы внесли существенный вклад в концепцию или дизайн произведения и участвовали в составлении проекта работы или критическом пересмотре его на предмет важного интеллектуального содержания, тем самым одобрив публикацию содержания. Все авторы соглашаются нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя, что вопросы, связанные с точностью или целостностью любой части работы, должным образом исследованы и решены.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа поддерживается Исследовательским советом Норвегии через его схему финансирования центров передового опыта, номер проекта 262644.

Список литературы

1. Шофилд А., Рот П. Механика критических состояний грунта. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл (1968).

Google Scholar

2. Джонсон Д.Л., Коплик Дж., Дашен Р. Теория динамической проницаемости и извилистости в флюидонасыщенных пористых средах. J Fluid Mechan. (1987) 176 : 379–402. DOI: 10.1017 / S0022112087000727

CrossRef Полный текст | Google Scholar

3. Бурганос В.Н., Сотирчос С.В. Диффузия в поровых сетях: теория эффективной среды и приближение гладкого поля. AICHE J. (1987) 33 : 1678–89.DOI: 10.1002 / aic.6

011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Brinkman HC. Расчет вязкой силы, оказываемой текущей жидкостью на плотный рой частиц. Appl Sci Res. (1947) A1 : 27.

Google Scholar

5. Харрис СК. Применение обобщенной теории эффективной среды к транспорту в пористых средах. Транспортная пористая среда . (1990) 5 : 517–42. DOI: 10.1007 / BF01403480

CrossRef Полный текст | Google Scholar

6.Kuster GT, Toksöz MN. Скорость и затухание сейсмических волн в двухфазных средах: часть i. Теоретические постановки. Геофизика . (1974) 39 : 587–606. DOI: 10.1190 / 1.1440450

CrossRef Полный текст | Google Scholar

7. Максе Х.А., Гланд Н., Джонсон Д.Л., Шварц Л.М. Почему теория эффективной среды не работает в сыпучих материалах. Phys Rev Lett. (1999) 83 : 5070–3. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.83.5070

CrossRef Полный текст | Google Scholar

8.Гарбоци Э. Дж., Берриман Дж. Г.. Модули упругости материала, содержащего композиционные включения: теория эффективной среды и конечно-элементные расчеты. Mech Mater. (2001) 33 : 455–70. DOI: 10.1016 / S0167-6636 (01) 00067-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

9. Goddard JD. Нелинейная упругость и зависящие от давления скорости волн в сыпучих средах. Proc R Soc London Series A Math Phys Sci. (1990) 430 : 105. DOI: 10.1098 / RSPA.1990.0083

CrossRef Полный текст | Google Scholar

10. Максе Х.А., Гланд Н., Джонсон Д.Л., Шварц Л. Очевидный провал теории эффективной среды в зернистых материалах. Phys Chem Earth Part A Геодезия твердой Земли . (2001) 26 : 107–11. DOI: 10.1016 / S1464-1895 (01) 00033-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

11. Добрый Р., Танг-Тат Н.Г. А. Дискретное моделирование напряженно-деформированного поведения сыпучих сред при малых и больших деформациях. Eng Comp. (1992) 9 : 129–43. DOI: 10.1108 / eb023853

CrossRef Полный текст | Google Scholar

12. Тинг Дж. М., Ходжа М., Мичам Л. Р., Роуэлл Дж. Д.. Модель дискретных элементов на основе эллипса для сыпучих материалов. Int J Numer Anal Methods Geomechan. (1993) 17 : 603–23. DOI: 10.1002 / nag.1610170902

CrossRef Полный текст | Google Scholar

13. О’Салливан К. Моделирование дискретных элементов на основе частиц: перспективы геомеханики. Int J Geomech. (2011) 11 : 449–64. DOI: 10.1061 / (ASCE) GM.1943-5622.0000024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

14. Джонсон Д.Л., Максе Х.А., Гланд Н., Шварц Л. Нелинейная упругость сыпучих сред. Phys B Conden Matter . (2000) 279 : 134–8. DOI: 10.1016 / S0921-4526 (99) 00700-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

15. Хоулсби Г.Т., Амороси А., Рохас Э. Модули упругости грунтов в зависимости от давления: гиперупругая формулировка. Géotechnique . (2005) 55 : 383–392. DOI: 10.1680 / geot.55.5.383.66021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

16. Джанбу Н. Сжимаемость грунта, определенная с помощью одометра и трехосных испытаний. Proc. ECSMFE Висбаден . (1963) 1 : 19–25.

Google Scholar

18. Laloui L, Hutter K, Vulliet L. Термодинамика насыщенных и ненасыщенных почв. В: Конференция Биотов по поромеханике. Лувен-ла-Нев (1998).п. 93–97.

Google Scholar

19. Епископ А.В. Принцип эффективного стресса. Текниск Укеблад . (1959) 39 : 859–63.

Google Scholar

20. де Бур Р., Элерс В. Развитие концепции эффективных напряжений. Acta Mech. (1990) 83 : 77–92. DOI: 10.1007 / BF01174734

CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Терзаги К. Erdbaumechanik Auf Bodenphysikalischer Grundlage. Лейпциг: Ф. Дойтике (1925).

22. Никоои Э., Хабибагахи Г., Хассанизаде С.М., Гахрамани А. Эффективное напряжение в ненасыщенных почвах: термодинамический подход, основанный на межфазной энергии и гидромеханической связи. Транспортная пористая среда . (2013) 96 : 369–96. DOI: 10.1007 / s11242-012-0093-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

23. Епископ А.В., Блайт Г.Е. Некоторые аспекты эффективного стресса в насыщенных и частично насыщенных почвах. Géotechnique . (1963) 13 : 177–97. DOI: 10.1680 / geot.1963.13.3.177

CrossRef Полный текст | Google Scholar

24. Borja RI. О механической энергии и эффективном напряжении в насыщенных и ненасыщенных пористых сплошных средах. Int J Solids Struc. (2006) 43 : 1764–86. DOI: 10.1016 / j.ijsolstr.2005.04.045

CrossRef Полный текст | Google Scholar

25. Фредлунд Делвин Г. Механика ненасыщенных грунтов в инженерной практике. J Geotech Geoenviron Eng. (2006) 132 : 286–321. DOI: 10.1061 / (ASCE) 1090-0241 (2006) 132: 3 (286)

CrossRef Полный текст | Google Scholar

26. Цзян Ю., Эйнав И., Лю М. Термодинамическая обработка частично насыщенных почв, раскрывающая структуру эффективного напряжения. Дж. Механическая физика твердых тел . (2017) 100 : 131–146. DOI: 10.1016 / j.jmps.2016.11.018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

27. Хуйге Дж. М., Никоо Э., Хассанизаде С. М..Соединение уравнений эффективного напряжения и удержания влаги в почве при деформировании ненасыщенных пористых сред: термодинамический подход. Транспортная пористая среда . (2017) 117 : 349–365. DOI: 10.1007 / s11242-017-0837-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

28. Molenkamp F, de Jager RR F.A.Mathijssen JM. Напряжения, влияющие на деформацию сыпучих материалов. Зона Вадоза J. (2014) 13 . DOI: 10.2136 / vzj2013.07.0130

CrossRef Полный текст | Google Scholar

29.Манахило К.Н., Мухунтан Б., Ликос В.Дж. Формула эффективного напряжения на основе микроструктуры для ненасыщенных сыпучих грунтов. Int J Geomech. (2016) 16 : D4016006. DOI: 10.1061 / (ASCE) GM.1943-5622.0000617

CrossRef Полный текст | Google Scholar

30. Осипов В.И. Физико-химическая теория эффективных напряжений, Физико-химическая теория эффективных напряжений в почвах . Чам: Издательство Springer International (2015). п. 39–54.

31. Митчелл Дж. К., Сога К. Основы поведения почвы , 3-е изд. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley and Sons Inc. (2005).

32. Машин Д., Халили Н. Явления набухания и эффективное напряжение в уплотненных экспансивных глинах. Can Geotech J. (2015) 53 : 134–47. DOI: 10.1139 / cgj-2014-0479

CrossRef Полный текст | Google Scholar

33. Гайо А. Гиперэластопластическое моделирование конечных деформаций насыщенных пористых сред с сжимаемыми составляющими. Int J Solids Struc. (2011) 48 : 1738–53. DOI: 10.1016 / j.ijsolstr.2011.02.021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

34. Био М., Уиллис Д. Коэффициенты упругости теории уплотнения. J Appl Mech . (1957) 15 : 594–601.

Google Scholar

35. Хоулсби Г.Т., Пузрин А.М. Термомеханическая основа для конститутивных моделей для диссипативных материалов, не зависящих от скорости. Int J Пластик. (2000) 16 : 1017–47.DOI: 10.1016 / S0749-6419 (99) 00073-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

36. Брукс Р., Кори Т. HYDRAU uc Свойства пористой среды . Документы по гидрологии, Государственный университет Колорадо (1964 г.). 24:37.

37. Медведь Дж., Бестер С., Менье П.С. Эффективная и относительная проницаемости анизотропных пористых сред. Транспортная пористая среда . (1987) 2 : 301–16. DOI: 10.1007 / BF00165786

CrossRef Полный текст | Google Scholar

38.Ван Дж., Карсон Дж. К., North MF, Cleland DJ. Новый подход к моделированию эффективной теплопроводности гетерогенных материалов. Инт Дж. Тепло-массообмен . (2006) 49 : 3075–83. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2006.02.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

39. Гонг Л., Ван И, Ченг Х, Чжан Р., Чжан Х. Новая теория эффективной среды для моделирования теплопроводности пористых материалов. Инт Дж. Тепло-массообмен . (2014) 68 : 295–8.DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2013.09.043

CrossRef Полный текст | Google Scholar

40. Ландауэр Р. Электрическое сопротивление бинарных металлических смесей. J Appl Phys. (1952) 23 : 779–84. DOI: 10.1063 / 1.1702301

CrossRef Полный текст | Google Scholar

41. Li M, Kang JS, Hu Y. Измерение анизотропной теплопроводности с использованием нового метода термоотражения с асимметричным лучом во временной области (AB-TDTR). Rev Sci Instr. (2018) 89 : 084901.DOI: 10,1063 / 1,5026028

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Приложение

Вывод уравнения отношения жесткости (19).

Установка скорости общего напряжения в уравнении (10) равной скорости полного напряжения, полученной из уравнения (6) в сочетании с уравнением (11), дает:

σ ∙ ij ′ = σ ∙ ij ″ -K ″ KS · p ∙ w · δij (A1)

Построение кривой и вставка уравнений (12, 17)

K ′ · ε ∙ v ′ = K ″ · ε ∙ v-K ″ KS · p ∙ w (A2)

в сочетании с уравнением (18)

K ′ · ε ∙ v-K ′ · (1-n) · (ε ∙ S) v = K ″ · ε ∙ v-K ″ KS · p ∙ w (A3)

Запись изменения пористости как:

n ∙ = -ε ∙ v ′ + n · ε ∙ v (A4)

Вставка уравнения (A4) в уравнение (14) и объединение с уравнением (16, 17)

KS ′ · (ε ∙ S) v = K ′ · ε ∙ ′ v1-n + p ′ (1-n) 2 · (-ε ∙ ′ v + n · ε ∙ v) + p ∙ w (A5)

Тогда замена εν ′ с помощью уравнения (18) дает:

KS ′ · (ε ∙ S) v = K ′ · (ε ∙ v- (1-n) · (ε ∙ S) v) 1-np′1-n · (ε ∙ v- (ε ∙ S) v ) + p ∙ w (A6)

Что решено для (ε ∙ ν) дает:

(ε ∙ S) v = (K′-p ′) · ε ∙ v + (1-n) · p ∙ w (1-n) · K′S + (1-n) · K′-p ′ (A7)

Вставка полученного уравнения (A7) в уравнение (A3) и перестановка дает:

(K′S-n1-n · p′K′S + K′-p′1-n) · K ′ · ε ∙ vK ′ · (1-n) K′S + K′-p′1-n · P ∙ w = K ″ · ε ∙ vK ″ KS · p ∙ w (A8)

Где, по группировке:

(K′S-n1-n · p′K′S + K′-p′1-n) · K ′ = K ″ и K ′ · (1-n) K′S + K′-p′1-n = K ″ KS (A9)

Что в итоге дает уравнение (19).

Что такое сжимаемость и уплотнение почвы?

🕑 Время чтения: 1 минута

Сжимаемость почва определяется как способность почвы уменьшать свой объем при механических нагрузок, а уплотнение — сжатие насыщенных грунт находится под постоянным давлением и возникает в результате вытеснения воды из почвенных пустот. Сжимаемость и уплотнение почвы имеют решающее значение параметры, необходимые при проектировании.

Уплотнение грунта делится на три этапа, включая начальное уплотнение, первичное уплотнение и вторичное уплотнение.Уплотнение почвы зависит от времени, и его анализ обычно основан на теории Терзаги.

Важно знать скорость консолидации, а также общую консолидацию, которую необходимо ожидается при проектировании конструкций. Таким образом дизайнер сможет установить необходимые меры предосторожности и конструктивные соображения для сохранения урегулирования до допустимого предела, иначе желание использовать конструкцию может быть нарушено и расчетный срок службы конструкции может быть сокращен.

Сжимаемость Почва

Когда массив грунта подвергается сжимающей силе, его объем уменьшается i.е. выдача суммы урегулирования. Свойство почвы, из-за которого происходит уменьшение объема под действием сжимающей силы, известно как сжимаемость почвы.

Сжатие грунта может происходить из-за сжатия твердых частиц и воды в пустотах, сжатия и вытеснения воздуха в пустотах, вытеснения воды в пустотах.

Рис. 1: Сжимаемость грунта

Уплотнение грунта

Сжатие насыщенный грунт под постоянным статическим давлением называется уплотнением, которое полностью за счет вытеснения воды из пустот.Консолидация обычно относится к мелкозернистым почвам, таким как илы и глины.

Крупнозернистые почвы, такие как песок и гравий, также уплотняются, но с гораздо большей скоростью из-за их высокой проницаемости. Насыщенные глины затвердевают гораздо медленнее. скорость из-за их низкой проницаемости.

Процесс уплотнения часто путают с процессом уплотнения. Уплотнение увеличивает плотность ненасыщенного грунта за счет уменьшения объема воздуха в пустотах.Однако консолидация — это связанный со временем процесс увеличения плотности насыщенного грунта за счет слива воды из пустот.

Рис. 2: Уплотнение или уплотнение почвы

Теория консолидации необходима для предсказания обоих величина и скорость консолидации расчетов до обеспечить работоспособность конструкций, основанных на сжимаемом слое грунта.

Уплотнение почвы состоит из трех компонентов, которые включают начальную консолидацию, первичную консолидацию и вторичную консолидацию. консолидация:

1.Первоначальная консолидация

При приложении нагрузки к частично насыщенной почве уменьшение объема происходит за счет изгнания и сжатие воздуха в пустотах. Небольшое уменьшение громкости происходит из-за сжатие твердых частиц.

Уменьшение объем почвы сразу после приложения нагрузки известен как начальный уплотнение или начальное сжатие. Для насыщенных почв начальная уплотнение происходит в основном за счет сжатия твердых частиц.

2.Первичная консолидация

После начального уплотнение, дальнейшее уменьшение объема происходит за счет вытеснения воды из пустот. Когда насыщенный грунт подвергается давлению, сначала все приложенное давление воспринимается водой как избыточное давление поровой воды. А гидравлический градиент разовьется, и вода начнет вытекать, и происходит уменьшение громкости.

Это сокращение объем называется первичным уплотнением почвы. В мелкозернистых почвах первичное уплотнение происходит в течение длительного времени.Однако в крупнозернистом почв первичное уплотнение происходит довольно быстро из-за высокой проницаемость.

3. Вторичная консолидация

Уменьшение объема продолжается с очень медленной скоростью даже после того, как избыточное гидростатическое давление, создаваемое приложенным давлением, полностью рассеивается и первичное уплотнение завершено.

Дополнительное уменьшение объема называется вторичной консолидацией. Вторичное уплотнение становится важным для определенных типов почв, таких как торф и мягкие органические глины.

Подробнее:

Уплотнение против консолидации

Деформационное поведение торфа под влиянием органического вещества

Springerplus. 2016; 5: 573.

и

Мин Ян

Департамент геотехнической инженерии, Университет Тунцзи, Siping Road No. 1239, Шанхай, 200092 Китай

Ключевые и геотехническая лаборатория Подземная инженерия Министерства образования, Университет Тунцзи, Шанхай, 200092 Китай

Кан Лю

Департамент геотехнической инженерии, Университет Тунцзи, Siping Road No.1239, Шанхай, 200092 Китай

Ключевая лаборатория геотехнической и подземной инженерии Министерства образования, Университет Тунцзи, Шанхай, 200092 Китай

Департамент геотехнической инженерии, Университет Тунцзи, Siping Road No. 1239, Шанхай, 200092 Китай

Ключевая лаборатория геотехнической и подземной инженерии Министерства образования, Университет Тунцзи, Шанхай, 200092 Китай

Автор, отвечающий за переписку.

Поступило 23 ноября 2015 г .; Принята в печать 26 апреля 2016 г.

Открытый доступ Эта статья распространяется в соответствии с условиями Международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии вы должным образом указываете первоначального автора (авторов) и источник, предоставляете ссылку на лицензию Creative Commons и указываете, были ли внесены изменения.

Abstract

Торф — это особый материал, богатый органическими веществами.Из-за высокого содержания органического вещества он показывает поведение деформации, отличное от обычных геотехнических материалов. Зерно торфа обладает значительной сжимаемостью из-за присутствия органических веществ. Биогаз может образовываться из торфа и может задерживаться в виде пузырьков газа. Учитывая природные свойства торфа, описан особый трехфазный состав торфа, который указывает на наличие в торфе органических веществ и пузырьков газа. Предложена модель «напряжение – деформация – время» для сжатия органического вещества, а эффект поверхностного натяжения рассматривается в модели сжатия газовых пузырьков.Наконец, была разработана математическая модель для моделирования деформационного поведения торфа с учетом сжимаемости органического вещества и захваченных пузырьков газа. Процесс деформации — это сочетание изменения объема органического вещества, пузырьков газа и дренажа воды. Предложенная модель используется для моделирования серии испытаний торфяного лабораторного эдометра, и модель может хорошо отражать результаты испытаний с разумными параметрами модели. Также проанализировано влияние параметров модели на деформацию торфа.

Ключевые слова: Торф, Сжимаемость органического вещества, Захваченные пузырьки газа, Модель консолидации

Предпосылки

Торф — это разновидность технического материала, богатого органическими веществами. Он широко распространен по всему миру и демонстрирует уникальные свойства сжатия. Было признано, что из-за сложного физического состава торфа деформация этого материала чрезвычайно сложна. Торф может подвергаться осевой деформации до 50% из-за высокой сжимаемости природных отложений (Berry and Poskitt, 1972).Текстура естественных отложений торфа и высокое содержание органических веществ существенно влияют на деформационное поведение торфа.

При соответствующих климатических и топографических условиях органическое вещество в торфе происходит из растительности, которая была химически изменена и окаменела (Dhowian and Edil 1980). Минералы или твердая фаза обычно считаются несжимаемыми в почве, но это может не подходить для торфа с высоким содержанием органических веществ. Фаза органического вещества или зерна торфа могут быть сжимаемыми, что может быть важным фактором, влияющим на деформационные свойства торфа.Хотя некоторые исследователи заметили это (Бери и Викерс, 1975; Робинсон, 2003), подобных исследований для рассмотрения этой точки зрения в отношении торфа не проводилось. Необходимо понять, как органическое вещество влияет на процесс деформации торфа.

Еще одной особенностью торфа является то, что биогаз (например, метан) может генерироваться из его природных отложений. Во время генерации и миграции биогаз может задерживаться в микропустотах торфа в виде небольших пузырьков газа. Для материалов с улавливанием газовых пузырьков поведение при деформации и другие механические свойства отличаются от традиционных ненасыщенных условий, в которых предполагается, что газовая фаза связана (Wheeler 1988; Sills et al.1991). Материалы, содержащие пузырьки газа, считаются особым типом технических материалов и обычно считаются «квазинасыщенными» (Файбищенко, 1995). В этих материалах газовая фаза может присутствовать в виде отдельных пузырьков, если степень водонасыщения превышает 85% (Sparks 1963). Исследования показали, что пузырьки газа присутствуют в прибрежных почвах из-за разложения осадочного органического вещества (Whelan et al. 1975). При наличии пузырьков газа в газовых почвах были обнаружены немедленные недренированные сжатия (Nageswaran, 1983).Таким образом, наличие захваченных пузырьков газа внутри торфа может оказывать значительное влияние на свойства и деформационное поведение торфа.

Теория одномерной консолидации Терзаги широко использовалась в задачах деформации пористых материалов. Некоторые исследователи расширили теорию консолидации, рассматривая сжимаемость твердой фазы и существование газовой фазы (Skempton 1961; Fredlund and Hasan 1979; Lade and De Boer 1997). В большинстве случаев теория консолидации используется для минеральных материалов, таких как почва.Деформационное поведение торфа не может быть хорошо охарактеризовано традиционной теорией одномерного уплотнения из-за высокого содержания органического вещества и улавливания пузырьков газа.

Некоторые уникальные особенности консолидации (например, большая деформация, немедленное оседание после нагрузки и низкая проницаемость) наблюдались в торфе (Берри и Поскитт 1972; Лонг и Бойлан 2013; Ли и др. 2015). Таким образом, важно предложить подходящую модель уплотнения для описания механических характеристик и деформационного поведения торфа.В данной статье предлагается модель консолидации торфа при трехфазном составе этого материала. Модель учитывает сжимаемость органического вещества и пузырьков газа в торфе. Деформация органического вещества описывается эмпирической моделью, зависящей от напряжения и времени. Механические свойства захваченных пузырьков газа изучаются как идеальный газ. Предложенная модель консолидации применяется к набору тестов торфяного эдометра, и эта модель может хорошо описывать поведение одномерного уплотнения торфа.

Основные характеристики торфа

Высокое содержание органического вещества

Торф образуется в результате постепенного накопления растительных остатков, а содержание природного органического вещества в торфе высокое и непостоянное. Было признано, что присутствие органических веществ оказывает значительное влияние на технические свойства торфа. Обладая высоким содержанием органических веществ, торф отличается высоким содержанием воды, большой пустотностью и низкой насыпной плотностью. За исключением разницы в этих обычных индексных свойствах, само органическое вещество может проявлять некоторые уникальные свойства, например сжимаемость.Бери и Викерс (1975) упомянули, что частицы торфа сами могут быть сжимаемыми в своем исследовании волокнистого уплотнения торфа. Робинсон (2003) указал, что органическая матрица сжимаема, что дает неправильную интерпретацию первичной консолидации в соответствии с теорией Терзаги. Может быть неуместно, что исследования торфа все еще основаны на идеях или методах для минеральных почв. При нагружении образцов торфа появляется очевидная начальная деформация, которая частично может быть вызвана сжатием органического вещества.Но подробных исследований сжимаемости органического вещества в торфе не найдено. Это может быть связано с тем, что природное органическое вещество находится в разных формах и имеет очень сложную структуру. Обычно трудно даже невозможно количественно оценить влияние органических веществ на торф с помощью контролируемого эксперимента (Choo et al. 2015). Мы пытаемся смоделировать сжатие органического вещества в торфе, представляя единую эмпирическую модель. Фактически, аналогичные свойства были обнаружены у викторианского бурого угля в ходе предварительных исследований автора (Liu et al.2014а). Викторианский бурый уголь — это своего рода промежуточный геотехнический материал (IGM), окаменевший из торфа после длительного процесса углефикации (Hayashi and Li 2004). Форма модели сжатия органического вещества предлагается на основе некоторых эмпирических моделей ползучести почвы. Следующее эмпирическое уравнение обычно используется для описания деформационного поведения грунтов в зависимости от напряжения и времени:

ε = f ( σ , t ) = f 1 ( σ ) f 2 ( t )

1

, в котором f 1 ( σ ) описывает деформацию, связанную с напряжением, а f 2 ( t ) зависит от времени деформация.Некоторые исследователи изучали ползучесть почвы на основе идеи уравнения. (1) и были предложены эмпирические модели (Singh and Mitchell 1968; Mesri et al. 1981; Lin and Wang 1998). В этих моделях функция напряжение-деформация ( f 1 ( σ )) изменяется, но функция деформация-время ( f 2 ( t )) обычно принимает форму экспоненциальных уравнений. Авторы предлагают начальный ограниченный модуль органического вещества E m для описания функции напряжение-деформация ( f 1 ( σ )), и по-прежнему используют экспоненциальную форму для деформации-времени. функция ( f 2 ( t )).Затем предлагается простая унифицированная модель «напряжение – деформация – время» для описания сжимаемости органического вещества в торфе при одномерном сжатии:

, где ε м — деформация органического вещества; σ — приложенное полное вертикальное напряжение; t 1 — единица времени; E м — начальный ограниченный модуль органического вещества; λ — временной фактор.

Улавливание пузырьков газа

Во многих случаях технические материалы не полностью насыщены, а пустоты заполнены частично водой и частично газом.В условиях высокой степени насыщения газовая фаза является прерывистой и имеет форму дискретных пузырьков (Wheeler 1988). В результате процесса разложения органические вещества в торфе могут превращаться в газы, включая диоксид углерода и метан. В условиях, близких к насыщению, эти газы накапливаются в пузырьках, которые остаются внутри торфяной залежи (Pichan and O’Kelly 2012). Механизм захваченных пузырьков газа чрезвычайно сложен. В основном деформация пузырьков газа регулируется давлением воздуха в поре u g из уравнения закона Бойля.Учитывая эффект поверхностного натяжения между пузырьками газа и водой, давление пузырька газа u g не равно давлению воды u w в материале. Обычно разница между давлением воздуха u g и давлением воды u w может быть вычислена по формуле. (3) с учетом равновесия пузырьков газа с радиусом r (Schuurman 1966; Wheeler 1988):

, где q — поверхностное натяжение, а r — радиус пузырьков газа.

Температура считается постоянной во время испытаний, поверхностное натяжение q зависит от температуры, поэтому q также является постоянным. И уменьшением поверхностного натяжения q с увеличением давления воздуха можно пренебречь, как это обсуждалось Шурманом (1966), поэтому в статье используется постоянное значение (7,4 × 10 -3 Н / м) q .

Захваченный газ может существовать в виде маленьких пузырьков по сравнению со средним размером частиц или большими газовыми пустотами.Уилер (1988) и Петрушчак и Панде (1996) обсуждали разницу между двумя типами газообразных почв. Когда пузырьки газа малы по сравнению с размером частиц торфа, пузырьки помещаются в нормальные пустые пространства, а радиус кривизны границы раздела газ-вода равен радиусу r пузырька. С другой стороны, пузырьки газа намного больше размера частиц торфа, что создает большую заполненную газом пустоту. Затем границы раздела газ-вода образованы множеством маленьких менисков, которые перекрывают промежутки между частицами.Радиус кривизны этих менисков не обязательно равен радиусу r пузыря. Для упрощения предполагается, что размер маленьких пузырьков газа заключен в пустотах зерен торфа.

Некоторые исследователи провели сканирующие исследования торфа из разных мест под электронным микроскопом. Lv et al. (2011) получили результаты, согласно которым средний диаметр пустот составляет около 10 мкм, а диаметр больших пустот достигает 25 мкм для образцов торфа из северного восточного Китая.Xiong (2005) и Liu et al. (2014b) получили средний диаметр пустот около 13,65 мкм для образцов торфа из Куньмина. Диапазон диаметров пустот 3–20 мкм получен Wang (2013), а их испытанные образцы торфа взяты из Ханчжоу, Восточный Китай. Принимая во внимание размер пустот торфа, можно определить радиус газовых пузырьков , и он должен быть меньше размеров пустот. Средний начальный радиус r 0 пузырьков газа используется в следующих тематических исследованиях.

Без учета растворения и распада газа газовая фаза в торфе считается идеальным газом, а деформация подчиняется закону Бойля (Schuurman 1966), который составляет:

( P a + 2 q / r 0 ) V g 0 = ( P a + 2 q / r + u w ) V g

4

где V g — объем газа в торфе, а r — радиус пузырьков газа, нижний индекс 0 представляет начальное значение каждого параметра; P a — атмосферное давление.

Трехфазный состав торфа

Торф имеет сложную текстуру и физический состав, а твердая фаза торфа может рассматриваться как смесь органических веществ и минералов. Даже в обычных условиях насыщения небольшие пузырьки газа также могут задерживаться в пустотах зерен торфа. Ландва и Фини (1980) описали характеристики трехфазного торфа на основе серии сканирующих тестов с помощью электронного микроскопа. Автор также предложил аналогичную концептуальную модель для викторианского бурого угля, который представляет собой разновидность органического материала, окаменевшего из торфа (Liu et al.2014а). Основываясь на обсуждениях вышеупомянутых разделов, мы знаем, что торф можно рассматривать как трехфазную смесь и в состоянии квазинасыщения. В частности, твердую фазу торфа следует разделить на минеральную часть и часть органического вещества. Принципиальная схема особого трехфазного состава торфа представлена ​​на рис. Некоторые определения параметров и предположения сделаны следующим образом.

Как обычный метод анализа теории одномерной консолидации, здесь для анализа берется репрезентативный элемент с единичным объемом dxdydz .Предполагается, что единичный элемент удовлетворяет как основным предположениям теории Терзаги, так и предположениям, изложенным выше. Особый трехфазный состав, показанный на рис. 4, принят для единичного элемента. Подобно определению обычного отношения пустот и , некоторые определения параметров сделаны следующим образом.

, где e w , e g и e m определяются как объемные отношения воды, газа и органических веществ, соответственно; V w , V g , V m и V s — объем воды, объем газа, объем органических веществ и объем минералов, соответственно ; и a — отношение изменяемого объема к объему несжимаемых твердых минералов, которое является суммой e w , e g и e m .

Обычно основными геотехническими показателями торфа являются известные величины, включая плотность торфа ( ρ ), содержание воды ( ω ), содержание органических веществ ( ω м ) и удельный вес твердой фазы торфа. ( γ p ), то указанные выше параметры могут быть рассчитаны с сохранением массы и объема для определенного образца торфа.

Согласно вышеприведенным определениям, условный коэффициент пустотности e можно рассчитать как:

Параметр β определяется как отношение начального объема органического вещества ( V m0 ) к начальному общему объему ( V 0 ), то есть:

Объемное содержание газа определяется как:

, где V — общий объем.

Математическая модель торфа

На основе приведенных выше предположений и определений параметров построена математическая модель деформации торфа с учетом сжатия органического вещества и захваченных пузырьков газа.

Также для единичного элемента объемная непрерывность в элементе составляет:

Δ V м + Δ V г + Δ V w = Δ V c

10

где Δ V c — изменение объема при сжатии из-за изменения объема органического вещества Δ V м , газ Δ V г и вода Δ V w .

В течение короткого времени dt :

dVwdt = dVcdt-dVmdt-dVgdt

11

В соответствии с основной теорией Терзаги, если поток воды в материалах подчиняется закону Дарси, а гидравлическая проводимость k остается постоянной в течение короткого промежутка времени. период времени, в единичном элементе размером dx, dy и dz , приращение объема воды в элементе за время dt совпадает с теорией Терзаги:

dQdt = kγw∂2u∂z2dxdydz

12

где u — избыточное давление поровой воды; и γ w — удельный вес воды.

Расход воды следует массе консервации:

На основании вышеуказанных определяющих соотношений можно получить окончательное математическое уравнение. Но три части dV c / dt , dV m / dt и dV g / dt в правой части уравнения. (11) необходимо определить соответственно.

Принимая во внимание определения параметров, определенный параметр a имеет аналогичную ситуацию с обычным коэффициентом пустотности e .В основном выводе теории Терзаги:

dVcdt = 11 + e∂e∂tdxdydz

14

Аналогично, мы имеем:

dVcdt = 11 + a∂a∂tdxdydz

15

с учетом принципа эффективного напряжения. ,

∂a∂t = ∂a∂σ′∂σ′∂t = ∂a∂σ′∂σ∂t-∂u∂t

17

В уравнении. (17) расчет ∂a / ∂σ аналогичен ∂e / ∂σ (коэффициент сжатия c ) теории Терзаги. Для определенного образца торфа значение рассчитывается как общее приращение Δ a / Δ σ во всем процессе консолидации.

Две другие части dV m / dt и dV g / dt в уравнении. (11) представляют характеристики сжатия органического вещества и захваченных пузырьков газа соответственно, которые могут быть определены на основе обсуждений в вышеупомянутых разделах.

Для сжатия органического вещества в торфе, в любое время т , объем органического вещества может быть выражен с помощью исходного объема органического вещества V м 0 и деформации ε м ,

Тогда

На основе уравнения «напряжение – деформация – время».(2) и определение параметра β , имеем:

dVmdt = -β1Em∂σ∂ttλ + λσtλ-1dxdydz

20

Из уравнения. (4) и определения параметров в формуле. (5) приращение объема газа за короткое время dt в единичном элементе можно рассчитать как:

dVgdt = — (Pa + 2q / r0) Vg0 (Pa + 2q / r + u) 2d (2q / r + u) dt = -VgPa + 2q / r + ud (2q / r + u) dt

21

dVgdt = -eg (1 + a) (Pa + 2q / r + u) ∂ (2q / r + u) ∂tdxdydz

23

Подставляя уравнения. Из (15), (20), (23) в (13) модель консолидации торфа со сжимаемым органическим веществом и пузырьками газа может быть описана как:

kγw∂2u∂z2 = 1 (1 + e) ​​(1+ em) ∂a∂σ′∂σ∂t-∂u∂t + β1Em∂σ∂ttλ + λσtλ-1 + например (1 + e) ​​(1 + em) (Pa + 2q / r + u) -2qr2∂ r∂t + ∂u∂t

24

Одномерная конечно-разностная форма уравнения.(24) используется для решения этого уравнения в Excel. Подбирая числовые и экспериментальные кривые консолидации, можно определить сжимаемость органического вещества и содержание газа. Модель применяется к набору исторических данных консолидации торфа в следующих разделах. Результаты расчетов хорошо согласуются с результатами испытаний в каждом конкретном случае.

Применение модели на торфяном эдометре. Испытания

Случай 1: Торф с северо-востока Китая

Используются пять типичных образцов торфа из серии одномерных испытаний на уплотнение, описанных Lv et al.(2011). 5 образцов торфа взяты с северо-востока Китая и имеют разное содержание органического вещества. Размер образца торфа условный — диаметр 79,8 мм, высота 20 мм. К каждому образцу прикладывают вертикальную нагрузку 50 кПа. В таблице представлены основные свойства 5 образцов. В таблице содержание органики ω m — это отношение массы органического вещества к общей массе твердого вещества, ρ — плотность торфа, γ p — удельный вес твердого вещества, ω, — содержание воды, e — коэффициент пустотности.Базовые индексы используются для расчета параметров модели e g , e m и e w , как определено в предыдущих разделах. Lv et al. (2011) обнаружили, что образцы демонстрируют различное поведение при сжатии с увеличением содержания органического вещества. Авторы замечают, что существует почти линейная взаимосвязь между временем и расчетом в первые несколько минут, и эта часть расчета приписывается большому проценту от общего расчета.

Таблица 1

Свойства образцов торфа в кейсе 1

918 732 918 732 918 732 918 918 732
№ образца ρ (г / см 3 ) γ p (кН / м 3 ) ω м (%) ω (%) e
1 1,122 19,24 36,34 117,01 2.721
2 1,145 19,20 43,65 142,65 3,069
3 1,045 18,81 918 918 918 918 33 918 918 918 918 918 918 732 918 732 16,90 69,29 385,00 7,115
5 0,944 16,58 85,36 ​​ 467,55 8,968
результаты моделирования предлагаемые результаты моделирования результаты также сравниваются с результатами уравнения Терзаги, в котором содержание газа считается нулевым, а твердые вещества несжимаемы.Параметры, используемые в предлагаемой модели, приведены в таблице. Результаты сравниваются на рис. Рисунки показывают, что без учета сжимаемости органических веществ и пузырьков газа, кривые консолидации, предсказанные с использованием уравнения Терзаги, очень плавные в первые несколько минут, а внезапное оседание, наблюдаемое в результатах испытаний, не может быть полностью зафиксировано, в то время как Предложенная модель достаточно хорошо описывает результаты испытаний. Также предлагаемая модель может описывать относительно большие деформации на поздней стадии.

Таблица 2

Параметры модели для образцов торфа в ящике 1

918 0,24 5 918
№ образца σ (кПа) e e г e м E м (МПа) λ S г (%) r 0 (мкм) k (м / с)
1 50 2.721 0,16 1,12 5,0 0,25 2,0 10 1,2 × 10 −10
2 50 3,069 3,0 10 1,5 × 10 −10
3 50 5,722 0,74 2,13 2,0 1833 10 1,7 × 10 −10
4 50 7,115 1,83 4,01 1,0 0,21 4,5 0,21 4,5
5 50 8,968 5,34 8,97 1,0 0,21 5,0 10 4,0 × 10 −10 10 4,0 × 10 −10 918 919 919 результаты по сравнению с результатами теста 919 для образцов торфа в случае 1, a образцов 1, 2 и 3, b образцов 4 и 5

Таблица показывает, что газосодержание ( S г ) и параметры сжатия органического вещества ( E m , λ), полученные из модели, различаются в пяти образцах.Как правило, содержание газа S г увеличивается, а модуль сжатия E м уменьшается с увеличением содержания органического вещества, как показано в таблицах и. Временной фактор λ несколько уменьшается с увеличением содержания органического вещества, но остается в пределах 0,21–0,25. Модуль сжатия органического вещества E м находится в диапазоне от 1,0 до 5,0 МПа. Эти значения немного выше, чем исходный ограниченный модуль E 0 щецинского торфа, найденный Мейером (1997).Это может быть связано с тем, что начальный ограниченный модуль учитывает сжимаемость как торфа, так и газа в образцах торфа. Содержание газа находится в пределах 2–5%, и значение увеличивается с увеличением содержания органических веществ и коэффициента пустотности, как показано в таблице, но на основании этого результата нельзя сделать вывод об этом.

Случай 2: Торф Миддлтон из Висконсина, США

Некоторые типичные исследования и испытания на консолидацию были выполнены Месри и др. (1997) на пробах торфа, взятых в Миддлтоне, Висконсин, США.В своем исследовании авторы в основном сосредоточились на некоторых основных свойствах торфа, включая индекс сжатия C c и индекс вторичного сжатия C α . Во всех результатах испытаний на консолидацию наблюдалось немедленное оседание, но авторы в основном изучали поведение материала при вторичной консолидации, и первоначальное немедленное оседание не было объяснено в исходной публикации. Пять результатов испытаний, проведенных Месри и соавт.(1997) анализируются с использованием предложенной модели. Основные свойства приведены в таблице. Параметры модели представлены в таблице. Смоделированные модели кривые деформации каждого образца сравниваются с результатами испытаний и результатами по уравнению Терзаги на рис.

Таблица 3

Свойства образцов торфа в футляре 2

Параметры ρ (г / см 3 ) γ p (кН / м 3 ) ω м (%) ω (%) e
Значения 0.96 15,9 92,7 740 12,224

Таблица 4

Параметры модели для образцов торфа в корпусе 2

9183
Номер образца. σ (кПа) e e г e м E м (МПа) λ S г (%) r 0 (мкм) k (м / с)
T10 41 12.224 11,53 20,80 0,8 0,24 4,0 10 6,0 × 10 −10
T11 96 0,20 4,0 10 6,0 × 10 −10
T13 96 12,224 11,53 20,80 1,0 4,200 10 6,0 × 10 −10
T15 30 12,224 11,53 20.80 0,8 0,24 1032 6,0 918
T18 90 12,224 11,53 20.80 1,1 0,20 4,0 10 6,0 × 10 18 -32 6,0 × 10 −10 9192 919 результаты по сравнению результаты теста для образцов торфа в случае 2: ​​ a образцов T10 и T11 и b образцов T13, T15, T18

Модуль сжатия E m органического вещества, полученного для образцов торфа, относительно согласован сравнивая с образцами торфа в случае 1.Это может быть связано с тем, что образцы торфа, использованные в Mesri et al. (1997) взяты из испытательной ямы размером 2,5 м на 2,5 м, что позволяет предположить, что разброс свойств в образцах торфа может быть меньше по сравнению с образцами, использованными Lv et al. (2011), где образцы торфа взяты с относительно большей площади. Образцы торфа, использованные в Mesri et al. (1997) имеют такое же содержание органического вещества около 92,7%, в отличие от 5 образцов торфа, использованных Lv et al. (2011) имеют диапазон содержания органических веществ 36.34–85,36%. Временной фактор λ в этом случае имеет аналогичные значения с образцами торфа в случае 1. Что необходимо отметить в таблице, так это то, что значения E m и λ образцов T10 и T13 немного больше, чем другие. . Это может быть связано с разными уровнями нагрузки, применяемыми к образцам. Вертикальное напряжение на образцах Т10 и Т13 (30–41 кПа) меньше, чем у других (90–96 кПа). Кроме того, параметры сжатия органического вещества в двух случаях находятся в близком диапазоне.

В двух вышеупомянутых случаях теоретические предсказания деформации или деформации образцов торфа очень хорошо согласуются с результатами испытаний. На рисунках видно, что предлагаемая модель подходит для торфа. Для кривых деформации или деформации торфа очевидная начальная деформация проявляется за относительно короткое время в течение начального периода нагружения. Затем скорость деформации имеет тенденцию к снижению с постепенным завершением первичной консолидации. Но значительная деформация все же развивается во время последующего процесса консолидации.Предложены правдоподобные объяснения этих явлений и даны математические трактовки в нашей модели.

Как уже упоминалось, автор провел некоторые предварительные исследования викторианского бурого угля из долины Латроб, Австралия. Модуль сжатия E м органических веществ торфа, полученный из расчета, намного ниже значений угля (около 30 МПа). Это связано с тем, что пробы торфа обычно консолидированы, но бурый уголь в долине Латроб сильно переуплотнен с коэффициентом переуплотнения 10 или выше на глубине, на которой были взяты пробы.Следовательно, волокнистая структура торфа намного более сжимается, чем угольные зерна. Временной фактор λ для торфа, полученный из модели, также выше, чем для бурого угля (0,042). Это может быть связано с тем, что полая структура волокон образцов торфа все еще хорошо сохраняется, как показано в Mesri et al. (1997), и деформация полых волокон может способствовать ползучести органических частиц, что приводит к более высоким значениям λ . Хотя аналогичные свойства были обнаружены как у торфа, так и у бурого угля, для этих двух материалов получены разные модельные значения.В основном это может быть связано с геологической историей, структурой материала и различными основными показателями. Бурый уголь обычно образуется из торфа после длительного процесса углефикации. Торф имеет более низкую плотность и более высокий коэффициент пустотности и более высокое содержание воды, чем бурый уголь.

Обсуждение параметров модели

Объемное соотношение газа

e г

Объемное соотношение газа e г представляет собой объемный процент газа в образцах торфа.Для исследования параметра e g нормируется на 1 + a , что дает объемное содержание газа S г :

Диапазон значений 2–5% для S г получено в модельном расчете. Обзор литературы показывает, что торф с месторождения обычно имеет объемное содержание газа около 5–11% (Hobbs 1986; Mesri et al. 1997). Принимая во внимание, что образцы торфа обычно водонасыщены в течение короткого времени перед испытанием, диапазон значений 2–5% для S г является разумным при расчетах.

Объемная доля органического вещества e

м

В соответствии с тем же определением e г объемная доля органического вещества e м представляет собой объемный процент органического вещества в торфе образцы. Нормализовав e m на 1 + a , мы можем получить объемное содержание органических веществ S m :

Фактически e m или S m — это своего рода внутренний параметр торфа, который напрямую определяется традиционным содержанием органического вещества ω m , которое определяется как отношение массы органического вещества к общей массе твердого вещества. .Взаимосвязь между S m и ω m показана на рис. Для всех образцов торфа в вышеупомянутых двух тематических исследованиях. Видно, что объемное содержание органического вещества S м уменьшается с увеличением содержания органического вещества ω м . Тенденция к изменению является разумной, потому что, когда ω m является высоким, торф обычно имеет высокие значения пустотности и содержания воды, и основное пространство образца торфа будет заполнено водой.Тогда абсолютное значение объема для органического вещества будет меньше. Напротив, когда содержание органического вещества m является низким, торф обычно имеет низкое содержание воды, что означает, что твердая фаза может занять большой процент объема образца торфа. Таким образом, объемное содержание органического вещества S м может быть больше, когда содержание органического вещества ω м низкое.

Связь между S м и ω м

Временной фактор λ

Параметр λ — временной фактор в предлагаемой модели сжатия органического вещества.Относительно стабильный диапазон значений 0,20–0,25 для λ получен в модельном расчете. Значение приемлемое с небольшими отклонениями, что отражает деформационные свойства органического вещества со временем t . Небольшое изменение λ могло быть вызвано такими причинами, как различное содержание органического вещества в торфе, геологическая история и уровни приложенного напряжения.

Начальный ограниченный модуль E

м

Начальный ограниченный модуль E м — еще один параметр модели в предлагаемой модели сжатия органического вещества.Значение E m варьируется в двух вышеупомянутых тематических исследованиях, но показывает некоторую закономерность с содержанием органического вещества ω m . Полученное соотношение значений между E m и ω m показано на рис. Для всех образцов торфа в двух тематических исследованиях. Видно, что E m практически имеет тенденцию к уменьшению с увеличением содержания органического вещества ω m .Это может быть вызвано состоянием полых структур и плотным состоянием органического вещества. В условиях низкого содержания органического вещества органическое вещество смешивается с большим количеством минералов и может иметь более плотное состояние, что приводит к большему значению E m . Хотя тенденция к уменьшению между E m и ω m получена из рис., Вывод не может быть сделан просто. Подобно параметру λ , значение E м может быть вызвано другими причинами, такими как геологическая история и уровни приложенных напряжений.

Связь между E м и ω м

Влияние параметров модели на кривые консолидации

В приведенных выше разделах создана численная модель для изучения поведения консолидации торфа, содержащего органическое вещество и пузырьки газа. В модели модуль сжатия E м и временной коэффициент λ , которые описывают компрессионные свойства органических веществ, содержание газа S g и начальный радиус пузырька газа r 0 используются.Чтобы изучить влияние каждого параметра на процесс уплотнения торфа, в этом разделе проводится анализ чувствительности. В анализе только один из 4 параметров считается изменяющимся для расчета кривых консолидации. Взяв образец торфа 3 из тематического исследования 1 в качестве примера в следующих исследованиях. Следует отметить, что не все расчетные кривые являются реальными для образца 3. Работа в основном направлена ​​на то, чтобы показать, как на тенденцию кривых консолидации влияет определенный параметр.

Влияние органического модуля сжатия

Для образца торфа 3 используются различные значения E м с 1,2, 2, 4 и 8 МПа, а другие значения параметров остаются исходными и постоянными, λ составляет 0,23 , S г составляет 3,5% и r 0 составляет 10 мкм. Расчетные кривые консолидации с разными значениями E м показаны на рис. Результаты показывают, что общие деформации торфа увеличиваются с уменьшением. E м .Начальная деформация и поздняя стадия деформаций также больше при меньшем значении E м .

Эффекты E м на кривых консолидации

Влияние фактора времени

То же, что и выше, используются разные значения λ с 0,15, 0,20, 0,23 и 0,26, а значения других параметров остаются постоянными, E м — 2 МПа, S г — 3.5% и r 0 составляет 10 мкм. Расчетные кривые консолидации с разными значениями λ показаны на рис. Результаты показывают, что большие значения λ вызывают большую общую деформацию, а параметр λ в основном оказывает значительное влияние на позднюю стадию консолидации. Более крутые кривые консолидации можно получить, используя большие значения λ .

Влияние λ на кривые консолидации

Влияние содержания газа

Для изучения влияния содержания газа, различные значения S г с 1.0, 3,5, 6 и 9% используются, а значения других параметров остаются постоянными, E м составляет 2 МПа, λ составляет 0,23 и r 0 составляет 10 мкм. Расчетные кривые консолидации с различными значениями S g показаны на рис. Результаты показывают, что увеличение газосодержания S г может вызвать увеличение общей деформации, особенно на начальной стадии уплотнения.При постепенном снижении избыточного давления поровой воды скорость приращения деформации захваченного газа становится меньше и не оказывает значительного влияния на деформацию на поздней стадии, что приводит к относительно параллельным линиям на поздних стадиях деформации, как показано на рис.

Эффекты S г на кривых консолидации

Влияние начального радиуса пузырьков газа

Размер пузырьков газа в основном влияет на эффект поверхностного натяжения.Используются различные значения r 0 с 2, 5, 10 и 20 мкм, а значения других параметров остаются постоянными, E м составляет 2 МПа, λ составляет 0,23 и S g составляет 3,5%. Расчетные кривые консолидации с разными значениями r 0 показаны на рис. Параметр r 0 отличается от трех других параметров модели. Это указывает на влияние поверхностного натяжения на деформацию и рассеивание избыточного давления поровой воды.Результаты показывают, что влияние начального радиуса пузырька газа r 0 не так существенно, как других параметров, особенно при большем значении r 0 эффектом поверхностного натяжения можно практически пренебречь. Фактически, влияние r 0 на кривую консолидации в основном связано с влиянием избыточного давления поровой воды. На рис.. Начальное избыточное давление воды в порах и скорость рассеяния меньше при небольшом размере пузырьков газа, что уменьшает количество дренируемой воды, когда другие параметры остаются постоянными. Следовательно, меньшие значения r 0 могут оказывать относительно заметное влияние на деформацию образцов торфа. С другой стороны, когда рассматриваются более крупные пузырьки газа, эффектом поверхностного натяжения можно пренебречь и можно предположить, что давление поровой воды и давление порового воздуха одинаковы.

Влияние r 0 на кривых консолидации

Влияние r 0 на отвод избыточного давления поровой воды

Заключение

Торф обладает особыми природными характеристиками и инженерными свойствами за счет высокого содержания органического вещества. Состав и структура торфа сложны, а органические вещества в торфе могут быть сжимаемыми. Биогаз образуется из естественных залежей торфа, и некоторые из них будут улавливаться в виде небольших пузырьков газа.Торф имеет особый трехфазный состав, содержащий пузырьки газа, воду, сжимаемые органические вещества и несжимаемые минералы. Предложена модель консолидации для изучения деформационного поведения торфа. Деформация торфа рассматривается как совокупный процесс изменения объема пузырьков газа, сжатия органического вещества и дренажа воды. Затем модель применяется к некоторым историческим данным испытаний торфа путем сопоставления экспериментальных результатов с смоделированными кривыми консолидации.

Результаты показывают, что предложенная модель может хорошо отражать уникальные свойства уплотнения торфа. Газосодержание и параметры сжатия органического вещества могут быть получены с помощью модели. На основании результатов экспериментального и численного моделирования можно сделать выводы:

1: Очевидная начальная осадка, наблюдаемая в образцах торфа, связана с наличием пузырьков газа и сжимаемостью органических веществ. Предложенная модель может быть использована для моделирования этого процесса, и в результате газосодержание и параметры сжатия органического вещества могут быть получены путем подгонки экспериментальных и смоделированных результатов.

2: Согласно результатам моделирования образцов, модуль сжатия органического вещества в торфе находится в диапазоне 0,8–5,0 МПа. Большой разброс этого значения, вероятно, связан с содержанием органического вещества. Эффект ползучести, наблюдаемый в торфе на поздней стадии испытаний на уплотнение, можно смоделировать с помощью модели органического вещества «напряжение-деформация-время» путем введения временного фактора. Деформация поздней стадии в торфе относительно велика из-за присутствия органического вещества, что отражено большим значением временного фактора около 0.20–0,25 для образцов торфа.

3: Газовый механизм очень сложен на практике. В предлагаемой модели консолидации просто предполагается, что пузырьки газа подчиняются закону Бойля с учетом эффекта поверхностного натяжения. Увеличение содержания газа может вызвать более крупные осадки торфа, и эффектом поверхностного натяжения нельзя пренебрегать при рассмотрении небольших размеров газовых пузырьков.

Предложенная модель может быть использована для анализа консолидации торфа, который содержит как пузырьки газа, так и сжимаемые органические вещества.Его можно использовать для моделирования сжатия аналогичных технических материалов, например бурого угля.

Вклад авторов

KL разработал основную модель, собрал данные, провел анализ данных, написал первый черновик рукописи; М.Ю. задумал и предложил основную идею исследования, отредактировал рукопись. Все авторы читали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Благодарности

Исследование поддержано Национальным фондом естественных наук Китая в рамках гранта №41572258. Часть работы в этой статье была завершена в университете Монаш, Австралия, где первый автор работал в качестве приглашенного студента. Авторы выражают признательность за поддержку, полученную от организаций.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Ссылки

  • Berry PL, Poskitt TJ. Уплотнение торфа. Геотехника. 1972: 22 (1): 27–52. DOI: 10.1680 / geot.1972.22.1.27. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Bery PL, Vickers B.Уплотнение волокнистого торфа. J Geotech Eng ASCE. 1975. 101 (8): 741–753. [Google Scholar]
  • Choo H, Bate B, Burns SE. Влияние органического вещества на жесткость переуплотненного состояния и анизотропию инженерных органоглин при малых деформациях. Eng Geol. 2015; 184: 19–28. DOI: 10.1016 / j.enggeo.2014.10.022. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Dhowian AW, Edil TB. Консолидирующее поведение торфа. ASTM Geotech Test J. 1980; 3 (3): 105–114. DOI: 10.1520 / GTJ10881J. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Файбищенко Б.А.Гидравлическое поведение квазинасыщенных грунтов в присутствии захваченного воздуха: лабораторные эксперименты. Water Resour Res. 1995. 31 (10): 2421–2435. DOI: 10.1029 / 95WR01654. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Fredlund DG, Hasan JU. Теория одномерной консолидации: ненасыщенные почвы. Кан Геотек Дж. 1979; 16 (3): 521–531. DOI: 10.1139 / t79-058. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Хаяши Джи, Ли Ч. Достижения науки о буром угле викторианской эпохи: структура и свойства бурого угля викторианской эпохи.Мельбурн: Эльзевир; 2004. [Google Scholar]
  • Hobbs NB. Морфология болот, свойства и поведение некоторых британских и зарубежных торфов. Q J Eng Geol Hydrogeol. 1986. 19 (1): 7–80. DOI: 10.1144 / GSL.QJEG.1986.019.01.02. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Ладе П.В., Де Бур Р. Концепция эффективного напряжения для почвы, бетона и скальных пород. Геотехника. 1997. 47 (1): 61–78. DOI: 10.1680 / geot.1997.47.1.61. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Ландва, АО, Фини, ЧП. Торфяная ткань и структура.Кан Геотек Дж. 1980; 17 (3): 416–435. DOI: 10.1139 / t80-048. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Lee JS, Seo SY, Lee C. Геотехнические и геофизические характеристики образцов мускуса из Альберты, Канада. Eng Geol. 2015; 195: 135–141. DOI: 10.1016 / j.enggeo.2015.04.030. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Lin HD, Wang CC. Функция напряжения – деформации – времени глины. J Geotech Geoenviron Eng. 1998. 124 (4): 289–296. DOI: 10.1061 / (ASCE) 1090-0241 (1998) 124: 4 (289). [CrossRef] [Google Scholar]
  • Лю К., Маккей Р., Сюэ Дж. Ф., Толооян А. (2014a) Экспериментальное исследование гидравлического поведения бурого угля при низком удерживающем напряжении.В: Ненасыщенные почвы: исследования и приложения — материалы 6-й международной конференции по ненасыщенным почвам, Сидней, стр. 1125–1130
  • Лю Й., Цао Г.З., Мэн Ю.Г., Лю М.Х. Изучение особенностей микроструктуры и механизма прочности торфяной почвы озера Тянь. Adv Mater Res. 2014; 864: 2695–2702. DOI: 10.4028 / www.scientific.net / AMR.962-965.2695. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Лонг М., Бойлан Н. Прогнозы оседания торфяных почв. Q J Eng Geol Hydrogeol. 2013. 46 (3): 303–322.DOI: 10.1144 / qjegh3011-063. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Lv Y, Nie L, Xu Y, Liu F, Zheng M. Механизм воздействия органического вещества на физико-механические свойства дерновой почвы. Chin J Geotech Eng. 2011. 33 (4): 655–660. [Google Scholar]
  • Mesri G, Febres CE, Shields DR. Поведение глин при сдвиге, деформации и времени. Геотехника. 1981. 31 (4): 537–552. DOI: 10.1680 / geot.1981.31.4.537. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Месри Г., Старк Т.Д., Аджлуни Массачусетс, Чен К.С. Вторичное прессование торфа с добавкой или без нее.J Geotech Geoenviron. 1997. 123 (5): 411–421. DOI: 10.1061 / (ASCE) 1090-0241 (1997) 123: 5 (411). [CrossRef] [Google Scholar]
  • Мейер З. Модель уплотнения органических почв. Proc ICE Gr Improv. 1997. 1 (4): 239–248. [Google Scholar]
  • Nageswaran S (1983) Влияние пузырьков газа на поведение морского дна. Диссертация, Оксфордский университет,
  • Пичан С.П., О’Келли BC (2012) Влияние разложения на сжимаемость волокнистого торфа. В: ASCE GeoCongress, стр. 4329–4338. DOI: 10.1061 / 9780784412121.445
  • Pietruszczak S, Pande GN. Материальные соотношения для частично насыщенных грунтов, содержащих газовые включения. J Geotech Eng ASCE. 1996. 122 (1): 50–59. DOI: 10.1061 / (ASCE) 0733-9410 (1996) 122: 1 (50). [CrossRef] [Google Scholar]
  • Робинсон Р.Г. Исследование о начале вторичного сжатия почв. J Test Eval. 2003. 31 (5): 388–397. [Google Scholar]
  • Schuurman IE. Сжимаемость смеси воздух / вода и теоретическое соотношение между давлением воздуха и воды.Геотехника. 1966. 16 (4): 269–281. DOI: 10.1680 / geot.1966.16.4.269. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Sills GC, Wheeler SJ, Thomas SD, Gardner TN. Поведение морских грунтов, содержащих пузырьки газа. Геотехника. 1991. 41 (2): 227–241. DOI: 10.1680 / geot.1991.41.2.227. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Сингх А., Митчелл Дж. Общая функция напряжение – деформация – время для грунтов. J Soil Mech Found Div. 1968. 94 (1): 21–46. [Google Scholar]
  • Skempton AW (1961) Эффективное напряжение в почвах, бетоне и горных породах.В: Материалы конференции по поровому давлению и всасыванию в почвах, Баттервортс, Лондон, стр. 4–16
  • Sparks ADW (1963) Теоретические соображения уравнений напряжения для частично насыщенных почв. В: Материалы 3-й Африканской конференции по механике грунтов и проектированию фундаментов, Солсбери, Родезия, стр. 215–218
  • Wang FZ (2013) Наблюдение за пешеходным мостом и исследование поведения нижележащих торфяных почв Западного озера. Диссертация, Чжэцзянский университет
  • Wheeler SJ.Концептуальная модель почв, содержащих большие пузырьки газа. Геотехника. 1988. 38 (3): 389–397. DOI: 10.1680 / geot.1988.38.3.389. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Уилан Т.III, Коулман Дж. М., Сухайда Дж. Н. (1975) Геохимия недавних отложений в дельте реки Миссисипи: концентрация газа и стабильность отложений. В: Материалы 7-й конференции по морским технологиям, Хьюстон, том 1, стр. 71–83
  • Xiong EL (2005) Исследование физических свойств и взаимосвязи между деформацией и напряжением торфа и торфяной почвы в Юньнани.Диссертация, Куньминский университет науки и технологий

GeoSpan Compressible Fill — Plasti-Fab USA

Plasti-Fab GeoSpan сжимаемый наполнитель представляет собой пенополистирол (EPS). Он разработан, чтобы действовать как сжимаемая среда. Помогает снизить потенциальные нагрузки на конструкции в случае расширения почвы. Что может произойти после завершения строительства. GeoSpan можно отличить по коричневому цвету землистого тона, который отличается от других материалов EPS, не предназначенных для этого применения.

Сжимаемая насыпка GeoSpan

Расширение грунта может повлиять на характеристики элементов конструкции, даже если используется свайный фундамент. Величина испытываемого расширения почвы будет зависеть от таких факторов, как потеря влаги в почве во время строительства и новые условия, наложенные на почву из-за строительства (например, изменения напряжения / температуры почвы, вызванные новой структурой, и дополнительные источники влаги из-за ландшафтного дизайна). или другие факторы).

Почвенные отложения, которые содержат значительную долю частиц глинистых минералов, могут иметь значительный потенциал расширения.Исследование почвы позволит определить ожидаемую степень расширения почвы.

Сжимаемый заполняющий материал

GeoSpan предназначен для выдерживания ожидаемых строительных нагрузок и веса конструкционной плиты до тех пор, пока бетон не затвердеет и не наберет достаточную прочность, чтобы быть самонесущим. Используется под балками из бетона, под некоторыми несущими плитами перекрытий и у фундаментных стен.

Сжимаемый заполняющий материал GeoSpan

действует как среда между расширяющимся грунтом и конструкцией, уменьшая нагрузки, передаваемые на конструкцию.В долгосрочной перспективе он предназначен для сжатия в случае набухания почвы без превышения проектной подъемной способности конструкции. Конструкция должна быть защищена от движения расширения грунта и спроектирована так, чтобы выдерживать длительные сжимающие напряжения, передаваемые через сжимаемую среду.

Обычно деформацией из-за первоначального веса свежеуложенного бетона можно пренебречь (см. График зависимости напряжения сжатия от деформации). Если арматура должна поддерживаться непосредственно сжимаемым заполняющим материалом GeoSpan, используемые арматурные опорные стулья должны быть такого типа и в достаточном количестве, чтобы точечные нагрузки не превышали 10 кПа (1.4 фунта на кв. Дюйм).

Продукты GeoSpan

Преимущества:
  1. Как специально разработанный продукт, он разработан с учетом конкретных требований для каждого приложения.
  2. При необходимости размеры можно легко отрегулировать на стройплощадке с помощью ножовки с мелкими зубьями для устранения препятствий на стройплощадке.
  3. Наличие воды не влияет на технические характеристики продукта
  4. Продукт не зависит от выбранной конфигурации (которая может быть заполнена во время засыпки), чтобы снизить нагрузки на конструкцию.
  5. Продукт не поддерживает рост насекомых или паразитов и не содержит озоноразрушающих химикатов (ODC).

Заявление

Критерии проектирования

Сжимаемый заполняющий материал

GeoSpan поставляется предварительно нарезанным до необходимых размеров. Требуемые размеры для ширины до 1220 мм (48 дюймов) и толщины до 610 мм (24 дюймов) предоставляются в соответствии с рабочими спецификациями. Стандартная длина — 2440 мм (96 дюймов).

Требуемая толщина сжимаемого заполняющего материала GeoSpan определяется на основании следующих критериев:

  • Максимальное ожидаемое набухание почвы (E)
  • Собственный вес конструкции, временно поддерживаемой
  • Максимальная прочность на сжатие GeoSpan (U)
  • Чистая стойкость конструкции конструкции к поднятию

Спецификация

Участок 3300, Монолитный.

Материалы

Сжимаемый заполняющий материал GeoSpan

производства Plasti-Fab в размерах, указанных на чертежах, в соответствии с требованиями инженера.

Свойства сжимаемого наполнителя GeoSpan

Контроль качества Тестирование

Для получения инженерных свойств, необходимых для этого приложения. Физические свойства сжимаемого наполнителя GeoSpan контролируются в пределах жестких допусков во время производства.

Ответить

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *