Файл: Булычев, В. Г. Механика дисперсных грунтов.pdf

ровского силы сцепления в трехфазном грунте находятся

в

зависимости от радиуса частиц, типа контакта (тупой,

ост­

рый)

и количества влаги, то по теории

Терцаги-Герсеванова

капиллярное давление в водонасыщенном грунте

зависит

только от радиуса частиц.

Для

более

полного представления

о сущности капиллярного

давления ниже приводятся

пояснения к той схеме,

которая

была принята автором за основу-*-.

Представим себе жесткий цилиндрический сосуд А (

рис.

6 2 ),

у которого вместо крышки точно пригнанный, но

сво­

бодно

(без трения) передвигающийся поршень Б . Допустим,

что в сосуде

А под поршень

Б

вместо

водонасыщенного

грунта помещена его модель, т. е. вместо упругого

скелета

грунта упругая пружина В

;

цилиндр

А

заполнен

водой,

которая играет роль воды, заполняющей поры грунта.

Сово­

купность менисков, ограничивающих водонасыщенный

грунт,

представлена одним мениском в капиллярной трубке

Г

,

вставленной сбоку в цилиндр

А .

Если конец трубки

нахо­

когда пружина не напряжена,

вода

в цилиндре

А

будет

ис­

пытывать обычное гидростатическое состояние: в

это время

мениск в трубке будет плоским. При ненапряженном

состо­

янии скелета естественного водонасыщенного грунта

мениски

в нем точно так же будут плоскими.

П е р в ы й

с л у ч а й .

Если к поршню модели

при­

ложить некоторое усилие

Р

, то пружина сожмется на

ве­

личину

й£

и вода из сосуда А

войдет в

трубку

Г . Пор­

шень при этом из положения

а-а.

перейдет в новое положе­

ние Ь-Ь . Казалось бы, что если затем снять нагрузку

Р ,

то поршень под действием сжатой пружины займет

исходное

положение. Однако этого не произойдет потому,

*

что

как

только

с поршня нагрузка

будет снята, на конце

трубки Г об-

разуется

вогнутый

мениск, который и воспримет то отрица­

тельное

давление

Рк , которое возникает в воде при дей­

янием водонасьцценного грунта, вначале

загруженного

внеш­

ними силами, а затем освобожденного от нагрузки.

В т о р о й

с л у ч а й .

Если затем

на поршень моде­

ли вновь положить некоторую нагрузху

Рл ,

которая по

аб­

солютному значению будет несколько меньше

Р , но

ме­

ниск в трубке

Г станет

более

плоским,

однако вода

из

нее

не уйдет. При атом капиллярное давление в воде сосуда

А

уменьшится на величину

Р\-

, где

и)

-

площадь

порш­

ня. Реакция же пружины модели остается неизменной и

бу­

шение кривизны мениска будет продолжаться до тех пор,

по­

ка Рх станет равным

Р . Только после этого

можно

ожи­

дать дополнительное сжатие пружины модели, а

следова­

тельно, и выдавливание воды из трубки.

Т р е т и й

с л у ч а й .

Представим себе,

что

на

поршень модели воздействует

нагрузка

Рг ,

значительно

превышающая

Рл . Пружина сильно сожмется и через трубку

выльется много

воды.

Что произойдет,

если эту нагрузку с

поршня снять?

Если диаметр трубки соответствует нагрузке, т. е.

если

образующийся при снятии нагрузки мениск удержится,

пор­

шень останется на месте и пружина сохранит свое

напряжен­

ное состояние, создав в воде отрицательное капиллярное

да­

вление, равное

о _

Рг.

кі

со '

ме­

Если же диаметр трубки велик и образующийся в ней

ниск не может удержать отрицательное давление в воде,

в

трубку немедленно начнет поступать воздух до тех пор,

пока

пружина модели не расправится настолько, что

создаваемое

ею отрицательное давление в воде сможет быть

удержано

мениском.

то

наблюдать при отборе образцов водонасыщенного

грунта

из

скважин и шурфов. Взятый с большой глубины

образец

та покрывается по всей поверхности менисками воды.

Если

эти мениски не могут удержать получающееся в

грунтовой

воде отрицательное давление, то они разрываются

и в

обра­

зец устремляется воздух. Этим проф. Герсеваноз

и объясняет

тот факт, что коэффициент влажности грунтовой

массы

часто

не равен единице.

Ч е т в е р т ы й

с л у ч а й (усыхание

и набухание

глинистой грунтовой

массы). Представим себе

модель в

на­

и с плоским мениском на конце трубки

Г . Вода с

открытой

поверхности мениска свободно испаряется в воздухе.

Мениск

не может отойти от краев трубки, поэтому испаряясь

он бу­

дет приобретать все большую и большую вогнутость,

созда­

вая тем самым отрицательное давление в воде сосуда

А .

Под действием этого отрицательного

капиллярного

давле­

ния пружина модели начнет сжиматься до тех пор,

пока ра­

диус мениска достигнет своего максимального

значения,

после чего мениск, отступая внутрь трубки, станет

затяги­

будет сохранять напряженное состояние.

Этот процесс достаточно хорошо иллюстрирует

усыхание

глинистого водонасыщенного грунта. Как известно,

усыхая,

глинистый грунт сокращается в объеме, что

аналогично сжа­

тию пружины и опусканию поршня при мениске, еще

находя­

щемся на конце трубки.

Известно также, что при достаточно

длительной сушке объем

глинистого грунта в

определенный

должает уменьшаться. Такой грунт уже перестает быть

во—

донасыщенным и внутрь его заходит воздух. В модели

это

По современным представлениям, явления набухания

и

усадки выглядят намного сложнее. Капиллярное давление

в

этих явлениях, характерных главным образом для глинистых

грунтов с большим содержанием коллоидных фракций,

играет

второстепенную роль. Основное значение имеют

процессы

молекулярного взаимодействия между минеральным

скелетом

и влагой, вызывающие образование водно—коллоидных

оболо­

чек минеральных частиц и изменение их объема, а

также

ческими пачками у глинистых минералов

с подвижной крис­

таллической решеткой.

Некоторые данные по этому

вопросу

приведены в части 1У

книги. Более подробные

сведения

можно найти в книге Грима Р. Е.

Минералогия глин. М.,

Изд-во иностр. лит., 1 9 5 9 . ( П р и м ,

р е

д.).

П я т ы й

с л у ч а й .

Представим себе далее,

что

модель в таком состоянии опустили в воду так, что

мениск

в трубке

Г

исчез и вода

в сосуде А соединилась с внеш­

ней водой. Под действием сжатой пружины поршень,

естест­

венно, начнет подниматься кверху и вода, имеющая

свобод­

ный доступ, будет затягиваться по трубке в цилиндр

А .

Это

явление будет происходить до тех пор, пока пружина

пол­

ностью выправится и поршень перестанет подниматься.

Аналогично сказанному,

если к высушенному

глинистому

грунту подвести свободную воду, грунт расправляясь

(благо­

даря упругости скелета) будет затягивать внутрь

воду

и

увлажняться до тех п&р, пока скелет перейдет в

ненапря­

женное состояние. Используя модель, нетрудно уяснить

себе

процессы,

происходящие в водонасыщенном песчаном

грунте.

в цилиндре А

вместо упругой пружины между поршнем

и

дном находится

жесткий стальной

стержень В (рис.

6 3 ).

Ш е с т о й

с л у ч а й .

Если на поршень такой моде­

ли дать некоторую нагрузку

Р ,

то она в первый

же

мо­

мент будет воспринята стержнем,

так

как то ничтожное

ко­

личество воды, которое должно быть при этом

вытеснено,

немедленно продвинется в трубке

Г

. В зависимости от мо­

дуля упругости стержня вода может и не выйти из

трубки

наружу, изменится лишь кривизна

мениска на конце

трубки.

Если с поршня снять нагрузку, то

капиллярного

давления

может и не получиться, что опять-таки находится

в

зависи­

мости от модуля упругости стержня.

Если у такой ненагруженной модели испарять воду с

по­

верхности плоского мениска, то, в

отличие' от модели с пру­

жиной, через некоторое очень непродолжительное

время

в

трубку станет затягиваться воздух. Наконец, если такую мо­

дель с вогнутым мениском на

конце трубки Г опустить в

воду, то опять-таки, в отличие

от модели глинистого грунта,

процесс насыщения водой произойдет чрезвычайно

быстро,

что объясняется ничтожной сжимаемостью стержня

модели.

Поведение водонасыщенного грунта в естественных

условиях

вполне аналогично тому, что происходит в модели.

Известно,

а

Ъ

Г

Рис. 63