CC BY
90
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 1. С. 299-303
: НАУКИ о ЗЕМЛЕ :
УДК 624.131
Учет фильтрационной анизотропии при строительстве на лёссовых макропористых грунтах
А.А. Соболев
Аннотация. Доказана важность учёта фактора фильтрационной анизотропии при расчётах оснований фундаментов на лёссовидных макропористых грунтах. Предложен способ учёта степени фильтрационной анизотропии в теории фильтрационной консолидации с помощью введения поправочного коэффициента на фильтрационную анизотропию.
Ключевые слова: лёссовидные макропористые грунты, фильтрационная анизотропия, теория фильтрационной консолида-ции.
В вопросе повышения эффективности строительства существенно важным является совершенствование методов проектирования оснований и фундаментов, стоимость устройства которых может доходить до 20-30% стоимости зданий и сооружений. Сложность инженерно-геологических условий площадок строительства, уникальность современных сооружений, повышение технологических нагрузок и этажности зданий требуют более полного учёта реальных свойств грунтов оснований, что можно обеспечить только при использовании новейших достижений в области механики грунтов и совершенствования численных методов расчёта.
В Алтайском крае распространены лёссовидные макропористые грунты, которые нередко и служат в качестве оснований зданий и сооружений, оснований дорожного полотна и т.д.
Известно, что процесс уплотнения грунта оснований зависит от скорости отжатия воды из пор. Следовательно, необходимо знать фильтрационные свойства грунтов оснований. Одной из особенностей лёссовидных макропористых грунтов является ярко выраженная анизотропия фильтрационных свойств, обусловленная природой их образования. Из-за наличия характерных макропор в виде вертикальных канальцев, водопроницаемость лёссовидных грунтов в вертикальном направлении превышает водопроницаемость в горизонтальном направлении в несколько раз, что оказывает существенное влияние на распространение воды в грунте и, следовательно, на величину и скорость деформации основания.
Теоретические решения, широко используемые в практике проектирования, и лежащие в основе большинства нормативных документов этого обстоятельства не учитывают (учитывается только анизотропия биогенных грунтов и илов на уровне рекомендаций).
Для более достоверного прогноза деформирования водонасыщенного основания производят расчёт осадок во времени, основанный на теории фильтрационной консолидации. Уравнение фильтрационной консолидации основано на модели, учитывающей восприятие нагрузки от здания или сооружения в начальный момент времени поровой водой в основаниях, с последующей передачей на скелет грунта. Следует отметить, что речь идёт о первичной консолидации, где фильтрация подчиняется закону Дарси, вторичная консолидация не подчиняется закону Дарси, учитывает, в основном, реологические свойства скелета грунта (ползучесть), и в данной работе не рассматривается.
Идея, лежащая в основе учёта фактора фильтрационной анизотропии, заключается в определении поправочного коэффициента на анизотропию и его использовании в расчётах величины осадок и времени уплотнения для случая одномерной задачи. Определение поправочного коэффициента на фильтрационную анизотропию возможно из следующих соображений.
Схематично расположение пор в изотропных и анизотропных (лёссовидных, с преобладающей вертикальной водопроницаемостью) грунтах на макроуровне можно изобразить так, как на рис. 1.
”777--777—777 Т77---777—777
Рис. 1. Схемы расположения пор изотропного (слева) и анизотропного грунта, с преобладающей вертикальной водопроницаемостью (справа)
Соответственно, схемы распространения воды в грунте при изотропной модели и анизотропной с преобладающей вертикальной водопроницаемостью от точечного источника замачивания будут иметь следующий вид (рис. 2):
777777777777777: 777777777777777,
изотропный анизотропный
Рис. 2. Схемы распространения воды изотропного и анизотропного грунта, с преобладающей вертикальной водопроницаемостью от точечного источника замачивания сверху
Далее рассмотрим упрощенные схемы фильтрации для этих двух вариантов, обозначив направление и величины потоков воды в виде векторов (рис. 3).
Рис. 3. Обозначение потоков воды в виде векторных величин — изотропного (слева) и анизотропного грунта, с преобладающей вертикальной водопроницаемостью (справа), где Кг и Кх — коэффициенты фильтрации, соответственно, в вертикальном и в горизонтальном направлениях; К и К' — результирующие векторы
Из приведенных схем становится ясно, что процесс отжатия воды из пор грунта будет происходить неодинаково, что повлияет на ход всего процесса консолидации (уплотнения). Следовательно, и величина осадки при приложении нагрузки будет различной. Причём во втором случае интенсивность поступления воды в толщу грунта будет выше. Для эксплуатации зданий это опасно тем, что будет происходить замачивание нижележащих неуплотнённых слоёв грунта и вызывать неравномерные деформации основания, а, следовательно, и надземных строительных конструкций.
В случае изотропной модели боковой отток воды будет выше, а при анизотропии наоборот больший объём воду устремляется вглубь грунтового массива.
Найдем во сколько раз результирующий вектор в случае изотропной модели больше чем в случае анизотропной, с учётом формулы:
К к2лД к2лД лД
В итоге, имеем
а
пЛ З
п2 + 1
Здесь Кz и Кх — коэффициенты фильтрации, соответственно, в вертикальном и в горизонтальном направлениях, пу — степень фильтрационной анизотропии.
Физический смысл полученного коэффициента а состоит в том, что он показывает во сколько раз отток воды при изотропной модели («фиктивной») в стороны больше по сравнению с анизотропной (фактической) моделью, где преобладает вертикальная водопроницаемость. Коэффициент а и есть искомый поправочный (компенсирующий) коэффициент.
Значение поправочного коэффициента а определяется также графически (рис. 4).
Рис. 4. График определения поправочного коэффициента анизотропии а в зависимости от степени фильтрационной анизотропии пf
Данный коэффициент компенсирует потери воды по сторонам и «направляет» поток в глубину массива грунта путем умножения а на коэффициент фильтрации Кфверт при определении коэффициента консолидации:
акФверт 2 /
Су = -----— см /год,
где кфверт — коэффициент фильтрации в вертикальном направлении (см/с, см/сут, см/год); ту — коэффициент относительной сжимаемости (см2/кг); 7^ — удельный вес воды, равный 1 г/см3.
2
Выводы
1. Фильтрационная анизотропия оказывает существенное влияние на развитие осадок лёссовидных макропористых грунтов во времени.
2. Определён поправочный коэффициент учитывающий степень филь-
трационной анизотропии для расчёта осадок водонасыщенных лёссовидных грунтов для случая одномерной задачи консолидации.
3. Использование полученных результатов позволит более точно прогнозировать величину и скорость осадок лёссовидных оснований, и как следствие, назначать более точные размеры подошвы фундаментов.
4. Подтверждена необходимость при инженерно-геологических изысканиях наряду с обычными физико-механическими характеристи-ками определять коэффициент фильтрации в вертикальном и горизонтальном направлениях для их дальнейшего использования в расчётах.
Список литературы
1. Абелев Ю.М., Абелев М.Ю. Основы проектирования и строительства на про-
садочных макропористых грунтах. М.: Стройиздат, 1979. 271 с.
2. Бугров А.К., Голубев А.И. Анизотропные грунты и основания сооружений.
С-Пб.: Недра, 1993. 245 с.
3. Бэр Я., Заславски Д., Ирмей С. Физико-математические основы фильтрации
воды. М.: Мир, 1971. 452 с.
Соболев Андрей Андреевич (asoblv@mail.ru), аспирант, кафедра оснований, фундаментов, инженерной геологии и геодезии, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, Барнаул.
Allowance for water permeability anisotropy in the building on loessal macrovoids soils
A.A. Sobolev
Abstract. The importance of allowance for water permeability anisotropy factor in calculation foundation bed on loessal macrovoids soils is proved. The method of allowance for water permeability anisotropy degree in theory of filtrate consolidation, with assist introduction coefficient off filtrate anisotropy is suggested.
Keywords : loessal macrovoids soils, water permeability anisotropy, theory of filtrate consolidation.
Sobolev Audrey (asoblv@mail.ru), postgraduate student, department of foundations, engineering geology and soil mechanics, Polzunov Altai State Technical University, Barnaul.
Поступила 23.10.2009
