Консолідаційне осідання: задачі з покроковими розв’язками

Безкоштовні задачі з теми Консолідаційне осідання з рисунками, підказками й повними розв’язками. Щоразу нові значення, трьох рівнів: нормально ущільнена глина, переущільнена глина, час консолідації.

Безкоштовна задачаЛегка
Δσ = 110 kPaпісокглинаCc​ = 0,5e0​ = 1,15σ′0​ = 135 kPa7,5 mрівень ґрунтових вод

Шар нормально ущільненої глини товщиною 7,5 m (Cc = 0,5, e₀ = 1,15) має ефективне вертикальне напруження 135 kPa посередині товщі. Широкий насип збільшує вертикальне напруження в глині на 110 kPa. Розгляньте шар як один підшар із напруженнями посередині товщі. Знайдіть осідання від первинної консолідації S у mm.

H = 7,5 mCc = 0,5e0 = 1,15σ′0 = 135 kPaΔσ = 110 kPa
mm
Наступна задача →

Що ви тренуєте

  1. Легканормально ущільнена глина
  2. Середняпереущільнена глина
  3. Складначас консолідації

Основні формули

Нормально ущільнений
S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
Кінцеве напруження
σ′f = σ′0 + Δσ (at mid-depth of the layer)
Переущільнений, σ′f ≤ σ′p
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
Переущільнений, σ′f > σ′p
S = H/(1 + e0)·[Cr·log₁₀(σ′p/σ′0) + Cc·log₁₀(σ′f/σ′p)]
Коефіцієнт переущільнення
OCR = σ′p/σ′0
Час консолідації
t = Tv·Hdr²/cv
Шлях фільтрації
Hdr = H/2 (двобічне дренування), H (однобічне дренування)
Фактори часу
U 50% → 0,197, 60% → 0,287, 70% → 0,403, 80% → 0,567, 90% → 0,848

Вивчайте тему «Консолідаційне осідання» з нуля

Перед цим: Ефективне напруження в ґрунті

1Що таке консолідаційна осадка

Коли ви будуєте на шарі глини, додаткове навантаження стискає глину. Вода виштовхується з пор, і частинки зближуються. Поверхня ґрунту опускається: це консолідаційна осадка.

Глина має дуже малі пори, тож вода виходить повільно. Будівля на глині може осідати роками.

Кількість порового простору вимірюється коефіцієнтом пористості e: об’ємом пор, поділеним на об’єм твердих частинок. Глина з e = 1 має стільки ж об’єму пор, скільки об’єму частинок.

Коли глину стискають, e зменшується. Шар стає тоншим на ту саму частку від свого повного об’єму:

S = H · Δe / (1 + e0)

Тут H — товщина шару, e0 — початковий коефіцієнт пористості, а Δe — зменшення коефіцієнта пористості. Вираз 1 + e0 — це повний об’єм на одиницю об’єму частинок.

Самоперевірка Чому шар глини осідає роками, а пісок осідає майже відразу?
  1. Вода має витекти з дуже малих пор, а це потребує часу
  2. Глина не має води в порах
  3. Навантаження на глину зростає повільно протягом років
  4. Частинки глини важчі за частинки піску

Відповідь: Вода має витекти з дуже малих пор, а це потребує часу. Осадка потребує, щоб вода залишила пори. У глині пори крихітні, тож вода витікає повільно. У піску вона виходить майже відразу.

2Нормально консолідована та переущільнена глина

Випробування показують, що e спадає за прямою лінією, коли її відкладають проти логарифма ефективного напруження σ′. Нахил цієї лінії — це індекс стисливості Cc.

log σ′eσ′p​σ′0​Cr​Cc​

Деякі глини зазнавали в минулому більшого навантаження, наприклад від льодовика чи ґрунту, що відтоді розмився. Найбільше ефективне напруження, яке глина колись витримувала, — це її тиск переущільнення σ′p.

  • Нижче за σ′p глина лише повторно стискається вздовж пологої лінії з нахилом Cr, індексом повторного стиснення. Cr малий, часто Cc/10.
  • Вище за σ′p глина йде за крутою лінією з нахилом Cc.

Глина, що зараз має σ′0 = σ′p, нормально консолідована (NC). Глина з σ′0 < σ′p переущільнена (OC). Коефіцієнт переущільнення OCR = σ′p/σ′0.

З σ′f = σ′0 + Δσ як кінцевим ефективним напруженням осадка дорівнює:

NC: S = Cc·H/(1 + e0) · log₁₀(σ′f/σ′0)
OC, σ′f ≤ σ′p: S = Cr·H/(1 + e0) · log₁₀(σ′f/σ′0)
OC, σ′f > σ′p: S = H/(1 + e0) · [Cr·log₁₀(σ′p/σ′0) + Cc·log₁₀(σ′f/σ′p)]

Усі напруження беруть у середині шару глини, яка репрезентує середнє для всього шару.

Самоперевірка Глина має σ′₀ = 60 kPa і σ′p = 120 kPa. Навантаження підвищує напруження до σ′f = 100 kPa. Який індекс ви використовуєте?
  1. Cr до 120 kPa, потім Cc
  2. Жоден: глина не осідає
  3. Лише Cc
  4. Лише Cr

Відповідь: Лише Cr. Кінцеве напруження 100 kPa залишається нижче за σ′p = 120 kPa, тож глина лише повторно стискається вздовж пологої лінії Cr. Cc знадобився б лише вище за 120 kPa.

3Скільки це триває

Час досягнення певної частини кінцевої осадки залежить від того, як далеко має пройти вода. Ця відстань — шлях фільтрації Hdr.

  • Пісок (або інший шар із вільним дренажем) над глиною й під нею: вода виходить з обох поверхонь, тож Hdr = H/2. Це двосторонній дренаж.
  • Скеля або інший водонепроникний шар знизу: вода може вийти лише зверху, тож Hdr = H. Це односторонній дренаж.
HHdr​ = H/2
t = Tv · Hdr² / cv

cv — коефіцієнт консолідації глини, наприклад у m²/year. Tv — фактор часу для бажаного ступеня консолідації U: 0,197 для 50%, 0,403 для 70%, 0,848 для 90%.

Приклад: шар глини 4 m на скелі, cv = 2 m²/year, U = 50%. t = 0,197 · 4²/2 = 1,576 року. З піском знизу Hdr = 2 m і t = 0,394 року: у чотири рази швидше.

Самоперевірка Шар глини завтовшки 6 m лежить між двома шарами піску. Чому дорівнює шлях фільтрації Hdr?
  1. 1,5 m
  2. 12 m
  3. 3 m
  4. 6 m

Відповідь: 3 m. Вода виходить угорі й унизу, тож найдовший шлях дорівнює половині шару: 6/2 = 3 m. Використання повних 6 m правильне, лише коли одна поверхня закрита.

4Метод крок за кроком

  1. Знайдіть початкове ефективне напруження σ′0 у середині глини (задане або за профілем ґрунту).
  2. Додайте додаткове напруження: σ′f = σ′0 + Δσ.
  3. Визначте тип глини. Якщо задано σ′p або OCR, порівняйте σ′f з σ′p = OCR·σ′0.
  4. Оберіть відповідну формулу й використайте log₁₀, а не ln.
  5. Дайте S в одиниці, яку просять: метри, помножені на 1000, дають міліметри.

Для запитання про час: знайдіть Hdr за дренажем зверху й знизу, потім t = Tv·Hdr²/cv.

5Розв’язаний приклад

Простежте кожен крок. Спробуйте передбачити наступний, перш ніж його відкрити.

Розв’язаний приклад

Шар нормально консолідованої глини завтовшки 4 m (Cc = 0,3, e0 = 1,0) має σ′0 = 100 kPa на середній глибині. Широкий насип додає Δσ = 100 kPa. Знайдіть первинну консолідаційну осадку S у mm.

1

Подивіться на шар

H = 4 mσ′0​ = 100 kPaΔσ = 100 kPaCc​ = 0,3e0​ = 1,0

Глина нормально консолідована, тож усе збільшення напруження йде за лінією Cc.

2

Кінцеве ефективне напруження

σ′f = σ′0 + Δσ = 100 + 100 = 200 kPa
3

Логарифм

log₁₀(σ′f/σ′0) = log₁₀(200/100) = log₁₀ 2 = 0,301
4

Множник шару

Cc·H/(1 + e0) = 0,3 · 4/(1 + 1,0) = 0,6 m
5

Осідання

S = 0,6 · 0,301 = 0,1806 m = 180,6 mm
6

Перевірте відповідь

Коефіцієнт пористості зменшується на Δe = Cc·0,301 = 0,0903. Тоді S = H·Δe/(1 + e0) = 4 · 0,0903/2 = 0,1806 m. Це 4,5% шару, що є звичайним значенням для м’якої глини.

Відповідь

S ≈ 181 mm (0,1806 m).

6Типові помилки

  • Використовувати ln замість log₁₀. Тоді відповідь у 2,3 раза завелика.
  • Забувати поділити на 1 + e0.
  • Писати log₁₀(Δσ/σ′0) замість log₁₀((σ′0 + Δσ)/σ′0).
  • Використовувати Cc для переущільненої глини, що залишається нижче за σ′p.
  • Брати Hdr = H/2, коли глина лежить на скелі, або Hdr = H, коли дренують обидві поверхні.
  • Забувати піднести Hdr до квадрата у формулі часу.
Самоперевірка NC-глина: Cc = 0,25, H = 4 m, e₀ = 1,0, σ′₀ = 50 kPa, Δσ = 50 kPa. Чому дорівнює S?
  1. 0 mm
  2. 150,5 mm
  3. 301,0 mm
  4. 346,6 mm

Відповідь: 150,5 mm. S = 0,25·4/2 · log₁₀(100/50) = 0,5 · 0,301 = 0,1505 m. Використання ln дає 346,6 mm, пропуск 1 + e₀ дає 301 mm, а log₁₀(Δσ/σ′₀) = log₁₀ 1 дає 0.

7Як виглядають екзаменаційні запитання

  • Легкий: нормально консолідована глина. Вам дають H, Cc, e0, σ′0 і Δσ, як у прикладі. Іноді спершу треба знайти σ′0 за профілем ґрунту.
  • Середній: переущільнена глина з Cr, Cc та σ′p або OCR. Спершу порівняйте σ′f із σ′p; розділіть логарифм у σ′p, якщо його перейдено.
  • Складний: час консолідації. Визначте односторонній чи двосторонній дренаж, потім t = Tv·Hdr²/cv.

Розібраний приклад OC: H = 2 m, e0 = 1, Cr = 0,04, Cc = 0,4, σ′0 = 50 kPa, σ′p = 100 kPa, Δσ = 100 kPa. Тоді σ′f = 150 kPa перевищує σ′p.

S = 2/2 · [0,04·log₁₀(100/50) + 0,4·log₁₀(150/100)] = 0,0120 + 0,0704 = 0,0825 m

Вивчайте крок за кроком у застосункуВивчайте крок за кроком у застосунку

Розв’язані приклади

Приклад 1Легка
Δσ = 70 kPaпісокγ = 19 kN/m³4 mглинаγsat​ = 18,5 kN/m³Cc​ = 0,2, e0​ = 0,97 mрівень ґрунтових водX

Шар нормально ущільненої глини товщиною 7 m (γsat = 18,5 kN/m³, Cc = 0,2, e₀ = 0,9) залягає під 4 m піску (γ = 19 kN/m³). Рівень ґрунтових вод — на покрівлі глини; візьміть γw = 9,81 kN/m³. Широкий насип збільшує вертикальне напруження в усій товщі глини на 70 kPa. Розгляньте шар як один підшар із напруженнями посередині товщі. Знайдіть осідання від первинної консолідації S у mm.

пісок: Hs = 4 m, γ = 19 kN/m³глина: H = 7 m, γsat = 18,5 kN/m³γw = 9,81 kN/m³Cc = 0,2e0 = 0,9Δσ = 70 kPa

Знайти: S (mm)

Показати підказки
  1. Нормально ущільнена: S = Cc·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′f/σ′₀).
  2. Посередині глини: σ′₀ = γ·Hs + (γsat − γw)·H/2.
  3. Cc·H/(1 + e0) = 0,7368 m.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Первинна консолідація шару глини товщиною H за ефективним напруженням посередині шару: σ′f = σ′0 + Δσ. Нормально ущільнена глина: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Переущільнена глина повторно стискається за Cr до тиску попереднього ущільнення σ′p і лише понад нього йде за Cc. Час: t = Tv·Hdr²/cv, де шлях фільтрації Hdr дорівнює H/2, коли вода може виходити вгорі й унизу, і H, коли дренування однобічне.

Ефективне напруження посередині шару глини

Пісок лежить вище рівня ґрунтових вод; нижче глина зважена у воді, тож використовуйте γsat − γw.

σ′0 = 19·4 + (18,5 − 9,81)·3,5 = 106,4 kPa

Кінцеве ефективне напруження

σ′f = 106,4 + 70 = 176,4 kPa

Осідання

S = 0,2·7/(1 + 0,9)·log₁₀(176,4/106,4) = 0,7368·0,2195 = 0,1618 m = 161,8 mm

Відповідь

S = 161,8 mm
Приклад 2Середня
Δσ = 230 kPaпісокглинаCc​ = 0,5, Cr​ = 0,02e0​ = 1,2σ′0​ = 50 kPaσ′p​ = 150 kPa2 mрівень ґрунтових вод

Шар переущільненої глини товщиною 2 m має Cc = 0,5, Cr = 0,02 і e₀ = 1,2. Посередині товщі ефективне вертикальне напруження становить 50 kPa і тиск попереднього ущільнення 150 kPa. Нова будівля додає 230 kPa вертикального напруження посередині товщі. Знайдіть осідання від первинної консолідації S у mm.

H = 2 mCc = 0,5Cr = 0,02e0 = 1,2σ′0 = 50 kPaσ′p = 150 kPaΔσ = 230 kPa

Знайти: S (mm)

Показати підказки
  1. Порівняйте кінцеве напруження σ′₀ + Δσ з тиском попереднього ущільнення.
  2. σ′f = 50 + 230 = 280 kPa > σ′p = 150 kPa.
  3. Розділіть діапазон напружень у точці σ′p: Cr від σ′₀ до σ′p, потім Cc від σ′p до σ′f.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Первинна консолідація шару глини товщиною H за ефективним напруженням посередині шару: σ′f = σ′0 + Δσ. Нормально ущільнена глина: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Переущільнена глина повторно стискається за Cr до тиску попереднього ущільнення σ′p і лише понад нього йде за Cc. Час: t = Tv·Hdr²/cv, де шлях фільтрації Hdr дорівнює H/2, коли вода може виходити вгорі й унизу, і H, коли дренування однобічне.

Порівняйте з тиском попереднього ущільнення

σ′f = 50 + 230 = 280 kPa > 150 kPa

Осідання

Повторне стиснення до σ′p, первинне стиснення понад нього.

S = 0,02·2/(1 + 1,2)·log₁₀(150/50) + 0,5·2/(1 + 1,2)·log₁₀(280/150)
S = 8,675 + 123,2 = 131,9 mm

Відповідь

S = 131,9 mm
Приклад 3Складна
пісокглинаH = 9,5 mcv​ = 3 m²/рік9,5 mпісокрівень ґрунтових вод

Шар глини товщиною 9,5 m має коефіцієнт консолідації cv = 3 m²/year. Він лежить між двома шарами піску, тож вода дренується вгорі й унизу. Для 60% середньої консолідації фактор часу Tv = 0,287. За скільки років t шар досягне 60% консолідації?

H = 9,5 mcv = 3 m²/рікU = 60%Tv = 0,287двобічне дренування

Знайти: t (роки)

Показати підказки
  1. t = Tv·Hdr²/cv.
  2. Дві дреновані грані: найдовший шлях частинки води — половина шару.
  3. Hdr = 4,75 m.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Первинна консолідація шару глини товщиною H за ефективним напруженням посередині шару: σ′f = σ′0 + Δσ. Нормально ущільнена глина: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Переущільнена глина повторно стискається за Cr до тиску попереднього ущільнення σ′p і лише понад нього йде за Cc. Час: t = Tv·Hdr²/cv, де шлях фільтрації Hdr дорівнює H/2, коли вода може виходити вгорі й унизу, і H, коли дренування однобічне.

Шлях фільтрації

Hdr = H/2 = 9,5/2 = 4,75 m

Час

t = Tv·Hdr²/cv = 0,287·4,75²/3 = 2,158 роки

Відповідь

t = 2,158 роки

Запитання й відповіді

Консолідаційне осідання: що це?

Коли ви будуєте на шарі глини, додаткове навантаження стискає глину. Вода виштовхується з пор, і частинки зближуються. Поверхня ґрунту опускається: це консолідаційна осадка.

Глина має дуже малі пори, тож вода виходить повільно. Будівля на глині може осідати роками.

Консолідаційне осідання: як розв’язувати задачі крок за кроком?

Первинна консолідація шару глини товщиною H за ефективним напруженням посередині шару: σ′f = σ′0 + Δσ. Нормально ущільнена глина: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Переущільнена глина повторно стискається за Cr до тиску попереднього ущільнення σ′p і лише понад нього йде за Cc. Час: t = Tv·Hdr²/cv, де шлях фільтрації Hdr дорівнює H/2, коли вода може виходити вгорі й унизу, і H, коли дренування однобічне.

Консолідаційне осідання: які помилки найпоширеніші?
  • Використовуйте десятковий логарифм log₁₀, а не натуральний ln.
  • Поділіть на 1 + e₀, а не лише помножте на Cc·H.
  • Під логарифмом відношення кінцевого напруження до початкового: (σ′₀ + Δσ)/σ′₀, а не Δσ/σ′₀.
Консолідаційне осідання: що ви тренуєте?
  • Легка: нормально ущільнена глина
  • Середня: переущільнена глина
  • Складна: час консолідації

Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь. Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.

Як проходить тренування

  • Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь.
  • Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.
  • Ваш прогрес, помилки та збережені задачі зберігаються, тож перед іспитом ви зможете все повторити.

Теми до і після цієї

Спочатку вивчіть

Калькулятори

Курси з цією темою

Інші теми: Будівництво

Робочий аркуш для друку