Menu

Прочность грунтов при статических воздействиях

Сопротивление сдвигу и характеристики прочности грунтов. Прочностные свойства грунтов могут исследоваться при самых различных схемах испытаний, в которых грунт доводится до состояния разрушения (сдвиговые приборы, приборы одно- и трехосного сжатия, приборы для испытаний на перекос, кручение и др., описанные в § 1.3).

При испытаниях грунтов в сдвиговых приборах (см. рис. 1.18) при заданной вертикальной нагрузке ст экспериментально определяется сдвигающее усилие Т и соответствующие ему касательные напряжения х = тПР, возникающие в заданной плоскости среза, при которых начинается равномерное, незатухающее или иногда ускоренное движение одной части прибора (в схеме на рис. 1.18 верхней части кольца) относительно другой. Для одного и того же грунта таких испытаний делается несколько при различных возможных в сооружении ст.

 

Рис. 1.38. Зависимость сопротивления грунта сдвигу тпр от сжимающих напряжений а

В результате строят график зависимости предельных сопротивлений сдвигу тпр от величины вертикальных сжимающих напряжений ст (рис. 1.38).

Экспериментальная зависимость тПР (ст) криволинейна. Спрямляя ее на отдельных участках или, как поступают чаще, на всем диапазоне изменения ст, получим уравнение, широко известное под названием зависимости Кулона («закон Кулона»)

тпР = а*§Ф + с, (1.35)

где 1§ф — коэффициент «внутреннего трения», ср — угол «внутреннего трения»; с — «.сцепление» или удельное «сцепление», Некоторые исследователи исходя из этих названий пытаются придать им физический смысл истинного трения и сцепления между частицами. Нужно четко понимать условность этих терминов. Их можно было бы назвать просто параметрами а и Ь, но это непривычно.

При определении параметров прочности ф и с путем испытания грунтов в стабилометре (см. рис. 1.16) вначале обычно создается всестороннее сжатие интенсивностью ст3, затем постепенно, ступенями увеличивают вертикальное давление с»! и так же, как при испытаниях в сдвиговом приборе, определяют ст4 ПР, при достижении которого возникают незатухающие продольные деформации ьг (см. рис. 1.12 и 1.29). Такие испытания проводят для одного и того же грунта, но каждый раз с новым образцом при различных боковых давлениях ст3. По полученным ст1>пр и принятым о3 для каждого испытания строят круг напряжений (рис. 1.39), радиус которого равен 0,5(ст, — о3). К полученным предельным кругам напряжений — кругам Мора —• проводят общую касательную. Угол наклона касательной к оси а является углом внутреннего трения ф, а отрезок, отсекаемый на оси т,— сцеплением с, т. е. параметрами прочности грунта в зависимости Кулона (1.35).

Для несвязных грунтов параметр с мал и во многих случаях принимают т — ст!§ф. Здесь и в дальнейшем в зависимости Кулона и ее различных формах индекс «пр» для краткости опущен, так как уже само принятие этой зависимости свидетельствует о достижении грунтом предельного состояния.

Величина угла внутреннего трения существенно зависит от зернового состава несвязных грунтов, повышаясь с увеличением их крупности (рис. 1.40, а). Так, для мелких песков средней плотности сложения ф ==; 30... 32°, а для крупных достигает 38...42°. Значительно повышается угол внутреннего трения с увеличением плотности сложения песчаных грунтов (рис. 1.40, б).

 

Рис. 1.39. Определение характеристик прочности грунта по результатам его испытания в стабилометре

Увлажнение песчаных грунтов вследствие образования капиллярно стыковой воды (см. § 1.1 и рис. 1.6) приводит к появлению не-

Рис. 1.40. Влияние крупности, плотности сложения и влажности несвязного грунта на его прочность:

1 — крупный песок; 2—мелкий песок; 3 — песок плотного сложения; 4 — песок рыхлого сложения; 5 — маловлажный песок; 6 — сухой песок; 7 — песок, насыщенный водой

большой капиллярной связанности (рис. 1.40, в). Такое же влияние воды в зоне ее капиллярного подъема. При насыщении песка гравитационной водой капиллярная связанность исчезает и угол внутреннего трения становится практически таким же, как и для сухого песка (рис. 1.40, в).

Существенно влияние на прочностные свойства несвязных грунтов формы их частиц. С увеличением окатанности и сферичности, а следовательно, коэффициента формы Кф, определяемого по зависимости (1.4), угол внутреннего трения грунта значительно уменьшается (рис. 1.41).

Рассматривая влияние формы частиц, следует вновь подчеркнуть, что меньший коэффициент пористости или большая плотность сухого грунта не могут быть единственным основанием для оценки его, как более прочного. В ряде случаев большая пористость, как следствие малой окатанности частиц, может быть признаком большей прочности грунта. Так, Кайраккумский песок, намытый в плотину с коэффициентом пористости 0,8 (см. рис. 110) и плотностью скелета 1,49 г/см3, благодаря угловатости частиц более прочен (ф = 39°), чем песок Шульбинской плотины, намытый с коэффициентом пористости 0,6 (1,64 г/см3), состоящий из гладких частиц, близких по форме к шару, и имеющий ф = 32°. Поэтому при возможности выбора, как на первый взгляд ни парадоксально, для строительства, например,, в сейсмических районах более удачен выбор Кайраккумского песка с меньшей плотностью скелета, чем Шульбинского песка с большей плотностью.

Сопротивление сдвигу в нестабилизированном состоянии. Прочностные характеристики водонасыщенных грунтов ср и с определяют
в условиях, близких к полной стабилизации процесса уплотнения грунта под действием сжимающей нагрузки о, в сдвиговых приборах или всестороннего сжатия сг3 в стабилометрах. Нагрузки Т или ст, прикладываются ступенями также с обеспечением стабилизации основной части деформации образца от каждой ступени.[image]

При нестабилизированном состоянии грунта, т. е. в условиях его консолидации, сопротивление грунта сдвигу

= + (1.36)

Рис. 1.41. Влияние коэффициента формы Кф частиц на угол внутреннего трения мелких песков (номера песков соответствуют приводимым на рис. 1.10).

[image]

где стг — сжимающие напряжения в скелете грунта в данный момент времени ^ нестабилизированного состояния грунта.

[image]

Рис. 1.42. Сопротивление сдвигу в стабилизированном (1) и в нестабилизированном состоянии (2) в начальный момент времени приложения сжимающей нагрузки 0 = 0)

 

Учитывая зависимость (1.32), получим основное уравнение сопротивления грунта сдвигу в нестабилизированном состоянии

[image]

 

т, = (о* — Р() ср + с, (1-37)

где ст* — напряжения в скелете грунта в стабилизированном состоянии, т. е. после окончания процесса его консолидации; рг — избыточное (дополнительное) давление в поровой воде, возникающее в процессе консолидации грунта.

Таким образом, в процессе консолидации грунта по мере уменьшения рг происходит увеличение сопротивления грунта сдвигу (возрастание прочности). При полной стабилизации рг — 0 сопротивление сдвигу грунта равно стабилизированному, т. е. т = ст^1§ф + с.

Характерным для процесса консолидации является момент приложения сжимающей нагрузки (/« 0). Как уже отмечалось, в условиях сдвигового прибора, т. е. компрессионного сжатия в момент времени I = 0 в полностью водонасыщенном грунте сг<=0 = 0 или ри о= = о* и поэтому т*=0 = с. Действительно, если в сдвиговом приборе сразу же после приложения нагрузок о(а', а", ст"' и т. д.) производить очень быстро сдвиг глинистого грунта, то экспериментальная зависимость т(о) оказывается близкой к прямой параллельной оси ст (рис. 1.42).

Условия, близкие к случаю I — О, можно более уверенно осуществить в приборах трехосного сжатия, обеспечивая невозможность отжатая воды из пор грунта путем перекрытия кранами (см. рис. 1.16) выходов воды из дренажей по торцам образца, т. е. создавая закрытую систему (недренированные испытания). Испытания полностью водонасыщенных глинистых грунтов пластичной консистенции в условиях закрытой системы дают круги напряжения (см. рис. 1.39) с общей касательной, параллельной оси а, т. е. подтверждается выполнение зависимости т = с.

В некоторых лабораториях практикуется проведение испытаний грунтов на сдвиг в условиях незавершенной консолидации. Предложены различные методики, но у всех них имеется основной недостаток — полная неопределенность в оценке напряженного состояния скелета грунта. При испытании грунта в нестабилизированном состоянии в принципе можно получить любое значение предельных касательных напряжений, соответствующее положению экспериментальной точки в секторе, заключенном между линиями 1 и 2 на рис. 1.42. В результате формально можно получить любые углы ф', меньшие угла внутреннего трения грунта ф. Величина угла ф' будет зависеть от техники проведения эксперимента, размеров образца, состояния дренажей и других трудно учитываемых факторов. Однако если в зоне сдвига замерить давление в поровой воде рг, то такая точка (например, точка а при нагрузке а'" на рис. 1.42) переместится на прямую 1 стабилизированного испытания (точка а', полученная для от;" = а"'-Р;).

Таким образом, основным методом получения расчетных характеристик прочности грунтов являются испытания грунтов в стабилизированном состоянии (дренированно-консолидированные испытания). Испытания грунтов в нестабилизированном состоянии возможны только при контроле величины избыточного порового давления рг, возникающего в зоне сдвига.

Явление дилатансии в грунтах, критическая пористость. Одной из ярких особенностей деформируемости зернистых сред, в частности грунтов, является их способность к существенным объемным деформациям в результате развития в них только деформации формоизменения — сдвига. Причем в одних условиях это могут быть деформации дополнительного уплотнения, а в других, наоборот, разрыхления. Для того чтобы эти объемные деформации, возникающие за счет только деформаций формоизменения, выделить из общей объемной деформируемости грунта, применяют специальный термин дилатансия. Но, так как в переводе это означает разрыхление, то ту часть деформаций уплотнения, которая происходит только за счет развития касательных напряжений, вынужденно называют отрицательной дилатансией или иногда контракцией.

Особенно ярко влияние явлений дилатансии проявляется в несвязных грунтах, например, при их испытании в сдвиговых приборах. Впервые явления разрыхления и уплотнения песков при сдвиге были отмечены в 1933 г. И. В. Яропольским и в дальнейшем исследовались А. Казагранде, Н. Н. Сидоровым, М. Н. Гольдштейном, В. В. Ра
диной и др. Песок рыхлого сложения по мере развития горизонтальных смещений каретки сдвигового прибора (см. рис. 1.18) начинает без изменения сжимающей вертикальной нагрузки дополнительно уплотняться, т. е. наблюдается осадка (+52) штампа сдвигового прибора (рис. 1.43, а). Наибольшее дополнительное уплотнение развивается к моменту начала разрушения образца. В песке плотного сложения при малых сдвиговых деформациях вначале происходит небольшое уплотнение грунта (+52), а затем по мере увеличения горизонтального смещения наблюдается интенсивное разрыхление песка, т. е. подъем штампа (—32), достигающего также максимума при разрушении образца.

 

Рис. 1.43. Графики подъема (—52) и опускания (+5г) штампа при сдвиге рыхлых (п ) и плотных (я'") песков и график определения критической пористости

Если провести такие испытания с контролем вертикальных перемещений штампа для песков различной начальной пористости, то, построив график зависимости вертикальных смещений штампа при разрушении образца от начальной пористости, можно получить значение критической пористости пк р (рис. 1.43, б). Таким образом, критической можно назвать такую пористость несвязного грунта, при которой в результате деформаций сдвига конечное значение пористости равно начальному, т. е. в результате разрушения структуры несвязного грунта не происходит изменения его общего объема.

При разрушении образцов песка в стабилометрах также наблюдается дополнительное уплотнение рыхлого песка (см. рис. 1.29, б, кривая 2") и ярко выраженное разрыхление плотно уложенного песка (кривая 2'). Определяя приращения объема образца (+ ДУ и

  1. А V) в период развития его разрушения, можно также определить пк р при А У = 0.

Критическая пористость несколько уменьшается с увеличением сжимающих напряжений. В крупнозернистых грунтах якр находится в области небольших значений относительной плотности сложения 1о, у песков средних и мелких — в пределах средней плотности сложения по'величине /д, а 'у" пылеватых песков в области значений /о , больших 0,6. В нормально уплотненных глинистых грунтах при развитии значительных деформаций формоизменения в основном наблюдается разрыхление грунта, т. е. положительная дилатансия. Очень рыхлые глинистые грунты, наоборот, доуплотняются.

Явления дилатансии ярко отражаются на характере связи касательных напряжений с величиной деформаций сдвига'грунта до и после достижения предельного состояния (рис. 1.44). Так, при развитии деформаций сдвига в рыхлом песке наблюдается постепенное нарастание касательных напряжений вплоть до предельных, вызываю
щих неограниченные смещения грунта (кривая 1). В случае плотного сложения после достижения предельного касательного напряжения тпр усилие, необходимое для развития деформаций сдвига, резко уменьшается (кривая 2). Это объясняется одновременно происходящим разрыхлением грунта. Таким образом, в результате явлений дилатансии Рис I 44. График связи (положительной и отрицательной) деформа-[image]

касательных напряжений ции формоизменения приводят к упрочне-

т с перемещением карет- нию рыхлых грунтов, а в плотных — К

ки сдвигового прибора разупрочнению в зоне сдвига.

Зх при испытании песка г

рыхлого (1) и плотного сложения (2)

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:4223 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:7422 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:4412 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Рідини глушіння свердловин і буферні рід…

Рідини глушіння свердловин і буферні рідини на основі крохмале-сольових гелів   Крохмалевий реагент можна одержати шляхом гідролізу крохмалю безпосередньо в сольових розчинах. Встановлено, що за певного співвідношенні густини і температури, в розчинах...

19-09-2011 Просмотров:3894 Підземний ремонт свердловин

Автоматизированные системы противопожарн…

Автоматизированные системы противопожарной защиты монтируют в жилых зданиях высотой 10 и более этажей. Автоматизированная система противопожарной защиты зданий повышенной этажности предназначена для автоматического обнаружения пожара, подачи сигнала о возникновении пожара, защиты...

01-04-2010 Просмотров:23340 Эксплуатация жилых зданий

Текстура породы

Текстура породы определяется пространственным распределением и расположением в ней разных минеральных компонентов (от однородной до пятнистой, полосчатой, ритмично-полосчатой, линзовидно-полосчатой и т.д.). При описании текстуры необходимо определить, чем вызваны эти неоднородности...

14-10-2010 Просмотров:6771 Геологическое картирование, структурная геология