От чего зависит прочность грунта

—>Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН —>

Способ определения механических свойств грунтов

Изобретение относится к строительству, механике грунтов, инженерной геологии, горному делу, в частности к лабораторным испытаниям грунтов для определения их физико-механических свойств. Как известно к одним из основных механических свойств грунтов относятся прочность и сжимаемость.

Известен способ определения механических свойств грунта путём испытаний на приборах трёхосного сжатия (стабилометрах) с отбором 3-х и более образцов грунта с ненарушенной структурой, последовательным сжатием каждого образца в приборе, построением на основе полученных результатов огибающей кругов Мора и определением значений угла внутреннего трения и сцепления [1].

К недостаткам данного способа относятся:

Относительно высокая стоимость приборов трехосного сжатия;
Необходимость отбора 3-х и более образцов грунта с ненарушенной структурой;
Сложность проведения испытаний по определению характеристик прочности грунта.

Известен способ определения механических свойств грунта по методу одноплоскостного среза с испытанием образцов ненарушенного сложения путем сдвига по фиксированной плоскости. Испытание заключается в сдвиге нижней части образца относительно его верхней части касательной нагрузкой при одновременном воздействии на образец нагрузки, нормальной к плоскости среза. Определяют предельное касательное напряжение, при котором происходит срез образца при заданном нормальном напряжении. Определение характеристик прочности φ и c производится путём испытаний как минимум трёх образцов исследуемого грунта.

Недостатками данного способа является необходимость подготовки не менее 3-х образцов грунта одного инженерно-геологического элемента. Это повышает стоимость определения механических свойств грунта, вызывает трудности в сохранении исходной структуры грунта в подготовленных образцах и единой технологии испытания.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения механических свойств грунта путём сжатия образца грунта в одометре с измерением осевого давления на образец грунта, с определением, в условиях невозможности боковых деформаций, параметров уплотнения образца грунта под сжимающей осевой нагрузкой [1].

Однако по данному способу испытания грунта не определяются характеристики его прочности, которые необходимы для расчётов несущей способности и деформируемости грунтов в основании сооружений и для прогноза проявления опасных геомеханических процессов, вызывающих нарушение равновесия и разрушительные деформации массивов.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков, путём проведения компрессионного испытания образца грунта с измерением бокового давления, построения огибающей кругов Мора, определения величин сцепления, угла внутреннего трения и структурной прочности по результатам одного испытания.

Это достигается тем, что способ определения механических свойств грунта путём осевого сжатия образца в условиях невозможности бокового расширения с получением характеристик прочности (угла внутреннего трения, сцепления и структурной прочности на сжатие) грунта включает подготовку образца грунта, установку образца в обойму прибора, создание осевого давления на образец и проведение измерение параметров, характеризующих состояние образца грунта, причем для определения характеристик прочности грунта, в процессе роста осевого активного σ₁,_i давления производят измерение и бокового реактивного σ_з,_i давления при сжатии образца грунта, для выявления величин осевого давления, превышающих структурную прочность, контролируют изменение отношения m_i между приращениями бокового ∆σ_з_i и осевого ∆σ₁_i и при произвольном значении осевого давления σ₁,_i , когда отношение m_i_-2= m_i_-1= m_i=m=const испытание прекращают с определением:

угол внутреннего трения φ=2(45-arc tg),

сцепления c= σ_str/2 tg(45+ φ/2),

где σ₁,_i , σ_з,_i – текущие значения давлений, а σ₁,_i > σ_str; m – коэффициент бокового давления грунта в предельном состоянии по Кулону-Мору при σ₁,_i > σ_str, m= tg 2 (45- φ/2).

Прочность грунтов определяют как свойство сопротивляться разрушению или сопротивляться воздействию внешних сил без полного разрушения.

Условием прочности грунта по Кулону-Мору является выражение:

где σ₁ и σ₃ – соответственно наибольшее и наименьшее главные напряжения, σ₁ >σ_2>σ₃ (σ₂ – среднее главное напряжение, не учитываемое в данном условии), φ и с – эффективные значения угла внутреннего трения и сцепления грунта.

Выражение (1) нередко называют условием прочности грунта в образце или в точке. Оно определяет, что предельные наибольшие сжимающие напряжения s₁, действующие на замкнутый элементарный объем грунта (образец), вызывают горизонтальные напряжения распора s₃=s₂ на боковые границы элементарного объёма. Предельное соотношение между _σ₁ и _σ3 зависит от значений _φ и с в соответствии с выражением (1).

По-существу полагается, что сжатие грунта происходит при отсутствии поперечных деформаций (компрессионные испытания), т.е. в жесткой обойме с измерением реактивного бокового давления (распора) _σ₃.

Выражение (1) может быть записано также следующим образом [2].:

где σ_str – структурная прочность грунта.

Физически структурная прочность грунта на сжатие соответствует предельному давлению, которое может выдержать структурный каркас грунта без разрушительных деформаций. Графически структурная прочность отсекается на оси абсцисс диаграммы Мора предельным кругом Мора, проходящим через начало координат, т.е. как и следует из выражения (2), при _σ3 = 0, σ₁ = σ_str. При σ₁ ≤ σ_str прочность структурных связей сохраняется, а при σ₁ = σ_str она полностью отмобилизована.

Аналитически структурная прочность определяется через значения _φ и с:

Экспериментально значение _σstr может быть получено из испытания грунта на одноосное сжатие – как предельное давление на образец грунта.

Таким образом, структурная прочность является важнейшей характеристикой грунта, определяющей сопротивление внешнему давлению структурных связей между частицами грунта, структурного каркаса.

В соответствии с (2) в предельном состоянии грунта в условиях невозможности боковых деформаций коэффициент бокового давления m, как отношение приращения бокового давления ∆_σ3 к приращению осевого давления ∆s₁, равен:

Под осевым давлением s₁, превышающим структурную прочность, грунт (в образце) раздавливается и возникает боковое распорное давление, которое в жесткой оболочке, препятствующей развитию поперечных деформаций, вызывает реактивное боковое давление σ₃.

Упомянутая жесткая оболочка, препятствуя поперечным деформациям образца осуществляет реактивное давление отпора, равного активному распорному давлению. Следует подчеркнуть, что если бы реактивное давление отпора отсутствовало, или было бы меньше давления распора, то последовало бы развитие поперечных и соответственно осевых деформаций образца грунта и последующее его разрушение.

Главная
О нас
Услуги
- Оценка оползневой опасности
  - Геотехнический мониторинг
    - Мониторинг подземных вод
    - Мониторинг сейсмических воздействий
- Оценка геологического риска
Выполненные работы
Фотогалерея
Оползни — Что это?
- Классификация оползней
Публикации
Лицензии, сертификаты, разработки, патенты
- Способ укрепления оползневого склона
- Способ укрепления оползнеопасного массива склона
- Способ определения глубины поверхности скольжения
Контакты

Наши Контакты

Технические вопросы,
консультации,
заявки на проведение работ

Тел.: +7 (495) 607-46-23
+7 (903) 196-25-16 Постоев Г.П.

Прочность грунтов

Закон Кулона для связных и несвязных грунтов

Грунты оснований зданий и сооружений испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, то происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.

Сопротивление грунта сдвигу характеризуется прочностными свойствами грунта и используется в расчетах оснований по первому предельному состоянию (по прочности).

Прочностью грунта называют способность его воспринимать силы внешнего воздействия не разрушаясь. Разрушение грунта, служащего основанием сооружения, слагающего берег (склон) водохранилища или же откос канала, происходит в виде перемещения-сдвига одной его части относительно другой тогда, когда силы внешнего воздействия превысят силы внутреннего сопротивления. Прочность грунта определяется его сопротивляемостью сдвигу и оценивается показателем, который называется предельным сопротивлением сдвигу τ .

В лабораторных условиях сопротивление грунта сдвигу устанавливается испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез) в сдвиговых приборах и приборах трехосного сжатия, в полевых — путем испытания крыльчаткой, методами раздавливания призмы грунта, сдвигом целика грунта в заданной плоскости и другими способами. На рис. 5.11 показан общий вид установки для испытания грунтов на одноплоскостной сдвиг.

Рис. 5.11. Общий вид прибора для испытания грунта на сдвиг

Сопротивление сдвигу песчаных и крупнообломочных фунтов возникает в основном в результате трения между перемещающимися частицами и зацепления их друг за друга. В этих грунтах сопротивление растяжению практически отсутствует, поэтому их называют сыпучими, или несвязны ми. Тогда сопротивление сдвигу в несвязных (сыпучих) грунтах зависит от сил трения между частицами.

Процесс разрушения глинистых грунтов значительно сложнее, чем песчаных или крупнообломочных. Водно-коллоидные и цементационные связи, которые имеют место в глинистых грунтах, обеспечивают некоторое сопротивление их растяжению.

Поэтому эти фунты часто называют связными. Тогда сопротивление сдвигу в связных фунтах складывается из сил трения частиц и сил сцепления между ними.
Сцепление — это сопротивление структурных связей глинистых грунтов всякому перемещению частиц.

Испытание глинистых грунтов на сдвиг производится по двум схемам:

I схема — закрытая (неконсолидированно-недренированные испытания), т.е. когда фунт не консолидирован. Испытания производятся сразу после приложения вертикальной нагрузки, при этом плотность и влажность грунта в процессе опыта не меняются. Такие опыты носят название «быстрого сдвига».
II схема — открытая (консолидированно-дренированная), т.е. когда грунт консолидирован. В этом случае испытания на сдвиг производятся после полной консолидации. Консолидация — процесс уплотнения грунта, сопровождающийся отжатием воды из пор грунта, т.е. это явление свойственно водонасыщенным грунтам.
Как было сказано выше, сопротивление грунтов сдвигу можно определить с помощью различных приборов. Наиболее простым из них является одноплоскостной сдвиговой ( рис. 5.12 ).

Рис. 5.12. Схема прибора для испытания фунта на сдвиг: 1 — неподвижная обойма; 2 — то же, подвижная; 3 — фильтрующая пластина с зубцами

Если образец грунта поместить в сдвиговой прибор (в виде двух компрессионных колец), то приложив вертикальную силу F и постепенно увеличивая горизонтальную силу Т, происходит срез (сдвиг) одной части образца относительно другой по линии, показанной пунктиром (см. рис. 5.12).

Опыты на сдвиг проводят при нескольких сжимающих напряжениях (о) для образцов грунта, находящихся в одинаковом состоянии и результаты оформляют в виде графиков ( рис. 5.13 ). При этом, чем больше а, тем больше предельное сопротивление сдвигу τ и .

Под действием возникающих в плоскости среза касательных напряжений τ=Т/А развиваются горизонтальные перемещения верхней части образца а ( см. рис. 5.13 ). По мере увеличения интенсивность горизонтальных перемещений а возрастает, и при некотором предельном значении τ = τ и дальнейшее перемещение части образца происходит без увеличения сдвигающего напряжения. Это свидетельствует о разрушении образца грунта.

Рис. 5.13. Кривые горизонтальных смещений части образца при различных значениях нормальных напряжений (а) и график сопротивления сдвигу образца песчаного грунта (б)

Многочисленными экспериментами различных авторов установлено, что график зависимости сопротивления сдвигу от нормального напряжения для песчаных и крупнообломочных грунтов с достаточной точностью может быть представлен отрезком прямой, выходящей из начала координат ( см. рис. 5.13, б ). Тогда эта зависимость может быть выражена уравнением

(5.27)

где tgφ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трение грунта о грунт, tgφ = ƒ; φ — угол внутреннего трения.

Зависимость (5.27) установлена французским ученым Ш. Кулоном еще в 1773 г. и формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется законом Кулона для несвязных фунтов.

Как известно, глинистые фунты (супесь, суглинок, глина) обладают связностью, интенсивность которой зависит от влажности и степени уплотненности грунта.
Испытание глинистых грунтов производится в таких же приборах, что и несвязных грунтов (см. рис. 5.12), только фильтрующая пластина — без зубцов.
Так же проводятся несколько испытаний и строится график (рис. 5.14). Тогда зависимость τ = ƒ (σ) для связных грунтов может быть представлена следующим образом:

(5.28)

где с — отрезок, отсекаемый от оси τ и прямой АВ ( рис. 5.14 ), называется удельным сцеплением и характеризует связность грунта.

Параметры φ и с лишь условно можно назвать углом внутреннего трения и удельным сцеплением, так как физика процесса разрушения грунта намного сложнее.

Рис. 5.14. График сопротивления сдвигу образцов глинистого грунта

На полученные величины параметров сопротивления грунта сдвигу (φ и с) оказывает влияние методика проведения опытов ( табл. 5.3 ).
Уравнение (5.28) называют законом Кулона для связных грунтов и формулируют следующим образом: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершении их консолидации есть функция первой степени нормального напряжения.

Таблица 5.3. Прочностные показатели глинистых грунтов, определяемые различными методиками

Схема испытания	Значения параметров
Схема испытания	φ, град	с, МПа
Мгновенный сдвиг без предварительного уплотнения	6	0,02
Быстрый сдвиг без предварительного уплотнения	5	0,027
Медленный сдвиг с предварительным уплотнением под нагрузками среза	20	0,003

Исследования, проведенные во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, показывают, что метод определения сопротивления сдвигу оказывает довольно существенное влияние на конечные результаты.

Так, φ и с определенные в полевых условиях по результатам сдвига жестких бетонных штампов, довольно существенно отличаются от результатов, полученных на приборе одноплоскостного среза для грунтов с ненарушенной структурой ( табл. 5.4 ).

Таблица 5.4. Характеристики грунтов, полученные различными испытаниями (по П.Д. Евдокимову, 1966)

Вид грунта	Метод испытаний
	Бетонный штамп	Бетонный штамп	Бетонный штамп	Бетонный штамп	Одометр	Стабилометр
	φ, град.	с, Н/см2	φ, град.	с, Н/см2	φ, град.	с, Н/см2
Мелкий песок	25-30	0,6	34	0,6	42
Плотные суглинки, супеси	22-45	6,3	27-35	0,6	33	15
Глина	14-16	3,8-5,2	17	0,92	—	—
Плотная глина	28	1,6	34	20,7	—	—

Применявшиеся бетонные штампы размером от 1,5×1,0 до 2,5×2,5 м позволили интегрирование учесть свойства грунта большого объема, в то время как испытания в лабораторных условиях на образцах объемом в несколько кубических сантиметров дают возможность определить лишь свойства грунта в той точке, в которой взята проба.
Таким образом, для расчета оснований зданий и сооружений необходимо определить вышеуказанные прочностные характеристики грунта, а именно: угол внутреннего трения и удельное сцепление грунта.

Для расчетов оснований зданий и сооружений II и III классов можно использовать нормативные значения прочностных и деформационных характеристик, приведенных в СНиП 2.02.01—83*.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие рекомендации распространяются на исследование прочности грунтов малой степени литификации и оценку ползучести при назначении прочностных характеристик грунтов оснований.

1.2 К грунтам малой степени литификации относятся осадочные глинистые отложения субаквального происхождения в начальной стадии формирования (илы, сапропели, ленточные глины и суглинки, текучепластичные и мягкопластичные глины) и грунты, образовавшиеся в условиях переменного режима избыточного увлажнения (торф, заторфованный грунт).

1.3. Проектировать основания на указанных грунтах рекомендуется на основе данных изысканий и исследований грунтов, выполненных в соответствии с требованиями СНиП II -9-78 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» и других нормативных документов по инженерным изысканиям и исследованиям грунтов, утвержденных Госстроем СССР, и с учетом настоящих «Рекомендаций».

1.4. Рекомендации основываются на положении о возможном уменьшении прочности грунтов малой степени литификации под нагрузкой во времени благодаря ползучести. При этом предполагается, что прочность уменьшается, в основном, за счёт уменьшения сцепления. Прочность грунтов малой степени литификации в природном состоянии зависит от скорости приложения касательных напряжений или скорости деформирования грунта и практически не зависит от среднего нормального напряжения σ, т.е. τ = c ; φ = 0.

1.5. Рекомендуется прочность (минимальное сцепление) с учетом ползучести или фактора времени называть порогом прочности и обозначать τ пр .

1.6. При установлении метода определения прочности грунтов рекомендуется учитывать их физическое состояние в природном залегании, метод строительства и напряженное состояние, возникающее в грунте — основании под нагрузкой. Также необходимо учитывать возможность возникновения в результате действия нагрузки нестабилизированного состояния основания, сложенного грунтами малой степени литификации, вследствие уменьшения касательного напряжения на площадке скольжения за счет образования избыточного давления в поров о й воде u .

τ = ( σ — u ) tg φ + c ,

где τ — касательное напряжен ие на площадке скольжения;

σ — нормальное напряжение на площадке скольжения;

φ — расчетный у гол внутреннего трения грунта;

c — расчетное значение удельного сцепления.

1.7. Для объективного суждения об изменении прочности грунта под нагрузкой во времени рекомендуется определять порог прочности τ пр в трехосных приборах при сохранении в течение опыта определенного напряженно-деформированного состояния грунта, т.е. постоянной его плотности-влажности. Для этого следует определять прочность консолидированных образцов, находящихся в стабилизированном состоянии в течение опыта.

Перед определением прочности каждый образец грунта обжимается под заданным гидростатическим давлением, равным среднему нормальному напряжению при испытании.

Величина гидростатического давления определяется проектным заданием.

Определение порога прочности грунта природной плотности возможно на образцах, уплотненных давлением, равным σ_ст _р . (горизонтальный участок на компрессионной кривой), или в случае разуплотнения грунта при подъеме образца на поверхность давлением σ _э.

Величина σ _э устанавливается по ме тоду, изложенному в прил. 1.

1.8. Для определения предельного состояния грунтов малой степени литификации рекомендуется использовать условие прочности Мора-Кулона (прил. 2).

2. НОМЕНКЛАТУРА ГРУНТОВ МАЛОЙ СТЕПЕНИ ЛИТИФИКАЦИИ

2.1. Грунты малой степени литификации следует подразделять по генезису на морские, переходные (лагунные, лиманные, дельтовые) и континентальные (аллювиальные, озерные, болотные).

По л итологическому составу эти грунты могут быть глинами, суглинками и супесями; глинистые грунты могут иметь тонкие прослойки песка.

Грунты малой степени литификации полностью водонас ыщены ( G > 0,85) и имеют скрытотекучую, текучепластичную или мягкопластичную консистенцию, характеризуются тиксотропно-коагуляционными связями (по П.А. Ребиндеру).

Структурные связи грунтов обусловлены молекулярными силами Ван-Дер-Ваальса.

По минералогическому составу глинистых фракций эти грунты могут быть монтмориллонитовыми, каолинитовыми или гидрослюдистыми.

Активные микро биологические процессы, сопровождающие формирование грунтов в начальной стадии, обусловливают в их составе наличие органических веществ,

2.2. К грунтам малой степени литификации, образовавшихся в болотных условиях, относятся торфы и заторфованные грунты. Торфы образуются в отличие от илов и сапропелей при переменном режиме избыточного увлажнения из остатков высших растений.

Д ля процесса торфообразования характерно наличие окислительных процессов при затрудненном поступлении кислорода, что ведет к образованию гумусовых веществ. Схема классификации грунтов малой степени литификации приведена в табл. 1.

Схема классификации грунтов малой степени литификации (Поздне- и послеледниковые современные отложения)

Морск ие отложения

Лиманны е, лагунные, дельтовые отложения

супесчаные, суглинистые, глинистые илы и супеси, суглинки, глины

Механические характеристики грунтов

Основными параметрами для проектирования и строительства, в процессе инженерно-геологических изысканий является определение механических свойств грунтов как лабораторными так и полевыми методами.

Именно механические свойства грунтов — являются основой в проектировании зданий и сооружений — от возведения небольших домов, коттеджей и прокладки коммуникаций до возведения высотных зданий с многоуровневыми подземными парковками.

Характеристики грунта – это его особенности, которые зависят от состава и взаимосвязей между компонентами. Механические характеристики грунтов представляют собой свойства, проявляющиеся при воздействии на грунт нагрузок. На основании механических характеристик выполняются расчеты для проектировки фундаментов, несущих конструкций и других элементов строения, контактирующих с геологией. Характеристики служат исходной информацией и имеют большое значение для исследования и предвидения процессов геологии, происходящих у поверхности земли.

Чтобы рассчитать деформации, нагрузку, которую может выдерживать грунт и оценить прочность фундамента, нужно обладать данными о механических свойствах эксплуатируемых грунтов.

К механическим характеристикам грунтов относят:

— прочность (сопротивляемость растяжениям, проницаемость водой, фильтрация);

На механические характеристики грунтов влияет их состав, параметры физического состояния, а также особенности их структуры. Грунты могут иметь гранулометрический или минеральный состав. К параметрам физического состояния относится плотность, уровень влажности, температура.

Характеристики деформации

К характеристикам деформации относятся:

— показатель упругости, он рассчитывается в пропорциональном соотношении между вертикальной нагрузкой, приходящейся на грунт и относительной величиной деформации почвы, происходящей в вертикальной плоскости. Для определения этого модуля проводятся эксперименты на сжатие в процессе разгрузки исходно уплотненного грунта, взятого в качестве образца;

— показатель общей деформации, рассчитывается в пропорциональном отношении между нагрузкой и относительной величиной искажений почвы в линейной плоскости, которые возникают под воздействием этого давления. Если значение модуля искажений меньше 5 Мпа грунт считается мягким.

Значение показателя упругости всегда превышает показатель общего искажения. Показатель упругости переделяется в процессе экспериментов над образцами почвы и основывается на их упругости, имеющей место во время разгрузки, а показать общих искажений, определяет поведение почвы и при упругих, и при остаточных искажениях.

Механические характеристики грунтов

Сжимаемость грунтов

Сжимаемость грунтов – это показатель, показывающий уровень сжимаемости в условиях, при которых грунт не может расширяться в стороны.

Осадка грунта – это свойства почвы сокращать объем под влиянием уплотняющего давления. Составляющими грунта являются частички, имеющие различную величину и поры, внутри которых находится вода и воздух. Частицы могут иметь связь друг с другом или быть несвязанными. В процессе появления напряжения, возникающего в ходе сжатия изменяются объемы, это становится возможно, благодаря сокращению объемов внутри грунтовых пор, в которых находится газ или же вода. Если грунты насыщены водой, их полное сжатие может произойти, только если жидкость будет вытеснена из пор.

Показатель искажения характеризует сжимаемость, значение уплотнения и коэффициент осадки.

Величина показателя сжимаемости изменяется в большом диапазоне, на нее влияет состав, тип и состояние почвы. Показатель искажения изменяет свое значение под воздействием давления.

Угол внутреннего трения – это значение, отражающее линейную зависимость сопротивляемости грунта от нагрузки, приходящейся вертикально.

Оценивать уровень сжимаемости почвы нужно по начальному отрезку компрессионной линии в диапазоне давления от 0,5 до 1,5 кгс/см2, если показатель давления будет выше, то даже самые слабы почвы слабо сжимаются. Показатель уплотнения позволяет приблизительно оценить степень сжимаемости почвы. Показатель осадки служит отражением величины искажения.

В зависимости от усадки искажения подразделяют на две группы: пластичные и упругие. Последние появляются под влиянием нагрузок, которые меньше прочность структуры почв, не оказывающих разрушительного действия на связи между составляющими, и обуславливается способностью почвы возвращаться в первоначальное состояние после того, как исчезнет давление.

Пластические искажения разрушают связи между составляющими и скелет почвы. Пластичные искажения делают почву более уплотненной благодаря изменению размера пор внутри почвы, а искажения со сдвигом благодаря изменению ее исходной формы и могут приводить к разрушению.

Характеристики прочности

Выделяют несколько характеристик прочности:

Механические характеристики грунтов

Сопротивляемостью к растяжениям называется свойство почвы оказывать противостояние перемещение частей почвы в отношении друг друга вод влиянием прямой нагрузки и касательной. Характеристики прочности применяются при расчете фундаментов. Под прочностью подразумевается свойство почвы выдерживать нагрузки, не подвергаясь разрушению. В песчаных почвах и грунтах с большими обломками сопротивляемость становится достижимой преимущественно благодаря силе трения отдельно расположенных частиц, такие почвы называются сыпучими. Почвы глинистого типа имеют большую сопротивляемость к сдвигам, так как в этом случае имеет место сцепление.

Водопроницаемость – это свойство почвы пропускать жидкость, она зависит от структуры почвы и ее состава. Если пор мало и в составе есть глина, показатель проницаемости водой будет ниже, чем у песчаных почв. Данная характеристика оказывает влияние на устойчивость строений и скорость уплотнения почв под фундаментами, а также оползни.

Под фильтрацией подразумевается перемещение воды в почвах при свободной гравитации, во всех направлениях: вверх, вниз, в стороны под влиянием гидравлики.

Характеристика прочности почв – это их способность оказывать сопротивление силовым влияниям извне.

Для скальных почв прочность оценивают по предельному значению прочности на сжатие в одной оси, а для нескальных по их механическим параметрам.

Различают следующие уровни прочности:

— сверх прочные – значение больше 120;

— прочные – больше 50, но меньше 120;

— средний показатель прочности – меньше 50, но больше 15;

— небольшой прочности – меньше 15, но больше 5;

— сниженной прочности – меньше 5, но больше 3;

— сниженной прочности – меньше 3, но больше 5;

— очень низкой прочности – меньше 1.

Удельное сцепление почвы – это показатель непосредственной зависимости почвы от давления. Сцепление зависит от типа грунта и уровня его влажности (измеряется в Мпа).

Разрыхляемость

Это свойство почвы увеличивать свой объем в ходе разработки из-за потери связей между составляющими. Показатель разрыхления может быть исходным и остаточным. Исходный коэффициент – это отношение количества разрыхленной почвы к ее количеству в первоначальном состоянии.

Показатель остаточного разрыхления – отражает увеличение размера почвы, происходящего в результате ее уплотнения в сравнении с ее первоначальным состоянием.

Трещины и воздействие, которое они оказывают на механические характеристики почв

На свойства почв влияет не только прочность минеральных компонентов, но связи между отдельно расположенными частицами.

Связи между составляющими элементами в грунтах обычно классифицируют на несколько категорий:

— жесткие, их также называют кристализационными;

— жидкостно-коллоидные или вязкие.

Связи, отличающиеся жесткостью, имеют скальные почвы, а пластичными обладают глинистые.

Жесткие связи растворяются или не растворяются в воде. В процессе растворения жестких связей их могут заменять жидкостно-коллоидные.

Нескальные почвы в соответствии с особенностями связей, классифицируются на несколько групп:

— сыпучие (с крупными обломками и песчаные почвы).

Чаще все трещины возникают в скальных и глинистых почвах, отличающихся плотностью. С учетом разделения трещинами такие почвы классифицируют на:

— цельные (трещины отсутствуют или они есть, но при этом не пересекаются друг с другом);

— трещиноватые (растрескивания пересекаются в определенной степени, при этом остаются участки прочной почвы);

— разборные (сетка из трещин, с пересечениями и разделением скального грунта).

Трещины отрицательно сказываются на механических характеристиках грунтов, а именно на прочности. Под воздействием трещин могут появляться сдвиги участков почвы, находящихся под нагрузкой. На почвах глинистого типа и песчаных также могут быть трещины, вызывающие замачивание почвы, отрыв ее частей и движение вниз в результате оползневых явлений. Игнорировать трещины нельзя, это может привести к негативным последствиям в ходе строительства и эксплуатации объекта.

Механические свойства грунтов имеют большое значение в строительстве. Они применяются для расчетов искажений, позволяют оценить прочность и почв и как следствие устойчивость фундаментов.

Исследование грунтов, их характеристик, ведется при помощи современного оборудования с применением передовых технологий.

Специалисты нашей компании обладают большим опытом в изучении механических характеристик грунта: сжимаемости, просадачности, прочности, упругости, трения, сцепления. Мы работаем с грунтами разных типов и знаем все нюансы исследования их свойств. Изучение механических характеристик грунтов выполняется в лаборатории и позволяет получить точные результаты, играющие большую роль в успешном строительстве.

От чего зависит прочность грунта

Роль грунта в строительстве

Грунт представляет собой основание здания, его не видно, он находится под сооружением, но его роль в строительстве огромна. От прочности основания зависит срок службы здания, сколько дом простоит, сколько землетрясений он выдержит. На устойчивость и долговечность будущего построенного сооружения влияют прочностные характеристики грунта, которые отвечают за то, чтобы здание не просело и не наклонялось.

Схемы нагружения образцов грунта: а – истинное трехосное сжатие; б – плоская деформация; б – трехосное сжатие.

Грунт имеет деформационные свойства, о которых не стоит забывать!

Прочность основания зависит от того, какое напряжение оно сможет выдержать, при этом не смещаясь и не деформируясь. Вспомните Пизанскую башню, которая с каждым годом все больше и больше наклоняется к земле. Это произошло, потому что архитектор, который создавал эту легендарную башню, не учел, что почва под башней недостаточно прочная для такого сооружения.

Определение прочностных характеристик грунтов с заданной надежностью.

Для того чтобы не происходило таких казусов, грунт должен соответствовать определенным стандартам – ГОСТам. Если бы строители и архитекторы не учитывали деформационные свойства почвы и воздействие внешних факторов, то количество руин возросло. Нужно не только учитывать все возможные факторы влияния на будущие здания, но также рассчитывать максимальное значение этого влияния.

В физике характеристика прочности грунтов характеризуется условием прочности Кулона-Мора. Если полностью окунуться в физику, то прочностные характеристики грунта определяются такими показателями сил трения, как угол внутреннего трения и сцепление. Эти характеристики позволяют построить устойчивое здание, которое не будет проседать и наклоняться.

Состояние земли не статично, оно меняется под влиянием природных и искусственных факторов. Из-за переменчивого состояния почвы возникает необходимость изучать ее свойства и взаимодействие с внешней средой.

Существует несколько прочностных характеристик грунтов, совокупность их показателей определяет надежность и прочность основания. Человеку, который не имеет отношения к физике или строительству, трудно будет разобраться, но вам всегда помогут профессиональные строители и геодезисты. Подготовка к строительству дома – трудоемкий и ответственный процесс, от качества строительства зависит жизнь будущих жильцов дома. По этой причине государственные органы следят, чтобы строительство отвечало всем установленным нормам и стандартам.

Основные прочностные характеристики грунта

Схема испытаний грунта в зависимости от его исходного состояния.

Гранулометрический состав почвы – доля частиц разного размера, которые образуют данную почву (выражается в процентном отношении). Размер частиц у каждой породы свой: у глинистых пород – миллиметры, у крупнообломочных пород – сотни и десятки сантиметров.
Объемная масса – это величина массы земли, объем которой 1 куб. см. Важным условием является то, что масса должна определяться, при естественной влажности и пористости земли.
Объемная масса является одной из главных характеристик, которая определяет прочность грунтов. Она зависит от влажности и пористости земных пород. Также рассчитывается объемная масса твердой фазы, то есть масса единица земли, но без массы воды.
Естественная влажность – количество воды в почве при естественных условиях. Влажность сильно варьируется в зависимости от исследуемой породы. Величина влажности может сделать одну и ту же породу разной прочности. От естественной влажности напрямую зависит устойчивость основания.
Пористость грунтов. Если рассмотреть эту характеристику со стороны физики, то ее можно определить как отношение объема пор почвы ко всему его объему, соответственно, пористость выражается в процентах. Пористость является основной характеристикой плотности основания, от которой напрямую зависят прочностные характеристики.
Пластичность грунтов – тоже важный фактор при определении прочностных характеристик грунта. Пластичность является показателем того, какую нагрузку почва может выдержать без разрыва сплошности. Также пластичность означает сохранение полученной формы после оказания на почву внешнего воздействия. Пластичность зависит от влажности и состава земли.
Клейкость или липкость грунтов – способность почвы при определенном количестве воды в нем прилипать к инструментам и строениям.
Набухание и усадка почвы. Если в грунте увеличить содержание воды, то он увеличится в объеме – это набухание, а если уменьшить, то его объем станет меньше – это усадка.

Схема нарушения структуры грунта основания при промерзании за счёт сил пучения и при оттаивании за счёт снижения прочностных свойств из-за обильного водонасыщения основания.

Пожалуй, это самые необходимые характеристики прочности грунтов. При строительстве нужно учитывать каждый фактор по отдельности и их совокупность. Если один показатель в норме, это совсем не означает, что другой тоже будет соответствовать строительным стандартам. Перед началом строительства обязательно должен быть проведен комплекс геолого-геодезических работ. После разведочных работ вы получаете геолого-геодезическое заключение, на основании которого можно осуществлять расчетные работы.

Инженерно-геологические изыскания дают вам комплексную картину и характеристики района или необходимого вам участка под строительство. Данные изыскания – трудоемкий процесс, который требует много времени и конкретную информацию. Основная задача изыскания – определение геологического разреза, уровня вод и отбор почвы.

Данные изыскательные работы невозможно избежать перед началом строительства, только на основании полученных фактов вы сможете приступить к строительству дома своей мечты.

Механические свойства грунтов

Механические свойства грунтов — свойства грунтов, проявляющиеся при приложении к ним нагрузок. Различают прочностные и деформационные свойства.

Для расчетов деформаций, устойчивости грунта и оценки прочности оснований необходимо знать механические характеристики используемых грунтов. Такими свойствами определяется поведение грунтовых массивов под воздействием нагрузок и при изменении их физического состояния. На механические свойства оказывают влияние характер структурных связей частиц, гранулометрический и минеральный состав и влажность грунтов. Основными механическими свойствами грунтов считают: сжимаемость; сопротивление сдвигу; водопроницаемость.
Способность грунта уменьшаться в объеме под воздействием уплотняющих нагрузок называют сжимаемостью, осадкой или деформацией. По физическому строению грунт состоит из отдельных частиц различной крупности и минерального состава (скелет грунта) и пор, заполненных жидкостью (вода) и газом (воздух). Частицы в грунте бывают связанные и несвязанные между собой, но независимо от этого, прочность связей всегда ниже прочности частиц. При возникновении напряжений сжатия изменение объемов происходит за счет уменьшения объемов, располагающихся внутри грунта пор, заполненных водой или воздухом и за счет сгущения связующих (коллоидов). Таким образом, сжимаемость зависит от многих факторов, основными из которых являются физический состав, вид структурных связей частиц и величина нагрузки.
По характеру усадки разделяют упругие и пластические деформации. Упругие деформации возникают в результате нагрузок, не превышающих структурную прочность грунтов, т.е. не разрушающих структурные связи между частицами и характеризуются способностью грунта возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузок. Пластические деформации разрушают скелет грунта, нарушая связи и перемещая частицы относительно друг друга. При этом объемные пластические деформации уплотняют грунт за счет изменения объема внутренних пор, а сдвиговые пластические деформации – за счет изменения его первоначальной формы и вплоть до разрушения. При расчетах сжимаемости грунта основные деформационные характеристики определяют в лабораторных условиях согласно коэффициенту относительной сжимаемости, коэффициенту бокового давления и коэффициенту поперечного расширения.
Сопротивление сдвигу. Прочность грунта.
Предельным сопротивлением сдвигу (растяжению) называется способность грунта противостоять перемещению частей грунта относительно друг друга под воздействием касательных и прямых напряжений. Этот показатель характеризуется прочностными свойствами грунтов и используется в расчетах оснований зданий и сооружений. Способность грунта воспринимать нагрузки не разрушаясь, называют прочностью. В песчаных и крупнообломочных несвязных грунтах сопротивление достигается в основном за счет силы трения отдельных частиц, такие грунты называют сыпучими. Глинистые грунты обладают более высоким сопротивлением к растяжению (сдвигу), т.к. наряду с силой трения сдвигу противостоят силы сцепления: водно-коллоидные и цементационные связи (связные грунты). В строительстве этот показатель важен при расчете оснований фундаментов и изготовлении земляных сооружений с откосами.
Водопроницаемость грунтов.
Водопроницаемость характеризуется способностью грунта пропускать через себя воду под действием разности напоров и обуславливается физическим строением и составом грунта. При прочих равных условиях при физическом строении с меньшим содержанием пор, и при преобладании в составе частиц глины водопроницаемость будет меньшей, нежели у пористых и песчаных грунтов соответственно. Нельзя недооценивать данный показатель, т.к. в строительстве он влияет на устойчивость земляных сооружений и обуславливает скорость уплотнения грунтов оснований, суффозию грунта и оползневые явления (в т.ч. и на сопротивление растяжению). Фильтрацией называется движение свободно-гравитационной воды в грунтах в различных направлениях (горизонтально, вертикально вниз и вверх) под воздействием гидравлического градиента (уклона, равного потере напора на пути движения) напора. Коэффициентом фильтрации (Kf) принято считать скорость фильтрации при гидравлическом градиенте равном единице. При этом скорость фильтрации (V) прямо пропорциональна гидравлическому градиенту (J). V = Kf * J.

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 = т_ПР, 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 т_пр от сжимающих напряжений а

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

Экспериментальная зависимость т_ПР (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»)

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 ь_г (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 ст_1>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/см 3 , благодаря угловатости частиц более прочен (ф = 39°), чем песок Шульбинской плотины, намытый с коэффициентом пористости 0,6 (1,64 г/см 3 ), 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.

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

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

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

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

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 р_г происходит увеличение сопротивления грунта сдвигу (возрастание прочности). При полной стабилизации р_г — 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 _г

_{Сайт инженера-проектировщика}

_{> Главная}

_{> Расчеты}

_{> Несущие конструкции}

_{> Изоляционные материалы}

_{> Чертежи в формате dwg}

_{> Проекты повт. применения}

_{> Справочник материалов}

_{> Метизы}

_{> Здания и сооружения}

_{> RAL, текстуры, цвета}

_{> Программы для проектирования}

_{Сопротивление грунтов сдвигу. закон Кулона}

_{Под действием собственного веса или приложенной внешней нагрузки в отдельных точках (областях) массива грунта внешние эффективные давления могут вызвать касательные напряжения, превышающих внутренние связи в точках контактов структурных агрегатов и самых твердых частиц. В результате возникают оползни (скольжения) одних частиц и их агрегатов относительно других, что может нарушить целостность грунта в некоторой области, то есть прочность грунта будет исчерпана.}

_{Характерными проявлениями сдвига является выпирание массивов грунта из-под подошвы фундаментов, сползания грунтовых массивов в откосах и склонах и тому подобное.}

_{Внутреннее сопротивление, препятствует смещению частиц в сыпучих (несвязные) грунтах, т.к. объясняется возникающим в точках их контакта внутренним межчастичным трением, которое связанно с шероховатостью поверхности твердых частиц. В связных грунтах смещения частиц, кроме трения, оказывают силы внутреннего сцепления, обусловлены рядом факторов:}

_{— наличием жестких кристаллизационных и цементационных структурных связей (природных цементов — коллоидных гелей и солей, как растворимых, так и не растворимых в воде) в точках контакта твердых частиц и по поверхностям оболочек связанной воды;}

_{— наличием вязкопластических водно-коллоидных структурных связей, вызванных электро-молекулярными силами взаимодействия между твердыми частицами, с одной стороны, и пленками связанной воды, и коллоидными оболочками, прочно связанными с твердыми частицами — с другой;}

_{— капиллярным давлением в зоне капиллярного увлажнения;}

_{— взаимным заклиниванием и зацепленем частиц и тому подобное.}

_{Вместе с тем, процесс деформирования грунта при сдвиге является очень сложным, и разграничивать сопротивление грунтов оползня на внутреннее трение и сцепление имеет в значительной степени условный характер. Так, невозможно выделить в чистом виде элементы, связанные с преодолением сил цементации структурных агрегатов, молекулярной связности, сопротивления деформированию водных пленок, взаимного заклинивания и зацепления частиц и т.д.}

_{Количественные показатели сопротивления сдвигу — это основные характеристики прочности грунта. Они не постоянны и зависят от многих взаимосвязанных факторов: крупности и формы частиц грунта, его минералогического состава, степени водонасыщения и плотности строения, скорости приложения и продолжительности действия нагрузки и тому подобное. Правильный выбор показателей сопротивления сдвигу имеет важное значение для практики, ведь он вызывает точность расчетов большого перечня инженерных задач — предельного давления на грунт основания, устойчивости грунтовых массивов, давления грунтов на ограждающие сооружения и др.}

_{В зависимости от физических свойств грунтов, обусловливающие их напряженно-деформированное состояние под зданием или сооружением, прочностные характеристики можно определять по результатам испытания грунтов методами консолидированного или неконсолидированного смещения.}

_{Опытное определение показателей сопротивления грунтов сдвигу можно выполнять различными методами: по результатам прямого плоскостного сдвига, одноосного и трехосной сжатия, сдвига по цилиндрических поверхностях и др. Наиболее распространенными и простыми являются испытания при прямом плоскостном сдвиге.}

_{Рисунок 1 — Схема одноплоскостного оползневого прибора:1 — образец грунта; 2 — разрезное кольцо (гильза) 3 -нижняя неподвижная обойма; 4 — верхняя подвижная обойма; 5 — фильтр; 6 — фильтр-штамп; 7 — поддон;8 — станина; 9 — плоскость сдвига; 10 — индикатор}

_{Цилиндрический образец грунта 1 после предварительного уплотнения размещают в разрезном кольце (гильзе) 2 оползневого прибора так, чтобы одна его половина оставалась неподвижной, а вторая могла перемещаться горизонтально под действием приложенной к ней оползневой нагрузки T, причем должна быть обеспечена возможность увеличения или уменьшения объема грунта при сдвиге.}

_{К образцу прикладывают нормальную к поверхности сдвига 9 сжимающую нагрузку N. После полной стабилизации деформаций от ее действия, половинки гильзы раздвигают до образования небольшого зазора для устранения трения между ними.}

_{Касательное к поверхности смещения нагрузки T прикладывают к верхней обойме оползневого прибора 4 ступенями до тех пор, пока не произойдет сдвиг и скольжение одной части грунта по второй. Одновременно с приложением оползневой нагрузки выполняют измерения горизонтальных деформаций грунта Δl индикатором 10. Происходит свободный отвод воды, которая выжимается из пор грунта при его сжатии, что осуществляется через фильтры 5 и 6. Сдвигающие силы T_i, отнесенные к площади поперечного сечения образца A в плоскости сдвига, дают касательные сдвигающие напряжения t_i, а силы N_i, отнесены к той же самой площади, дают нормальные плоскости сдвига сжимающие напряжения в образце s_i:}

Выполняют смещение нескольких (не менее трех) образцов, обжимаемых различными вертикальными нормальными напряжениямиσ₁ … σ₃, которые в течение одного испытания оставляют неизменными, и определяют соответствующие им значения предельных касательных напряжений (предельных сопротивлений смещения)t_u,1… t_u,3.

Результаты исследования сопротивления грунта сдвигу оформляют в виде графиков зависимостей горизонтальных деформаций грунта Δl_i от касательных напряжений t_i (2, а) и предельных сопротивлений смещения t_u,i от вертикальных нормальных сжимающих напряжений s_i (2, б).

Рисунок 2 — Графики сопротивлений смещению сыпучего грунта при различных вертикальных нормальных сжимающих напряжениях:а — горизонтальных перемещений Δl; б — предельных сопротивлений смещенииt_u

Как показывают многочисленные результаты исследований, для сыпучих грунтов (сухие пески и крупнообломочные грунты) в пределах обычных изменений вертикальных нормальных давлений, в большинстве случаев имеет место (от 0,05 до 0,5 … 0,7 МПа), зависимость между предельными опорами сдвига t_{u, i} и вертикальными нормальными сжимающими напряжениями s_i можно принять линейной из начала координат (рис. 2, б) в виде

где tgφ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трением между частицами; φ — угол наклона прямой к горизонтальной оси нормальных сжимающих напряжений, который называют углом внутреннего трения.

Эта зависимость установлена еще в 1773 г.. Французским ученым Ш. Кулоном. Она выражает закон сопротивления сыпучих (несвязных) грунтов смещению, формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально внешнему нормальному к плоскости сдвига давлению. Этот закон в механике грунтов называется закона Кулона для сыпучих грунтов.

В сопротивлении сдвига связных грунтов (глинистые грунты, сапропели и др.) решающую роль играет сцепление — составляющая, которая не зависит от величины вертикального нормального сжимающего напряжения.

Если по аналогичной методике в таком же приборе провести несколько (не менее трех) испытаний на сдвиг одного и того же связного грунта, подвергая образцы действию различных вертикальных нормальных сжимающих напряжений σ_i, то в общем случае можно получить криволинейную зависимость предельных сопротивлений грунта сдвигу (рис. 3).

Рисунок 3 — График предельных сопротивлений смещения связного грунта при различных вертикальных нормальных сжимающих напряжениях.

Криволинейность зависимости наиболее ощутима при небольших значениях уплотнительных давлений (в пределах от 0 до σ=0,05 МПа). При нормальных сжимающих напряжениях в диапазоне σ_i = 0,05 … 0,5 МПа зависимость можно представить прямой линией, описываемой уравнением

где c — удельное сцепление грунта (величина отрезка, отсеченного прямой на вертикальной оси предельных сопротивлений смещения), МПа. Эта зависимость получила название закона Кулона для связных грунтов, формулируют так: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу, при завершенной их консолидации, можно рассматривать как сумму сопротивления трения, прямо пропорционального внешнему нормальному к плоскости сдвига давлению, и сопротивления сцепления, независимого от этого давления.

Если линию зависимости t_{u, i}= ƒ(s_i) довести до пересечения с осью вертикальных нормальных к плоскости сдвига сжимающих напряжений, можно получить величину p_e, которую называют фиктивным давлением связности или условным эквивалентным давлением, создаваемым распределенными по объему грунта внутренними силами связности. Она может быть представлена как давление, необходимое для уплотнения, в условиях компрессионного испытания грунта, с влажностью на границе текучести (то есть такого, что практически не имеет сопротивления сдвигу) до состояния, в котором образец грунта находится при закладке в прибор для испытания на сдвиг.

Используя эквивалентное давление, параметр сцепления можно записать

Таким образом, угол внутреннего трения j_і и удельное сцепление c следует рассматривать как математические параметры прямолинейных диаграмм сопротивления грунтов сдвигу.

Лекция 2. ПРЕДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТА СДВИГУ. УСЛОВИЕ ПРОЧНОСТИ ГРУНТА (ЗАКОН КУЛОНА)

Скачать:

в рамках общей темы «Основные закономерности механики грунтов»

Основные показатели грунтов, используемые при расчётах предельной прочности и устойчивости грунтов, а также при расчете давления грунтов на ограждения могут быть получены в результате изучения сопротивляемости грунта сдвигу, обусловленной в сыпучих телах – внутренним трением, а в связных грунтах – трением и сцеплением.

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТА

Если к поверхности грунта основания приложить нагрузку p, в нём возникнет напряженное состояние:

Полные напряжения по граням элемента σ’ и σ» можно разложить на нормальные составляющие σ_z и σ_x и касательные (сдвигающие) τ (рис. 2,а).;

Нормальные напряжения сжимают элемент, а касательные «перекашивают» (поворачивают) его. Если представить, что элемент состоит из шаровых зёрен грунта, связанных в точках контакта, то нормальные напряжения сжимают зёрна и усиливают связи между ними, а касательные стремятся вызвать относительный сдвиг зёрен, т.е. разрушить грунт (рис. 2,б).

В том случае, когда касательные усилия превзойдут сопротивление зёрен в точках контакта, произойдет относительный сдвиг частиц (Δx и Δz на рис 2,в). Эти деформации являются необратимыми и свидетельствуют о разрушении грунта в данной точке. Причиной разрушения являются касательные напряжения τ, которые превзошли величину внутреннего сопротивления грунта сдвигу.

ВНУТРЕННЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТА СДВИГУ

Внутреннее сопротивление грунта сдвигу происходит в результате действия сил трения между частицами и сцепления между ними:

1. Силы трения. Характеризуют внутреннее сопротивление в идеально сыпучих телах (чистые пески). Трение возникает в точках контакта частиц и зависит от многих факторов, среди которых основными являются:
— минеральный состав грунта;
— величина зёрен грунта;
— форма зёрен (окатанная, пластинчатая, игольчатая);
— состояние поверхности (округлая, угловатая);
— плотность грунта, степень водонасыщенности и др.
Показатель, характеризующий внутреннее трение в грунтах – это угол внутреннего трения (обозначается символом φ , измеряется в градусах).

2. Силы сцепления. Характеризуют сопротивление структурных связей всякому перемещению связываемых ими частиц, независимо от величины внешнего давления. Сцепление (связность) в грунте определяется:
— наличием капиллярного давления в грунте;
— силами молекулярного притяжения между частицами грунта;
— наличием в грунте вяжущих веществ (известь, минеральные смолы, соли).
Показатель, характеризующий сцепление в грунтах – удельное сцепление (обозначается символом c , измеряется в паскалях). Каким образом определить внутреннее сопротивление грунта сдвигу, характеризуемое показателями φ и c?

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТА

Сопротивление грунта сдвигу может быть установлено различными способами, среди которых наиболее простым и распространённым является способ испытания образца на прямой сдвиг (срез). Последовательность испытания:

1. Цилиндрический образец грунта помещается в «срезыватель» 1 так, чтобы одна его половина оставалась неподвижной, а другая могла перемещаться горизонтально под действием прикладываемой к ней горизонтальной сдвигающей нагрузки (рис. 3);

Рис. 3. N – сжимающая сила; T – сдвигающая сила; Площадь поперечного сечения образца — A

2. К образцу прикладывается нормальная к поверхности среза сжимающая нагрузка N;

3. Сдвигающую касательную к поверхности среза нагрузку T прикладывают к срезывателю ступенями до тех пор, пока не произойдёт срез и скольжение одной части грунта по другой;

4. одновременно с приложением нагрузки и во всё время испытания производятся замеры горизонтальных деформаций (смещений) грунта δ (рис. 4);

5. Проводят несколько испытаний на срез (i штук 2 ) при различных значениях вертикальной (сжимающей) нагрузки N. То есть каждой ступени нагрузки σ_i будет соответствовать своё сопротивление сдвигу τ_i.

6. Данные опытов наносят на график, выражающий зависимость между нормальным напряжением σ и касательным напряжением τ. Опыты показывают, что в общем случае зависимость оказывается линейной.

УСЛОВИЕ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ СЫПУЧИХ И СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ

1. Для сыпучих грунтов (различного рода пески, крупнообломочные грунты, галечники). Зависимость σ – τ принимается прямой, проходящей через начало координат и наклонной к оси нормальных напряжений σ под углом внутреннего трения φ (рис. 5).

Из графика можно записать следующую зависимость:

Указанная зависимость – условие прочности грунта (закон Кулона) для сыпучих тел: сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трения, прямо пропорциональное нормальному давлению.

2. Для связных грунтов (пылевато-глинистые грунты) прямая σ – τ не проходит через начало координат, а отсекает отрезок c на оси τ, так как в связных грунтах, обладающих сцеплением между частицами, при отсутствии нормального давления (σ = 0) сопротивление грунта сдвигу больше нуля, что обусловливается силами сцепления (рис. 6).

Общее сопротивление сдвигу связного грунта можно выразить уравнением:

τ = σ · tgφ + c

Таким образом, сопротивление связного грунта сдвигу складывается из сопротивления трения, пропорционального нормальному давлению, плюс сцепление, не зависящее от давления.

голоса

Рейтинг статьи

Читать еще: Технология работ по монтажу мембранной кровли