КОНТАКТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ СДВИГУ

Рассматривая поведение грунта при приложении нагрузки в отдельных точках грунта, эффективные напряжения могут превзойти прочность внутренних связей между частицами грунта, при этом возникнут сдвиги одних частиц по другим.

У большинства нескальных грунтов сопротивление растягивающим напряжениям отсутствует или настолько мало, что его практически не учитывают при проектировании оснований и земляных сооружений. Поэтому деформации такого грунта в основном происходят в результате относительного смещения частиц, а прочность определяется сопротивлением сдвигу, которое оказывают действию внешней нагрузки межчастичные (или контактные) связи.

Контактное сопротивление может быть трёх основных видов:

трение между частицами пропорциональное нормальным силам, действующим по площадкам контакта (фрикционное сопротивление); характерно для обломочных грунтов;

сцепление связности – сопротивление сдвигу частиц, которое не зависит от нормального давления, но изменяется в зависимости от влажности грунтов; характерно для глинистых грунтов;

сцепление цементационное не зависит от влажности; в грунте возможны только малые упругие деформации, после которых сразу и необратимо это сцепление нарушается. У большинства глинистых грунтов контактное трение и сцепление связности могут сочетаться, и эти грунты называют связно-фрикционными.

В обломочных грунтах при нормально направленных к поверхности грунта силах в точках контакта действуют нормальные и касательные напряжения. Сдвиг неустойчивых частиц происходит, если касательные напряжения превосходят силы трения по площадкам контакта (контактное трение). Примером может служить уплотнение песка под действием внешней нормальной нагрузки за счет смещения частиц в более устойчивое положение. Сопротивление, которое оказывает грунт при перестройке, называется трением зацепления. В совокупности с контактным трением оно создает внутреннее трение грунта.

Для глинистых грунтов с естественной структурой характерно сцепление упрочнения, имеющее физико-химическую природу и возникающее между глинистыми частицами.

В зависимости от характера контактного сопротивления различают два основных вида нескальных грунтов: несвязные и связные.

Несвязных грунты практически не обладают сцеплением и при отсутствии внешних обжимающих сил не оказывают сопротивления растягивающим напряжениям. Поэтому несвязные грунты называют сыпучими; к ним относятся все обломочные грунты.

У связных грунтов сопротивление сдвигу определяется сцеплением. К ним относятся глинистые грунты.

Исходя из этого, можно определить, что сопротивляемость грунтов сдвигу зависит:

от сил трения в породе;

связности породы;

величины структурного сцепления (сопротивления структурных связей).

В чистых песках сопротивления грунтов сдвигу происходит за счет сил трения между частицами. В связных грунтах — за счет сопротивления структурных связей и вязкого сцепления водно-коллоидных оболочек.

Сопротивлению грунтов сдвигу определяют опытным путем: по результатам прямого плоскостного среза; простого одноосного сжатия; трехосного сжатия; среза по цилиндрической поверхности, вдавливания и др.

При прямом плоскостном срезе испытания проводят на односрезных приборах (рис. 10).

Сдвиговой прибор состоит из двух колец нижнего и верхнего, между ними имеется зазор, образующий плоскость, по которой происходит сдвиг одной части образца по другой неподвижной части. Образец грунта помещается в металлическое кольцо, на него с помощью штампа ступенями передается сжимающее усилие F, под действием которого грунт уплотняется до требуемого состояния. Сдвигающую касательную нагрузку Т прикладывают ступенями. Обычно образец выдерживают при данной ступени нагрузки до полной стабилизации горизонтальных перемещений от этой нагрузки, после чего прикладывают новую ступень нагрузки. По мере увеличения Т увеличиваются и срезающие напряжения τ;, интенсивность горизонтальных перемещений δ возрастает и при некотором предельном значении τ = τ _пр дальнейшее перемещение образца происходит без увеличения сдвигающих напряжений. Это свидетельствует о разрушении образца.

Предельное значение τ, при котором начинается разрушение образца, называют сопротивлением сдвигу. Подобные испытания проводят для нескольких образцов грунта, находящихся в одинаковом состоянии, при разных значениях F.

Рис. 10. Схема сдвигового прибора

 

Опыт показывает, что увеличение нагрузки F, а следовательно и нормальных напряжений σ;, приводит к возрастанию величины τ _пр. При проведении испытаний на сдвиг строят следующие графики (рис. 11).

	а		б

Рис. 11. Графики:

а — горизонтальных перемещений образцов при разных значениях σ,

б — сопротивления сдвигу образцов песчаного грунта

 

Зависимость сопротивлению сдвигу образцов песчаного грунта может быть представлена прямой линией и выражена уравнением

 

τ = σ · tg φ. (36)

 

Величину φ называют углом внутреннего трения, тангенс угла внутреннего трения равен коэффициенту трения f = tgφ.

Указанные зависимости относятся к сыпучим грунтам, для которых сцепление ничтожно мало.

Таким образом, предельное сопротивление грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению.

Сопротивление сдвигу – основная характеристика прочности грунтов.оказатели сопротивления сдвигу – удельное сцепление и угол внутреннего трения используют для расчета устойчивости оснований сооружений, откосов котлованов, выемок, оползневых склонов.

Сухие пески способны образовывать более или менее постоянный угол естественного откоса, характеризующий их состояние без внешней нагрузки. Для сухих песков рыхлого сложения он практически совпадает с углом внутреннего трения.

Угол естественного откоса песков изменяется от 28° до 35° и зависит от гранулометрического состава, формы частиц и влажности. С уменьшением размера зерен угол естественного откоса становится меньше.

Угол внутреннего трения уменьшается с увеличение дисперсности песка и степени окатанности зерен. С повышением дисперсности зерна становятся все более изометричными и зависимость угла внутреннего трения от минералогического состава, определяющего форму зерен, затухает. Введение до некоторого предела в песок пылеватых частиц уменьшает пористость и увеличивает угол внутреннего трения. При водонасыщении он понижается на 1-2°. С повышением степени плотности угол внутреннего трения возрастает прямо пропорционально.

Сопротивление сдвигу зависит не только от сил трения непосредственно соприкасающихся между собой зерен, но и от начального сопротивления структуры – дополнительного усилия, необходимого для преодоления некоторой заклинки зерен, их поворота или вращения.

Разнозернистые пески из-за большей плотности по сравнению с равномернозернистыми характеризуются более высокими показателями сдвига. Сопротивление сдвигу повышается с увеличением содержания фракции крупнее 2 мм, особенно если она представлена неокатанными зернами. Примесь глинистых частиц до 5% в крупнозернистых песках почти не влияет на их сопротивление сдвигу, а в мелкозернистых песках – резко понижает показатели сдвига.

Сопротивление сдвигу, особенно для мелкозернистых песков, зависит от влажности. При небольшой влажности оно возрастает, так как при этом проявляются силы капиллярного сцепления. По мере увеличения влажности капиллярные мениски исчезают, и сопротивление сдвигу падает.

Связные грунты отличаются от грунтов несвязных тем, что частицы и агрегаты этих грунтов связаны между собой пластичными (водно-коллоидными) и жесткими связями. При приложении давления к образцу

связанных грунтов происходит значительное изменение их плотности и влажности, что сказывается на общем сопротивлении грунтов сдвигу.

При проведении испытаний на сдвиг связных пылевато-глинистых грунтов получают более сложную криволинейную зависимость (рис. 12).

Рис. 12. График сопротивления сдвигу образцов пылевато-глинистого грунта: 1 — экспериментальный график; 2 — спрямленный график

 

Сопротивление сдвигу пылевато-глинистых грунтов обусловливается не только силами трения между перемещающимися частицами, но и сложными процессами нарушения водно-коллоидных и кристализационных связей. Эту зависимость можно представить в виде прямой линии (рис. 12, график 2) и уравнения:

 

τ _i = с + σ _i · tgφ;, (37)

 

где φ - угол внутреннего трения; c - удельное сцепление.

Предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершенной их консолидации есть функция первой степени от нормального давления.

Удельное сцепление с характеризует связность пылевато-глинистых грунтов. Параметры φ и с называют прочностными характеристиками грунта.

Величина сдвигающих напряжений не может быть больше их предельного значения:

τ ≤ с + σ · tgφ.

 

Это значение напряжений на предельной прямой отвечает некоторой экспериментальной точке А (рис. 13), которая должна принадлежать кругу предельных напряжений Мора (правила построения круга напряжений Мора изучается в курсе сопротивления материалов). Если отложить на оси τ отрезок ОЕ, соответствующий сцеплению с данного грунта и через точку Е провести касательную к кругу напряжений, то получится графическое изображение прямой, соответствующей уравнению сопротивления сдвигу связного грунта. Продолжая предельную прямую до пересечения с осью σ получим треугольник О´ АС.

Рис. 13. Круг напряжений и график сопротивления сдвигу связного грунта

в условиях плоской задачи

 

Из треугольника О´ АС ; учитывая, что ; О^’О = σ _с; ОВ = σ _3, получим

 

(38)

 

Полученное соотношение называют условием предельного равновесия для связных грунтов.

Для сыпучих грунтов

 

(39)

 

Если учесть, что главные напряжения выражают через компоненты напряжений

,, (40)

 

то уравнение (38) примет вид:

 

. (41)

 

В одноплоскостном приборе кроме испытаний грунта на сдвиг можно определять прочностные характеристики при простом и трехосном сжатии. При простом сжатии испытывают тугопластичные и твердые грунты. Трехосное сжатие позволяет испытывать образцы любых грунтов при обжатии их заданным боковым давлением.

По данным таких испытаний определяют:

модуль общей деформации

 

; (42)

 

модуль объемной деформации

 

, (43)

где ;

коэффициент относительной поперечной деформации

 

; (44)

 

угол внутреннего трения

 

. (45)