Сопротивление грунтов сдвигу

(Определяется в лаборатории опытным путем с использованием сдвигового прибора, для грунтов ненарушенной структуры.)

Сдвиговой прибор представляет собой толстостенный цилиндр, состоящий из 2 частей, одна из которых неподвижна, а другая может смещаться на величину S от действия сдвигающей нагрузки Т.

В прибор помещается образец грунта и нагружается давлением Р₁, затем прикладываем ступенями сдвигающую нагрузку (Т), происходит сдвиг (разрушение образца) при τ₁.

Берём второй образец с Р₂ и получаем τ₂.

Фотография локализованного объема сдвига грунта в сдвиговом приборе

На приведенной фотографии показана зона локализованного сдвига, возникающая в месте среза в образце грунта. Отдельные полосы, полученные в результате проведенного опыта, показывают зону развития касательных напряжений τ в образце грунта по мере возрастания сдвигающей нагрузки (Т). В момент разрушения образца грунта касательные напряжения достигают максимального значения τ.

Существуют большое разнообразие типов сдвиговых приборов, применяемых в лабораторных испытаниях. На ниже приведенных фотографиях представлено изображение автоматизированного сдвигового прибора, входящего в комплекс автоматизированных систем измерения (АСИЗ).

Сдвиговой прибор (вид сверху).

Общий вид сдвигового прибора.

Результаты испытаний на сдвиговом приборе могут быть представлены следующей схемой:

Здесь:

• φ – угол внутреннего трения грунта;
• Р_е – давление связности;
• С – сцепление глинистого грунта (начальный параметр прямой).

На представленном рисунке приведены результаты испытаний (доведение до разрушений) 3 образцов грунта, обжатого давлениями Р₁< Р₂< Р₃(левый график представленной схемы). В результате в момент разрушения образца грунта получаем максимальные значения касательных напряжений сдвига τ_max1,τ_max2, τ_max3, значения которых откладываем на графике τ_max=τ_max(Р) (средний и правый графики представленной схемы). Различие в очертании графиков на данных схемах обусловлено свойствами песка и глины (обладающей способностью сцепления).

Таким образом, математическая формулировка III закона механики грунтов, или сопротивления грунта сдвигу (закон Кулона), может быть представлена зависимостью τ = С + f(Р) или сформулирована в следующим определением:

Сопротивление грунта сдвигу есть функция первой степени от нормального давления (при консолидированном состоянии грунта).

Представленные зависимости отражают работу грунта при консолидировано-дренированных испытаниях, что чаще всего отвечает работе возводимых сооружений.

Однако в ряде случаев, необходимо получать характеристики грунтов при неконсолидированном-недренированном состоянии – быстрый сдвиг (устойчивость стен котлованов, насыпей и т.д.), что имеет первостепенное значение для глинистых водонасыщенных грунтов.

На приведенной ниже схеме показано, что сопротивление быстрому сдвигу связных водонасыщенных грунтов зависит в основном только от влажности W. Такие грунты будут обладать лишь параметром сцепления (С) при практическом значении угла внутреннего трения равного нулю φ≈0.

В современных условиях развития механики грунтов, для определения сопротивления грунта сдвигу существует довольно много приборов и способов:

• Односрезные сдвиговые приборы.
• 2-срезные сдвиговые приборы.
• Приборы 3-осного сжатия (стабилометры).
• Зондирование.
• Искусственное обрушение откосов.
• Лопастные испытания (крыльчатка).
• Метод шарикового штампа.

Для изучения данных способов обращайтесь к дополнительной литературе.

Каковы пределы изменения φ?

Для сыпучих грунтов (песков)	Для глинистых грунтов; φ = f(W)
Мелкие пески	Крупные пески	Текучее состояние	Твёрдое состояние
φ от 24°	φ до 40°	φ = 0	φ до 45°

φ – основная прочностная характеристика грунта.

В качестве примера необходимости точного определения прочностных характеристик грунтов оснований, рассмотрим случай возникновения аварийной ситуации при проведении ремонтных работ по береговому укреплению на набережной реки Фонтанка в Санкт-Петербурге.

В расчёте по определению активного давления грунта Е_А на стену набережной канала в начале был принят угол внутреннего трения грунта 22°. В результате проведения работ фактически образовавшаяся величина Е_А привела к нарушению устойчивости стенки по длине около 200 м. После дополнительного исследования свойств грунтов оказалось, что φ =18°, или на 4° меньше ранее принятого значения. Ошибка (неточность) в измерении φ привела к возникновению аварийной ситуации на стройке.

Таким образом, качество проводимых испытаний грунтов и точность определения величин φ имеют решающие значение при расчете сооружений по устойчивости, прочности.

Не менее важное значение в обеспечении прочности и устойчивости оснований имеет и характеристика сцепления (С). Так при производстве работ по устройству оросительного канала в связных грунтах, без учета сцепления откос должен быть выполнен с заложением 1:4.

Откос при учете сцепления на незначительную величину С = 0,005 МПа получил уже заложение 1:1,5, что позволило сократить объем земляных работ ≈ на 61000 м³ на 1 км канала и получить значительный экономический эффект.

Определение механических характеристик грунтов в приборах трёхосного сжатия

Испытание грунта в приборе трёхосного сжатия ближе отвечает его работе в природных условиях и дает наиболее надежные результаты в определении его прочностных и деформационных свойств.

Трёхосному (объёмному) напряжённому состоянию грунт подвергается в стабилометре.

Ниже приведена схема и общий вид прибора стабилометра, который представляет собой толстостенный цилиндр с помещенным внутри образцом грунта в резиновой оболочке. Образец грунта окружает вода, поэтому при приложении вертикальной нагрузки или давления Р₁, со стороны воды на образец грунта будет действовать боковое давление Р₂.

Схема испытаний образца грунта в стабилометре, в условиях объёмного напряжённого состояния.

Общий вид прибора стабилометра.

Таким образом, образец грунта в стабилометре будет находиться в объемно-напряжённом состоянии.

Если вырезать из образца грунта элементарный параллелепипед с гранями перпендикулярно главным нормальным напряжениям Р₁ и Р₂, то такой образец будет испытывать лишь сжатие со всех сторон без возможности разрушения. Однако параллелепипед грунта ориентированный под углом α по своим граням будет испытывать кроме сжимающих усилий Рα еще касательные усилия τ_α (касательные напряжения).

Именно касательные напряжения τ_α вызывают смещение отдельных частиц грунта относительно друг друга и приводят к разрушению образца грунта в целом. В момент такого разрушения или предельного состояния грунта определяются его прочностные и деформационные свойства.

Проведение испытаний или доведение образца грунта до разрушения (предельного состояния) зависит от соотношения значений главных нормальных напряжений и условий испытаний.

В практике исследований используется большое число стабилометров различной модификации и размеров в зависимости от решения поставленной задачи. Так на левой фотографии представлен прибор стабилометр, предназначенный для исследования мелкодисперсных грунтов. На правой фотографии также представлен стабилометр, но уже для исследования крупнодисперсных грунтов.

Напряжённое состояние в элементарном образце грунта (в данной точке) весьма наглядно отображается при помощи эллипса напряжений, построенного на осях главных напряжений.

В этом случае любая точка на эллипсе (за исключением точек, расположенных на его осях) будет испытывать как нормальные Р_α, так и касательные напряжения τ_α или полные напряжения Р_полн., величина которых будет изменяться в пределах от Р₂ до Р₁.

Р₁ ≥ Р_полн ≥ Р₂

- Общее уравнение эллипса.

Наиболее просто напряжённое состояние в точке грунта М может быть выражено кругом Мора (сопротивление материалов).

Круг Мора (достаточно изобразить его половину) строится на оси абсцисс Р с диаметром, равным разности величин главных нормальных напряжений Р₁ – Р₂. Тогда ордината любой точки М на круге Мора будет определять величину касательных напряжений τ_α в этой точке.

Круг Мора - графическое представление изменений напряжений в точке грунта в зависимости от ориентации рассматриваемой площадки.

Положение точки М или угол наклона рассматриваемой площадки будет определяться углом α. Рассмотрим граничные изменения угла α:

• При α=0° точка М будет расположена на оси Р в точке, соответствующей напряжению Р₁(горизонтальная площадка), касательные напряжения здесь будут равны 0, а следовательно разрушение невозможно.
• При α=90° точка М также будет расположена на оси Р в точке, соответствующей напряжению Р₂(вертикальная площадка), касательные напряжения здесь будут равны 0, а следовательно разрушение невозможно.

Дата добавления: 2014-11-29