5. Определение прочностных характеристик грунтов методом сдвига (среза)

5.1. Прочностные характеристики грунтов

Под действием внешней нагрузки в грунтах оснований возникает напряженное состояние, которое характеризуется нормальными и касательными напряжениями. Предельное значение касательных напряжений τ, при которых начинается разрушение грунта, называется сопротивлением грунта сдвигу τ_u. Если касательные напряжения превысят предельное сопротивление сдвигу, начинается разрушение грунта. Следовательно, прочность грунта оценивается его сопротивлением сдвигу. Впервые это установил Ш. Кулон в 1773 году. Закон Кулона выражается линейной зависимостью

, (5.1)

где τ -предельное касательное напряжение;

σ- нормальное сжимающее напряжение;

φ – угол внутреннего трения грунта;

с – удельное сцепление между частицами грунта.

Сопротивление сдвигу в грунте обусловлено двумя физическими явлениями – трением перемещающихся частиц и сцеплением глинистого грунта, обозначенными параметрами φ и с. Прочность грунтов и возникающие в них сдвигающие деформации зависят от их плотности, влажности, гранулометрического и минерального состава, напряженного состояния.

Характеристики φ и с устанавливают зависимость предельного сдвигающего напряжения от нормального напряжения, поэтому они называются прочностными показателями грунта и всегда определяются экспериментально. Для определения параметров φ и с производят лабораторные испытания грунтов на сдвиговых приборах методом одноплоскостного среза.

Принципиальная схема сдвигового прибора представлена на рис. 5.1.

Образец грунта помещают в сдвиговой прибор и нагружают вертикальной нагрузкой N. После стабилизации вертикальных деформаций, которые регистрируются по индикатору 9, установленному на штампе, к образцу прикладывают горизонтальную сдвигающую нагрузку Т и постепенно доводят ее до значения, при котором происходит срез по плоскости О–О. При этом за горизонтальными деформациями грунта следят по индикатору 5, установленному на верхней каретке прибора. Это свидетельствует о разрушении образца грунта при заданном значении нормального сжимающего напряжения σ.

	1 – нижняя неподвижная обойма; 2 – верхняя сдвигаемая обойма; 3 – нижний пористый штамп; 4 – перфорированный поршень; 5- индикатор для регистрации горизонтальных деформаций образца; 6 – сдвиговая консоль; 7 – станина прибора; 8 – образец грунта; 9 – индикатор для регистрации вертикальных деформаций образца; 0 – 0 плоскость сдвига; N – вертикальная сила; T – сдвиговое усилие
Рис. 5.1. Схема сдвигового прибора для испытания грунта на срез

Эти испытания грунта на срез позволяют найти значения нормальных и касательных напряжений σ₁ и τ₁ и, подставив их в формулу (5.1), получить - одно уравнение с двумя неизвестными φ и с. Для того чтобы решить это уравнение, необходимо провести еще одно испытание грунта на срез при других нормальных напряжениях, чтобы получить . Имеем систему двух уравнений с двумя неизвестными, которая решается

Однако при двух испытаниях отсутствует возможность оценить надежность полученных результатов, в связи с чем выполняют не менее трех опытов с различными нормальными напряжениями σ ₁, σ ₂, σ ₃ и находят им соответствующие величины τ₁, τ₂, τ₃. На рис. 5.2 показаны результаты таких испытаний.

В настоящее время установлено, что природа сил сопротивления грунта сдвигу сложна и разделение их на трение и сцепление является условным [21; 28; 29]. Такое их наименование сложилось исторически.

Поэтому, учитывая, что многочисленные эксперименты хорошо подтверждают представленную уравнением (5.1) зависимость, считается целесообразным и в дальнейшем пользоваться указанными параметрами.

Очевидно, что чем больше при равных напряжениях σ значения φ и с, тем более прочным является данный грунт.

Рис.5.2. Графики испытания грунта в сдвиговом приборе:

а) график горизонтальных деформаций образцов грунта

при разных значениях σ;

б) график сопротивления сдвигу образцов глинистого грунта

Если обе части уравнения (5.1) разделить на σ, а отношение τ к σ обозначить через tgψ, то получим формулу

tgψ=tgφ+c/σ. (5.2)

Величину tgψ называют коэффициентом сдвига. В грунтах, обладающих сцеплением, . При с = 0 грунт представляет собой сыпучее тело и . Хотя пески обычно обладают небольшим сцеплением.

В глинистых грунтах силу удельного сцепления с часто выражают через всестороннее давление связности р_е , суммарно заменяющее действие всех сил сцепления:

c=р_е ·tg φ (5.3)

Подставим это значение с в формулу (5.1), тогда закон Кулона запишется в следующем виде

. (5.4)

Давление связности понятие условное. Это такое давление, которое как бы эквивалентно фиктивному увеличению нормального напряжения в плоскости сдвига, повышающему прочность грунта[29]. Замена с через р_е показана на рис. 5.2 и выражается в переносе точки О в положение О₁.

Испытания грунтов на срез в одноплоскостных сдвиговых приборах показывают, что характер графиков τ=f(σ) для различных грунтов будет различный. На рис. 5.3 показаны характерные графики сдвиговых испытаний для различных грунтов [23].

Рис. 5.3. Графики сопротивления грунтов сдвигу:

а) для глинистых грунтов; б) для крупных песков;

в) для идеально связных грунтов

Согласно ГОСТ [11] испытания грунтов на сдвиг проводят по следующим схемам:

• консолидированно-дренированное испытание (КД – сдвиг) проводят для песков и глинистых грунтов независимо от степени их влажности в стабилизированном состоянии (при завершенном уплотнении в условиях свободного отжатия воды из пор)

• неконсолидированно-недренированное испытание (НН – сдвиг) проводят для водонасыщенных глинистых и органоминеральных грунтов в нестабилизированном состоянии и просадочных грунтов, приведенных в водонасыщенное состояние замачиванием без приложения нагрузки (сдвиг при незавершенном уплотнении в условиях невозможности отжатия воды из пор).

Для испытания грунтов на сдвиг используют образцы ненарушенного сложения с природной влажностью, а также образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности (в том числе при полном водонасыщении). Просадочные грунты испытывают в водонасыщенном состоянии, а набухающие - при природной влажности.

Образцы грунта, отобранные для испытаний, должны иметь цилиндрическую форму диаметром не менее 70 мм и высотой от ⅓ до ½ диаметра.