2.3. Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона
Потеря прочности грунтов проявляется в виде оползания склонов, опрокидывания подпорных стенок, провальных осадок фундаментов. Разрушение грунта происходит за счет сдвига одной его части по другой. Таким образом, прочность грунта есть его способность сопротивляться сдвигу.
2.3.1. Сопротивление сдвигу идеально сыпучих грунтов
Изучением способности грунтов сопротивляться сдвигу занимался Ш. Кулон в XVIII в. Он испытывал идеально сыпучие грунты в специальном приборе, который обычно называют срезным или сдвиговым (рис. 2.8).
Если образец песка поместить в срезной прибор, то, приложив вертикальную силу N и постепенно увеличивая сдвигающую силу Т, можно достигнуть среза (сдвига) одной части образца по другой приблизительно по горизонтальной линии.
Рис. 2.8. Схема прибора для испытания грунта на сдвиг (срез)
При этом в образце будет действовать постоянное в процессе опыта нормальное напряжение и увеличивающееся касательное напряжение :
,
, (2.28)
где А – площадь образца.
Если с помощью измерительного прибора следить за горизонтальными смещениями подвижной части образца относительно неподвижной, можно построить график сдвиговых испытаний, показанный на рис. 2.9, а. Из графика видно, что при небольших значениях деформации малы, затем они начинают быстро нарастать и при некотором значении происходит сдвиг одной части образца относительно другой. Касательное напряжение, при котором происходит сдвиг, т.е. разрушение образца, называется предельным сопротивлением срезу (пр).
Если испытать другой образец, идентичный первому, при большей вертикальной нагрузке, то окажется, что нужно приложить большую горизонтальную силу, чтобы произошел сдвиг.
Если по результатам испытания трех идентичных образцов построить график в координатах – пр , по получим прямую, выходящую из начала координат (рис. 2.9, б).
Рис. 2.9. График сдвиговых испытаний (а) и график сопротивления
сдвигу сыпучего грунта (б)
Ш. Кулон представил математическое выражение этой зависимости в следующем виде:
пр = tg, (2.29)
где tg = f – коэффициент внутреннего трения; – угол внутреннего трения грунта.
Зависимость (2.29) носит название закона Кулона для сыпучих грунтов и формулируется так: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу (срезу) прямо пропорционально нормальному напряжению. Угол внутреннего трения является показателем прочности идеально сыпучего грунта.
2.3.2. Сопротивление сдвигу связных грунтов
Проведя подобные испытания для образцов глинистого грунта, получают более сложную зависимость. В таких грунтах сопротивление сдвигу обусловливается не только силами трения, но и связностью грунта, т.е. сложными процессами нарушения водно-коллоидных и цементационных связей между частицами. Однако, как и для сыпучих грунтов, зависимость сопротивления сдвигу от нормального напряжения обычно представляется в виде прямолинейной зависимости:
пр = tg + с, (2.30)
где – угол внутреннего трения грунта; с – удельное сцепление.
Зависимость (2.30) называется законом Кулона для связных грунтов и формулируется так: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу (срезу) есть функция первой степени от нормального напряжения.
График сопротивления сдвигу связного грунта представлен на рис. 2.10.
Рис. 2.10. График сопротивления сдвигу связного грунта
Угол внутреннего трения и удельное сцепление с называются по аналогии с сыпучими грунтами показателями прочности грунта, хотя на самом деле они являются лишь параметрами зависимости (2.28), полученной опытным путем.
Если прямую продлить влево до пересечения с осью абсцисс, то она отсечет на ней отрезок Рс , который называют давлением связности. Это некоторое всестороннее давление, суммарно заменяющее действие всех сил сцепления.
Его можно определить из выражения
. (2.31)
Выражение (2.30) соответствует проведению испытаний грунтов в стабилизированном состоянии, т.е. когда процесс консолидации грунта завершен, избыточная вода выдавлена из пор и вся нагрузка передается на скелет грунта. Такая схема испытаний называется «консолидированно-дренированный (медленный) срез (сдвиг)». При такой схеме испытаний идентичные образцы грунта предварительно уплотняются под различным вертикальным давлением до завершения процесса консолидации. При этом каждый образец приобретает свое значение плотности и влажности. Согласно ГОСТ [4] консолидированно-дренированная схема испытаний применяется для песков и глинистых грунтов независимо от их влажности для определения значений и с.
Вторая схема испытаний связных грунтов носит название «неконсолидированный быстрый срез (сдвиг)». В этом случае образцы испытывают быстро без предварительного уплотнения. Во время испытаний их плотность и влажность не успевают измениться. При этом предельное сопротивление сдвигу практически не зависит от вертикального напряжения, а зависит лишь от влажности. По методике, предложенной Н.Н. Масловым [2], при таких испытаниях можно получить зависимости и с от влажности. Согласно [4] схема испытаний на быстрый сдвиг применяется для водонасыщенных глинистых и органо-ми-неральных грунтов, имеющих показатель текучести IL ≥ 0,5, для определения значений и с в нестабилизированном состоянии.