Сопротивление грунтов сдвигу . Прочностные характеристики грунтов.

Изучение сопротивления грунтов сдвигающим усилиям, возникающим в результате воздействия различных инженерных сооружений, имеет большое значение для правильного расчета устойчивости оснований (несущей способности оснований), оценки устойчивости откосов, расчета давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов.

В настоящее время нет единой точки зрения на природу сопротивления глинистых пород сдвигу. Одни исследователи считают, что сопротивление глинистых пород сдвигу обусловлено только сцеплением между частицами, показателем которого является коэффициент сцепления. Другие полагают, что сопротивление глинистых пород сдвигу зависит как от сил трения, так и от сил сцепления. Показателями сил трения, действующих в грунте, считают угол внутреннего трения и коэффициент трения.

Вследствие неясности природы сопротивления глинистых пород сдвигу и условности разделения его на внутреннее трение и сцепление, некоторые исследователи предлагают вообще отказаться от такого разделения и характеризовать сопротивление глинистых пород сдвигу так называемым углом сдвига φ соответственно тангенс этого угла называют коэффициентом сдвига tgφ.

Сопротивление сдвигу одного и того же грунта непостоянно и зависит от физического состояния грунта - степени нарушенности естественной структуры, плотности, влажности, а также от условий производства испытаний (конструкция прибора, размеры образца, скорость сдвига и т. д.). Для получения наиболее достоверных данных испытания на сдвиг должны всегда проводиться в условиях, максимально приближающихся к условиям работы грунта под сооружением или в самом сооружении.

Показатели сопротивления грунта сдвигу определяются различными способами, среди которых можно выделить три группы:

• способы определения сопротивления сдвигу по одной или двум заранее фиксированным плоскостям в сдвиговых приборах;

• способы определения сопротивления сдвигу путем раздавливания при одноосном и трехосном сжатии;

• способ определения сопротивления сдвигу по углу естественного откоса.

 

Способы первой группы могут быть в свою очередь разделены на две подгруппы:

а) способы поперечного сдвига с конечной плоскостью сдвига;

б) способы кольцевого сдвига с бесконечной (замкнутой) плоскостью сдвига.

 

Лабораторные испытания грунтов для определения показателей трения и сцепления способом поперечного сдвига производят путем среза нескольких образцов исследуемого грунта. При этом в зависимости от характера предварительной подготовки образцов к опыту различают:

а) сдвиг нормально уплотненных образцов (завершенное уплотнение), когда образцы перед опытом предварительно уплотняются под разными нагрузками до окончания процесса консолидации; срез каждого образца производится при той же вертикальной нагрузке, под которой он предварительно уплотнялся;

б) сдвиг переуплотненных образцов, когда образцы предварительно уплотняются до окончания процесса консолидации, а сдвигаются без нагрузки или при меньших нагрузках;

в) сдвиг недоуплотненных образцов (незавершенное уплотнение), когда образцы предварительно не уплотняются или уплотняются в продолжение короткого времени, за которое не наступает полная консолидация; срез производится при различных вертикальных нагрузках.

В зависимости от скорости приложения сдвигающего усилия в процессе опыта различают медленный сдвиг и быстрый сдвиг. При медленном сдвиге сдвигающую силу увеличивают только после прекращения деформации, вызванной предыдущей ступенью этой силы. При быстром сдвиге увеличение сдвигающей силы производят быстро, не дожидаясь прекращения деформаций

Прочностные характеристики грунтов.

Показатели физических свойств грунтов определяются либо на отобранных в натуре в массиве образцах грунтов, либо непосредственно путем испытания грунтов, находящихся в грунтовом массиве, то есть в полевых условиях. При испытаниях следует выполнять требования соответствующих ГОСТов, если они имеются, или ведомственных нормативных документов. Для испытаний используются стационарные либо полевые лаборатории. Предпочтительными являются прямые методы испытаний, но в ряде случаев используются результаты косвенных методов исследования.

Минимально достаточным для последующего осреднения результатов в математической статистике принято считать 6 определений. Однако, чем большее количество результатов определений введено в формулу для статистического нахождения среднего значения, тем "точнее" оказывается результат. В обработку вводятся результаты одной статистической совокупности, характеризующей данный массив. Если прослеживается закономерность в изменении частных интересующих нас значений показателя от точки к точки в одном направлении, то тогда их нельзя обычным путем вводить в одну статистическую совокупность.

Показатели (характеристики) физических свойств грунтов определяются как нормативные.

Нормативными считаются средние значения показателей или характеристик, определяемые как среднеарифметические.

Виды испытаний прочностных характеристик грунтов:

Испытания на сдвиговом приборе – при прямом плоскостном срезе цилиндрического образца грунта выполняется в лабораторных условиях.

Испытания в приборе трехосного сжатия (стабилометре). Методика проведения испытаний с наибольшей полнотой отражает работу грунта в основании. При загружении грунта в приборе создается трехосное напряженное состояние с измерением каждого компонента напряжения. Конструкция прибора позволяет определить: нейтральное или поровое давление по манометру, продольную и поперечную деформацию образца, изменение объема образца по валюмометру.

Помимо прочностных характеристик на этом приборе можно определить деформационные характеристики (коэффициент Пуассона, модуль деформации).

Испытания при одноосном сжатии. Проводятся для тугопластичных и твердых глин, которые хорошо сохраняют форму после обработки образцов. Образцы изготавливают в форме цилиндра с соотношением размеров h=(1,5 – 2,0) d. Разрушение образцов будет происходить как у хрупких материалов по плоскости, где касательные напряжения достигают предельного сопротивления сдвигу. Угол наклона этой плоскости стремится к 45 градусов.

Лопастные испытания – проводятся в полевых условиях для грунтов, из которых трудно отбирать образцы без нарушения природного строения (торф, илы, глинистые водонасыщенные грунты). Для испытания откапывается небольшой шурф, в грунт вдавливается крестовина прибора и фиксируется крутящий момент, при котором происходит срез грунта лопастью по цилиндрической поверхности. Результаты испытаний используются для расчета ула внутреннего трения и сцепления.

Метод шарикового штампа. Применяется для определения сцепления для связных грунтов (глинистых) и вязких (льдистых, вечномерзлых). Испытания состоят во вдавливании в исследуемый грунт сферического штампа постоянной нагрузкой Р и измерении во времени осадки S. Расчетное сопротивление вычисляется по формуле:

, где В – диаметр штампа.

Испытания на сдвиг в шурфах. Применяются в основном для крупнообломочных грунтов, из которых невозможно отобрать для лабораторных испытаний. Эти испытания аналогичны испытаниям в сдвиговом приборе.

18. Деформационные характеристики грунтов с жесткими связями (модуль Юнга, коэффициент Пуассона).

19. Понятия сцепления и внутреннего трения.

 

5.Коэффициент фильтрационной консолидации

Деформации грунта являются результатом процессов, проте­кающих под влиянием напряженного состояния, созданного в грунте внешней нагрузкой. Внешние нагрузки, приложенные к грунту, вызывают взаимное перемещение твердых минеральных частиц, их структурных агрегатов. При последовательном увеличении нагрузки на грунт наблю­дается три стадии его напряженного состояния: 1) стадия уплотнения; 2) стадия сдвигов; 3) стадия разрушений или стадия выпирания. В первой стадии наблюдается уплотнение грунта, и скорость деформации с течением времени уменьшается, приближаясь к нулю. В этой стадии зависимость между напряжениями и деформаци­ями с достаточной точностью может быть принята линейной. Пластические деформации вызы­вают в грунте изменение свойств, размеров и форм частиц. Грунтовое тело становится неспособным возвращаться в первоначальное состояние, появляются так называе­мые остаточные деформации, зависимость между напряжениями и деформациями теряет свой линейный характер. Третья стадия характеризуется интенсивным возрастанием ско­рости деформаций и выпиранием грунта в стороны от периметра фундамента. Деформации возникают внезапно и катастрофически растут. Осадки этой фазы являются значительными. В конечном итоге в грунтах могут иметь место следующие виды деформаций: 1) упругие, возникающие в результате перемещений узлов кристаллической решетки минералов; 2) остаточные, которые обусловлены: а) адсорбционными явлениями (изменение толщины водных пленок в контактах между структурными элементами); б) изменением взаимного расположения структурных элементов; в) пластическими деформациями необратимые перемещения элементов кристаллической решетки минералов); г) псевдопластическими деформациями, происходящими в текучих и глинистых грунтах без изменения их объема.

 

.

Водопроницаемость грунтов.

В грунтах часть его объема занимают твердые минеральные частицы, а другую часть — поры, которые обусловливают водопроницаемость. Различные виды грунтов обладают разной водопроницаемостью. При прочих равных условиях лучшей водопроницаемостью обладают песчаные грунты и меньшей — глинистые.

Водопроницаемостью грунта называют его способность пропускать через себя свободногравитационную воду под действием разности напоров. От водопроницаемости грунтов зависит ряд процессов, влияющих на устойчивость сооружений, в том числе:

скорость уплотнения основания (грунтов);

суффозия грунта — перемещение или вынос мелких частиц по порам, образованным более крупными частицами под воздействием фильтрационного потока;

оползневые явления — перемещение грунтовых масс под действием силы тяжести или внешней нагрузки.

Движение свободногравитационной воды в грунтах оснований называется фильтрацией. Фильтрация может происходить по различным направлениям:

горизонтально (рис. 5.15,а);

вертикально вниз (рис. 5.15,6);

вертикально вверх (рис. 5.15,в).

Рис. 5.15. Схемы движения воды в фунтах: l — длина или высота образца грунта; ΔН — разность отметок воды перед входом в образец и выходом из него

Таким образом, движение воды в грунте происходит под действием возникающего в нем градиента напора.

Движение воды в песчаных и глинистых грунтах рассматривается как параллельно-струйное, т.е. имеет ламинарный характер движения, так как скорость фильтрации в таких грунтах невелика.

Первые эксперименты по изучению фильтрации воды были поставлены французским инженером А. Дарси в 1854 г. Дарси установил, что объем воды V, профильтровавшийся через заполненную песком трубу, пропорционален площади ее поперечного сечения, потерям напора и продолжительности фильтрации:

V = kfJAt, (5.29)

где kf — коэффициент фильтрации, см/с (м/сут); J — гидравлический градиент (уклон), равный потере напора на пути фильтрации:

(5.30)

где kƒ — площадь поперечного сечения трубки, м2;
t — продолжительность фильтрации, с.

Коэффициент фильтрации

Коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при гидравлическом градиенте, равном единице. Он широко используется в практике гидрогеологических расчетов, характеризует водопроницаемость грунтов, зависит от грануломефического состава, плотности и пористости грунта. Коэффициент фильтрации определяется в лабораторных и полевых условиях.

Коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при гидравлическом градиенте, равном единице. Он широко используется в практике гидрогеологических расчетов, характеризует водопроницаемость грунтов, зависит от грануломефического состава, плотности и пористости грунта. Коэффициент фильтрации определяется в лабораторных и полевых условиях.

Средние ориентировочные значения коэффициента фильтрации для некоторых видов грунтов приведены в табл. 5.5.

Таблица 5.5. Ориентировочные значения коэффициента фильтрации грунтов

Грунт	Коэффициент фильтрации kƒ, м/сут.
Галечниковый (чистый)
Гравийный (чистый)	От 100 до 200
Крупнообломочный с песчаным заполнителем	От 100 до 150
Песок: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый	От 50 до 100 От 25 до 75 От 10 до 25 От 2 до 10 От 0,1 до 2
Супесь	От 0,1 до 0,7
Суглинок	0,005 до 0,4
Глина	0,005
Торф: слаборазложившийся среднеразложившийся сильноразложившийся	От 1 до 4 От 0,15 до 1,0 От 0,01 до 0,15

Для хорошо фильтрующих грунтов (песков и супесей) коэффициент фильтрации определяют с помощью прибора (рис. 5.16), состоящего из трубы длиной l, заполненной грунтом, и двух трубок — подводящей и отводящей воду. При разности напоров Н2 - Н1 вода будет фильтроваться под действием градиента (J). Определив объем воды V, профильтровавшейся за время t, можно по формуле

(5.31)

Зависимость скорости фильтрации (Vƒ) от гидравлического фадиента, характеризующего водопроницаемость фунтов, носит название закона ламинарной фильтрации. Математическое выражение этого закона, предложенное Дарси, имеет вид

(5.32)

Рис. 5.16. Схема установки для определения коэффициента фильтрации

Формулируется закон ламинарной фильтрации следующим образом: скорость движения (фильтрации) воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.
Фильтрация воды в вязких глинистых грунтах имеет свои особенности, связанные с малыми размерами пор и вязким сопротивлением водноколлоидных пленок, обволакивающих минеральные частицы грунтов.

Движение (фильтрация) воды в глинистых грунтах, в отличие от песчаных (рис. 5.17, кривая а), начинается лишь при достижении некоторого градиента напора (см. рис. 5.17, кривая б), преодолевающего внутреннее сопротивление движения воды.

Рис. 5.17. Зависимость скорости фильтрации в грунте от гидравлического градиента

Для кривой (б) различают три участка:

I — начальный (0—1), когда скорость фильтрации практически равна нулю (Vf = 0);
II — переходный (1—2) криволинейный участок;
III — прямолинейный (2—3), характеризующий процесс установившейся фильтрации.

Таким образом, в глинистых грунтах, особенно в плотных, при относительно небольших значениях градиента напора фильтрация может не возникать (участок 0—1, кривая б). Увеличение градиента напора приведет к постепенному, очень медленному развитию фильтрации (участок 1—2). Наконец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим (участок 2—3).

Напорный градиент, до достижения которого фильтрация в грунте не наблюдается, называется начальным градиентом (J'0).
Во многих случаях исключают из рассмотрения участок 0—2 кривой «б» и закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде

(5.33)

где J'0 — начальный градиент напора, т.е. участок на оси J, отсекающий продолжение отрезка прямой 2—3 до пересечения с этой осью. Для песчаных грунтов фильтрация начинается сразу после передачи напора (рис. 5.17, кривая а).