Сопротивление сдвигу несвязных (песчаных и крупнообломочных) грунтов

Сопротивление срезу материала частиц зависит от прочности кристаллической решетки минералов и напряженного состояния. Для установления влияния, каждого из трех слагаемых на общее сопротивление несвязного грунта сдвигу рассмотрим их в отдельности.

Сопротивление трения минералов. Трение частиц грунта представляет собой сопротивление относительному смещению двух тел, находящихся в контакте. В случае отсутствия относительного движения контактирующих тел наблюдается статическое трение, или трение покоя. Кинетическое трение, или трение скольжения, наблюдается после начала движения тел.

Влияние формы частиц на величину угла внутреннего трения довольно значительно. Для окатанных частиц угол внутреннего трения на 10—18% ниже, чем для остроугольных. Влияние вытянутости частиц гальки и гравия на величину угла зависит от ориентации частиц относительно направления сдвигающего усилия. Если направление ориентации удлиненных частиц совпадает с направлением сдвигающего усилия, то угол трения ниже, чем в случае ориентации частиц нормально действию сдвигающего усилия.

Размер частиц несвязных грунтов определяет величину их подъема при сдвиге, равную примерно половине их размера. Для песчаных и пылеватых грунтов эта высота будет составлять десятые и сотые доли миллиметра, а для гравийных и галечниковых грунтов — до нескольких сантиметров. С уменьшением размера частиц величина угла трения закономерно уменьшается, и сопротивление сдвигу несвязных грунтов стремится к сопротивлению трения, оказываемого одноименными парами гладких поверхностей минералов.

Зацепление частиц в наибольшей степени определяет сопротивление сдвигу фракций гальки, гравия и крупного песка. Для пластинчатых частиц мусковита сопротивление сдвигу целиком определяется трением частиц. Для мелкопесчаных и пылеватых частиц сопротивление сдвигу определяется как зацеплением, так и трением частиц.

Влияние плотности упаковки частиц оказывает существенное влияние на сопротивление грунта сдвигу сопротивления сдвигу песка для рыхлой и плотной упаковки частиц. Сопротивление сдвигу мобилизуется по мере развития деформации, но если для плотного песка, достигнув максимума, оно при некоторой деформации сдвига уменьшается до минимального значения, то для рыхлого, наоборот, постепенно возрастает и остается постоянным. При этом пористость плотного песка уменьшается, а рыхлого, наоборот, увеличивается. Изменение плотности грунта при сдвиге носит название дилатансии.

Скорость сдвига сухого несвязного грунта не оказывает существенного влияния на сопротивление сдвигу. Однако для водонасыщенного песка сопротивление сдвигу может зависеть от скорости сдвига. Известно, что фактическое давление в плоскости разрушения состоит частично из давления в скелете грунта (эффективное давление) и из давления в воде (поровое давление).

При сдвиге рыхлого песка происходит его уплотнение. Если при этом вода выдавливается из пор легко, то поровое давление практически не изменяется, но если дренаж затруднен, то давление в поровой воде возрастает.

Для плотного песка сопротивление сдвигу при отсутствии дренажа выше, чем соответствующие значения для дренируемого песка (за исключением случаев действия больших давлений). Для рыхлого песка; наоборот, сопротивление сдвигу при отсутствии дренажа, меньше, чем соответствующее значение для дренируемого (за исключением случаев действия очень низких давлений). В связи с тем что при медленном приложении сдвигающей нагрузки она воспринимается скелетом грунта, а при быстром приложении на скелет передается только часть общей нагрузки, испытание с. дренированием и без него называется соответственно медленным и быстрым.

В полевых условиях отсутствие дренажа может определять устойчивость мелко- и тонкозернистых песков и особенно пылеватых. В крупных песках в связи с их хорошей водопроницаемостью изменение порового давления при сдвиге будет ничтожным и практически не будет оказывать влияния на их устойчивость.

Угол естественного откоса

Углом естественного откоса называется угол наклона поверхности свободного насыпанного несвязного грунта к горизонтальной плоскости.

Угол естественного откоса а несвязных грунтов обычно отождествляют с углом внутреннего трения. Такое отождествление основано на анализе условия равновесия твердого тела на поверхности, наклоненной под углом к горизонту.

Для реальных несвязных грунтов сопротивление сдвигу определяется, как было показано выше, в основном зацеплением частиц. Кроме того, напряженные состояния для частиц при сдвиге и скатывании по поверхности откоса оказываются различными. В первом случае на частицы действует давление в нескольких точках, равномерно распределенных по его поверхности, а во втором частицы касаются других только внешней частью своей поверхности, и величина этого давления очень мала, определяясь исключительно весом самих частиц. Учитывая сказанное, угол естественного откоса не может быть равен углу внутреннего трения, что подтверждается экспериментально.

Таким образом, угол естественного откоса в лучшем случае является грубым приближением к углу внутреннего трения, и величина угла естественного откоса представляет характеристику частного случая сдвига несвязного грунта, когда давление на частицы очень мало и определяется только весом частиц.

Факторы, определяющие угол естественного откоса. На угол естественного откоса частиц пород и минералов решающее влияние оказывает дисперсность (размер частиц, неоднородность), форма частиц, характер их поверхности и влажность, а также условия работы откоса (статические, динамические нагрузки, наличие фильтрации).

Влияние влажности на величину угла естественного откоса. При расчете устойчивости реальных откосов из несвязных грунтов следует ориентироваться на наименьшее значение угла откоса, которое получится в результате увлажнения и различного рода воздействий (сотрясения от проходящего транспорта, землетрясения и др.).

Для несвязных грунтов при некоторой влажности, примерно равной капиллярной влагоемкости (5—15% в зависимости от дисперсности), угол откоса увеличивается на 10—15%. Основной причиной в этом случае является действие капиллярных сил, обусловливающих кажущуюся связность грунта. При полном затоплении откоса из несвязного грунта или при влажности, равной примерно полной влагоемкости, угол откоса а уменьшается.

Уменьшение угла естественного откоса несвязного грунта под водой можно объяснить действием двух основных факторов: 1) уменьшением веса частиц в воде в результате взвешивания, что облегчает их выход из зацепления и скатывание и 2) смазочным действием воды. Последний фактор особенно ощутим для грунтов, обогащенных мусковитом, и грунтов, частицы которых покрыты пленками органических коллоидов.

Угол песчаного откоса в значительной степени зависит от направления движения фильтрационного потока.

Влияние динамического воздействия на устойчивость затопленных песчаных откосов. Сотрясения, которым подвергается водонасыщенный песчаный откос, приводят к разжижению и перемещению подчас огромных масс грунта, в результате чего откос становится положе (угол откоса в тонких песках часто не превышает 5°).

Причиной разжижения и оплывания откоса при динамическом воздействии на него является уплотнение песка и, как результат, увеличение гидродинамического давления воды, взвешивающей песчинки и увлекающей их в сторону понижений.

Общими чертами всех аварий, связанных с нарушением устойчивости затопленных откосов, являются: 1) малая плотность песка, 2) подводное его залегание, 3) динамические воздействия. Дренажная пригрузка откоса значительно повышает его динамическую устойчивость. Понижению динамической устойчивости песков способствуют следующие факторы: мелкозернистость и тонкозернистость, пылеватость и однородность, окатанность частиц, наличие слюдистых частиц и органических коллоидов.