Сопротивление сдвигу грунтов

Установлено, что разрушение грунта происходит за счет сдвига одной его части по другой. Сопротивление сдвигу грунтов обусловлено трением перемещающихся частиц и сцеплением между ними.

Грунты в основании сооружений, а также при неодинаковых отметках их поверхности испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности во всех точках грунта достигают предел­ного сопротивления сдвигу, наступает предельное равновесие, или предельное напряжение состояния грунта.

ПЕСЧАНЫХ Если образец песка 1 (рис. 3.9, а) поместить в сдвиговой прибор в виде кольца площадью А, разрезанного по горизонтальной плоскости, то, приложив силу N и постепенно увеличивая силу Т, можно достигнуть среза (сдвига) одной части образца по другой приблизительно по горизонтальной пунктирной линии. Прибор имеет нижнюю неподвижную обойму 4; верхнюю подвижную 3 и зубчатые фильтрующие пластины сверху и снизу 2.

Под действием горизонтальной нагрузки Т в зоне предполагаемого сдвига развиваются касательные напряжения τ = Т/А. При некотором значении τ = τ_u наступает предельное равновесие. В результате

Рис. 3.9. Схема прибора для испытания грунта: на сдвиг (а) и графики сопротивления сдвигу сыпучего (б) и связного грунтов (в)

этого происходит перемещение верхней части образца по нижней. τ_u называют предель­ ным сопротивлением грунта сдвигу. Обычно за τ_u принимают касательные напряжения от последней наибольшей ступени загружения, при которой развитие деформаций сдвига не прекращается.

Если произвести несколько опытов с одним грунтом при различных напряжениях σ = N/A, то получим, что чем больше напряжение сжатия а, тем больше предельное сопротивление грунта сдвигу τ_u По данным экспериментов строят график зависимости предельного сопротивления сдвигу τ_u от давления (рис. 3.9, а).

При нормальном напряжении σ_а предельное сопротивление сдвигу будет τ _u = σ_а tg φ

где tg φ - коэффициент внутреннего трения/, характеризующий предельное трение грунта о грунт; φ - угол внутреннего трения грунта.

Зависимость (3.20) установлена Ш. Кулоном еще в 1773 г. Она выражает закон сопротивления сыпучих грунтов сдвигу, который формулируется так: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо-пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется за коном Кулона.

ГЛИНИСТЫХ

Глины, суглинки и супеси обладают связностью - силами сцепления, величина которых зависит от состава и состояния грунта, степени его уплотненности. Приложенная к образцу водонасыщенного глинистого грунта нагрузка в первый момент времени передается на поровую воду. Лишь по мере выдавливания ее из пор внешнее давление будет воздействовать на скелет грунта.

Для сохранения природной структуры глинистого грунта фильтрующие поршень и днище обычно делают плоскими (см. рис. 3.9, а). При приложении ступенями сдвигающего усилия Т можно достигнуть предельного сопротивления грунта сдвигу и найти τ_u как и для сыпучих грунтов. Если провести несколько испытаний на сдвиг одного и того же грунта при различных нормальных напряжениях а, то можно получить в общем случае криволинейную зависимость предельного сопротивления сдвигу т„ от σ (см. рис. 3.9, в). Криволинейная зависимость наиболее ощутима при малых значениях σ. При напряжениях в диапазоне 0,05...0,5 МПа практически получаем прямую, описывае­мую уравнением

τ_u =с+σ tg φ

где с и φ - параметры прямой, обычно называемые удельным сцеплением и углом внутреннего трения; σ - нормальное напряжение в плоскости сдвига после завершения консолидации, т. е. σ= σ_d

Закон сопротивления глинистых грунтов сдвигу формулируется так: предельное сопротивление связанных грунтов сдвигу при завершенной их консолидации есть функция первой степени нормального напряжения.

Уравнение получено для образцов грунта, находящихся в различном состоянии по плотности, так как перед сдвигом они подвергались уплотнению различными по величине давлениями. Очевидно, что каждый образец при этом будет обладать своим значением сцепления, т.е. сцепление образцов одного и того же грунта, уплотненных неодинаковым давлением, различно. По этой причине угол наклона прямой на рис.3.9, в, строго говоря, не является углом внутреннего трения. Однако в механике грунтов параметр с принято называть удельным сцеплением, а угол φ - углом внутреннего трения. Величины tgφ и с следует рассматривать лишь как математические параметры диаграммы сдвига связных грунтов.

Если прямую продлить влево до пересечения с осью абсцисс, то она на ней отсечет отрезок р_е (см. рис. 3.9, в). Величину р_е часто называют давлением связности.