Лекция 3
основные закономерности механики грунтов
Механические свойства грунтов (продолжение)
План лекции
3. Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона
3.1. Сопротивление сдвигу идеально сыпучих грунтов
3.2. Сопротивление сдвигу связных грунтов
3.3. Угол естественного откоса сыпучих грунтов
4. Полевые методы определения характеристик деформируемости и прочности грунтов
4.1. Полевые испытания статической нагрузкой (штамповые испытания)
4.2. Полевые испытания статическим зондированием
4.3. Полевые испытания прессиометром
4.4. Полевые испытания методом вращательного среза
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.
3.1. Сопротивление сдвигу идеально
сыпучих грунтов
Изучением способности грунтов сопротивляться сдвигу занимался Ш. Кулон в XVIII в. Он испытывал идеально сыпучие грунты в срезном приборе.
Схема прибора для испытания грунта на сдвиг
1 – фильтры; 2 – образец грунта
Приложив вертикальную силу N и постепенно увеличивая сдвигающую силу Т, можно достигнуть среза (сдвига) одной части образца по другой приблизительно по горизонтальной пунктирной линии. В образце будет действовать постоянное нормальное напряжение ? и увеличивающееся касательное напряжение ?:
, 
, (2.24)
где А – площадь образца.
Если с помощью измерительного прибора следить за горизонтальными смещениями подвижной части образца относительно неподвижной, можно построить график сдвиговых испытаний.
Касательное напряжение, при котором происходит сдвиг, т. е. разрушение образца, называется предельным сопротивлением срезу (?пр).
а) ? б) ?пр
?3 ?3 ?пр3
?2 ?2 ?пр2
?1 ?1 ?пр1
? ?
0 ?l 0 ?1 ?2 ?3
Если по результатам испытания трех идентичных образцов построить график в координатах ? – ?пр, по получим прямую, выходящую из начала координат. Ш. Кулон представил математическое выражение этой зависимости в следующем виде:
?пр = ??tg?, (2.25)
где tg? -– коэффициент внутреннего трения f ; ? – угол внутреннего трения грунта.
Зависимость (2.25) носит название закона Кулона для сыпучих грунтов и формулируется так: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению.
Угол внутреннего трения ? является показателем прочности идеально сыпучего грунта.
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. Однако, как и для сыпучих грунтов, зависимость сопротивления сдвигу от нормального напряжения обычно представляется в виде прямолинейной зависимости:
?пр = ??tg? + с, (2.26)
где ? – угол внутреннего трения грунта; с – удельное сцепление.
Зависимость (2.26) называется законом Кулона для связных грунтов и формулируется так: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального напряжения.
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 (2.26), полученной опытным путем.
Если прямую продлить влево до пересечения с осью абсцисс, то она отсечет на ней отрезок рс, который называют давлением связности. Его можно определить из выражения
. (2.27)
?пр
?
с
рс 0 ?
Выражение (2.26) соответствует проведению испытаний грунтов в стабилизированной состоянии, т. е. когда процесс консолидации грунта завершен и вся нагрузка передается на скелет грунта. Такая схема испытаний называется консолидированно-дренированный сдвиг (КД – сдвиг). При такой схеме испытаний грунт предварительно выдерживается под вертикальным давлением до завершения процесса консолидации. При этом каждый образец имеет свое значение плотности и влажности.
Вторая схема испытаний связных грунтов - неконсолидированно-недренированный сдвиг (НН – 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 , при таких испытаниях можно получить зависимости ? и с от влажности. Схема испытаний на НН – сдвиг применяется для грунтов, находящихся в нестабилизированном состоянии (водонасыщенные глинистые, органо-минеральные грунты).
3.3. Угол естественного откоса сыпучих грунтов
Углом естественного откоса называется угол, образованный линией свободно стоящего откоса отсыпанного грунта с горизонтом. Любая частица на поверхности откоса находится под действием собственного веса Р. Сила Р может быть представлена составляющими: вертикальной N и горизонтальной Q.
Т
N
Р
?0 Q
x
N = P?cos?0; Q = P?sin?0
T = N?f = N?tg? = P?cos?0 ?tg?
? x = Q – T = 0
P?sin?0 - P?cos?0 ?tg? = 0
tg?0 = tg?
?0 = ?
4. Полевые методы определения характеристик
деформируемости и прочности грунтов
4.1. Полевые испытания статической нагрузкой
(штамповые испытания)
Такие испытания проводятся для определения модуля деформации грунта. Испытания проводят в шурфах или скважинах инвентарными жесткими штампами площадью 500 – 1000 см2. Нагрузку к штампу прикладывают ступенями после стабилизации осадки на предыдущей ступени. Осадки штампа измеряют прогибомерами, закрепленными на независимой раме.
Схема штамповых испытаний
(1 – выработка; 2 – штамп; 3 – стойка; 4 – прогибомеры)
По результатам штамповых испытаний грунта модуль деформации определяется по формуле:
,
где ? - коэффициент, принимаемый для круглых жестких штампов равным 0,8, для квадратных – 0,9; d – диаметр штампа или его ширина; ?р – приращение давления (в ограниченном диапазоне); ?s – приращение осадки штампа при изменении давления на ?р.
Значения модуля деформации грунта, найденные экспериментально, отличаются от действительного. Значения модуля деформации при компрессионных испытаниях получаются заниженными. Значения модуля деформации, определенные при штамповых испытаниях, получаются несколько завышенными.
4.2. Полевые испытания статическим
зондированием
Статическое зондирование заключается в медленном вдавливании в грунт с помощью домкратов стандартного зонда – конического наконечника с углом при вершине 600. Применяются различные конструкции зондов, позволяющие получать значения как лобового сопротивления, так и сопротивления трению по боковой поверхности.
По величине сопротивления погружению конуса зонда qc можно рассчитать значение модуля общей деформации грунта по формуле
Е = а?qc,
где а – коэффициент, зависящий от вида грунта. Для глинистых грунтов а = 7, для песчаных - а = 3.
По данным статического зондирования могут быть определены и характеристики грунта сдвигу
tg? = 0,045qc + 0,26;
c = 0,0116qc + 0,125.
4.3. Полевые испытания прессиометром
Испытания грунтов прессиометром используются для определения деформационных характеристик связных и трещиноватых скальных грунтов. Испытания проводят в скважинах диаметром 76 – 130 мм и глубиной 25 – 30 м. В скважину опускают резиновый цилиндрический баллон, заполненный жидкостью, - прессиометр. По мере увеличения давления в баллоне оно передается на стенки скважины и уплотняет окружающий грунт. Модуль деформации определяется по формуле
,
где ? – коэффициент Пуассона; ? – коэффициент прессиометрии; ?d – приращение диаметра рабочей камеры прессиометра при изменении давления ?p.
Применение этого метода целесообразно при изотропных грунтах, которые обладают одинаковой деформативностью в вертикальном и горизонтальном направлениях.
4.4. Полевые испытания методом
вращательного среза
Используют для определения сопротивления сдвигу в глинистых грунтах, илах и заторфованных грунтах на глубинах до 10 – 12 м. Для этого в забой скважины опускается четырехлопастная крыльчатка. Вращая крыльчатку вокруг оси, производят срез грунта по всей поверхности образующегося цилиндра. По максимальному ?пр-max и остаточному ?пр-min сопротивлению сдвигу могут быть определены характеристики грунта сдвигу
tg? = ?пр-min /??zg ;
c = ?пр-max - ?пр-min.
Здесь ? – коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя; ?zg – природное давление вышележащих слоев грунта в уровне середины крыльчатки.
ЛИТЕРАТУРА
Механика грунтов, основания и фундаменты. – Л., 1988 Механика грунтов, основания и фундаменты. Учебное пособие под ред. – М., Высшая школа, 2002 Основы механики грунтов. Учебное пособие. Воронеж, 2006. , Физико-механические свойства грунтов и лабораторные методы их определения. Учебно-методическое пособие. Воронеж, 2009. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. – М., Минстрой России, ГУП ЦПП, 1997 ГОСТ 20276-99. Методы полевого определения характеристик деформируемости. – М., ГУП ЦПП, 2000Вопросы для контроля знаний к лекциям 2 и 3
Что такое компрессионное сжатие грунта? Как строится компрессионный график [е = f(Р)]? В чем особенности компрессионной зависимости для грунта, обладающего структурной прочностью? В чем заключается закон уплотнения грунта? Какие показатели характеризуют сжимаемость грунта? Как определяется модуль деформации грунта при компрессионных испытаниях? Как определяется модуль деформации грунта по результатам штамповых испытаний? Что такое водопроницаемость грунтов? Как формулируется закон Дарси? Что такое начальный гидравлический градиент? Какое давление в грунте называют эффективным и какое нейтральным? Как различаются гидростатическое и гидродинамическое давления в грунте? Как формулируется закон Кулона для сыпучих грунтов? Как формулируется закон Кулона для связных грунтов? Каковы показатели прочности сыпучего и связного грунта? Как проводятся испытания грунта в приборе прямого одноплоскостного среза? Что такое предельное сопротивление грунта срезу (сдвигу)? Как определяются показатели прочности грунта по результатам испытаний в приборе прямого одноплоскостного среза? Какие схемы испытаний на сдвиг применяются для грунтов, находящихся в стабилизированном или нестабилизированном состоянии?