4.2. Характеристики прочности грунтов

В механике грунтов различают хрупкое и пластическое разрушение.

При хрупком разрушении материал теряет сплошность, в нем образуются трещины отрыва или сдвига, он распадается на части или отдельные куски. Этот процесс называют хрупким разрушением. Такой характер разрушения свойствен, например, образцам прочных скальных грунтов.

Если в процессе нагружения происходит неограниченное пластическое деформирование материала без видимого нарушения сплошности, переходящее в течение, то говорят, что имеет место пластическое разрушение грунта.

До настоящего времени в физике не разработана единая теория прочности, и для различных материалов используются те теории, которые показывают наилучшее соответствие результатам экспериментов.

Применительно к песчаным грунтам еще в 1773 г. французским ученым Ш. Кулоном было экспериментально установлено, что их разрушение происходит за счет сдвига одной части грунта по другой. При этом сопротивление растяжению в грунтах практически отсутствует.

Этим допущениям соответствует закон Мора– Кулона (3.32) и (3.33), который для случая предельного состояния может быть представлен в виде (см. также рис. 3.32):

, (4.1)

в одномерном случае и

(4.2)

в пространственном случае. Здесь , , , , и - см. пояснения к формулам (3.32) и (3.33).

Далее остановимся на методах определения механических прочностных характеристик, которыми в рамках модели грунта Ш. Кулона являются угол внутреннего трения и удельное сцепление .

Испытания на одноплоскостной сдвиг. Для проведения испытаний используют сдвиговый прибор (рис. 4.3).

Испытания выполняют в такой последовательности.

1. Верхнюю и нижнюю обоймы скрепляют друг с другом и помещают в них подлежащий испытанию образец грунта.

2. После этого к образцу через штамп 2 прикладывается вертикальная сила .

3. Вертикальная сила прикладывается ступенями. При этом каждая из ступеней выдерживается некоторое время до т.н. условной стабилизации. При этом за критерий условной стабилизации принимают определенную скорость осадки за некоторое время (например, скорость в течение 2 часов). Необходимо отметить, что для различных видов грунта критерии условной стабилизации отличаются друг от друга.

4. Осадка образца измеряется с использованием индикатора перемещений 5, а соответствующее ей вертикальное напряжение определяют с использованием формулы . Таким образом грунт уплотняют до заданного состояния. Соответствующие заданному состоянию параметры (нагрузка, коэффициент пористости и т.д.) указываются в программе испытаний.

5. После достижения заданного состояния при помощи специальных винтов верхнюю кольцевую обойму 2 приподнимают. В результате между верхней и нижней обоймами образуется зазор.

6. Далее вертикальное напряжение оставляют неизменным и ступенями прикладывают горизонтальное усилие T. Каждая ступень горизонтальной нагрузки выдерживается до условной стабилизации.

Под действием возникающих в плоскости зазора касательных напряжений τ=T/A развиваются горизонтальные перемещения верхней части образца . Эти перемещения измеряются с использованием индикатора перемещений 6.

7. Горизонтальную силу увеличивают до тех пор, пока горизонтальные перемещения верхней части образца не начнут увеличиваться без увеличения горизонтальной силы . Такое состояние свидетельствует о разрушении образца грунта при заданных значениях и за счет сдвига по фиксированной зазором между обоймами 2 поверхности.

Предельное значение , при котором начинается разрушение образца, называется сопротивлением сдвигу.

8. Такие испытания проводят для нескольких образцов грунта, находящихся в одинаковом состоянии (их называют «образцами - близнецам»). При этом для каждого из образцов заданные значения должны отличаться друг от друга.

Результаты выполненных в соответствии испытаний грунта представлены на рисунке 4.8.

9. Полученную таким образом переопределенную систему линейных алгебраических уравнений вида

(4.3)

Рис. 4.8. Зависимости разрушающих касательных напряжений от горизонтального перемещения (а) и разрушающих касательных напряжений от вертикальных нормальных (б).

1– зависимость при ; 2– то же, при ; 3– то же, при ; 4– зависимость " ".

Примечание. .

решают с использованием метода наименьших квадратов, в результате чего определяют искомые значения угла внутреннего трения и удельного сцепления . Техника обработки полученных таким образом экспериментальных данных изложена в разделе 4.6.

В зависимости от скорости приложения к основанию нагрузки различают неконсолидированный и консолидированный сдвиг грунта. В первом случае грунту под воздействием вертикальной нагрузки не дают уплотниться. Если в реальных условиях возможность оттока жидкости из пор грунта исключена, то значения угла внутреннего трения и удельного сцепления определяют в условиях недренированного сдвига. В этом случае пористые штампы 2 заменяют непроницаемыми.

Недренированный сдвиг в зависимости от решаемой задачи также может быть выполнен по неконсолидированной или консолидированной схеме.

В заключение отметим, что методика полевых испытаний грунта на сдвиг с целью определения его прочностных характеристик полностью идентична изложенной выше. Различия заключаются в размерах испытываемого образца и способах создания вертикальной и горизонтальной нагрузки.

Испытания по схеме трехосного сжатия. Наибольшее распространение получила схема стабилометрического нагружения грунта. Принципиальная схема стабилометра показана на рис. 4.4. Определение прочностных свойств грунта выполняют в такой последовательности (см. также рис. 4.4).

1. В камере стабилометра 3 создается давление .

2. После этого путем приложения ступенчато - возрастающей силы определяется разрушающее напряжение .

3. Далее испытывают еще несколько образцов-близнецов при боковых давлениях в камере стабилометра, равных и определяют соответствующие этим давлениям разрушающие напряжения .

4. Далее составляют переопределенную систему линейных алгебраических уравнений вида:

, (4.4)

где . (4.5)

5. Систему уравнений (4.4) решают методом наименьших квадратов, определяют неизвестные и с учетом равенств (4.5) по формулам

(4.6)

определяют искомые угол внутреннего трения и удельное сцепление .

6. Для определения угла внутреннего трения и удельного сцепления также используют графоаналитический метод (рис. 4.9). Процедура определения сводится к построению кругов Мора и проведению к ним общей касательной.

Рис. 4.9. К определению прочностных свойств грунта графоаналитическим методом (схема): – касательное разрушающее напряжение; – нормальное; – радиусы кругов Мора, установленные в ходе испытаний первого, второго и третьего образцов соответственно

Одноосные испытания. Этот вид испытаний используется для определения прочности скальных и полускальных грунтов. В данном случае искомой прочностной характеристикой является прочность грунта на одноосное сжатие . Схемы испытаний и экспериментальной установки представлены на рис. 4.1.

Испытываются полностью водонасыщенные образцы при ступенчатом возрастании вертикальной силы . Диаметр сечения цилиндрических или сторона призматических образцов обычно составляет 40...45 мм. При этом их высота должна превышать диаметр образцов в 2...3 раза. В ходе испытаний необходимо определить разрушающую вертикальную силу . Прочность грунта на одноосное сжатие определяют по формуле

, (4.7)

где – площадь сечения образца.

Отметим также, что прочность грунта на одноосное сжатие колеблется в пределах от 1...5 МПа (мел, слабые известняки и песчаники) до 250...300 МПа (базальты, габбро, мраморы).

Прочность грунта на одноосное растяжение может быть установлена непосредственно либо прямыми, либо косвенными методами. Однако с достаточной для инженерных целей точностью прочность скальных грунтов на растяжение можно определять по формуле

. (4.8)

В заключение отметим, что из-за трещиноватости характеристики прочности скальных грунтов и скальных грунтов резко уменьшаются.