title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Кратковременное (начальное) сопротивление глинистых грунтов сдвигу

Кратковременное (начальное) сопротивление глинистых грунтов сдвигу

Сопротивление сдвигу тf является тем основным прочностным показателем грунтов вообще, глинистых в частности, по которому основания и сооружения из грунтовых материалов рассчитывают по первому предельному состоянию — по предельной прочности проверяют устойчивость откосов и естественных склонов, определяют давление грунта на ограждающие конструкции (подпорные стенки, обделки туннелей и т. д.). Сопротивление сдвигу глинистых грунтов равно второму предельному напряжению сдвига тf = тlim(2), т. е. тому минимальному значению касательного напряжения, при котором наступает третья стадия ползучести BC, протекающая с возрастающей скоростью.
Для оценки прочностных свойств грунтов при сдвиге применяют теорию прочности Ш. Кулона, которая хорошо согласуется с экспериментом. Согласно этой теории прочность грунта на некоторой произвольно выбранной плоскости массива определяется величиной эффективного нормального напряжения, действующего на этой плоскости, и его сопротивлением сдвигу на той же плоскости. В соответствии с этим условие прочности грунта записывается в следующем виде:

где oz — нормальное напряжение; ф — эмпирический параметр, который принято называть углом внутреннего трения.
Выражение (9.1) является законом сухого кулоновского трения (сопротивления сдвигу) несвязных (песчаных) грунтов. Сопротивление глинистых грунтов сдвигу определяется выражением

где с — параметр, равный сопротивлению грунта сдвигу при oz = 0, называемый сцеплением; f — коэффициент трения.
Для определения входящих в (9.1) и (9.2) параметров ф и с испытывают на сдвиг несколько образцов-близнецов при различных значениях постоянной уплотняющей нагрузки. Испытания проводятся как в режиме контроля деформаций сдвига у, так и в режиме контроля касательных напряжений т. Испытывают образцы-близнецы природного или нарушенного сложения как при сохранении природной влажности, так и при различных режимах увлажнения. Методы вырезки образцов из монолитов (кернов) природного сложения или изготовления таковых нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности обычные.

Испытание образцов в режиме контроля деформаций сдвига у (управляемого напряжения) выполняется приложением ступенчато-возрастающих касательных напряжений, а результаты опытов представляют в виде кривых т—As или х—у (рис. 102).
В каждом состоянии грунта, обусловленном величиной и продолжительностью действия постоянной эффективной нагрузки oz, при некотором предельном уровне касательного напряжения, равном предельному сопротивлению сдвига тf, образец деформируется без увеличения последнего. Деформация грунта при указанном уровне касательного напряжения, как было сказано выше, завершается исчерпыванием прочности грунта с нарушением или без нарушения его сплошности. Причем чем больше эффективная уплотняющая нагрузка oz, тем больше сопротивление грунта сдвигу (см. рис. 102).
По определенным из опыта значениям сопротивления грунта сдвигу строят кривую зависимости тf—оz (рис. 102). Для глинистых грунтов — это прямая, отсекающая на оси ординат тf отрезок с (сплошная линия), а для песчаных—прямая, проходящая через начало координат (штриховая линия). Параметры ф определяют по углу наклона прямых тf—oz к оси абсцисс.
Испытание образцов в режиме контроля касательных напряжений (управляемых деформаций) проводится при некотором заданном значении постоянной скорости деформации сдвига, создаваемой испытательной машиной, с автоматической записью кривой т=т(у).
Эти кривые для нормально уплотненных и недоуплотненных грунтов (рис. 103) не отличаются от кривых, полученных в режиме контроля деформаций сдвига (см. рис. 102). Кривая т=т(у) переуплотненных глинистых грунтов (см. рис. 103), обладающих достаточно большой плотностью и структурной прочностью, существенно отличаются от таковой, полученной при испытании других их разновидностей. В этом случае после достижения касательным напряжением некоторого наибольшего — «пикового» значения (точки разрушения) тf, деформация сдвига продолжает развиваться при уменьшающемся касательном напряжении, асимптотически стремящемся к некоторой постоянной величине тz, называемой «остаточным» касательным напряжением.

Таким образом, если сопротивление сдвигу нормально уплотненных и недоуплотненных глинистых грунтов оценивается одним значением, то сопротивление сдвигу переуплотненных глинистых грунтов (в случае испытания образцов в режиме контроля напряжений) — «пиковым» (разрушающим) тf и «остаточным» тr значениями касательного напряжения. Следовательно, по данным испытания можно построить две диаграммы сдвига (см. рис. 103) и определить по два значения параметров ф (фf, фr) и с (сf, сr), соответствующих «пиковому» и «остаточному» сопротивлениям грунта сдвигу.
В процессе сдвига недоуплотненных глинистых грунтов наблюдается доуплотнение, а переуплотненных — разуплотнение (см. рис. 103). Нормально уплотненные грунты при сдвиге практически не изменяют свою плотность.
Пористость водонасыщенных глинистых грунтов, влажность которых не изменяется в процессе сдвига, принято называть критической пористостью, а их состояние критическим. Как отмечал Н.Я. Денисов в 1963 г., пористость глинистых грунтов при сдвиге стремится к своему критическому значению (см. рис. 103), которое соответствует пористости нормально уплотненного грунта (Г.И. Тер-Степанян). Нормально уплотненные грунты, обладающие большой структурной прочностью, проявляют (в слабой степени) свойства переуплотненных грунтов, т. е. они также обладают «пиковым» и «остаточным» сопротивлениями сдвигу.
Следовательно, чтобы получить достоверные данные о прочностных свойствах переуплотненных и нормально уплотненных (обладающих большой структурной прочностью) глинистых грунтов, должна быть обеспечена возможность свободного разуплотнения (отрицательной дилатансии) образцов в процессе сдвига. Для обеспечения указанного условия при испытании образцов на приборах М-5 уплотняющую нагрузку следует создавать не винтовым приводом, а рычажным прессом.
Сопротивление глинистых грунтов сдвигу зависит как от величины уплотняющей нагрузки pz, так и от режима и длительности приложения касательных напряжений.
Уменьшение скорости приложения и увеличение продолжительности действия pz, как правило, приводит к возрастанию прочности и сопротивления сдвигу как водонасыщенных, так и неводонасыщенных глинистых грунтов. В первом из указанных случаев это упрочнение грунта обусловлено рассеиванием во времени избыточного (нейтрального) давления в поровой воде uw, достигающего максимума или в момент приложения pz, или через некоторое время после этого момента (см. рис. 33). Рассеивание давления приводит к увеличению эффективного давления oz = pz—uw, воспринимаемого скелетом грунта, и к увеличению плотности и прочности грунта во времени. В случае испытания неводонасыщенных глинистых грунтов увеличение продолжительности действия pz=oz вследствие ползучести их скелета приводит к такому же явлению.
Увеличение продолжительности действия касательных напряжений по-разному сказывается на сопротивлении глинистых грунтов сдвигу. В случае испытания водонасыщенных грунтов в условиях свободного отжатия поровой воды увеличение длительности действия касательного напряжения сказывается положительно на прочностных свойствах грунтов. В этом случае имеет место увеличение сопротивления сдвигу из-за рассеивания порового и увеличения эффективного давлений. В случае испытания на сдвиг водонасыщенных и неводонасыщенных глинистых грунтов в условиях отсутствия избыточных напоров в поровой воде увеличение длительности действия касательных напряжений приводит к снижению сопротивления их сдвигу. Это явление обусловлено реологическими свойствами глинистых грунтов и носит название длительного сопротивления сдвигу.
Длительное сопротивление тft изменяется между начальным (мгновенным, кратковременным) xf и предельно-длительным (стабилизированным) хr сопротивлениями глинистых грунтов сдвигу (см. рис. 103 и 3). Под начальным пониманием сопротивление сдвигу для данного состояния грунта в данный момент времени, определяемое по одному из рассматриваемых методов кратковременного испытания образцов.
Сопротивление сдвигу водонасыщенных глинистых грунтов, при всех равных условиях, зависит от условия дренирования образцов, т. е. от условия возникновения и рассеивания избыточного давления в поровой воде в процессе их испытания.
По условиям дренирования сопротивление сдвигу водонасыщенных глинистых грунтов определяют: а) неконсолидированно-недренированным (HH) или быстрым; б) консолидированно-недренированным (KH) или ускоренным; в) консолидированно-дренированным (КД) или медленным методами испытания образцов. В соответствии с изложенным сопротивление сдвигу водонасыщенных глинистых грунтов в общем случае вместо (9.2) следует определять по следующему выражению:

Пример определения сопротивления сдвигу глинистого грунта по трем указанным выше методам, заимствованный из работы М.Н. Гольдштейна и С.С. Бабицкой 1963 г., приведен на рис. 104.
Кроме перечисленных выше существуют и другие специальные методы: а) лабораторный метод определения сопротивления сдвигу (срезу) глинистых грунтов в условиях незавершенного уплотнения с фиксацией плотности-влажности, предложенный Н.Н. Масловым; б) сдвиг для оценки прочностных свойств грунтов по плоскости трещин или контакту слоев; в) сдвиг после предварительного уплотнения под проектной нагрузкой для оценки прочности набухающих грунтов при небольших нагрузках с дополнительным увлажнением (замачиванием); г) сдвиг после частичной разгрузки нормального давления (метод А.А. Ничипоровича, 1948 г.).


title-icon Подобные новости