title-icon
Яндекс.Метрика
» » Существующие представления о природе изменяемости сопротивления глинистых грунтов сдвигу во времени

Существующие представления о природе изменяемости сопротивления глинистых грунтов сдвигу во времени

1. Первые исследования по влиянию скорости приложения нагрузки (длительности испытания) на сопротивление глинистых грунтов сдвигу выполнены в 30-х годах Н.П. Анаховым, К. Тердаги и X. Тидеманом. Аналогичные исследования в дальнейшем проведены А.А. Ничипоровичем, Н.Н. Масловым, В.В. Охотиным и Г.Ф. Богдановым, Я.Л. Коганом и А.Н. Чухровой, С.Р. Месчяном, В.В. Жихович, Р.Э. Дашко, А.В. Скемптоном и П. Ларошель, М.Н. Гольдштейном и С.С. Бабицкой и многими другими. Изменяемость прочности грунта при различных режимах нагружения методом трехосного сжатия в 1958 г. исследована Л. Бъеррумом, Н. Симонсом и Д. Тарблебом и др.
Исследованиями Н.П. Анахова установлено возрастание тf примерно в два раза при увеличении скорости среза от 0,8 до 88 мм/мин, а по данным А.А. Ничипоровича возрастание тf имеет место при скоростях среза 80—120 мм/мин, тогда как при малых скоростях среза тf изменяется незначительно. Здесь заслуживают особого внимания результаты опытов, полученные А.А. Ничипоровичем. Им установлено, что изменение тf обусловлено не возникновением избыточного или отрицательного давления в поровой воде, а зависимостью его вязкого сопротивления от скорости среза.
По К. Терцаги, при малых нормальных давлениях увеличение скорости среза вызывает резкое возрастание тt, а при больших давлениях — снижение. По X. Тидеману, увеличение длительности среза от 9 ч до 16 дней приводит к весьма незначительному изменению тf (на 5—8%) в сторону увеличения.
Изложенное выше позволяет заключить, что при увеличении длительности (уменьшении скорости) среза обнаруживается не только уменьшение, но и увеличение тf. Качественно аналогичные результаты получили В.В. Охотин и Г.Ф. Багданов, Я.Л. Коган и А.И. Чухрова, С.Р. Месчян, В.В. Жихович, Р. Э. Дашко, Л. Бъеррум, Н. Симонс и Тарблеб и др.
2. Определение длительной прочности по методу испытания цилиндрических образцов при одноосном сжатии и при изучении сил cмерзания мерзлых грунтов впервые выполнены в 1937 г. Н.А. Цытовичем и в 1948 г. М.Н. Гольдштейном. Исследования длительной прочности мерзлых грунтов в дальнейшем были проведены С.С. Вяловым совместно с сотрудниками: С.Е. Гречищевым и др.
Большое внимание к проблеме длительной прочности мерзлых грунтов обусловлено высокой мгновенной прочностью, течением при любом уровне напряжения и катастрофическим снижением прочности во времени (до 15 раз) их основного компонента — льда. Результаты этих исследований были в определенной степени распространены на обыкновенные глинистые грунты.
Первые исследования длительной прочности обыкновенных (немерзлых) глинистых грунтов при одноосном и трехосном сжатии проведены в 1951 г. А. Казагранде и С. Уилсоном. В их опытах, которые проводились на приборах трехосного сжатия по закрытой системе (при отсутствии дренажа), было установлено наступление разрушения образцов при напряжениях 80—40% от предельных их значений, определенных испытанием образцов в течение 15 мин. Опыты Р. Хефели по испытанию образцов на трехосное и одноосное сжатие показали увеличение начальной кратковременной прочности грунта на 20—30%, а на кольцевой срез — отсутствие существенного влияния на сопротивление сдвигу продолжительности среза.
В дальнейшем обширные работы по исследованию длительной прочности глинистых грунтов были выполнены как у нас, так и за рубежом. He останавливаясь на изложении результатов работ отдельных авторов, отметим, что в одних работах выявлено уменьшение начального сопротивления сдвигу от 10 до 50%, а в других — установлена независимость прочностных свойств глинистых грунтов от длительности действия постоянных нагрузок или же некоторое их возрастание.
3. Чтобы получить представление об изменяемости сопротивления глинистых грунтов сдвигу, рассмотрим кривые изменяемости т от деформации сдвига, полученные испытанием образцов различных грунтов при постоянных скоростях деформации (в режиме контроля напряжений).

Эксперименты показывают, что характер кривых т—у зависит от состава и состояния плотности — влажности и структурной прочности грунтов (рис. 135). Например, кривая 1 на рис. 135, по Д. Тролопу и К. Чэну, соответствует «чистой глине» низкого структурного порядка (нормально уплотненная глина пластичной консистенции, не обладающая сцеплением упрочнения). Кривые 2 и 3 соответствуют смесям песка, пыли и глины, обладающим низким и средним структурным порядком (глины переуплотненные, тугопластичной консистенции). Кривая 4 соответствует глинистому грунту, обладающему высоким структурным порядком (структурной прочностью), находящемуся в полутвердом и твердом состояниях.
Рассмотрение кривых, приведенных на рис. 103,б и 135, показывает, что деформация пластичного грунта (кривая 1) в отличие от грунтов тугопластичной консистенции (кривые 2 и 3) не сопровождается понижением прочности. Кривые т—у грунтов тугопластичной консистенции имеют экстремальный характер сопротивления сдвигу которых характеризуются пиковым тf и остаточным значениями тr. Наблюдаемое изменение сопротивления сдвигу Д. Тролопом и К. Чэном объясняется потерей прочности основной глинистой массы (разрушением структуры) и увеличением трения между частицами крупных размеров вследствие образования зернистой структуры, стабилизированной глинистой массой. Что же касается кривой 4 (см. рис. 135), соответствующей грунтам полутвердой и твердой консистенции, то она показывает хрупкое разрушение материала при достижении деформации определенной величины.
Для определения мгновенного, предельно длительного сопротивления сдвигу и условия медленной пластической деформации скрытопластичных глинистых грунтов Н.И. Маслов пользуется предложенным им условием прочности (9.12). Причину изменяемости тf глинистых грунтов в процессе ползучести Н.Н. Маслов видит в нарушении жестких структурных связей при достаточно больших деформациях сдвига (cc=0). В соответствии с изложенным предельно длительное сопротивление сдвигу скрытоэластичных и пластичных глинистых грунтов соответственно определяется следующими выражениями:

Такая трактовка снижения сопротивления глинистых грунтов сдвигу, безусловно, является правильной,
В зарубежных работах, опубликованных значительно позже, в частности в трудах IV международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению, приведены соображения Д. Хенкеля, P. Poy и др. о возможности обращения полного сцепления с в нуль и необходимости его исключения при оценке длительной прочности грунтов.
Сопоставляя диаграммы сдвига переуплотненной лондонской глины, построенные по данным пиковых и остаточных значений сопротивления грунта сдвигу, А.В. Скемптон отмечает, что при переходе от тf к тr сцепление практически становится равным нулю. В доказательство этому он приводит результаты испытания на одноплоскостной срез образцов глины из Уолон-Вуда в виде пасты и природного сложения, показавшие практическое равенство остаточных значений сопротивления их сдвигу.
Таким образом, понижение мгновенного сопротивления сдвигу при увеличении деформации присуще грунтам, обладающим повышенной структурной прочностью — сцеплением упрочнения, и является результатом разрушения их структуры. Следовательно, как отмечают М.Н. Гольдштейн и С.С. Бабицкая, А.Н. Ермолаева, В.И. Крылова и Б.Ф. Рельтов, под предельно длительным сопротивлением сдвигу глинистых грунтов следует понимать касательное напряжение, при котором наступает максимально возможное нарушение структуры, оставшейся при меньших нагрузках практически ненарушенной.
4. Снижение мгновенного сопротивления глинистых грунтов сдвигу вследствие ползучести кроме разрушения структуры объясняется также изменением сложения глинистых частиц — их ориентировкой параллельно поверхности скольжения.
Ориентация частиц приводит к увеличению сил отталкивания и возникновению отрицательного порового давления, вследствие чего к ним притягиваются молекулы воды из ближайших участков, возрастает влажность зоны сдвига и уменьшается сцепление. Ориентация частиц происходит постепенно — во времени. Поэтому с увеличением длительности действия нагрузки имеет место снижение прочности грунта. Отрицательное поровое давление увеличивает внутреннее трение, так как складывается с внешним нормальным напряжением и давлением массы грунта.
В.А. Флорин, Я.Л. Коган и В.А. Иоселевич, наоборот, считают, что переориентация частиц грунта, связанная с разрушением хрупких связей, заканчивается в первой стадии деформирования — в стадии затухающей ползучести. В стадии течения разрушение связей между частицами полностью компенсируется возникновением новых, поэтому третья стадия ползучести с возрастающей скоростью не должна наступать вообще. Тем самым они полностью отрицают возможность какого-либо снижения сопротивления глинистых грунтов сдвигу. Затухающий характер кривой ползучести в первой стадии деформирования считается следствием упрочнения грунта и ориентировки частиц с преобладанием процесса установления новых связей между частицами.
Я.Л. Коган и В.А. Иоселевич (1961 г.) разрушение образцов при т < тf,st объясняют условием их испытания на приборах однотрехосного сжатия и прямого (одноплоскостного) сдвига. В последнем случае, по их мнению, уменьшение площади среза выполняет ту же самую роль, какую выполняет образование шейки при испытании металлов на растяжение. Поэтому для указанной цели они рекомендуют использовать приборы кольцевого среза. С этим мнением нельзя не согласиться.
5. Снижение прочности водонасыщенных глинистых грунтов В.А. Флорин объясняет условием испытания по закрытой системе, проявление которого в естественных условиях является маловероятным. Однако опубликовано несколько работ, авторы которых ставят под сомнение влияние порового давления.
Опыты Л. Бъеррума, Н. Симонса и Д. Тарблеба, выполненные в 1958 г., показывают, что при испытании цилиндрических образцов в закрытой системе с нарастанием времени разрушения (длительности разрушения) прочность грунта уменьшается, а коэффициент порового давления (в момент разрушения) несколько возрастает. Они считают, что зафиксированное нарастание коэффициента порового давления недостаточно для объяснения наблюдаемого уменьшения тf во времени. Снижение тf они считают результатом снижения истинного сцепления или истинного угла внутреннего трения во времени. Независимость тf от длительности дренированных испытаний (открытая система) объясняют компенсацией уменьшения сцепления и трения, нарастанием во времени сопротивления сдвигу вследствие уменьшения влажности в течение опыта.
Повышение прочности глинистых грунтов при увеличении нормального давления Н.Я. Денисов связывал с увеличением плотности и сцепления между частицами. В силу необратимости большей части деформации уплотнения уменьшение нормального напряжения вследствие действия порового давления не сказывается на начальных прочностных свойствах грунтов.
Возникновение избыточного давления в поровой воде водонасыщенного глинистого грунта обусловлено как его уплотнением под действием уплотняющей нагрузки, так и изменением режима грунтовых вод по причинам, не зависящим от внешней нагрузки.
В первом случае проявление избыточного давления в поровой воде связано с частичным или полным восприятием поровой водой внешней нагрузки. Если за начальное состояние грунта принят момент приложения избыточной уплотняющей нагрузки Aoz, то величина избыточного порового давления, будет обусловлена ее значением. Следовательно, как справедливо отмечают Я.Л. Коган и М.Е. Харр, избыточное давление в поровой воде не приведет к увеличению физико-химического взаимодействия между частицами грунта в условиях закрытой системы, поскольку не будет изменено начальное эффективное давление. Поэтому избыточное давление в поровой воде не может снизить начальное сопротивление грунта сдвигу, которое всецело зависит от его плотности в момент приложения избыточного давления.
Если даже представить, что внешняя нагрузка полностью передается на поровую воду (Auw=Aoz), то в этом случае начальная прочность грунта не изменится, она останется такой, какой была до приложения избыточного давления Aoz. Следовательно, при испытании полностью водонасыщенных несжимаемой поровой водой образцов на трехосное сжатие по закрытой системе (при немедленной и полной передаче внешней нагрузки на поровую воду) определяется прочность, соответствующая состоянию грунта до приложения избыточною давления. Поэтому, по Д. Тейлору, изменяемость прочности грунта от длительности приложения разности грунта, а по мере передачи части внешней нагрузки на поровую воду первоначальной прочности грунта, а кривая длительной прочности расположится ниже кривой, определенной испытанием образцов по открытой системе.
В случае сжимаемости поровой воды вначале будут иметь место некоторое уплотнение и возрастание первоначальной прочности грунта, а по мере передачи части внешней нагрузки на поровую воду — снижение прочности во времени до стабилизации избыточных напоров в поровой воде. Очевидно, что ввиду частичной необратимости деформации уплотнения минимальное значение прочности будет выше, чем начальная прочность, которой обладал грунт до приложения избыточного уплотняющего давления. Поскольку повышение давления в поровой воде является длительным процессом то, по всей вероятности, этим можно объяснить наблюдаемые в лабораторных условиях и в натуре случаи разрушения грунтов по истечении определенного времени после их нагружения. Очевидно, разрушение грунта произойдет в момент совпадения остаточного сопротивления грунта сдвигу с пиковым значением избыточного давления в поровой воде.
Возможность рассеивания во времени избыточного давления в поровой воде приведет к постепенному повышению эффективного давления — к уплотнению, повышению начальной прочности грунта в результате коллоидно-химического взаимодействия между частицами и увеличению суммарной площади контактов в зоне деформации. В этом случае, как было сказано в начале главы, приобретает очень важное значение масштабный фактор, который и обусловливает характер кривой длительного сопротивления грунтов сдвигу.

title-icon Подобные новости