title-icon
Яндекс.Метрика
» » Влияние длительности среза на сопротивление глинистых грунтов сдвигу

Влияние длительности среза на сопротивление глинистых грунтов сдвигу

Длительное сопротивление глинистых грунтов сдвигу определяют испытанием серии образцов-близнецов на ползучесть при разных уровнях постоянного касательного напряжения т < тf. Для установления характера изменяемости тf в зависимости от длительности действия т=const, полученные из опытов данные сопоставляют с начальным (кратковременным) сопротивлением сдвигу грунта, которое в разных лабораториях определяют различными методами, отличающимися друг от друга длительностью испытания (среза) образцов. Во избежание путаницы при оценке длительного сопротивления сдвигу и для получения возможности сопоставления данных, полученных различными методами, необходимо знать влияние длительности испытания на прочностные свойства глинистых грунтов. Это позволит одновременно получить кривую длительного сопротивления сдвигу и оценить зависимость тf от времени действия касательного напряжения методом испытания образцов-близнецов при различных скоростях нагружения.
Ниже приведены результаты исследований автора книги, проведенных на приборах одноплоскостного среза ГГП-30 и на приборах среза кольцевых образцов НИС Гидропроекта. На каждом из указанных приборов грунты испытаны двумя сериями, при пяти или шести режимах нагружения и двух-трех значениях высоты образца. Чтобы исключить влияние дополнительного уплотнения в процессе среза, опыты проведены консолидированно-дренированным и консолидированно-недренированным (ускоренным) методами.
В случае ускоренного метода испытания образцов практически исключена возможность оттока поровой воды и рассеивания избыточного давления, возникающего в ней при сдвиге. Поэтому полученные из опыта данные будут характеризовать сопротивление грунта сдвигу, соответствующее его состоянию после завершения предварительного уплотнения. Этого нельзя сказать относительно данных, полученных испытанием образцов консолидированно-дренированным методом, если в процессе сдвига имеет место их уплотнение или разуплотнение.
1. В табл. 41 приведены результаты определения сопротивления сдвигу трех различных глистных грунтов нарушенного сложения при различной длительности испытания образцов-близнецов.
Опыты проведены на приборах одноплоскостного среза после предварительного уплотнения образцов-близнецов в виде пасты текучей консистенции в течение 20—24 дней. Образцы суглинка (2—57) и глины (4—57) нормально уплотнены под действием oz = 0,1 МПа, а часовъярской глины вначале уплотнены под давлением 0,2 МПа, а затем разгружены до 0,1 МПа и испытаны на срез. Уплотняющая нагрузка приложена ступенями по 0,0125 МПа через каждые двое суток. Приложена ступенями и сдвигающая нагрузка, величина которой при испытании суглинка и глины была равна Ат = 0,005 МПа, а часовъярской глины Ат = 0,0025 МПа. Интервалы приложения ступеней касательного напряжения изменялись в пределах от 5 с до 1 ч (см. табл. 41).

Образцы-близнецы испытаны на сдвиг и по стандартной методике затухающих деформаций НИИОСПа (ГОСТ 12248—78). В этих опытах за условную стабилизацию деформации сдвига принята скорость, равная 0,01 мм за 2 мин (0,005 мм/мин).
Экспериментами установлено (см. табл. 41): а) сопротивление глинистых грунтов сдвигу зависит от длительности среза; б) влияние длительности среза на сопротивление сдвигу ограничивается сравнительно небольшим интервалом времени. Сопротивления грунтов сдвигу, определенные при приложении ступеней касательного напряжения с интервалами 30 и 60 мин и по методу стандартного среза, практически равны, несмотря на большую разницу между длительностями их среза. При увеличении длительности среза образцов более чем в 600 раз наибольшее уменьшение тf по сравнению с «мгновенным» сопротивлением сдвигу составляет примерно 15%.
2. Рассмотренные выше грунты испытаны на кольцевой срез после предварительного уплотнения под действием oz = 0,2МПа в течение 20—30 дней. Скорости приложения ступеней касательного напряжения прежние. В процессе сдвига зафиксировано уменьшение Объема образцов до 1,5%.
Результаты испытания образцов грунта 2—57 показаны на рис. 136, а двух других грунтов приведены в табл. 42.

Опыты показали, что мгновенное сопротивление сдвигу суглинка (грунт 2—57) и глины (грунт 4—57) уменьшается во времени соответственно на 20 и 30%, а тf часовъярской глины практически на зависит от длительности испытания. В обоих рассмотренных выше вариантах испытания грунтов установлено, что увеличение длительности испытания вначале приводит к снижению тf, а в дальнейшем оно либо практически не сказывается на величине тf, либо приводит к некоторому упрочнению грунта. Здесь, как и в первом варианте испытания, изменение длительности среза от 180 мин до 7920 мин не оказало заметного влияния на величину сопротивления грунтов сдвигу.
Приведенные выше результаты позволили автору книги в 1961 г. впервые высказать некоторые предварительные соображения о природе изменяемости ту в зависимости от длительности среза и о предполагаемой величине предельно длительного сопротивления глинистых грунтов сдвигу, получившие в дальнейшем полное экспериментальное подтверждение.
Изменяемость во времени сопротивления глинистых грунтов сдвигу, обладающих преимущественно связями водно-коллоидального характера, при небольших длительностях испытания (при отсутствии уплотнения и тиксотропного упрочнения) характеризуется некоторым уменьшением тf,0 вследствие снижения вязкого сопротивления и нарушения структуры. При более длительных испытаниях, когда на прочностных свойствах грунта сказывается влияние структурного упрочнения за счет переориентации частиц и других физико-химических процессов, наблюдаются стабилизация прочностных свойств или же их возрастание (вопросы упрочнения глинистых грунтов в процессе ползучести рассмотрены в следующем параграфе). При этом минимальное значение сопротивления глинистых грунтов сдвигу достигается не при t=00, а при длительности испытания, близкой по продолжительности к испытанию по стандартной методике — методике затухающих деформаций сдвига. Очевидно, что характер изменяемости тf во времени зависит от свойств грунта, а наименьшее его значение обусловлено суммарным значением сил внутреннего трения и структурного сцепления в момент разрушения (среза).
Приведенные выше рассуждения, а также результаты экспериментов позволили заключить, что стандартное сопротивление сдвигу исследованных грунтов, определенное методом затухающих деформаций сдвига, примерно равно предельно длительному сопротивлению сдвига тf,st=тf,00.
Деформация сдвига сопровождается изменениями в структуре грунта — изменением прочности структурных связей. Поэтому скорость накопления деформации и снижение тf,0 грунта зависит от прочности и скорости разрушения старых, а также возникновения новых структурных связей между частицами. Чем меньше структурная прочность грунта, тем меньше и возможное уменьшение тf,0 вследствие разрушения структуры и наоборот. При этом разрушение жестких структурных связей (структура сцепления) имеет необратимый характер.
Действительно, если в приведенных выше примерах длительность среза образцов практически не сказывается на величине начального («мгновенного») сопротивления сдвигу часовъярской глины, обладающей (высокой пористостью, влажностью и небольшой структурной прочностью, то снижение тf,0 суглинка (грунт 2—57) и глины (грунт 4—57) при oz=0,1 МПа составляет 15%, а при oz = 0,2 МПа оно доходит до 30%, при испытании меотической глины природного сложения твердой и полутвердой консистенции, по данным В.В. Жихович, оно уже составляет 40%.
Стабилизация сопротивления сдвигу грунта при длительности опыта, равной времени, необходимому для испытания образцов по стандартной методике, свидетельствует о возможно полном разрушении структуры грунта, ибо дальнейшее увеличение продолжительности испытания не приводит к снижению его прочностных свойств. Иначе говоря, возможно полное разрушение структуры практически завершается в пределах времени, необходимого для испытания грунта по методу затухающих деформаций.
В упомянутой выше работе Л. Бьеррума, Н. Симонса и Д. Тарблеба длительность испытания цилиндрических образцов глины из Форенбю (близ г. Осло) на трехосное сжатие (влажность 35,2—55,2%, предел текучести 36,4—59,4%, предел пластичности 18,8—32,0) колеблется от 10 мин до 500 ч. Перед испытанием образцы подвергались всестороннему уплотнению давлениями 0,1; 0,2 и 0,4 МПа в течение трех дней. Установлено, что увеличение длительности испытания по закрытой системе приводит к снижению прочности грунта до 50% (рис. 137, а),
которое практически завершается в пределах t=2—5 ч (за исключением образцов, уплотненных под давлением 0,2 МПа). При испытании образцов по открытой системе влияние длительности испытания на прочностные свойства грунта не было обнаружено (рис. 137, б).

Приведенные в статье М.Н. Гольдштейна и С.С. Бабицкой результаты опытов, полученные в 1959 г. при одноосном сжатии цилиндрических образцов нарушенного сложения, показали снижение прочности глин от 17 до 34% при увеличении интервала приложения ступеней нагрузки от 5 с до 24 ч. В этой статье нет данных зависимости тf от длительности испытания, однако судя по результатам других подобных опытов (см. ниже), следует полагать, что указанное выше снижение прочности практически заканчивается в течение двух-пяти часов.
Результаты опытов Я.Л. Когана и А.И. Чухровой, полученные на срезных приборах ЦНИИИСа при длительности испытания t=1; 7; 60; 300 и 5000 мин и опубликованные в 1959 г., полностью согласуются с нашими результатами. Зафиксированное в опытах упрочнение нормально уплотненных грунтов нарушенного сложения после некоторого снижения тf,0 (t=1 мин) объясняется уплотнением их в процессе сдвига. Испытания образцов природного сложения показали как снижение (до 15%), так и увеличение (до 27%) тf,t при увеличении длительности среза от 300 до 5000 мин.
В другой работе М.Н. Гольдштейна и С.С. Бабицкой, опубликованной в 1964 г., также обнаружено снижение тf,0 при снижении скорости кольцевого среза в 1000 раз в случае испытания образцов в течение 5—6 сут.
Наконец, по данным А. В. Скемптона и П. Ларошель, полученным при недренированных трехосных испытаниях образцов переуплотненной коричневой лондонской глины, при увеличении длительности испытания от 15 мин до 8 дней прочность снижается на 20%. Причем, как и в описанных выше опытах, снижение начальной прочности наблюдается в течение нескольких часов.
Во всех рассмотренных выше работах грунты не испытаны по методу затухающих деформаций и, следовательно, полученные результаты не сопоставлены со стандартным сопротивлением сдвигу тf,st.
Результаты изложенных выше исследований полностью подтверждают вывод автора книги о приближенном равенстве тf,st=тf,00, который в свое время был подкреплен экспериментами ползучести грунта при т=0,85—0,9 тs,st в течение 5—6 мес, показавшими не разрушение, а упрочнение образцов после длительного сдвига. Этот вывод был подтвержден не только другими работами автора книги, но и работами В.В. Жихович, Р.Э. Дашко и др. Аналогичные результаты были получены также С.С. Вяловым и Н.К. Пекарской при кольцевом срезе юрской глины бат-бойосского горизонта, С.С. Вяловым, Н.К. Пекарской и Р. В. Максимяк при испытании образцов каолина в условиях кручения различными скоростями; их работы опубликованы соответственно в 1965 и 1968 гг.
Сказанное выше полностью согласуется также с результатами опубликованных в 1964 г. работ А. Скемптона, М.Н. Гольдштейна и С.С. Бабицкой, посвященных исследованию изменяемости т при испытании грунтов в режиме контроля напряжениями (см. рис. 103). Опытами установлено, что если тf как обычно, зависит от длительности испытания (скорости среза), то тr — стабилизированное (остаточное) сопротивление сдвигу не зависит от этого фактора и равно предельно длительной прочности грунта, полученной по методу контроля деформации ползучести. Если сопоставить тf,st (определенное по методике затухающих деформаций в режиме контроля деформациями) с тr (определяемым испытанием образцов в режиме контроля напряжениями), то мы уверены в том, что они окажутся равными. Такое сопоставление необходимо сделать.
В заключение отметим, что М.Н. Гольдштейн, С.С. Вялов и другие исследователи, которые в реологию обыкновенных глинистых грунтов перенесли некоторые термины прочности из области мерзлых грунтов, под термином «стандартная прочность» (сопротивление сдвигу) понимают «мгновенную прочность», определяемую испытанием образцов в течение 1 мин. До введения этого метода в лабораторную практику в механике грунтов сопротивление сдвигу определяли по общепринятой тогда методике затухающих деформаций, которую автор назвал стандартной.
Если для мерзлых грунтов, которые служат материалом для возведения кратковременно служащих ограждающих конструкций, рассмотрение деформаций в пределах изменяемости тf от тf,0 до тf,st имеет вполне определенный смысл, то этого нельзя сказать относительно немерзлых глинистых грунтов, длительность работы которых исчисляется десятками и сотнями лет. Поэтому все расчеты на прочность и ползучесть немерзлых глинистых грунтов должны быть основаны на стандартной прочности тf,st, которая значительно ниже мгновенного сопротивления сдвигу тf,0. Чтобы избежать недоразумений при рассмотрении вопроса об изменяемости сопротивления глинистых грунтов сдвигу, следует указать методику определения начальной прочности.
Как отмечает С.С. Вялов, при оценке устойчивости грунтового массива по «пиковой» («мгновенной») прочности следует в расчет вводить специальный коэффициент, а если исходить из «остаточной» прочности тr (стандартной прочности по автору книги), то возможная погрешность по сравнению с натурой при широком диапазоне скорости смещения (1 см/год—100 см/сут), по А. Скемптону, не превысит 2—5%.

title-icon Подобные новости