Влияние ползучести на сопротивление глинистых грунтов сдвигу

Изложенное ранее дало нам представление о характере изменяемости сопротивления глинистых грунтов сдвигу в зависимости от длительности их испытания (среза) и о величине предельно длительного сопротивления сдвигу тf,00. В целях подтверждения рассмотренных результатов, выяснения природы разупрочнения и упрочнения глинистых грунтов вследствие ползучести приведем данные испытания образцов нарушенного и природного сложения на ползучесть при простом сдвиге под действием различных по величине постоянных касательных напряжений. Эти данные получены автором книги при испытании образцов-близнецов на приборах одноплоскостного, кольцевого среза и кручения кольцевых (а также сплошных) образцов при практически постоянном их объеме.
1. На приборах ГГП-30 и кольцевого среза НИС Гидропроекта в 1962 г. испытаны 18 образцов-близнецов суглинка 2—57 (см. табл. 5) под действием oz=0,2 МПа. Все образцы подвергнуты предварительному уплотнению с водонасыщением около четырех месяцев. Большая продолжительность уплотнения была вызвана необходимостью исключения дальнейшего уплотнения и структурного упрочнения (тиксотропия, синерезис и т. п.) и их влияния на тf.

Образцы-близнецы на приборах ГГП-30 испытаны тремя группами по четыре образца в каждой. Образцы первой группы испытаны на срез по стандартной методике, образцы второй группы попарно испытаны на ползучесть при двух уровнях постоянного касательного напряжения т=0,8 и 0,9 tf,st, а остальные были оставлены под действием oz в течение всего времени испытания образцов второй группы на ползучесть для последующего испытания на срез по стандартной методике и выяснения влияния уплотнения и старения на сопротивление сдвигу.
Испытание образцов велось в течение 208 дней в условиях практически постоянной температуры (20°±3°С), влажности воздуха (88—97%) и отсутствия посторонних воздействий. В течение всего опыта не было отмечено явление наступления третьей стадии ползучести с возрастающей скоростью. Образцы, подвергнутые испытанию на ползучесть, а также контрольные, оставленные под уплотняющей нагрузкой до окончания испытания образцов на ползучесть, после опыта были срезаны по той же стандартной методике (табл. 43).
Опыты показали, что Tf,st образцов грунта, подвергнутых семимесячному испытанию на сдвиг, существенно возросло по сравнению с начальным стандартным сопротивлением сдвигу. Что же касается контрольных образцов-близнецов, не подвергнутых испытанию на ползучесть при сдвиге, то их тf,st по сравнению с начальным его значением практически не изменилось. Следовательно, после четырехмесячного уплотнения дальнейшее семимесячное нахождение образцов под уплотняющей нагрузкой практически не повлияло на их прочность. А это означает, что возрастание сопротивления грунта сдвигу после длительного сдвига обусловлено упрочнением в результате ползучести.

Результаты испытания шести образцов-близнецов на приборах кольцевого среза, полученные по изложенной выше методике при продолжительности сдвиговой ползучести 112 дней, приведены в табл. 44. Полученные результаты качественно совпадают с рассмотренными выше. В этих опытах зафиксировано изменение влажности образцов на 0,6%, объема — до 0,2%.
На рис. 138, где приведены кривые ползучести образцов, испытанных на приборах кольцевого среза, видно, что в начале процесса ползучести имеет место интенсивное снижение скорости деформации, а затем наступает стадия течения, не переходящая в стадию разрушения.

2. На приборах кручения кольцевых образцов в 1966 г. проведена серия длительных опытов на сдвиговую ползучесть. Испытаны образцы глины 9—63 природного сложения (ps=2680 кг/м3; w0=0,445; wL=0,424; wP = 0,244; Ip=0,18) при т=0,5; 0,7; 0,8 и 0,95 тf,st (рис. 139).

Все образцы до испытания на сдвиг предварительно уплотнены под действием o,z0 = 0,5 МПа в течение 54 дней, а затем разгружены до oz = 0,4 МПа и выдержаны под этой нагрузкой еще девять дней. Данные об основных физических свойствах образцов до и после опыта приведены в табл. 45.

При испытании образцов на сдвиговую ползучесть касательные напряжения до т = 0,5; 0,7 и 0,95 тf,st доведены со скоростью их нагружения при испытании по стандартной методике. При т=0,8тf,st касательные напряжения доведены до заданной величины в течение трех с половиной месяцев.
В отличие от проведенных в 1962—1965 гг. исследований в рассматриваемом случае образец грунта, испытываемый на ползучесть при т = 0,95tf,st, срезался на 427-й день oпытa на ползучесть. Остальные образцы-близнецы после опыта на ползучесть были срезаны по стандартной методике (табл. 46).
Опыты показали, что большая продолжительность ползучести практически не повлияла на величину начального сопротивления сдвигу в силу достаточно высокой плотности и прочности грунта. Что же касается среза образца через 427 дней после момента нагружения при т = 0,97тf,st (уточненная величина), то это можно объяснить как влиянием температуры, так и определенной приближенностью равенства тf,st=тf,00. По причине последнего, как указывал автор книги еще в 1965 г., не исключена возможность и снижения стандартного сопротивления сдвигу в пределах нескольких процентов при исключительно длительном испытании глинистых грунтов, обладающих высокой структурной прочностью. Однако если учесть, что разброс опытных данных при определении тf в лучшем случае колеблется в пределах ±10%, то указанным изменением сопротивления глинистых грунтов сдвигу можно пренебречь.

Сопоставление данных, приведенных в табл. 46, с данными испытания того же грунта при двух других состояниях и продолжительностях ползучести (табл. 47) показывает, что по мере уменьшения уплотняющей нагрузки и снижения тf,sf его изменяемость вследствие влияния ползучести сдвига постепенно повышается.
3. На рис. 140 показаны результаты очень длительных испытаний (около 800 дней) образцов глины 19—69 природного сложения (рs=2620 кг/м3; p0=1920 кг/м3; w0=0,262; wL=0,4684; wP=0,2571; IP=0,2113; e0=0,736; Sr=0,969) при разных уровнях касательного напряжения (крутящего момента) Mtот/Mtот,bim=0,1; 0,3; 0,5; 0,7 и 0,85 (oz=0,2 МПа). Опыты выполнены автором книги совместно с Р.Р. Галстяном в 1969—1971 гг.
Экспериментами установлено, что при указанных уровнях крутящих моментов кривые ползучести либо затухают, либо развиваются практически с постоянной скоростью (в пределах постоянных температур). Аналогичные результаты получены и при испытании многих других разновидностей глинистых грунтов природного сложения при кручении сплошных образцов на приборах М-5. Такие же данные получены Р.Э. Дашко и А.А. Каганом в 1965 г. при исследовании ползучести слабых водонасыщенных глинистых грунтов на приборах одноплоскостного среза, С.С. Вяловым и Н.К. Пекарской при испытании глины бат-байосского горизонта на приборах кольцевого среза и многими другими.

4. Эксперименты показывают, что независимо от вида, сложения и состояния при т < тf,st = тlim(2) деформации ползучести обыкновенных глинистых грунтов при сдвиге протекают только в стадиях затухающей ползучести и течения, тогда как при появляются все три стадии деформирования — затухающей ползучести, течения и ползучести с возрастающей скоростью — разрушения (рис. 141). В последнем случае длительность течения очень невелика, вернее практически эта стадия отсутствует.
Таким образом, кривые ползучести, которые типичны для ряда твердых тел (металлов при высоких температурах, пластмасс, льда и мерзлых грунтов), для обыкновенных глинистых грунтов являются типичными только в определенных, не характерных для них, условиях. Они в глинистых грунтах обнаруживаются в пределах кратковременного (1—8 ч) изменения сопротивления сдвигу от тf,0 до тf,st = тf,00, необходимого для испытания глинистых грунтов на срез по стандартной методике. Следовательно, при глинистый грунт не может разрушаться, а после стадии течения — установившейся ползучести не наступит стадия разрушения без влияния дополнительного внешнего фактора. Безусловно, права В.В. Жихович, когда отмечает, что наблюдаемые в натуре разрушения глинистых грунтов (оползневые явления и пр.) являются не результатом снижения прочности этих грунтов в процессе ползучести, а следствием разупрочнения под действием природных факторов (выветривание, увлажнение, сейсмические и вибрационные воздействия и т. д.) и изменяемости напряженного состояния. Последнее может быть обусловлено также проявлением пика избыточного давления в поровой воде не в момент нагружения, а после некоторого времени ползучести скелета в результате постепенной передачи части внешней нагрузки на поровую воду.

Опытами X. Сида установлено, что наблюдаемое после сдвиговой ползучести упрочнение глинистых грунтов по сравнению с начальной прочностью обусловлено не изменением объема и не изменением влажности. Д. Тролоп и К. Чэн это явление связывают с улучшением коллоидной структуры и рассеиванием порового давления в зоне потенциального разрушения с образованием устойчивой треугольной структуры. Автором книги показано, что при отсутствии медленной деформации сдвиговой ползучести упрочнения грунта не происходит. Следовательно, явление упрочнения в глинистых грунтах, процесс старения в которых или завершен, или не оказывает влияния ввиду небольшого времени экспериментирования, при отсутствии деформации объема всецело обусловлено структурными изменениями в процессе ползучести. Иначе говоря, глинистые грунты обладают свойством реопексии (У.Л. Уилкинсон, 1964 г.) — свойством образования структуры только под действием небольших скоростей сдвиговой ползучести.
Наряду с упрочнением автором книги совместно с Р.Г. Бадаляном обнаружено снижение тf на 4—20% по отношению к начальному его значению вследствие ползучести глинистых грунтов при т/тf = 0,5 (см. табл. 46) и (табл. 48).

По нашим данным, разрушение начальной структуры глинистых грунтов завершается при т/тf = 0,5, что соответствует пределу структурной прочности грунта при сдвиге — первому предельному напряжению сдвига, характеризующему переход деформации ползучести из стадии затухающих деформаций в стадию течения. Дальнейшее возрастание касательного напряжения и деформации сдвига приводит к залечиванию дефектов структуры, к повышению структурной прочности грунта по причинам, изложенным выше.
Резюмируя изложенное выше, можно еще раз утверждать, что тf,st=тf,00, а время снижения мгновенного сопротивления сдвигу tf,0 до тf,st равно времени испытания образцов по стандартной методике, которое колеблется в пределах 1—8 ч. Следовательно, закономерность ползучести глинистых грунтов при сдвиге, как об этом говорилось ранее, следует определять при т < тf,st, поскольку при их испытании в условиях т > тf,st разрушение грунта наступит за указанное выше время. Этот период деформирования для обыкновенных глинистых грунтов, за исключением специальных случаев, не представляет практического интереса.
Дополнительным доказательством сказанному служит и снижение мгновенного сопротивления глинистых грунтов сдвигу вследствие ползучести в пределах 10—50%, равное изменяемости его до стандартного сопротивления сдвигу. Следовательно, если пользоваться единой методикой определения начального (кратковременного) сопротивления глинистых грунтов сдвигу, то полученные разными исследователями результаты будут практически одинаковыми. Причем, поскольку стандартное сопротивление сдвигу является достаточно стабильным показателем прочности, чего нельзя сказать о мгновенном сопротивлении грунтов сдвигу, все эксперименты по исследованию реологических свойств должны быть согласованы с его значением.
С.С. Вялов считает, что отсутствие стадии ползучести с возрастающей скоростью (разрушения) при т < тf,st в опытах автора книги обусловлено стесненным условием бокового деформирования образцов при их кольцевом срезе и кручении, поскольку развитие указанной стадии связано с явлением дилатансии (разуплотнения) грунта. С таким мнением никак нельзя согласиться, поскольку в указанных опытах свободная дилатансия грунта возможна в направлении действия нормального напряжения (что часто наблюдается в эксперименте), а при т > тf,st всегда проявляется стадия разрушения. Был и один случай разрушения образца через 427 дней после нагружения (см. табл. 64 и рис. 139). Следовательно, отсутствие третьей стадии ползучести в опытах автора книги обусловлено не конструкцией прибора, а испытанием образцов нагрузками, не превосходящими стандартные, т. е. предельно длительным сопротивлением глинистых грунтов сдвигу.
В заключение отметим, что описанные в литературе случаи среза (разрушения) образцов в процессе ползучести в основном обусловлены их испытанием под действием нагрузок, превосходящих предельно-длительное сопротивление сдвигу. При испытании цилиндрических образцов на одноосное и трехосное сжатие добавляется также влияние постепенного (очень медленного при сжатии очень плотных и прочных грунтов, содержащих небольшое количество защемленного газа в поровой воде) возрастания избыточного давления в поровой воде до пикового значения.
Рассмотренное явление может быть обусловлено также уменьшением площади среза образца при одноплоскостном срезе вообще, для грунтов с жесткими структурными связями в особенности. В последнем случае наблюдается хрупкое разрушение образцов без наступления стадии ползучести с возрастающей скоростью (разрушения), зафиксированное в опытах А.М. Скибицкого и С.Е. Могилевской при нагрузках, близких к предельным.
Поскольку стандартное сопротивление сдвигу несколько выше предельно-длительного его значения (они будут тождественно равны при очень длительных продолжительностях определения тf,st при испытании грунтов, прочность которых в процессе сдвига практически не возрастает (см. табл. 46) в силу их большой структурной прочности, возможно и небольшое снижение тf,st в процессе ползучести. Как было отмечено выше, указанное снижение прочности глинистых грунтов не превышает нескольких процентов и им можно пренебречь. Это полностью согласуется с данными А. Скемптон а о снижении остаточного сопротивления сдвигу тr на 2—5% при очень широком диапазоне изменения скоростей смещения грунта.
С изложенной точки зрения очень интересны опыты (продолжительностью 3,5 года) А. Бишопа и А. Лавенбери по испытанию на ползучесть в условиях трехосного сжатия трещиноватой, сильно переуплотненной лондонской глины эоцена. Пиковая прочность грунта определена испытанием образцов в течение 5 дней. Опытами установлено, что на всех шести уровнях напряжения (о1—o3) деформации носили затухающий характер — отсутствовала стадия течения. При 90—106%-х нагрузках (в среднем 100%) полное разрушение образца было зафиксировано через два дня после момента загружения, а при 80—94%-х (в среднем 89%) нагрузках — через 1250 дней. Здесь интересным является то, что в первом случае третья стадия (стадия разрушения) наступила через сутки, а во втором случае примерно через 100 дней после момента загружения.
Разрушение первого образца произошло, как обычно, в пределах времени определения начальной (пиковой) прочности грунта. Разрушение второго образца через 1250 дней, по принятому нами условию примерно через 100 дней, на наш взгляд, обусловлено, с одной стороны, снижением пиковой прочности до величины остаточной, а с другой, — очень медленным повышением порового давления до пикового своего значения вследствие очень малых скоростей ползучести скелета.