Деформируемость грунтов

Деформируемость грунтов

Деформация грунта продолжается до тех пор, пока внутренние силы не уравновесят внешние. В качестве внутренних сил в грунте мобилизуются силы упругости, трения и сцепления. Если внешние силы преодолевают сопротивление внутренних сил, то возникают непрекращающиеся деформации - течение грунта.

В практике испытаний грунтов наиболее часто встречаются следующие виды деформаций: простое, всестороннее равномерное и неравномерное сжатие, простой и чистый сдвиг.

Действие на тела объемных и поверхностных сил вызывает деформации, закономерности которых устанавливаются в зависимости от соотношений между напряжениями, деформациями и их скоростями при различных граничных условиях. Рассмотрим основные формы этих связей сначала для условно мгновенного состояния среды, а затем - с учетом фактора времени. Типичные кривые зависимости для цилиндрического образца несвязного грунта, подвергаемого увеличивающейся статической вертикальной нагрузке при наличии радиального напряжения.

Кривая OA характеризует гидростатическое сжатие, в результате которого происходит упрочнение грунта с ростом деформации: кривая отражает почти упругий нелинейный тип зависимости. Кривая ОВ представляет одномерное (компрессионное) сжатие без радиальных деформаций, характеризуемое также упрочнением с ростом деформаций, но зависимость проявляет гистерезисную петлю при разгрузке и остаточные деформации.

Кривая ОС соответствует разупрочняющемуся при нагружения грунту при постоянной величине радиального давления, что обычно для стабилометрических испытаний, и возникновению значительных остаточных деформаций. Кривая ОС обычно трактуется как разрушение грунта путем сдвига. Но при очень низких значениях деформации начальная часть всех кривых OA, ОВ, ОС может рассматриваться как линейная квазиупругая часть кривой напряжение - деформация.

Формы связи между напряжениями и деформациями грунта.

График зависимости для связного грунта при одноосном сжатии и растяжении. Начальный участок графика как при сжатии, так и при растяжении является линейным и при небольших напряжениях квазиупругим. При больших напряжениях происходит разупрочнение: при сжимающих напряжениях - в результате сдвига, а при растягивающих - в результате образования трещин отрыва.

Для решения задач прикладной геомеханики используются физические уравнения теории упругости (линейной и нелинейной), пластично-вязких течений и др. Кратко остановимся на основных уравнениях состояния, связывающих напряжения и деформации.

Для описания поведения изотропного однородного упругого тела необходимо знать модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Кроме этих двух констант, используются две другие упругие константы, которые непосредственно связаны с шаровой и девиаторной составляющими тензора напряжений: модуль объемной деформации К и модуль сдвига (перекоса) С

Материалы и тела, для которых зависимость между напряжениями и деформациями включает время, называются упруго-вязкими. Для таких материалов характерны следующие реологические свойства: изменение деформаций при постоянных напряжениях (ползучесть); изменение напряжений при постоянных деформациях (релаксация) и снижение прочности при длительном воздействии нагрузок. Все реальные тела обладают свойством ползучести, но проявление этих деформаций зависит от промежутка времени, в течение которого ведутся наблюдения за процессом деформирования, от величины приложенной нагрузки и температуры, от граничных условий. Так, течение жидкости можно наблюдать за очень короткие промежутки времени (секунды, минуты), льда - за несколько часов и суток, глин -за сутки и месяцы, скальных грунтов - за тысячелетия и т. д. Течение жидкости вызывают очень малые касательные напряжения, тогда как для течения скальных грунтов требуются значительные напряжения.

Объемная и сдвиговая ползучесть грунтов.

В зависимости от граничных условий ползучесть может быть объемной и сдвиговой. Объемная ползучесть наблюдается при постоянном всестороннем сжатии, например при компрессии водонасыщенной высокопористой глины (консолидация), и всегда имеет затухающий характер. Сдвиговая ползучесть проявляется при постоянно действующих сдвигающих усилиях, например в основаниях и теле сооружений, в откосах, в основании плотин и т. п.

Обычно сдвиговую ползучесть изучают при постоянных уровнях напряжений. В начальный момент нагружения в теле возникают упругие деформации или (при достаточно больших напряжениях) упругопластические, а затем развиваются деформации ползучести. При этом кривая переходит от упругой или упругопластической ее части к вязкоупругой плавно, без излома. Со временем скорость ползучести уменьшается и через некоторый промежуток времени может стать нулевой или конечной величиной, но иногда после убывания она начинает возрастать.

Деформации грунтов возникают при динамических вибрационных и взрывных воздействиях. Динамические вибрационные нагрузки вызывают в грунте появление сил инерции. Колебания от таких нагрузок могут распространяться в грунте на значительные расстояния, усиливая развитие осадок сооружений и ослабляя грунты. При взрывах в грунтовом массиве образуются полости (воронки) и колебания различной интенсивности, уменьшающейся по мере удаления от места взрыва. Кроме того, взрывы приводят к деформации грунта в результате возникновения и движения взрывных волн и газов. Возникающее при взрыве давление достигает десятков гигапаскалей, оно распространяется в грунте с высокой скоростью, но действует в течение очень короткого промежутка времени (миллисекунды). На поверхности раздела заряд-грунт образуется ударная волна, вызывающая перемещение и измельчение грунта, находящегося в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Возникающая при этом полость зависит от свойств грунта и массы заряда взрывчатого вещества. При взрыве внутри грунтового массива радиус, возникающей полости оценивается по эмпирической формуле, предложенной Г. И. Покровским.

Деформации грунтов при динамических воздействиях.

Необратимые процессы деформирования грунтов весьма энергоемки, поэтому давление на фронте ударной волны быстро падает и скорость ее распространения приближается к скорости звука. Начиная с этого момента впереди ударной волны сжатия, движущейся с уменьшающейся скоростью, распространяется упругая волна напряжения. Скорость распространения последней равна скорости звука в грунте. При взрывах сосредоточенных зарядов в грунте возникают нормальные (радиальные) сжимающие и растягивающие, нормальные круговые растягивающие и касательные напряжения, которые приводят к формированию в грунтах за пределами взрывной полости зоны измельчения и трещинообразования. Наиболее отчетливо эти зоны проявляются в монолитных скальных грунтах, характеризующихся жесткостью и хрупкостью. Вокруг полости располагается сферический слой мелко раздробленного и вместе с тем уплотненного действием взрыва грунта, пронизанного поверхностями скольжения. За уплотненным слоем находится зона трещинообразования, сформированная радиальными, лучевыми и концентрическими, круговыми трещинами. Последние образуются, когда давление взрывных газов снижается, и сильно сжатый грунт разгружается и смещается к центру заряда, в результате чего порода испытывает растяжение в радиальном направлении.

По мере удаления от места взрыва величина напряжений уменьшается и, когда величина растягивающих круговых напряжений становится меньше сопротивления грунта разрыву, в грунте происходят необратимые деформации и разрушения, а только колебательные смещения частиц грунта, сходные с действием сейсмических волн, возникающих при землетрясениях.

Величина формирующихся при взрыве в грунтах радиальных напряжений сжатия зависит от условий взрыва, массы заряда, расстояния от точки взрыва, свойств грунта и рассчитывается по полуэмпирическим формулам.

Упругое возмущение грунта, вызванное действием взрыва, начинается на некотором расстоянии от места взрыва и определяется общей энергией заряда и свойствами среды.

Появление поверхностных волн в грунте.

Колебания в грунтах, возникающие при взрывах, а также других динамических воздействиях, распространяются в виде продольной и поперечной волн.

Вблизи поверхности грунта продольные и поперечные волны вызывают появление поверхностных волн, которые меньше затухают с расстоянием и могут проходить значительные расстояния. Скорость распространения поверхностных волн несколько меньше скорости поперечных волн и зависит от коэффициента Пуассона.

Величины напряжений, возникающих в грунтах при прохождении сейсмических волн, зависят от вида грунта и интенсивности землетрясения; для сильных землетрясений они могут изменяться от сотых долей мегапаскаля для старых грунтов до нескольких мегапаскалей для скальных грунтов. Порядок величин напряжений в слабых грунтах достаточен, чтобы вызвать значительные остаточные деформации в поверхностном слое.

Опасность разрушения зданий увеличивается, когда период колебаний грунта становится близким к периоду собственных колебаний здания. В результате резонанса возрастают амплитуды колебаний, величина которых обычно в 2-3 раза превосходит амплитуды колебаний при его отсутствии. В связи с тем, что при взрывах возникают только отдельные импульсы, а не более или менее длительные колебания, как при землетрясениях или искусственных возбуждениях, резонансные колебания, как правило, не развиваются, тогда как при естественных землетрясениях такие явления отмечаются довольно часто.

Существенную роль играет не только величина напряжении, но и их частота и продолжительность динамических воздействий на грунты, так как при определенном уровне воздействия в грунте накапливаются деформации смещения и может произойти ослабление структурных связей, в результате чего, в зависимости от граничных условий, может произойти уплотнение, смещение грунта вниз по склону или выдавливание его из-под фундамента сооружения.

Прочность грунтов.

Изменение свойств грунтов при повторных воздействиях напряжений малой амплитуды, приближающихся к пределу упругости, удобно рассмотреть в координатах касательное напряжения т - деформация сдвига v при крутильных испытаниях.

При первом нагружении получают график зависимости, который может быть охарактеризован следующими параметрами: при величине сдвиговой деформации, стремящейся к нулю, получим максимальный (касательный) модуль сдвига G, который будет характеризовать упругие свойства грунта. При больших деформациях, свидетельствующих о начале необратимых, сдвиговых перемещений, процесс будет отражаться секущим модулем сдвига G, величина которого будет уменьшаться с ростом у, т. е. G = G(у). Таким образом, в разупрочняющемся при сдвиге грунте при данном значении касательного напряжения получим деформацию, которая будет представлять сумму упругой и пластической деформации.

Способность грунтов деформироваться под действием внешних усилий без разрыва сплошности или накопления недопустимо больших деформаций называется прочностью. При определенной величине напряжений в грунте накапливаются значительные деформации и он разрушается. В этом случае говорят о потере прочности грунтом в результате сдвига или разрыва. При сдвиге одна часть грунта смещается относительно другой под действием касательных напряжений, которые преодолевают силы трения и сцепления грунта вдоль площадок скольжения. Необходимые для сдвига величины деформации зависят от вида грунтов и могут измеряться от нескольких миллиметров для скальных грунтов до десятков сантиметров для глинистых.

Разрушение грунта путем разрыва происходит под действием нормальных растягивающих напряжений при малых деформациях, близких по величине к упругим.

Для оценки прочности грунтов пользуются результатами испытаний образцов на сдвиг, растяжение, сжатие и кручение, а для того чтобы судить о прочности массива грунта - теориями прочности, которые также называются теориями предельных напряженных состояний.

Теории прочности грунтов.

В расчетах на прочность предполагается, что разрушение тела происходит, как только в некоторой его точке определенная комбинация величин напряжения, деформации, времени и температуры достигнет критического значения. При этом сам процесс разрушения не рассматривается, и проблема прочности решается выбором той или иной модели грунта и критерия разрушения. Такой феноменологический подход оправдывается тем, что развитие дефектов материала, приводящее к потере прочности, часто происходит в узкой области, так что детальное знание самого процесса разрушения имеет второстепенное значение.

В качестве критериев прочности для грунтов обычно принимают: условие Мора-Кулона, согласно которому разрушение путем сдвига произойдет при определенном соотношении касательного и нормального напряжений, действующих на одной площадке: условие Мизеса-Шлейхера-Боткина, согласно которому прочность материала исчерпывается при определенном соотношении интенсивности касательных напряжений и среднего нормального напряжения.

Из других теорий прочности, не имеющих широкого распространения, но пригодных для оценки прочности грунтов, следует назвать теорию наибольших деформаций, согласно которой опасное состояние материала наступит в результате того, что его линейные или угловые деформации достигнут некоторого опасного, критического значения. И теорию прочности Гриффитса, по которой разрушение хрупкого тела в результате развития в нем трещины происходит при определенном критическом напряжении.

Теория прочности Мора-Кулона. Согласно этой теории, прочность грунта вдоль произвольно выбранной плоскости определяется соотношением величины касательного напряжения и сопротивления сдвигу грунта на этой плоскости. Когда величина касательного напряжения достигнет величины сопротивления сдвигу, начнутся непрекращающиеся деформации, в результате которых происходит разрушение грунта путем сдвига одной его части относительно другой

Приведенные выше уравнения являются огибающими к кругам предельных напряжений Мора.

Величины касательного и нормального напряжений в момент разрушения грунта.

Координаты точки касания определенной прямой к кругу предельных напряжений характеризуют величины касательного и нормального напряжений в момент разрушения грунта, а угол а - положение площадки скольжения в этот момент. Параметры сопротивления сдвигу определяют испытаниями грунтов в приборах на срез или трехосное сжатие.

Для реальных грунтов предельная огибающая имеет криволинейное очертание, поэтому применяемая для расчетов параметров прочности наклонная прямая является удобной аппроксимацией, а получаемые параметры сопротивления сдвигу отражают условия проведения испытания.

Теория прочности Мизеса-Шлейхера-Боткина. Согласно этой теории, материал разрушается при определенном соотношении действующего на октаэдрической площадке касательного напряжения и октаэдрического нормального напряжения.

Теория прочности Гриффитса, или теория хрупкого разрыва, учитывает наличие в теле механически ослабленных мест в виде множества мелких эллиптических трещин. Когда такое тело подвергается простому растяжению, вокруг концов этих трещин, ориентированных нормально к оси растяжения, происходит концентрация напряжений. Длина этих трещин начнет лавинообразно увеличиваться, если скорость высвобождения энергии упругой деформации превысит скорость образования поверхностной энергии в результате образования новых поверхностей при росте трещин. Развитие трещин приводит к взрывному (сопровождаемому шумом) разрушению хрупкого тела.

Иными словами, все процессы разрушения материала определяются интенсивностью поля напряжений в области, окружающей кончик трещины, и характеризуются коэффициентом интенсивности напряжений. Поэтому роль этого коэффициента является определяющей в механике разрушения.

Стремление учесть различный механизм разрушения грунтов, особенно скальных, привело к созданию модифицированной теории Гриффитса, удовлетворительно согласующейся с экспериментальными данными.

Прочность грунтов на сдвиг.

Ф. Мак-Клинток и Д. Уолсти предположили, что при сжатии скального грунта имевшиеся в нем трещины закрываются, когда нормальное давление достигнет критической величины ас. В этом случае развитие трещины определяется условиями трения между стенками трещины.

При определенной величине возникающие под действием внешнего давления в грунте касательные напряжения преодолевают структурные связи между частицами, что приводит к смещению (сдвигу) их относительно друг друга. Формируется зона сдвига, и происходит разрушение грунта.

Показатели сопротивления сдвигу - это основные прочностные показатели сопротивления грунтов внешним силам. Правильное определение этих показателей имеет важное значение для практики, так как от этого зависит точность и надежность расчетов устойчивости сооружений, устойчивости массивов грунта и давления грунтов на ограждения и подземные сооружения.

Величина сопротивления грунта сдвигу зависит от внутренних (структура, текстура, вещественный состав грунта) и внешних (величина и скорость изменения давления, условия дренирования) факторов. В связи с этим условия испытания грунта в лаборатории или на опытном полигоне должны отражать работу грунта в сооружении.

Поскольку существует большое число трудно учитываемых факторов, определяющих прочность грунтов, параметры прочности можно определить лишь приближенно. Определение этих параметров производится различными методами. Наиболее распространенными являются: сдвиг (срез) грунта по заданному направлению; одноосное и трехосное раздавливание.

Величины являются параметрами зависимости сопротивления сдвигу грунтов и используются для расчетов прочности и устойчивости массивов грунта. Угол внутреннего трения при изображении результатов сдвиговых испытаний в эффективных напряжениях можно представить для всех грунтов состоящим из двух частей: часть угла внутреннего трения, которая определяется только химико-минеральным составом и степенью увлажнения поверхности структурных элементов грунта.

Начальный угол подъема неровностей поверхности трещины.

Структурная» часть, которая зависит от шероховатости поверхности сдвига для скальных грунтов и от дисперсности и пористости - для дисперсных грунтов. Для скальных грунтов составляющая представляет собой начальный угол подъема неровностей поверхности трещины в направлении сдвига. Для песчаных и глинистых грунтов представляет собой угол.

В зависимости от характера сдвигаемого грунта, его прочности и плотности влияние различных составляющих проявляется при разных давлениях: роль составляющей значительна при сравнительно малых давлениях, а роль, является определяющей при значительных давлениях. Для скальных грунтов величина порогового давления, при котором происходит смена этих составляющих, превышает десятки мегапаскалей, а для дисперсных грунтов она составляет сотые и десятые доли мегапаскаля.

Составляющая по мере увеличения деформации сдвига будет уменьшаться и в пределе может быть равна нулю. В это же время составляющая, если не происходит коренного изменения вещественного состава грунта, остается практически неизменной.

Другой параметр сопротивления сдвигу - сцепление, также может быть представлен как сумма двух составляющих (по Н. Н. Маслову).

Н. Н. Маслов предложил для глинистых грунтов выделять сцепление связности, имеющей обратимый характер, и жесткое структурное сцепление, имеющее необратимый характер. Эта концепция Н. Маслова может быть распространена и на другие литологические типы грунтов, включая скальные и песчаные. Очевидно, что соотношение между этими составляющими для разных грунтов различно: в скальных грунтах преобладает жесткое структурное сцепление, а в мягких глинах - сцепление связности. Принципиальная важность раздельного рассмотрения компонентов сцепления грунта заключается в том, что жесткое структурное сцепление со временем в результате развития процесса выветривания или деформации сдвига может значительно сжиматься, тогда как сцепление связности при этом будет изменяться в меньшей степени.

Величина (обратимое сцепление) в глинах, состоящих из пластинчатых частиц, зависит от ориентации частиц по отношению к направлению сдвигающей нагрузки и плотности глин.

Упорядочение текстуры грунтов.

При чистом сдвиге вдоль плоскостей ориентации частиц величина cw имеет максимальное значение cw, а при сдвиге в направлении нормальной ориентации частиц - минимальное с.

В процессе сдвига глины с первоначально хаотической ориентацией частиц происходит упорядочение текстуры, пластинчатые частицы ориентируются своими длинными плоскостями параллельно направлению сдвигающей силы, в результате чего увеличивается значение cw за счет уменьшения компоненты с» и увеличения cw.

Сопротивление сдвигу несвязных грунтов. Для несвязных (песчаных и крупнообломочных) грунтов зависимость сопротивления сдвигу от нормального давления выражается кривой, проходящей через начало координат и направленной выпуклостью вверх. Для практических целей зависимость может быть аппроксимирована ломаной линией, описываемой уравнением Кулона с различными параметрами.

Для несвязных грунтов сопротивление сдвигу в значительной степени зависит от начальной пористости. Для рыхлого песка с ростом деформации смещения сопротивление сдвигу увеличивается, приближаясь к некоторому установившемуся значению. Для плотного песка первоначальное сопротивление сдвигу по мере смещения нарастает более интенсивно, чем для рыхлого, и при деформации в 5-10 % достигает максимального (пикового) значения. При дальнейшем смещении величина сопротивления сдвигу уменьшается, приближаясь к величине установившегося сопротивления сдвигу.

Из результатов испытаний песка разной плотности можно определить два характерных значения: максимальный угол внутреннего трения и минимальный (установившийся) угол внутреннего трения. Разница между величинами будет тем больше, чем плотнее песок. При сдвиге несвязных грунтов при высоких нормальных давлениях наблюдается некоторое разрушение структурных элементов.

Роль каждого слагаемого в сопротивлении сдвигу.

Основным параметром, характеризующим прочностные свойства несвязных грунтов, является угол внутреннего трения, который зависит от: зацепления - сопротивления, оказываемого частицами при выходе из положения равновесия (сопротивление структуры); трения частиц друг о друга при их взаимном смещении (волочении); сопротивления срезу (сколу) частиц и их раздроблению.

Роль каждого слагаемого в сопротивлении сдвигу различна и зависит от разных факторов. Так, зацепление частиц определяется главным образом размером частиц и плотностью их упаковки: чем больше размер частиц и выше плотность их упаковки, тем значительнее составляющая зацепление. Сопротивление трения частиц зависит от минерального состава, увлажнения и характера поверхности частиц, а сопротивление срезу материала частиц - от прочности кристаллической решетки минералов и напряженного состояния.

Влияние влажности на сопротивление сдвигу несвязных грунтов проявляется через изменение величины трения между частицами, а для полностью водонасыщенных - напряженного состояния. Это влияние в заметной степени обнаруживается лишь для пылеватых песков. В других случаях влажность несвязных грунтов не оказывает существенного влияния на их сопротивление сдвигу.

Сопротивление сдвигу связных (глинистых и лессовых) грунтов. Сопротивление сдвигу связных грунтов имеет сложную природу и определяется как внутренними, так и внешними факторами. Влияние внутренних факторов (состав, структура, текстура грунта) проявляется через силы сцепления и трения между структурными элементами грунта. Внешние факторы объединяют влияние методики (режим, условия подготовки образца к испытанию) и величину нормального давления. Различают две основные методики испытания связных грунтов на сдвиг: тотальных напряжений; эффективных напряжений.

Сопротивление сдвигу связных грунтов существенно зависит от их пористости и влажности: оно уменьшается с увеличением последних.

Величины параметров прочности грунта.

Пористость и влажность связных грунтов, а также другие компоненты структуры и текстуры меняются в процессе сдвига под действием как нормальных, так и касательных напряжений. В связи с этим, результаты, получаемые при испытании на сдвиг, в значительной степени зависят от режима испытания, и прежде всего от скорости загружения и условий дренирования.

В зависимости от применяемой методики испытания связных грунтов получаются различные величины параметров прочности грунта, и в связи с этим для обеспечения рационального проектирования сооружений данными о прочности грунтов необходимо применять такую методику определения параметров прочности, которая в наибольшей степени моделируют работу грунта в сооружении.

Различают три характерных режима испытания связных грунтов для определения их параметров сопротивления сдвигу.

Неконсолидированно-недренированное испытание (НН), называемое также быстрым сдвигом, или сдвигом по закрытой системе. Разрушение производится с такой скоростью, чтобы пористость и влажность грунта не изменялись. При таком сдвиге в грунте возникает избыточное поровое давление. При испытаниях полностью водонасыщенного связанного грунта его сопротивление сдвигу характеризуется главным образом параметром сцепления.

Консолидированно-дренированное испытание (КД), называемое также медленным сдвигом, или сдвигом при открытой системе. Грунт предварительно выдерживается под заданным нормальным давлением до полного консолидации. Затем разрушающее усилие прикладывается с такой скоростью, чтобы влажность грунта успела прийти в равновесие с действующей нагрузкой и в воде не возникало избыточное паровое давление. При таком сдвиге грунты имеют наибольшую прочность, характеризуемую параметрами удельного сцепления и угла внутреннего трения.

Консолидированно-недренированное испытание (КН). Сначала грунт под действием уплотняющих нагрузок полностью консолидируется, а затем разрушается при неизменных пористости и влажности по схеме быстрого сдвига.

Различия параметров сдвига, полученных для одного и того же глинистого грунта.

Результаты такого испытания дают промежуточные значения сопротивления сдвигу между полученными по методикам.

Различия параметров сдвига, полученных для одного и того же глинистого грунта по методикам НН, КД и КН, объясняются разной величиной эффективных напряжений в скелете грунта, при которых происходит разрушение. Если результаты испытаний НН и КН представить не в тотальных, а в эффективных напряжениях (т. е. за вычетом норового давления), то показатели по всем трем методикам совпадают.

Выбор методики испытания определяется характером возводимого сооружения и инженерно-геологическими условиями.

КД испытания отражают работу грунта при медленном росте нагрузки на сооружение в условиях хорошего дренирования. В частности, эта методика используется при определении для расчета прочности оснований сооружений и откосов на стадии длительной эксплуатации в глинистых грунтах при консистенции.

НН испытания соответствуют таким условиям работы массива грунта, когда в результате его быстрого нагружения и затрудненного отжатия поровой воды сопротивление сдвигу грунта зависит от начальной пористости и влажности при наличии значительного норового давления. Такая методика применяется для определения параметров прочности грунта при расчете устойчивости сооружений, возводимых на водонасыщенных глинистых грунтах (5 > 0,75) и передающих на них значительные нагрузки в течение коротких промежутков времени (например, при заполнении емкостей или когда к моменту окончания строительства не ожидается полного уплотнения грунта).

КН испытания выполняются в случае, когда к основанию или сооружению будет достаточно быстро приложена сдвигающая нагрузка. Такие условия возникают, например, в теле земляной плотины при быстром подъеме уровня воды в водохранилище, воздействии взрыва или землетрясении.

Рассмотрим влияние на сопротивление сдвигу связных грунтов основных внутренних факторов, учитывая условия формирования глинистого грунта в процессе отложения осадков в водоеме и при последующем литогенезе и эрозионном смыве.

Сопротивление сдвигу переуплотненной глины.

Для этого рассмотрим результаты опытов на КД-сдвиг образцов водонасыщенного глинистого грунта, имевших начальную влажность, равную влажности на границе текучести, и уплотненных по прямой и обратной ветвям компрессии. В первом случае будем иметь сопротивление сдвигу нормально уплотненного, а во втором - переуплотненного грунта. Для нормально уплотненного глинистого грунта сопротивление сдвигу прямо пропорционально нормальному давлению, и прямая проходит через начало координат.

Величина может оставаться постоянной в диапазоне давлений примерно до 1 МПа, при дальнейшем увеличении нормального давления график зависимости будет искривляться и параметр будет уменьшаться до некоторого характерного для данного грунта значения. Для переуплотненных образцов глинистого грунта, полученных при разгрузке и имеющих примерно одинаковые значения пористости и влажности, получим более высокое сопротивление сдвигу. Прямая зависимость для максимальной прочности пересекает ось ординат.

Сопротивление сдвигу переуплотненной глины зависит от величины деформации сдвига: при малой деформации сдвига прочность достигает максимального (пикового) значения, а затем происходит снижение прочности до установившегося (остаточного) значения. Зависимость сопротивления сдвигу от нормального давления для остаточной прочности будет описываться выражением.

Величина является постоянной для данного переуплотненного глинистого грунта и зависит от минерального состава частиц и влажности. Остаточное значение угла внутреннего трения глинистого грунта обычно определяется путем многократного сдвига по одной и той же поверхности грунта. Снижение прочности грунта в процессе деформации обусловлено разрывом структурных связей и изменением его микроструктуры. На первой стадии деформирования, вплоть до момента достижения максимального сопротивления сдвигу, каких-либо необратимых нарушений текстуры не происходит, грунт деформируется в основном упруго.

Необратимые повороты частиц.

При дальнейшей деформации сдвига происходят необратимые повороты частиц, которые стремятся расположиться примерно параллельно плоскости среза, в результате чего последняя приобретает сланцеватость. Изменение ориентации структурных элементов в процессе сдвига создает благоприятные условия для всасывания воды, что ведет к повышению влажности в зоне сдвига и дальнейшему снижению прочности. Различие в значениях пиковой и остаточной прочностей для переуплотненных глинистых грунтов, особенно глин, может быть значительным, что объясняется большой ролью прочных структурных связей в формировании пиковой прочности, тогда как остаточная прочность определяется главным образом связями между частицами через пленки воды.

Сопротивление сдвигу лёссовых пород определяется при их естественной невысокой влажности прочностью структурных связей кристаллизационного характера и трением между пылеватыми структурными элементами. Повышение влажности приводит к уменьшению сопротивления сдвигу лёссового грунта в значительной мере в результате снижения сцепления и в меньшей степени - угла внутреннего трения. Уменьшение прочности лёссового грунта зависит не только от абсолютного значения влажности, но и от начальной степени водонасыщения: с ростом степени водонасыщения сцепление и угол внутреннего трения уменьшается. Прочность полностью водонасыщенного лёссового грунта определяется главным образом трением и зацеплением между структурными элементами и зависит от влажности грунта.

Уплотнение просевшего водонасыщенного лёссового грунта приводит к повышению его сопротивления сдвигу в результате формирования новых структурных связей.

Сопротивление сдвигу скальных грунтов. При сдвиге скального грунта различной текстуры (от монолитного до грунта с образовавшимися поверхностями скольжения) получаем три типа кривых, изображенных на графиках с зависимостями: касательное напряжение т - деформация сдвига у; касательное напряжение т - нормальное напряжение а.

Зацепление и трение поверхностей грунта.

Первый тип зависимости характерен для монолитного скального грунта, обладающего высоким сцеплением, трением и сопротивлением разрыву. На значительном участке действия положительных нормальных давлений зависимость может быть аппроксимирована прямой линией. По мере роста деформаций сдвига сопротивление падает, приближаясь к некоторой величине. Второй тип зависимости наблюдается при сдвиге трещиноватого скального грунта. Порода не обладает сопротивлением разрыву, но сцепление может быть больше нуля. Сопротивление сдвигу определяется главным образом зацеплением и трением поверхностей грунта. По мере роста деформаций сдвига сопротивление сдвигу достигает максимального значения (пиковая прочность), после чего падает, приближаясь к остаточной прочности. Зависимость аппроксимируется прямой, отсекающей отрезок с на оси ординат, а зависимость - прямой, выходящей из начала координат. Зависимость в целом может аппроксимироваться двумя ломаными прямыми. И, наконец, третий тип зависимости наблюдается при сдвиге по гладким поверхностям (сдвиг «плитка по плитке»). Сопротивление сдвигу в этом случае минимальное, определяется оно в основном трением, зависящим от минерального состава грунта и увлажнения поверхности. В этом случае зависимость удовлетворительно описывается уравнением прямой линии, выходящей из начала координат.

Каждому из перечисленных типов зависимостей характерны свои величины < р и с, которые могут значительно отличаться. Особенно резко может изменяться сцепление: от 6 до 100 МПа. Наиболее стабильной характеристикой является коэффициент трения при сдвиге по заготовленной поверхности скольжения (сдвиг «плитка по плитке»): в этом случае колеблется от 0,3 до 0,6 и зависит главным образом от минерального состава и влажности по плоскости сдвига. Анализ результатов сдвига шероховатых поверхностей показал, что угол внутреннего трения скального грунта можно представить в виде суммы

Величина сопротивления сдвигу скального грунта зависит от размера сдвигаемых образцов (масштабный эффект).

Опыты на прямой сдвиг по трещинам.

Так, опыты на прямой сдвиг по трещинам в образцах кварцевого диорита, имевшим площадь поперечного сечения от 200 до 5000 см2, показали уменьшение пиковой сдвиговой прочности от малых к большим образцам примерно на 40 %, главным образом в результате снижения сцепления.

Выветривание изменяет строение и вещественный состав пород и в силу этого оказывает влияние на их прочность. С увеличением выветривания изменяются как сцепление, так и угол внутреннего трения.

Прочность скального грунта на сдвиг обычно определяется сдвигом целиков или штампов по традиционной схеме. Однако, как показывает опыт, практически невозможно создать условия прямого безмоментного сдвига, и поэтому получаемые в экспериментах результаты существенно зависят от схемы приложения нагрузок и возникающего эксцентриситета сдвигающей силы.

Установлено, что разрушение основания целика «при сдвиге» при невысоких нормальных напряжениях происходит не от напряжений сдвига, а от растягивающих напряжений.

Многочисленные исследования, проведенные в лаборатории механики скальных пород института «Гидропроект», показали, что образование трещин отрыва под нагруженной гранью штампа и исчерпание несущей способности на сжатие под низовой гранью не происходят одновременно, а имеет место определенная последовательность развития процесса разрушения.

Любое разрушение материала сопровождается расширением. Если материал не имеет возможности объемного расширения, то он не может разрушаться и при очень высоких нагрузках изменяет свои свойства, переставая существовать в первоначальном виде. Поэтому анализ деформаций, а также выявление взаимосвязи между деформациями и нагрузками при разрушении имеют весьма важное значение для выявления закономерностей и оценки параметров разрушения.

Анализируя расширение зоны сдвига в зернистых песчаных материалах, предложили для описания максимальной прочности на сдвиг использовать зависимость.

Прочность на сжатие стенки трещины.

При больших нормальных напряжениях будет происходить некоторое разрушение первоначальных неровностей и угол их будет изменяться.

Под начальным утлом понимается средний угол подъема неровностей в направлении сдвига в рассматриваемый момент времени, т. е. с учетом всей предыдущей истории нагружений и смещений по данной трещине.

Прочность на сжатие стенки трещины характеризует прочность неровностей и бугорков на поверхности трещины, которая в зависимости от сомкнутости и состояния стенок трещин, их нарушения в процессе предыдущих смещений и подвижек может быть как больше прочности скальной породы при одноосном испытании, так и существенно меньше ее.

В связи с тем, что параметры существенно изменяются от точки к точке на поверхности смещения, их непосредственное определение связано с трудностями замеров и распространения измеренных величин на всю поверхность трещины.

Наиболее рациональным способом определения «интегральных» значений этих параметров является их вычисление обратным расчетом по данным полевых испытаний. Если известны результаты двух испытаний на сдвиг по рассматриваемой трещине, то значение параметра R. При наличии нескольких экспериментальных результатов необходимо выбрать такие значения, которые наилучшим образом соответствуют всем экспериментам.

Учет расширения трещины при сдвиге по зависимости позволяет оценить «самоупрочнение» трещины при возникновении в ней подвижек при расчете поведения трещиноватых скальных массивов под нагрузкой. Такая принципиально новая математическая модель скального грунта позволяет проанализировать напряженно-деформированное состояние и возможные смещения массива как при статических, так и при динамических воздействиях, а также проанализировать работу анкеров в скальном массиве. Такой анализ показывает, что благодаря дилатансии трещины при сдвиге анкер, нормальный к плоскости трещины, всегда вначале работает на растяжение, а не на срез, и, кроме того, ограничение возможности расширения трещины увеличивает ее прочность на сдвиг, что позволяет подойти к аналитическому расчету совместной работы пассивных анкеров со скальным массивом.

Влияние анизотропии, трещиноватости и масштабного эффекта на прочность скальных грунтов.

Исследование зависимости прочности на сдвиг от величины смещений по трещине является весьма важной и интересной проблемой для анализа поведения как самих скальных массивов, так и возводимых на них сооружений.

Влияние анизотропии, трещиноватости и масштабного эффекта на прочность скальных грунтов. Скальные массивы, представляющие собой трещиноватые, неоднородные среды с начальным полем естественных напряжений, могут иметь ярко выраженную анизотропию прочностных свойств, зависящую от направления действия нагрузки, способа ее приложения и размера загружаемой площади. Диаграмма прочности на сдвиг слоистых гипсовых образцов в плоском напряженном состоянии. Наименьшей прочностью на сдвиг массив обладает в направлении слоистости, что вполне очевидно.

Несколько сложнее решить вопрос о влиянии трещиноватости на прочность массива при наличии нескольких систем трещин. Результаты исследований Д. Н. Кима, выполненные на гипсовых образцах различного строения. При изменении прочности отдельных блоков в 8 раз (от 1,6 до 12,85 МПа) характер анизотропии прочности не изменился, что подтверждает определяющее значение трещиноватости для оценки прочности массива.

Следующей важной особенностью поведения скальных массивов под нагрузкой является влияние соотношения размеров области загружения массива и характерного структурного элемента. Это так называемый масштабный эффект, влияние которого на прочность образцов может быть описано зависимостью.

Эта зависимость может быть использована для определения не только прочности образцов различного диаметра, но и разрушающей нагрузки при вдавливании штампа в скальный массив, а также прочности на срез скального массива.

Прочность на разрыв представляет собой величину напряжения, необходимого для разрушения грунта путем отделения одной его части от другой по нормали к поверхности разрыва. Сопротивление грунтов разрыву определяют по формуле.

Прочность грунтов на разрыв.

Чтобы разорвать образец грунта, в нем должна возникнуть трещина, которая разделяет грунт на части. Это означает, что должны образовываться по крайней мере две поверхности, не существовавшие ранее. Развитие и расширение трещины требуют затраты энергии и зависят от дефектов структуры.

Количество энергии, требуемое для разрушения грунта, отнесенное к поперечному сечению, определяет его вязкость разрушения, или трещиностойкость, которую в настоящее время чаще называют энергией, или работой разрушения. От трещиностойкости в значительной степени зависит прочность скального грунта.

Трещиностойкость грунта отличается от прочности на разрыв, которая определяется как напряжение (а не энергия), необходимое для разрушения твердого тела.

Для хрупких горных пород (например, обсидиан) работа разрушения может быть незначительной по сравнению с более вязкой породой (например, глинистый известняк), хотя величины статической прочности на разрыв этих пород различаются несильно. Трещиностойкость грунтов с ростом прочности на разрыв уменьшается.

Значения прочности грунтов на разрыв необходимы для определения допустимых давлений в напорных тоннелях, при оценке эффективности взрыва в грунтах и трещинообразования глинистых ядер высоконапорных плотин, на бровке высоких откосов и в основаниях гидротехнических сооружений.

Прочность на разрыв определяется приложением к образцу грунта растягивающей силы. Это осуществляется при одноосном растяжении, изгибе, раскалывании, действии давления на полый образец изнутри и т. д.

Испытание на разрыв грунтов представляет определенные трудности, поэтому достоверных данных о величине предела прочности на разрыв, полученных из опытов на непосредственное растяжение, мало, и в связи с этим этот показатель часто устанавливают косвенным методом (например, при раскалывании). Получаемые при этом данные характеризуются значительным разбросом.

Увеличение пористости и изменение типа структурных связей в грунте.

Прочность на разрыв однородных и монолитных скальных грунтов различных петрографических типов обычно не превышает 30 МПа. Эти данные относятся только к наиболее прочным, лишенным трещин образцам. В натурных условиях разрушение грунтов происходит за счет не более крепких, а более ослабленных частей массива, прочность которого может быть на один-два порядка ниже прочности образца.

Наиболее высокой прочностью на разрыв обладают кварциты и базальты. С увеличением пористости и изменением типа структурных связей прочность на разрыв резко снижается (мел и каменная соль). Прочность на разрыв составляет небольшую часть прочности на сжатие. Значительная разница между прочностью на сжатие и на разрыв объясняется тем, что при сжатии пород имеющиеся в них дефекты (трещины, поры) закрываются, что увеличивает силы сопротивления, тогда как при растяжении по существующим дефектам происходит быстрое ослабление сил взаимодействия в связи с их небольшим радиусом действия. Разрыв скальных грунтов происходит при небольших деформациях, измеряемых сотыми долями процента.

Сопротивление разрыву дисперсных грунтов изучено слабо, что объясняется техническими трудностями проведения такого испытания. Прочность на разрыв таких грунтов характеризуется низкими величинами, не превышающими сотых долей мегапаскаля. Величина прочности зависит от исходных пористости и влажности и с их уменьшением возрастает. Разрыв происходит при небольших деформациях. Сопротивление разрыву зависит также от минерального состава и дисперсности грунта. Наиболее низкими значениями прочности на разрыв обладает капиллярно-влажный песок.

В случае прочных кристаллизационных связей между частицами, обусловленных наличием геля кремневой кислоты или карбонатами кальция, прочность на разрыв глин может достигать 0,3 МПа, а в случае капиллярных сил сцепление, как у песка, будет снижаться до тысячных долей мегапаскаля.

Данные о сопротивлении глинистых грунтов растягивающим напряжениям очень важны для оценки трещинообразования глинистых ядер высоконапорных плотин.

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о бане

Статьи по пеноблоку,пенобетону,пенобетонным блокам

Статьи pp-budpostach.com.ua Статьи по бетону

Статьи Все о заборах

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о крышах ( виды, материал, как лутше выбрать)

Статьи Все о Фундаменте

Статьи по газобетону ( газоблоку ), газобетонных блоков, газосиликатнных блоков

Новости, статьи, слухи, факты, разное и по чу-чуть

Статьи по кирпичу ( рядовому, лицевому,облицовочному,клинкерному, шамотному, силикатному,)