Деформованість грунтів

Деформованість грунтів

Деформація ґрунту триває до тих пір, поки внутрішні сили не зрівноважать зовнішні. В якості внутрішніх сил в грунті мобілізуються сили пружності, тертя і зчеплення. Якщо зовнішні сили долають опір внутрішніх сил, то виникають безперервні деформації - протягом грунту.

У практиці випробувань грунтів найбільш часто зустрічаються наступні види деформацій: просте, всебічне рівномірне і нерівномірне стиснення, простий і чистий зсув.

Дія тіла на об'ємних і поверхневих сил викликає деформації, закономірності яких встановлюються залежно від співвідношень між напруженнями, деформаціями та їх швидкостями при різних граничних умовах. Розглянемо основні форми цих зв'язків спочатку для умовно миттєвого стану середовища, а потім - з урахуванням фактора часу. Типові криві залежності для циліндричного зразка розрізнених входу грунту, піддається збільшується статичної вертикальної навантаженні при наявності радіального напруження.

Крива OA характеризує гідростатичний стискання, у результаті якого відбувається зміцнення грунту з ростом деформації: крива відображає майже пружний нелінійний тип залежності. Крива ОВ являє одномірне (компресійне) стиснення без радіальних деформацій, характеризується також зміцненням із зростанням деформацій, але залежність виявляє гістерезисних петлю при розвантаженні і залишкові деформації.

Крива ОС відповідає разупрочняющемуся при навантаження грунту при постійною величиною радіального тиску, що зазвичай для стабилометрических випробувань, і виникнення значних залишкових деформацій. Крива ОС зазвичай трактується як руйнування грунту шляхом зсуву. Але при дуже низьких значеннях деформації початкова частина всіх кривих OA, ОВ, ОС може розглядатися як лінійна квазіпружна частина кривої напруження - деформація.

Форми зв'язку між напруженнями і деформаціями грунту.

Графік залежності для зв'язного ґрунту при одновісному стисненні і розтягуванні. Початковий ділянку графіка як при стиску, так і при розтягуванні є лінійним і при невеликих напругах квазиупругим. При великих напругах відбувається знеміцнення: при стискаючих напругах - в результаті зсуву, а при розтягуючих - в результаті утворення тріщин відриву.

Для вирішення завдань прикладної геомеханіки використовуються фізичні рівняння теорії пружності (лінійної і нелінійної), пластично-в'язких течій та ін. Коротко зупинимося на основних рівняннях стану, що зв'язують напруги і деформації.

Для опису поведінки однорідного ізотропного пружного тіла необхідно знати модуль Юнга і коефіцієнт Пуассона. Крім цих двох констант, що використовуються два інші пружні константи, які безпосередньо пов'язані з кульової та девиаторной складовими тензора напружень: модуль об'ємної деформації та модуль зсуву (перекосу) З

Матеріали і тіла, для яких залежність між напруженнями і деформаціями включає час, називаються пружно-в'язкими. Для таких матеріалів характерні наступні реологічні властивості: зміна деформацій при постійних напругах (повзучість); зміна напружень при постійних деформаціях (релаксація) і зниження міцності при тривалому впливі навантажень. Всі реальні тіла мають властивість повзучості, але прояв цих деформацій залежить від проміжку часу, протягом якого ведуться спостереження за процесом деформування, від величини прикладеного навантаження і температури, від граничних умов. Так, протягом рідини можна спостерігати за дуже короткі проміжки часу (секунди, хвилини), льоду - за кілька годин і доби, глин -за добу і місяці, скельних грунтів через тисячоліття і т. д. Протягом рідини викликають дуже малі дотичні напруження, тоді як для перебігу скельних грунтів потрібні значні напруги.

Об'ємна і сдвиговая повзучість грунтів.

В залежності від граничних умов повзучість може бути об'ємною і сдвиговой. Об'ємна повзучість спостерігається при постійному всебічному стисненні, наприклад при компресії водонасыщенной высокопористой глини (консолідація), і завжди має затухаючий характер. Сдвиговая проявляється повзучість при постійно діючих сдвигающих зусиллях, наприклад у підставах і тілі споруд, в укосах, на підставі гребель і т. п.

Зазвичай зсувних повзучість вивчають при постійних рівнях напружень. У початковий момент навантаження в тілі виникають пружні деформації або (при досить великих напругах) упругопластические, а потім розвиваються деформації повзучості. При цьому крива переходить від пружною або пружно-пластичній її частини до в'язкопружного плавно, без зламу. З часом швидкість повзучості зменшується і через деякий проміжок часу може стати нульовий або кінцевою величиною, але іноді після убування вона починає зростати.

Деформації грунтів виникають при динамічних вібраційних і вибухових впливах. Динамічні вібраційні навантаження викликають у грунті поява сил інерції. Коливання від таких навантажень можуть поширюватися в грунті на значні відстані, підсилюючи розвиток осад споруд і послаблюючи грунти. При вибухах у ґрунтовому масиві утворюються порожнини (воронки) і коливання різної інтенсивності, зменшується по мірі віддалення від місця вибуху. Крім того, вибухи призводять до деформації ґрунту в результаті виникнення і руху вибухових хвиль і газів. Виникає при вибуху тиск досягає десятків гігапаскалів, воно поширюється в грунті з високою швидкістю, але діє протягом дуже короткого проміжку часу (мілісекунди). На поверхні розділу заряд-грунт утворюється ударна хвиля, що викликає переміщення і подрібнення грунту, що знаходиться в умовах всебічного нерівномірного стиснення. Виникаюча при цьому порожнину залежить від властивостей ґрунту і маси заряду вибухової речовини. При вибуху всередині ґрунтового масиву радіус, що виникає порожнини оцінюється за емпіричною формулою, запропонованою Р. В. Покровським.

Деформації грунтів при динамічних впливах.

Незворотні процеси деформування грунтів досить енергоємні, тому тиск на фронті ударної хвилі швидко падає і швидкість її розповсюдження наближається до швидкості звуку. Починаючи з цього моменту попереду ударної хвилі стиснення, що рухається з меншою швидкістю, поширюється пружна хвиля напруги. Швидкість поширення останньої дорівнює швидкості звуку в грунті. При вибухах зосереджених зарядів в грунті виникають нормальні (радіальні) стискаючі і розтягуючі, нормальні кругові розтягуючі і дотичні напруження, які призводять до формування у грунтах за межами вибухової порожнини зони подрібнення і тріщиноутворення. Найбільш виразно ці зони проявляються в монолітних скельних ґрунтах, які характеризуються твердістю і крихкістю. Навколо порожнини розташований сферичний шар дрібно роздробленого і разом з тим ущільненого дією вибуху грунту, пронизаного поверхнями ковзання. За ущільненим шаром знаходиться зона тріщиноутворення, сформована радіальними, променевими і концентричними, круговими тріщинами. Останні утворюються, коли тиск вибухових газів знижується, і сильно стиснутий грунт розвантажується і зміщується до центру заряду, у результаті чого порода відчуває розтягнення в радіальному напрямку.

По мірі віддалення від місця вибуху величина напружень зменшується, коли величина напружень колових напружень стає менше опору грунту розриву, у ґрунті відбуваються незворотні деформації і руйнування, а лише коливальні зміщення часток ґрунту, схожі з дією сейсмічних хвиль, що виникають при землетрусах.

Величина формуються при вибуху в грунтах радіальних напружень стиснення залежить від умов вибуху, маси заряду, відстані від точки вибуху, властивостей грунту і розраховується за полуэмпирическим формулами.

Пружне обурення ґрунту, викликане дією вибуху, починається на деякій відстані від місця вибуху і визначається загальною енергією заряду і властивостями середовища.

Поява поверхневих хвиль у грунті.

Коливання в грунтах, що виникають при вибухах, а також інших динамічних впливах, поширюються у вигляді поздовжньої і поперечної хвиль.

Поблизу поверхні грунту поздовжні і поперечні хвилі викликають появу поверхневих хвиль, які менше спадає з відстанню і можуть проходити значні відстані. Швидкість поширення поверхневих хвиль дещо менше швидкості поперечних хвиль і залежить від коефіцієнта Пуассона.

Величини напруг, що виникають у грунтах під час проходження сейсмічних хвиль, залежать від виду ґрунту та інтенсивності землетрусу; для сильних землетрусів вони можуть змінюватися від сотих часток мегапаскаля для старих грунтів до декількох мегапаскалей для скельних грунтів. Порядок величин напружень у слабких грунтах достатній, щоб викликати значні залишкові деформації в поверхневому шарі.

Небезпека руйнування будівель збільшується, коли період коливань ґрунту стає близьким до періоду власних коливань будівлі. В результаті резонансу зростають амплітуди коливань, величина яких зазвичай в 2-3 рази перевершує амплітуди коливань при його відсутності. У зв'язку з тим, що при вибухах виникають тільки окремі імпульси, а не більш або менш тривалі коливання, як при землетрусах або штучних порушеннях, резонансні коливання, як правило, не розвиваються, тоді як при природних землетрусах такі явища спостерігаються досить часто.

Істотну роль грає не тільки величина напруги, але і їх частота і тривалість динамічних впливів на грунти, так як при певному рівні впливу в грунті накопичуються деформації зсуву і може відбутися ослаблення структурних зв'язків, в результаті чого, в залежності від граничних умов, може статися ущільнення, зсув ґрунту вниз по схилу або видавлювання його з-під фундаменту споруди.

Міцність ґрунтів.

Зміна властивостей ґрунтів при повторних впливах малої амплітуди напруг, що наближаються до межі пружності, зручно розглянути в координатах дотичне напруження т - деформація зсуву v при крутильних випробуваннях.

При першому навантаженні отримують графік залежності, який може бути охарактеризований наступними параметрами: при величині сдвиговой деформації, що прагне до нуля, отримаємо максимальний (дотичний) модуль зсуву G, який буде характеризувати пружні властивості грунту. При великих деформаціях, що свідчать про початок незворотних, зсувних переміщень, процес буде відображатися секущим модулем зсуву G, величина якого буде зменшуватися зі зростанням у, тобто G = G(у). Таким чином, в разупрочняющемся при зсуві грунті при даному значенні стосовного напруги отримаємо деформацію, яка буде представляти суму пружної і пластичної деформації.

Здатність ґрунтів деформуватися під дією зовнішніх зусиль без розриву суцільності або накопичення неприпустимо великих деформацій називається міцністю. При певній величині напружень у ґрунті накопичуються значні деформації і вона руйнується. У цьому випадку говорять про втрату міцності грунтом в результаті зсуву або розриву. При зсуві одна частина грунту зміщується відносно іншої під дією дотичних напружень, які долають сили тертя і зчеплення ґрунту вздовж площин ковзання. Необхідні для зсуву величини деформації залежать від виду грунтів і можуть вимірюватися від декількох міліметрів для скельних ґрунтів до десятків сантиметрів для глинистих.

Руйнування ґрунту шляхом розриву відбувається під дією нормальних розтягуючих напружень при малих деформаціях, близьких за величиною до пружним.

Для оцінки міцності грунтів користуються результатами випробувань зразків на зсув, розтяг, стиск і крутіння, а для того, щоб судити про міцність масиву ґрунту - теоріями міцності, які також називаються теоріями граничних напружених станів.

Теорії міцності грунтів.

В розрахунках на міцність передбачається, що руйнування тіла відбувається, як тільки до певної його точці певна комбінація величин напруги, деформації, часу і температури досягне критичного значення. При цьому сам процес руйнування не розглядається, і проблема міцності вирішується вибором тієї або іншої моделі грунту і критерію руйнування. Такий феноменологічний підхід виправдовується тим, що розвиток дефектів матеріалу, що приводить до втрати міцності, часто відбувається у вузькій області, так що детальне знання самого процесу руйнування має другорядне значення.

В якості критеріїв міцності для грунтів зазвичай приймають: умова Мора-Кулона, згідно з яким руйнування шляхом зсуву відбудеться при певному співвідношенні стосовного і нормального напруг, діючих на одному майданчику: умова Мізеса-Шлейхера-Боткіна, згідно з яким міцність матеріалу вичерпується при певному співвідношенні інтенсивності дотичних напружень і середнього нормального напруження.

З інших теорій міцності, не мають широкого розповсюдження, але придатних для оцінки міцності грунтів, слід назвати теорію найбільших деформацій, згідно з якою небезпечний стан матеріалу настане в результаті того, що його лінійні або кутові деформації досягнуто деякого небезпечного, критичного значення. І теорію міцності Гріффітса, за якою руйнування крихкого тіла в результаті розвитку в ньому тріщини відбувається при певному критичному напрузі.

Теорія міцності Мора-Кулона. Згідно цієї теорії, міцність ґрунту вздовж довільно вибраній площині визначається співвідношенням величини стосовного напруги та опору зсуву ґрунту на цій площині. Коли величина стосовного напруги досягне величини опору зрушенню, почнуться безперервні деформації, в результаті яких відбувається руйнування ґрунту шляхом зсуву однієї його частини щодо іншої

Наведені вище рівняння є минають до колам граничних напруг Мора.

Величини стосовного і нормального напруги в момент руйнування ґрунту.

Координати точки дотику певної прямої до кола граничних напружень характеризують величини стосовного і нормального напруги в момент руйнування грунту, а кут а - положення майданчика ковзання в цей момент. Параметри опору зсуву визначають випробуваннями грунтів в приладах на зріз або тривісне стиснення.

Для реальних грунтів гранична обвідна має криволінійний обрис, тому що застосовується для розрахунків параметрів міцності похила пряма є зручною апроксимацією, а одержувані параметри опору зрушенню відображають умови проведення випробування.

Теорія міцності Мізеса-Шлейхера-Боткіна. Згідно цієї теорії, матеріал руйнується при певному співвідношенні чинного на октаедричній майданчику стосовного напруги і октаэдрического нормального напруги.

Теорія міцності Гріффітса, або теорія крихкого розриву, враховує наявність в тілі механічно ослаблених місць у вигляді безлічі дрібних еліптичних тріщин. Коли таке тіло піддається простому розтягу, навколо кінців цих тріщин, орієнтованих нормально до осі розтягування, відбувається концентрація напруг. Довжина цих тріщин почне лавиноподібно збільшуватися, якщо швидкість вивільнення енергії пружної деформації перевищить швидкість утворення поверхневої енергії в результаті утворення нових поверхонь при зростанні тріщин. Розвиток тріщин призводить до вибухового (супроводжуваному шумом) руйнування крихкого тіла.

Іншими словами, всі процеси руйнування матеріалу визначаються інтенсивністю поля напружень в області, навколишнього кінчик тріщини, і характеризуються коефіцієнтом інтенсивності напружень. Тому роль цього коефіцієнта є визначальною в механіці руйнування.

Прагнення врахувати різний механізм руйнування ґрунтів, особливо скельних, призвело до створення модифікованої теорії Гріффітса, задовільно согласующейся з експериментальними даними.

Міцність ґрунтів на зсув.

Ф. Мак-Клінток і Д. Уолсти припустили, що при стисненні скельного ґрунту були в ньому тріщини закриваються, коли нормальний тиск досягне критичної величини ас. У цьому випадку розвиток тріщини визначається умовами тертя між стінками тріщини.

При певній величині виникають під дією зовнішнього тиску в ґрунті дотичні напруження долають структурні зв'язки між частинками, що призводить до зміщення (зміщення) їх відносно один одного. Формується зона зсуву, і відбувається руйнування ґрунту.

Показники опору зсуву - це основні міцнісні показники опору грунтів зовнішнім силам. Правильне визначення цих показників має важливе значення для практики, так як від цього залежить точність і надійність розрахунків стійкості споруд, стійкості масивів грунту і тиску ґрунтів на огорожі і підземні споруди.

Величина опору грунту зсуву залежить від внутрішніх (структура, текстура, речовинний склад грунту) і зовнішніх (величина і швидкість зміни тиску, умови дренування) факторів. У зв'язку з цим умови випробування ґрунту в лабораторії або на дослідному полігоні повинні відображати роботу ґрунту в спорудженні.

Оскільки існує велика кількість важко враховуваних факторів, що визначають міцність грунтів, параметри міцності можна визначити лише наближено. Визначення цих параметрів проводиться різними методами. Найбільш поширеними є: зрушення (зріз) грунту у заданому напрямку; зонах і тривісне розчавлювання.

Величини є параметрами залежності опору зсуву грунтів і використовуються для розрахунків міцності і стійкості масивів грунту. Кут внутрішнього тертя при зображенні результатів зсувних випробувань в ефективних напругах можна уявити для всіх грунтів складається з двох частин: частина кута внутрішнього тертя, яка визначається тільки хіміко-мінеральним складом і ступенем зволоження поверхні структурних елементів ґрунту.

Початковий кут підйому нерівностей поверхні тріщини.

Структурна частина, яка залежить від шорсткості поверхні зсуву для скельних грунтів і від дисперсності і пористості - для дисперсних грунтів. Для скельних грунтів складова являє собою початковий кут підйому нерівностей поверхні тріщини в напрямку зсуву. Для піщаних і глинистих ґрунтів являє собою кут.

Залежно від характеру сдвигаемого ґрунту, його міцності і щільності вплив різних складових проявляється при різних тисках: роль складової значна при порівняно малих тисках, а роль, є визначальною при значних тисках. Для скельних грунтів величина порогового тиску, при якому відбувається зміна цих складових, перевищує десятки мегапаскалей, а для дисперсних ґрунтів вона складає соті і десяті частки мегапаскаля.

Складова по мірі збільшення деформації зсуву буде зменшуватися і в межі може бути дорівнює нулю. В цей же час складова, якщо не відбувається корінної зміни речовинного складу ґрунту, залишається практично незмінною.

Інший параметр опору зрушенню - зчеплення, також може бути представлений як сума двох складових (за Н. Н. Маслову).

Н. Н. Маслов запропонував для глинистих грунтів виділяти зчеплення зв'язності, що має оборотний характер, і жорстке структурне зчеплення, має незворотний характер. Ця концепція Н. Маслова може бути поширена і на інші літологічні типи ґрунтів, включаючи скельні і піщані. Очевидно, що співвідношення між цими складовими для різних ґрунтів неоднаково: у скельних ґрунтах переважає жорстке структурне зчеплення, а в м'яких глинах - зчеплення зв'язності. Принципова важливість роздільного розгляду компонентів зчеплення ґрунту полягає в тому, що жорстке структурне зчеплення з часом у результаті розвитку процесу вивітрювання або деформації зсуву може значно стискатися, тоді як зчеплення зв'язності при цьому буде змінюватися в меншій мірі.

Величина (оборотне зчеплення) у глинах, що складаються з пластинчастих частинок, залежить від орієнтації частинок по відношенню до напрямку зрушує навантаження і щільності глин.

Упорядкування текстури грунтів.

При чистому зсуві вздовж кристалографічної орієнтації частинок величина cw має максимальне значення cw, а при зсуві в напрямку нормальної орієнтації частинок - мінімальне с.

В процесі зсуву глини спочатку з хаотичною орієнтацією частинок відбувається впорядкування текстури, пластинчасті частинки орієнтуються своїми довгими площинами паралельно напрямку зрушує сили, в результаті чого збільшується значення cw за рахунок зменшення компоненти з» і збільшення cw.

Опір зрушенню незв'язних грунтів. Для незв'язних (піщаних і великоуламкових) грунтів залежність опору зсуву від нормального тиску виражається кривою, що проходить через початок координат і спрямованої опуклістю вгору. Для практичних цілей залежність може бути апроксимована ламаною лінією, описуваної рівнянням Кулона з різними параметрами.

Для незв'язних ґрунтів опір зрушенню в значній мірі залежить від початкової пористості. Для пухкого піску із зростанням деформації зсуву опір зсуву збільшується, наближаючись до деякого сталому значенню. Для щільного піску початкове опір зрушенню по мірі зміщення зростає більш інтенсивно, ніж для пухкого, і при деформації в 5-10 % досягає максимального (пікового) значення. При подальшому зсуві величина опору зсуву зменшується, наближаючись до величини встановленого опору зсуву.

З результатів випробувань піску різної щільності можна визначити два характерних значення: максимальний кут внутрішнього тертя і мінімальний (сталий) кут внутрішнього тертя. Різниця між величинами буде тим більше, чим щільніше пісок. При зсуві незв'язних грунтів при високих нормальних тисках спостерігається деяке руйнування структурних елементів.

Роль кожного доданку опір зрушенню.

Основним параметром, який характеризує міцнісні властивості незв'язних грунтів, є кут внутрішнього тертя, який залежить від: зачеплення - опору, що чиниться частинками при виході з положення рівноваги (опір структури); тертя частинок один про одного при їх взаємному зміщенні (волочінні); опору зрізу (сколу) частинок і їх роздроблення.

Роль кожного доданку опору зрушенню різна і залежить від різних факторів. Так, зачеплення частинок визначається головним чином розміром частинок і щільністю їх упаковки: чим більше розмір частинок і вище щільність упаковки, тим значніше складова зачеплення. Опір тертя частинок залежить від мінерального складу, зволоження і характеру поверхні частинок, а опір зрізу матеріалу частинок - від міцності кристалічної решітки мінералів і напруженого стану.

Вплив вологості на опір зрушенню незв'язних ґрунтів проявляється через зміну величини тертя між частинками, а для повністю водонасичених - напруженого стану. Це вплив в помітною мірою виявляється лише для пилуватих пісків. В інших випадках вологість незв'язних грунтів не чинить істотного впливу на їх опір зрушенню.

Опір зрушенню зв'язкових (глинистих і лесових) грунтів. Опір зрушенню зв'язних грунтів має складну природу і визначається як внутрішніми, так і зовнішніми факторами. Вплив внутрішніх факторів (склад, структура, текстура ґрунту) проявляється через сили зчеплення та тертя між структурними елементами ґрунту. Зовнішні фактори об'єднують вплив методики (режим, умови підготовки зразка до випробування) і величину нормального тиску. Розрізняють дві основні методики випробування зв'язних грунтів на зрушення: тотальних напруг; ефективних напружень.

Опір зрушенню зв'язних грунтів істотно залежить від їх пористості і вологості: воно зменшується із збільшенням останніх.

Величини параметрів міцності грунту.

Пористість і вологість зв'язних грунтів, а також інші компоненти структури і текстури змінюються в процесі зсуву під дією як нормальних, так і дотичних напружень. У зв'язку з цим, результати, одержувані при випробуванні на зсув, значною мірою залежать від режиму випробування, і насамперед від швидкості навантаження і умов дренування.

Залежно від застосовуваної методики випробування зв'язних грунтів виходять різні величини параметрів міцності грунту, і в зв'язку з цим для забезпечення раціонального проектування споруд даними про міцності ґрунтів необхідно застосовувати таку методику визначення параметрів міцності, яка найбільшою мірою моделюють роботу ґрунту в спорудженні.

Розрізняють три характерних режими випробування зв'язних грунтів для визначення їх параметрів опору зсуву.

Неконсолидированно-недренированное випробування (ПН), зване також швидким зсувом, або зрушенням по закритій системі. Руйнування проводиться з такою швидкістю, щоб пористість і вологість ґрунту не змінювалися. При такому зсуву в ґрунті виникає надлишкове поровий тиск. При випробуваннях повністю водонасыщенного пов'язаного ґрунту його опір зсуву характеризується головним чином параметром зчеплення.

Консолідовано-дренированное випробування (КД), зване також повільним зрушенням, або зрушенням при відкритій системі. Грунт попередньо витримується під заданим нормальним тиском до повної консолідації. Потім руйнівне зусилля прикладається з такою швидкістю, щоб вологість грунту встигла прийти в рівновагу з діючою навантаженням і в воді не виникало надмірне парове тиск. При такому зсуві грунти мають найбільшу міцність, характеризується параметрами питомого зчеплення і кута внутрішнього тертя.

Консолідовано-недренированное випробування (КН). Спочатку грунт під дією ущільнюючих навантажень повністю консолідується, а потім руйнується при незмінних пористості і вологості за схемою швидкого зсуву.

Відмінності параметрів зсуву, отриманих для одного і того ж глинистого грунту.

Результати такого випробування дають проміжні значення опору зсуву між отриманими за методиками.

Відмінності параметрів зсуву, отриманих для одного і того ж глинистого грунту за методиками ПН, КД і КН, пояснюються різною величиною ефективних напружень в скелеті грунту, при яких відбувається руйнування. Якщо результати випробувань ПН і КН уявити не в тотальних, а в ефективних напругах (тобто за вирахуванням норового тиску), то показники по всім трьом методикам збігаються.

Вибір методики випробування визначається характером споруджуваного споруди та інженерно-геологічними умовами.

КД випробування відображають роботу ґрунту при повільному зростанні навантаження на споруду в умовах хорошого дренування. Зокрема, ця методика використовується при визначенні для розрахунку міцності підстав споруд і укосів на стадії тривалої експлуатації у глинистих грунтах при консистенції.

ПН випробування відповідають таким умовам роботи масиву ґрунту, коли в результаті його швидкого навантаження і утрудненого віджимання порової води опір зсуву ґрунту залежить від початкової пористості і вологості при наявності значного норового тиску. Така методика застосовується для визначення параметрів міцності грунту при розрахунку стійкості споруд, що зводяться на водонасичених глинистих грунтах (5 > 0,75) та передають на них значні навантаження протягом коротких проміжків часу (наприклад, при заповненні ємностей або коли до моменту закінчення будівництва не очікується повного ущільнення ґрунту).

КН випробування виконуються у разі, коли до основи або споруди буде досить швидко прикладена сдвигающая навантаження. Такі умови виникають, наприклад, в тілі земляної греблі при швидкому підйомі рівня води у водосховищі, дії вибуху або землетрус.

Розглянемо вплив на опір зрушенню зв'язних грунтів основних внутрішніх факторів, враховуючи умови формування глинистого грунту в процесі відкладення опадів у водоймі і при подальшому литогенезе і ерозійному змиві.

Опір зрушенню переущільненої глини.

Для цього розглянемо результати дослідів на КД-зсув зразків водонасыщенного глинистого ґрунту, що мали початкову вологість, рівну вологості на межі текучості, і ущільнених по прямій і зворотної гілкам компресії. У першому випадку будемо мати опір зрушенню нормально ущільненого, а в другому - переуплотненного грунту. Для нормально ущільненого глинистого грунту опір зрушенню прямо пропорційно нормальному тиску, і пряма проходить через початок координат.

Величина може залишатися постійною в діапазоні тисків приблизно до 1 МПа, при подальшому збільшенні нормального тиску графік залежності буде викривлятися і параметр буде зменшуватися до деякого характерного для даного грунту значення. Для переуплотненных зразків глинистого грунту, отриманих при розвантаженні і мають приблизно однакові значення пористості і вологості, отримаємо більш високий опір зрушенню. Пряма залежність для максимальної міцності перетинає вісь ординат.

Опір зрушенню переущільненої глини залежить від величини деформації зсуву: при малій деформації зсуву міцність досягає максимального (пікового) значення, а потім відбувається зниження міцності до усталеного (залишкового) значення. Залежність опору зсуву від нормального тиску для залишкової міцності буде описуватися виразом.

Величина є постійною для даного переуплотненного глинистого ґрунту і залежить від мінерального складу частинок і вологості. Залишкове значення кута внутрішнього тертя глинистого грунту зазвичай визначається шляхом багаторазового зсуву по одній і тій же поверхні грунту. Зниження міцності грунту в процесі деформації обумовлено розривом зв'язків і зміною його мікроструктури. На першій стадії деформування, аж до моменту досягнення максимального опору зрушенню, якихось незворотних порушень текстури не відбувається, грунт деформується в основному пружно.

Необоротні повороти частинок.

При подальшій деформації зрушення відбуваються незворотні повороти частинок, які прагнуть розташуватися приблизно паралельно площині зрізу, в результаті чого остання набуває сланцеватость. Зміна орієнтації структурних елементів у процесі зсуву створює сприятливі умови для всмоктування води, що веде до підвищення вологості в зоні зсуву і подальшого зниження міцності. Відмінність у значеннях пікової і залишкової міцностей для переуплотненных глинистих грунтів, особливо глин, може бути значним, що пояснюється великою роллю міцних зв'язків у формуванні пікової міцності, тоді як залишкова міцність визначається головним чином зв'язками між частками через плівки води.

Опір зрушенню лесових порід визначається при їх природному невисокій вологості міцність структурних зв'язків кристалізаційного характеру і тертям між пилуватими структурними елементами. Підвищення вологості призводить до зменшення опору зрушенню лесового грунту в значній мірі в результаті зниження зчеплення і в меншій мірі - кута внутрішнього тертя. Зменшення міцності лесового грунту залежить не тільки від абсолютного значення вологості, але і від початкового ступеня водонасичення: із зростанням ступеня водонасичення зчеплення і кут внутрішнього тертя зменшується. Міцність повністю водонасыщенного лесового ґрунту визначається головним чином тертям і зачепленням між структурними елементами і залежить від вологості грунту.

Ущільнення просевшего водонасыщенного лесового ґрунту призводить до підвищення його опору зрушенню в результаті формування нових структурних зв'язків.

Опір зрушенню скельних грунтів. При зсуві скельного ґрунту різної текстури (від монолітного до грунту з утвореними поверхнями ковзання) отримуємо три типи кривих, зображених на графіках з залежностями: дотичне напруга т - деформація зсуву у; дотичне напруга т - нормальна напруга а.

Зачеплення і тертя поверхонь грунту.

Перший тип залежності характерний для монолітного скельного грунту, що володіє високим зчепленням, тертям і опором розриву. На значній ділянці дії позитивних нормальних тисків залежність може бути апроксимована прямою лінією. По мірі зростання деформацій зсуву опір падає, наближаючись до деякої величини. Другий тип залежності спостерігається при зсуві трещиноватого скельного грунту. Порода не володіє опором розриву, але зчеплення може бути більше нуля. Опір зсуву визначається головним чином зачепленням і тертям поверхонь грунту. По мірі зростання деформацій зсуву опір зсуву досягає максимального значення (пікова міцність), після чого падає, наближаючись до залишкової міцності. Залежність апроксимується прямою, що відсікає відрізок на осі ординат, а залежність - прямій, що виходить з початку координат. Залежність в цілому може аппроксимироваться двома ламаними прямими. І, нарешті, третій тип залежності спостерігається при зсуві по гладких поверхнях (зсув «плитка по плитці»). Опір зрушенню у цьому випадку мінімальне, визначається воно в основному тертям, що залежать від мінерального складу ґрунту і зволоження поверхні. У цьому випадку залежність задовільно описується рівнянням прямої лінії, що виходить з початку координат.

Кожному з перерахованих типів залежностей характерні свої величини < р і с, які можуть значно відрізнятися. Особливо різко може змінюватися зчеплення: від 6 до 100 МПа. Найбільш стабільною характеристикою є коефіцієнт тертя при зсуві за заготовленої поверхні ковзання (зсув «плитка по плитці»): у цьому випадку коливається від 0,3 до 0,6 і залежить головним чином від мінерального складу і вологості по площині зсуву. Аналіз результатів зсуву шорстких поверхонь показав, що кут внутрішнього тертя скельного грунту можна представити у вигляді суми

Величина опору зрушенню скельного грунту залежить від розміру сдвигаемых зразків (масштабний ефект).

Досліди на прямий зсув по тріщинах.

Так, досліди на прямий зсув по тріщинах в зразках кварцового діориту, мала площа поперечного перерізу від 200 до 5000 см2, показали зменшення пікової сдвиговой міцності від малих до великих зразків приблизно на 40 %, головним чином у результаті зниження зчеплення.

Вивітрювання змінює будова та речовинний склад порід і в силу цього впливає на їх міцність. Із збільшенням вивітрювання змінюються як зчеплення, так і кут внутрішнього тертя.

Міцність скельного грунту на зсув зазвичай визначається зсувом ціликів або штампів за традиційною схемою. Однак, як показує досвід, практично неможливо створити умови прямого безмоментного зсуву, і тому що отримуються в експериментах результати істотно залежать від схеми прикладання навантажень і виникає ексцентриситету зрушує сили.

Встановлено, що руйнування підстави цілика «при зсуві» при невисоких нормальних напругах відбувається не від напруги зсуву, а від розтягуючих напружень.

Численні дослідження, проведені в лабораторії механіки скельних порід інституту «Гідропроект», показали, що утворення тріщин відриву під навантаженої гранню штампа і вичерпання несучої здатності на стиск під низовий гранню не відбуваються одночасно, а має місце певна послідовність розвитку процесу руйнування.

Будь-яке руйнування матеріалу супроводжується розширенням. Якщо матеріал не має можливості об'ємного розширення, то він не може руйнуватися і при дуже високих навантаженнях змінює свої властивості, перестаючи існувати у первісному вигляді. Тому аналіз деформацій, а також виявлення взаємозв'язку між деформаціями і навантаженнями при руйнуванні мають дуже важливе значення для виявлення закономірностей і оцінки параметрів руйнування.

Аналізуючи розширення зони зсуву в зернистих піщаних матеріалах, запропонували для опису максимальної міцності на зсув використовувати залежність.

Міцність на стиск стінки тріщини.

При великих нормальних напругах буде відбуватися деяке руйнування первинних нерівностей і кут їх буде змінюватися.

Під початковим кутом розуміється середній кут підйому нерівностей в напрямку зсуву в розглянутий момент часу, тобто з урахуванням всієї попередньої історії навантаг і зміщень по цій тріщині.

Міцність на стиск стінки тріщини характеризує міцність нерівностей і горбиків на поверхні тріщини, яка в залежності від зімкнутості і стану стінок тріщин, їх порушення в процесі попередніх зміщень і зрушень може бути як більше міцності скельної породи при одновісному випробуванні, так і істотно менше її.

У зв'язку з тим, що параметри істотно змінюються від точки до точки на поверхні зсуву, їх безпосереднє визначення пов'язане з труднощами вимірів і поширення виміряних величин на всю поверхню тріщини.

Найбільш раціональним способом визначення інтегральних значень цих параметрів є їх обчислення зворотним розрахунком за даними польових випробувань. Якщо відомі результати двох випробувань на зсув по розглянутій тріщині, то значення параметра R. При наявності декількох експериментальних результатів необхідно вибрати такі значення, які найкращим чином відповідають всім експериментів.

Облік розширення тріщини при зсуві по залежності дозволяє оцінити «самоупрочнение» тріщини при виникненні в ній зрушень при розрахунку поведінки тріщинуватих скельних масивів під навантаженням. Така принципово нова математична модель скельного грунту дозволяє проаналізувати напружено-деформований стан і можливі зміщення масиву як при статичних, так і при динамічних впливах, а також проаналізувати роботу анкерів у скельному масиві. Такий аналіз показує, що завдяки ділатансіі тріщини при зсуві анкер, нормальний до площині тріщини, завжди спочатку працює на розтяг, а не на зріз, і, крім того, обмеження можливості розширення тріщини збільшує її міцність на зсув, що дозволяє підійти до аналітичного розрахунку сумісної роботи пасивних анкерів зі скельним масивом.

Вплив анізотропії, тріщинуватості і масштабного ефекту на міцність скельних грунтів.

Дослідження залежності міцності на зсув від величини зміщень по тріщині є дуже важливою і цікавою проблемою для аналізу поведінки як самих скельних масивів, так і зведених на них споруд.

Вплив анізотропії, тріщинуватості і масштабного ефекту на міцність скельних грунтів. Скельні масиви, що представляють собою тріщинуваті, неоднорідні середовища з початковим полем природних напруг, можуть мати яскраво виражену анізотропію міцнісних властивостей, що залежить від напрямку дії навантаження, способу її застосування і розміру завантажується площі. Діаграма міцності на зсув шаруватих гіпсових зразків в плоскому напруженому стані. Найменшою міцність на зсув масив має в напрямку шаруватості, що цілком очевидно.

Дещо складніше вирішити питання про вплив тріщинуватості на міцність масиву при наявності декількох систем тріщин. Результати досліджень Д. Н. Кіма, виконані на гіпсових зразках різної будови. При зміні міцності окремих блоків у 8 разів (від 1,6 до 12,85 МПа) характер анізотропії міцності не змінився, що підтверджує визначальне значення тріщинуватості для оцінки міцності масиву.

Наступною важливою особливістю поведінки скельних масивів під навантаженням є вплив співвідношення розмірів області навантаження масиву і характерного структурного елемента. Це так званий масштабний ефект, вплив якого на міцність зразків може бути описано залежністю.

Ця залежність може бути використана для визначення не тільки міцності зразків різного діаметру, але і руйнує навантаження при вдавлюванні штампа в скельний масив, а також міцності на зріз скельного масиву.

Міцність на розрив являє собою величину напруги, необхідного для руйнування ґрунту шляхом відділення однієї його частини від іншої по нормалі до поверхні розриву. Опір ґрунтів розриву визначають за формулою.

Міцність грунтів на розрив.

Щоб розірвати зразок ґрунту, в ньому повинна виникнути тріщина, яка розділяє грунт на частини. Це означає, що повинні утворюватися принаймні дві поверхні, які не існували раніше. Розвиток і розширення тріщини вимагають витрати енергії залежать від дефектів структури.

Кількість енергії, необхідне для руйнування грунту, віднесене до поперечного перетину, визначає його в'язкість руйнування, або тріщиностійкість, яку в даний час частіше називають енергією, або роботою руйнування. Від тріщиностійкості значною мірою залежить міцність скельного грунту.

Тріщиностійкість ґрунту відрізняється від міцності на розрив, яка визначається як напруга (а не енергія), необхідне для руйнування твердого тіла.

Для крихких гірських порід (наприклад, обсидіан) робота руйнування може бути незначною порівняно з більш в'язкою породою (наприклад, глинистий вапняк), хоча величини статичної міцності на розрив цих порід різняться несильно. Тріщиностійкість грунтів з ростом міцності на розрив зменшується.

Значення міцності грунтів на розрив необхідні для визначення допустимих тисків в напірних тунелях, при оцінці ефективності вибуху в грунтах і тріщиноутворення глинистих ядер високонапірних гребель, на брівці високих укосів і в основах гідротехнічних споруд.

Міцність на розрив визначається додатком до зразка ґрунту розтягує сили. Це здійснюється при одновісному розтягуванні, вигині, розколюванні, дії тиску на порожнистий зразок зсередини і т. д.

Випробування на розрив грунтів представляє певні труднощі, тому достовірних даних про величину межі міцності на розрив, отриманих з дослідів на безпосереднє розтягнення, мало, і в зв'язку з цим цей показник часто встановлюють непрямим методом (наприклад, при розколюванні). Отримані при цьому дані характеризуються значним розкидом.

Збільшення пористості і зміна типу структурних зв'язків у грунті.

Міцність на розрив однорідних і монолітних скельних грунтів різних петрографічних типів зазвичай не перевищує 30 МПа. Ці дані відносяться тільки до найбільш міцним, позбавленим тріщин зразкам. В натурних умовах руйнування грунтів відбувається за рахунок не більш міцних, а більш ослаблених частин масиву, міцність якого може бути на один-два порядку нижче міцності зразка.

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. Розрив скельних ґрунтів відбувається при невеликих деформаціях, вимірюваних сотими частками відсотка.

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

Статті pp-budpostach.com.ua Все про дахах ( види, матеріал, як краще вибрати)

Статті Все про Фундаменті

Статті по газобетону ( газоблокам ), газобетонних блоків, блоків газосиликатнных

Новини, статті, чутки, факти, різне і по чу-чуть

Статті по цеглині ( рядовому, особового,облицювальної,клинкерному, шамотною, силікатній,)