4.4Механические свойства грунта

Механические свойства грунта отражают его способность сопротивляться механическим воздействиям. Такие свойства разделяют на прочностные и деформационные.

Под прочностью дисперсного грунта понимают его сопротивляемость сдвигу (срезу). Ш. Кулон установил еще в 1773г., что предельные касательные напряжения τ_пр у несвязных грунтов прямо пропорциональны нормальным напряжениям σ, а у связных являются линейной функцией σ (рис. 9).

Эта зависимость называется законом Кулона, аналитически выражаемая формулами:

• для несвязных грунтов (пески и проч.) τ_пр = σ tgφ , (2)

• для связных грунтов (глины, суглинки, супеси) τ_пр = σ tgφ + c, (2а)

Параметры линейной зависимости «τ_пр ~ σ», т.е. φ и с, являются прочностными характеристиками грунта. При этом параметр φ называется углом внутреннего трения, с – удельным сцеплением.

Эти характеристики обычно определяются в лабораторных условиях с помощью прибора одноплоскостного среза (часто именуемого упрощенно «сдвиговым прибором»). Схема испытания грунта на срез приведена на рис. 10.

На рис. 10 показаны только нагрузки (силы), нормальные и касательные напряжения определяются, исходя из этих нагрузок и площади среза:

, ,

где А – площадь передачи нагрузки на грунт (площадь среза);

N, T – соответственно вертикальная и горизонтальная (срезывающая) нагрузки.

Из каждого монолита вырезаются (с помощью стандартных колец) три-четыре пробы грунта. Затем эти пробы поочередно вставляются в сдвиговой прибор и подвергаются испытанию на срез. Такой срез производится постепенно возрастающей срезывающей нагрузкой при постоянном вертикальном давлении σ, которое заранее устанавливается для каждой пробы. Например, это могут быть давления σ₁ = 0,1МПа; σ₂ = 0,2 МПа; σ₃ = 0,3 МПа и т.д. На основе таких срезов устанавливаются предельные касательные напряжения τ_пр для каждого принятого давления σ, строится график «τ_пр ~ σ» (см. рис. 9) и определяются характеристики φ и с.

Прочность скальных и полускальных грунтов определяется, как у твердых материалов, по сопротивлению раздавливанию (одноосное сжатие – рис. 11). Такие испытания также производятся в лабораторных условиях, при этом используются специальные прессы (гидравлические или винтовые).

Д еформативностью грунта называют его способность деформироваться под нагрузкой без разрушения (без образования в нем поверхностей скольжения). Зависимость деформаций ε от напряжений σ в грунте криволинейна, но при небольших напряжениях ее можно считать линейной. Н.М. Герсеванов в 1930г., рассматривая работу грунта в условиях возрастающей нагрузки, выделил три фазы, показанные на рис. 12.

Расчеты деформаций основания производятся, как правило, только для первой фазы, когда деформации можно считать линейными. На это ориентированы нормативные документы по расчету оснований (СНиП 2.0201-83*, СП 50-101-2004).

Д еформативность грунта в этой фазе оценивается характеристиками, аналогичными параметрам упругого полупространства, используемым в теории упругости. Это модуль деформации Е, характеризующий связь деформаций ε с напряжениями σ, и коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) ν, характеризующий отношение поперечных деформаций ε_поп к продольным ε_прод.

, , (3), (3а)

Модуль деформации определяется в лабораторных условиях с помощью компрессионного прибора (одометра) или прибора трехосного сжатия (стабилометра), в полевых условиях – путем испытания грунта штампом, прессиометром или статическим зондированием.

Компрессионное испытание (рис. 13а) основано на сжатии образца грунта цилиндрической формы вертикальной нагрузкой с замером вертикальных смещений. Грунт помещается в рабочее кольцо 2 внутренним диаметром не менее 71мм, высотой в 3,5 раза меньшей диаметра, нагрузка передается на грунт через штампик 3 возрастающими ступенями, замеры смещений осуществляются двумя измерительными приборами (индикаторами) 4.

Компрессионные испытания просты, но их результаты отражают работу реальных оснований со значительными искажениями, которые компенсируются путем введения специальных поправочных коэффициентов (подробнее см. раздел 7). Тем не менее, в нашей стране компрессионные испытания являются основным методом определения модуля деформации.

Т рехосные испытания отличаются от упомянутых компрессионных испытаний тем, что образец грунта находится под воздействием не только вертикальной нагрузки, но и радиальной (горизонтальной) нагрузки, равномерно распределенной по всей его боковой поверхности. Для этого образец грунта покрывается резиновой оболочкой и помещается в специальную камеру трехосного сжатия (боковое давление создается водой). Диаметр образца должен быть не менее 38мм, высота – в 2…2,5 раза больше диаметра. В отличие от компрессионных испытаний, образец грунта имеет возможность не только вертикальных деформаций, но и бокового расширения.

Достоверность результатов трехосных испытаний достаточно высока, но оборудование для них (стабилометры) значительно сложнее компрессионных приборов, сложнее само испытание, серийное производство стабилометров в России не налажено, в связи с чем в отечественной практике трехосные испытания применяются мало.

Наиболее достоверным считается испытание штампом (рис. 13б). Такое испытание производится в шурфе (котловане) или скважине путем создания давления на грунт (на дно шурфа или скважины) жестким круглым штампом стандартной площади (600, 1000, 2500, 5000 см²) и замере осадок этого штампа. Нагрузка (и соответственно давление на грунт) прикладывается возрастающими ступенями, причем каждая ступень прикладывается после затухания осадки от предыдущей ступени.

Результаты штамповых испытаний используются в качестве эталона для корректировки результатов других, менее точных методов испытаний, в том числе компрессионных. Однако это очень дорогой и трудоемкий метод, который применяется по этим причинам довольно редко (на сложных, ответственных объектах или в особо сложных грунтовых условиях).

Прессиометрическое испытание производится в полости пробуренных скважин, на заданных глубинах. Оно состоит в нагружении грунта горизонтальной (радиальной) нагрузкой в стенках скважины и замере радиальных смещений этих стенок. Нагружение и определение смещений производится с помощью специального прибора – радиального прессиометра. Такой прессиометр представляет собой устройство, имеющее цилиндрическую камеру, способную расширяться в радиальном направлении. Эта камера вводится в скважину, производится испытание, т.е. радиальное расширение камеры с замером радиальных давлений и деформаций.

Достоверность результатов прессиометрических испытаний достаточно высока, но они отражают деформативность грунта не в вертикальном, а горизонтальном направлении, грунты же не всегда изотропны. Кроме того,

оборудование для таких испытаний (прессиометры) довольно сложно, а серийное производство прессиометров в России не налажено. Все это препятствует широкому применению таких испытаний в нашей стране.

Статическое зондирование – это вдавливании в грунт специального устройства – зонда (стержня диаметром 36мм с коническим наконечником) с измерением сопротивления грунта под нижним концом и боковой поверхности этого зонда. Составлены таблицы, позволяющие по этим сопротивлениям приближенно определять модуль деформации грунта (как и прочностные характеристики). Преимущества зондирования – быстрота и возможность выполнения в полевых условиях большого числа измерений на глубинах до 20м.

Статическое зондирование нашло широкое применение в нашей стране, особенно в Республике Башкортостан.

Коэффициент поперечной деформации ν при изысканиях определяется редко. Для решения практических задач фундаментостроения высокой точности его определения, как правило, не требуется, поэтому он обычно устанавливается приближенно в зависимости от вида грунта. В нормативном документе СП 50-101-2004 (п. 5.5.44) имеется соответствующая таблица для определения величины ν. Согласно этой таблице, например, для глин тугопластичных, мягкопластичных и текучепластичных ν = 0,38…0,45, для песков и супесей ν = 0,30…0,35 (меньшие значения ν соответствуют большей плотности грунта).