4. Прочность грунтов

Под прочностью грунтов понимают такое предельное значение напряжений, по достижении которого грунт теряет свою сплошность. В нем появляются трещины отрыва или сдвига.

Существует множество теорий прочности: наибольших нормаль­ных напряжений, наибольших относительных удлинений и др.

В механике грунтов наиболее широкое распространение получила теория прочности Мора-Кулона.

Согласно этой теории, прочность грунта нарушается в той точке массива, где нормальное о и касательное т напряжения, действую­щие по некоторой площадке, находятся в соотношении

И, напротив, прочность грунта в данной точке (области) массива будет обеспечена, если напряжения, действующие на любой площад­ке, удовлетворяют условию

< ,

где и «с» - угол внутреннего трения и удельное сцепление соответ­ственно,

являющиеся показателями прочности грунта.

Как установлено экспериментально, разрушение песчаных грун­тов происходит за счет сдвига одной части грунта по другой. Сопро­тивление сдвигу таких грунтов возникает в основном в результате трения между перемещающимися частицами и зацепления их друг за друга, т.е. сопротивление сдвигу песков - несвязных грунтов - есть сопротивление их трению. Сопротивление растяжению в этих грунтах практически отсутствует, поэтому песчаные грунты называются сыпу­чими.

Такая же концепция прочности (разрушение за счет сдвига) рас­пространяется и на глинистые грунты. Однако, кроме трения, в таких грунтах возникают силы сцепления между частицами, зависящие от величины уплотняющих давлений, возникающих в точках и на пло­щадках контактов частиц. Имеющиеся в глинистых грунтах водно­коллоидные и цементационные связи обеспечивают им некоторое со­противление растяжению. Эти грунты называют связными.

2.5. Сопротивление грунтов сдвигу

Значение касательного напряжения т, при котором происходит сдвиг (смещение одной части грунта по отношению к его другой части под действием постоянно возрастающего сдвигающего усилия), назы­вается предельным сопротивлением грунтов сдвигу.

Одним из способов определения сопротивления грунтов сдвигу является испытание их на прямой срез в одноплоскостных сдвиговых приборах в соответствии с требованиями ГОСТ 12248-78 "Грунты. Ме­тоды лабораторного определения сопротивления срезу". К помещен­ному в прибор образцу грунта ступенчато прикладывают вертикальное давление, под действием которого происходит уплотнение грунта. По­сле достижения данной величины давления и стабилизации дефор­мации грунта к верхней (или нижней) обойме прибора - в зависимости от его конструкции - прикладывают горизонтальное давление до тех пор, пока не произойдет горизонтальное перемещение одной части образца грунта по другой. Величина перемещения фиксируется инди­катором. Испытание следует считать законченным, когда произойдет мгновенный срез одной части образца по отношению к другой или об­щая деформация среза составит 5 мм.

Такие испытания проводят для нескольких образцов грунта (ми­нимум трех), находящихся в одинаковом состоянии при различных значениях вертикальных давлений Р. С увеличением сжимающих на­пряжений, действующих на образец, предельные касательные напря­жения возрастают.

По результатам испытаний для нескольких образцов при различ­ных нормальных напряжениях строят график зависимости касатель­ных и нормальных напряжений .

Для этого через опытные точки проводят прямую линию, зани­мающую среднее положение между всеми точками.

Для этого через опытные точки проводят прямую линию, зани­мающую среднее положение между всеми точками.

Опытами установлено, что график зависимости предельного со­противления грунтов сдвигу от нормального напряжения для идеально сыпучих грунтов в пределах изменений напряжений, представляющих интерес для строительства (0,1-0,6 МПа), с достаточной степенью точ­ности может быть принят за прямую линию, выходящую из начала ко­ординат и наклоненную под углом φ к оси нормальных напряжений (рис. 9).

Рис. 9. График зависимости сопротивления сдвигу

от нормального напряжения

для песков

Согласно графику, зависимость между касательным и нормаль­ным напряжениями выражается уравнением

, (31)

или , (31')

где f=tgφ - коэффициент внутреннего трения.

Угол φ - угол внутреннего трения - является прочностной харак­теристикой для песков. Он может быть получен по графику зависи­мости или вычислен из выражения

Выражение (31) является основной прочностной зависимостью для сыпучих грунтов, носит название закона Кулона и формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нор­мальному напряжению.

Для глинистых грунтов зависимость между касательными и нор­мальными напряжениями имеет более сложный характер в связи с тем, что сопротивление сдвигу глинистых грунтов обусловлено не только силами трения, но и связностью грунта. Однако, как и для сыпучих грунтов, зависимость предельного сопротивления сдвигу от нормальных напряжений представляется прямой линией (рис. 10).

Рис. 10. График зависимости сопротивления сдвигу

от нормального напряжения для глинистых грунтов

Эта зависимость описывается уравнением

= , (32)

где φ - угол внутреннего трения, с - сцепление грунта.

Приняв f=tg(φ), уравнение (32) примет вид

= (32')

Коэффициент f=tg по аналогии с сыпучими грунтами носит на­звание коэффициента внутреннего трения. Параметр с называется удельным сцеплением глинистых грунтов и характеризует их связ­ность.

Угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с являются прочностными характеристиками глинистых грунтов.

Уравнение (32) выражает закон Кулона для глинистых грунтов, ко­торый формулируется следующим образом: «предельное сопротивле­ние связных грунтов сдвигу при завершенной их консолидации есть функция первой степени от нормального напряжения».