Т ема 3. Опір грунтів зсуву

Розглянемо споруду, яка розміщена поблизу укосу і сприймає горизонтальні й вертикальні навантаження (рис. 3.1). В даному випадку несуча здатність грунту може бути вичерпана в результаті втрати стійкості укосу (лінія 1), площинного зсуву фундаменту (лінія 2) чи випирання грунту з-під підошви фундаменту (лінія 3).

В усіх випадках втрата несучої здатності відбуває-ться шляхом зсуву однієї частини грунту (споруди) відносно іншої, нерухомої частини. Міцність грунту буде тим більшою, чим більший його опір зсуву, тобто чим більшими будуть коефіцієнт тертя і зчеплення між окремими частинками грунту.

1. Опір грунтів зсуву. Опір зсуву в лабораторних умовах найчастіше визначають за допомогою одноплощинних зсувних приладів, основною частиною яких є зрізувач (рис. 3.2).

В ипробування виконують таким чином. У спеціальних приладах (ущільнювачах) попередньо ущільнюють зразки грунту під тиском, при якому вони будуть випробуватись на зсув (наприклад, 0,1; 0,2; 0,3мПа). Потім переносять один зразок у зрізувач, прикладають вертикальне навантаження, яке створює нормальний тиск, при якому ущільнюва-вся зразок грунту в ущільнювачі (наприклад, р₁=0,1мПа → р=N/A, де A – площа поперечного перерізу зразка грунту) і окремими ступенями передають на рухому обойму горизонтальні навантаження до моменту, коли відбудеться зсув. Кожний ступінь витримується до умовної стабілізації, при якій горизонтальне переміщення верхньої (рухомої) частини зразка не перевищує 0,01мм за останні 2хв. спостережень.

З алежність між дотичними (зсувними) напруженнями (τ=Q/A) у зразках і їх переміщенням буде мати вигляд, показаний на рис. 3.3.

За результатами дослідів будують графік. На осі абсцис наносять нормальні напруження , а на осі ординат - відповідні їм значення граничних зсувних напружень (рис. 3.4, чи 3.5).

Для графіків відповідно можна записати

(3.1)

, де (3.2)

- коефіцієнт внутрішнього тертя; - кут внутрішнього тертя; - питоме зчеплення (викликане структурними зв’язками грунту).

Ц і залежності виражають закони Кулона для сипких і зв’язних грунтів. Величини і називаються характеристиками міцності грунтів. Вирази (3.1) і (3.2) справедливі для граничного стану грунту, тобто стану, при якому він вичерпує свою міцність, і в області невеликих нормальних напружень (до 0,6мПа).

Якщо лінію залежності провести до перетину з віссю абсцис, одержимо значення - фіктивний тиск зв‘язності. З рис. 3.5 видно, що

(3.3)

Методика випробувань викладена в [17].

2 . Ефективний і нейтральний тиск. Описані вище досліди називаються консолідовано-дренованими, тому що грунт попередньо ущільнюється (консолідується) і при цьому надається можливість фільтрації (дренажу) води через отвори в штампі. Якщо випробування на зсув виконувати без попереднього ущільнення і без надання можливості фільтрації води із зразка, то такі досліди називаються неконсолідовано-недренованими. Вони моделюють роботу водонасичених глинистих грунтів в основі фундаментів. При цьому частина напруження буде сприйматися грунтовою водою і закон Кулона прийме такий вигляд

, де (3.4)

- напруження, які сприймає вода.

Як видно із (3.4), опір зсуву, а відповідно і міцність водонасичених глинистих грунтів зменшується за рахунок порових напружень. У водонасичених пісках процес консолідації відбувається дуже швидко і всі напруження сприймаються грунтовими частинками (скелетом).

Для кращого розуміння процесу ущільнення грунту в часі розглянемо механічну модель грунтової маси (всі пори грунту повністю заповнені водою - п.1.2). В циліндричній посудині, яка має поршень з мікроскопічними отворами, розміщені пружина і вода (рис. 3.6). Пружина моделює роботу скелета грунту. Зразу ж після передачі тиску на поршень вся його величина буде сприйматись тільки водою - нейтральні напруження (тиск). У процесі витіснення води через отвори частина тиску буде поступово сприйматися пружиною - ефективні напруження (тиск). Після повного стиснення пружини на останню буде передаватись вся величина тиску . Отже, у водонасичених глинистих грунтах напруження буде сприйматися скелетом тільки після повної консолідації таких грунтів.

Механічна модель (рис. 3.6) демонст­рує, що в процесі ущільнення грунту в ньому одночасно діють дві системи тисків: тиск в скелеті грунту - ефективний, і тиск в поровій воді - нейтральний. Ефективний тиск характе­ризує напружений стан скелета грунту. Під цим тиском грунт уже деформувався, тобто ущільнився і зміцнився. Отже, такий тиск позитивно впливає на стан грунту. Нейтральний тиск не впливає на напружений стан скелета повністю водонасченого грунту, тотбо він нейтральний у відношенні до скелета грунту.

3 . Стабілометричні випробування. Випробування грунтів роз-глянутим вище методом одноплощинного зсуву не відповідає складному напруженому стану грунтів при дії зовнішніх навантажень від фундаментів будівель і споруд, тому останнім часом для визначення характеристик міцності використовують випро­бування на трьохосьове стиснення. Схема приладу на трьохосьо­ве стиснення (стабілометра) показана на рис. 3.7. Циліндрич­ний зразок грунту 1 в гумовій оболонці піддають всесторонньому стиненню рідиною 2 інтенсивністю . Потім через шток 3 до поршня 4 прикладають вертикальне навантаження , створюючи на зразок вертикальний тиск (після сумування з ). Збільшуючи тиск можна досягти повного руйнування зразка грунту або значного його розширення.

Д ля визначення характеристик міцності сипких грунтів до­статньо виконати одне випробування і побудувати коло Мора, діаметр якого дорівнює . Дотична до кола Мора 0М, про­ведена через початок координат, визначить кут внутрішнього тертя (рис. 3.8). Аналітичний вираз для визначення має вигляд

(3.5)

Д ля зв‘язних грунтів виконується два випробування при різних значеннях . Потім будують два кола Мора (рис. 3.9), дотична до яких і визначить кут внутрі-шнього тертя й питоме зчеплення грунту . Ана-літичні вирази для визначення та мають вигляд

(3.6)

(3.7)

Методика випробувань викладена в [13].

Кут внутрішнього тертя і питоме зчеплення визначають на основі не менше 18 дослідів. У цьому випадку коефіцієнти і рівняння (3.2) можуть бути підібрані методом найменших квадратів (див. п. 9.3).