2.3.2.2. Прочностные свойства грунтов

Прочностные свойства грунтов характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта. Потеря прочности материала осуществля­ ется, как правило, путем его разрыва и (или) сдвига. Основными показате­ лями прочности грунта являются сопротивления разрыву и сдвигу.

Природа прочности пород. Для понимания природы прочности по­ род рассмотрим внутренний механизм их разрушения.

Внастоящее время разработан ряд теорий, на основании которых определены критерии, связывающие разрушения с предельным состоянием материалов: максимальное напряжение, максимальная деформация, мак­ симальная энергия деформации, максимальное касательное напряжение и другие [8].

Впрактике наиболее широкое распространение получила теория Ку­ лона - Мора. В ней постулируется, что материал разрушается или неогра­ ниченно деформируется, когда касательные напряжения в плоскости раз­

рушения (т) достигнут определенной величины, зависящей от нормальных напряжений (а ), действующих в этой плоскости, или когда наибольшее по абсолютной величине растягивающее главное напряжение достигнет пре­ дельного значения. Это описывается следующим уравнением:

Tnp = Otg <р + с ,

где ср - угол внутреннего трения, град; с - сцепление, МПа.

Теория Мора не основывается на каком-либо внутреннем механизме разрушения материалов, поэтому параметры, вошедшие в предложенный им критерий разрушения, не несут физического смысла.

В противоположность этому теория Гриффитса дает внутренний ме­ ханизм и математическую модель разрушения, основанную на физических параметрах. Эта теория предполагает, что в любом материале содержатся дефекты и при нагружении тела вокруг них возникает концентрация на­ пряжений, которая вызывает рост и распространение трещин и этот про­ цесс в конечном итоге приводит к макроскопическому разрушению.

Макклинтон и Уолш предложили, что при сжатии трещины Гриф­ фитса закрываются и на их поверхности возникают силы трения.

Автором на основании экспериментально-теоретических исследова­ ний предложен следующий механизм разрушения материалов - при на­ гружении материала до его разрушения в нем протекают процессы образо­ вания роста и группирования трещин разрыва (по Гриффитсу), среза и дробления материала в зоне магистрального разрыва, внешнего и внутрен­ него изменения его структуры, изменения фазового состояния материала в зоне магистрального разрыва, отсюда и изменение его (материала) свойств.

В общем виде разрушение материала определяется: напряжениями, вызывающими рост трещин Гриффитса (ттр), и сдвигающими напряже­ ниями (тсд), которые разлагаются на напряжения, затраченные на срез вы­ ступов трещин (т|.д), на дробление (т"д), на перестройку внешней структу­ ры в зоне дробления (T^ ) и на изменение фазового состояния (т[.д ) мате­ риала. Отсюда,

х = Ттр + Тсд.

Анализ практического применения известных теорий разрушения в практике показал, что каждая из них достаточно хорошо работает лишь в узких условиях. Так, теория Мора удовлетворительно описывает состояние горных пород Гриффитса стали, керамики и т.д. Это связано, вероятно, с тем, что до настоящего времени не разработан обобщенный критерий раз­ рушения, поэтому оценить состояния широкого круга известных материа­ лов одним критерием не представляется возможным.

В практике инженерных изысканий прочность пород принято оцени­ вать следующими показателями: сопротивление грунта одноосному и объ­ емному сжатию, растяжению и сдвигу.

Сопротивление грунтов одноосному сжатию относится к прочно­ стным свойствам грунтов. Прочность грунтов часто определяют путем их раздавливания в условиях свободного бокового расширения. Разрушающая сила при этом действует только г, одном направлении, поэтому такое ис­ пытание называют одноосным сжатием.

Сопротивление одноосному сжатию соответствует резкому увеличе­ нию относительной деформации или видимому разрушению образца грун­ та. Расчет сопротивления сжатию производится на основе предположения об однородном напряженном состоянии образца грунта по формуле

где Рразд - усилие раздавливания при определенной высоте образца /7, м;

F - площадь поперечного сечения образца, м

В действительности напряженное состояние образца при одноосном сжатии является существенно неоднородным. Поэтому получаемое при испытании на раздавливание значение осж представляет до известной сте­ пени условную характеристику прочности грунта, зависящую от многих факторов: Тем не менее, определение Ос* в инженерно-геологической практике широко распространено, так как позволяет приближенно оценить несущую способность фундамента на скальных грунтах, определить сцеп­ ление и угол внутреннего трения породы и оценить ее прочность как строительного материала.

Сопротивление грунтов одноосному растяжению. Прочность по­ род на разрыв является одной из важнейших характеристик породы, она может быть широко использована как для сравнительной оценки прочно­ стных свойств пород, так и для расчета величины угла внутреннего трения и коэффициента сцепления.

Непосредственное испытание пород на разрыв производится крайне редко. Образцы для этого изготавливаются в форме восьмерок или кату­ шек. Зажимы разрывных машин, на которых проводятся испытания, долж­ ны быть снабжены шарнирными устройствами. Малейший перекос при приложении растягивающих усилий (до ± 0,02 мм) приводит к концентра­ ции напряжений в местах захвата и резкому занижению полученных ре­ зультатов.

Серьезным недостатком метода является также сложность изготов­ ления из твердых горных пород фигурных образцов. Этот недостаток час­ тично можно устранить путем приклеивания торцов образца (цилиндра, призмы) к специальным зажимам.

Определение прочности пород на разрыв наиболее удобно произво­ дить в специальной камере, обеспечивающей подачу строго центрирован­ ной нагрузки (Матвеев, 1964) [ВНИМИ]. По этому методу испытания производятся на образцах диаметром 43 мм и с высотой, равной 3 - 4 диа­ метрам.

Образцы с помощью сплава Вуда (температура плавления 60°С) за­ крепляют с двух концов на 1/3 высоты в строго центрированных обоймах, которые могут перемещаться в цилиндре вдоль направляющих устройств. Усилие, вызывающее перемещение обойм и разрыв закрепленного в них образца, создается гидравлической системой. При испытаниях исключает­ ся возможность перекашивания образцов или поворота, параллельные по­ перечные сечения образца при деформации остаются параллельными друг другу, что обеспечивает однородность напряженного состояния образца в его средней части.

Прочность породы на одноосное растяжение (арас, МПа) вычисляют по формуле

где Р - максимальное показание манометра, МПа; D - диаметр образца, м.

Испытание породы на одноосное растяжение, проведенное таким способом, дает наиболее точные результаты.

Сопротивление грунта объемному (трехосному) сжатию. При трехосном сжатии на образец грунта действует не только вертикальная на­ грузка а ь но и боковые нагрузки о2 = а3. Это позволяет моделировать раз­ личное напряженное состояние грунтов.

В приборах трехосного сжатия (стабилометрах) боковое давление обычно создают гидравлическим способом. Образец в водонепроницаемой оболочке помещают между двумя поршнями в камеру (стабилометр), ко­ торую затем наполняют какой-либо жидкостью (например, маслом), пере­ дающей боковое давление на образец. Если а2- боковое давление на обра-

г

зец, равное давлению в камере, то вертикальное давление Oi = —+ а 2, где

F

Р - вертикальное усилие (Н); F - площадь поперечного сечения образца (м2).

В процессе испытаний образца при заданном бокрвом давлении а2 определяют вертикальное разрушающее 0\. Проводят три-четыре цикла таких испытаний.

Обработка результатов в общем случае сводится к построению кру­ гов Мора и предельной огибающей к ним. Для построения кругов Мора на оси абсцисс откладывают максимальное и минимальное главные напряже­ ния 0\ и а3 и на их разности, как на диаметре, описывают окружность (рис. 2.5), по которой строят огибающую предельных кругов напряжений Мора. Определение сцепления и угла внутреннего трения пород, находя­ щихся в заданных (моделируемых) условиях, производится графически или расчетным путем.

Рис. 2.5. Общий случай огибающей предельных напряжений кругов Мора:

1 - одноосное растяжение ар; 2 - одноосное сжатие <7СЖ; 3 - объемное (трехосное) сжатие; 0\ > о2= ст3 * 0; ф - угол внутреннего трения, град; с - сцепление, кг/см^

Испытания в приборах трехосного сжатия выполняются в основном по трем схемам:

1)без оттока воды из образца - так называемые недренироваИЧые ис­ пытания;

2)без оттока воды из образца, предварительно уплотненного в дре­ нированном состоянии - консопидированно-недрепированные испытания;

2)без оттока воды из образца, предварительно уплотненного в дре­ нированном состоянии - консопидированно-недренированные испытания;

3)в условиях свободного оттока воды из образца - дренированные испытания.

Приведенные схемы испытаний не исчерпывают всего многообразия условий работы породы, поэтому конструктивно приборы трехосного сжа­ тия выполнены так, что позволяют также моделировать различные частные случаи поведения грунта, встречающиеся в практике. Во ВНИМИ разрабо­ таны стабилометры, позволяющие создавать боковое и осевое давление соответственно от 15 - 40 до 50 - 250 МПа и более. Испытания грунтов в стабилометрах рекомендуется проводить при оценке и прогнозе устойчи­ вости наиболее ответственных инженерных сооружений.

Сопротивление грунтов сдвигу. Сдвигом называется процесс де­ формации и разрушения грунта вследствие скольжения одной его части относительно другой. Сдвиг по данной площадке вызывается касательны­ ми напряжениями к ней.

Сопротивлением сдвигу называется минимальная величина каса­ тельных напряжений, вызывающая сдвиг одной части грунта относительно другой. Сопротивление сдвигу зависит от величины вертикальной нагруз­ ки о (МПа), приложенной к образцу. Для данного состояния грунта каж­ дому значению этой вертикальной нагрузки соответствует свое значение сдвигающего усилия т (МПа), отнесенного к единице поперечного сечения образца.

Зависимость т = /(а ) называют диаграммой сдвига, иногда ее назы­ вают предельной огибающей Мора. В общем случае диаграмма сдвига кри­ волинейна. Все напряженные состояния, которые в графическом изобра­ жении лежат выше этой кривой, приводят к разрушению грунта. В меха­ нике грунтов обычно аппроксимируют эту кривую прямой, отвечающей выражению т = с0+ otg <р, при этом величины с0 и ср являются параметрами данного грунта. В этом случае сопротивление сдвигу можно рассматривать как состоящее из двух частей - независимой от давления, называемой сце­ плением (с0), и зависящей от давления, называемой сопротивлением внут­ реннего трения (ф - угол внутреннего трения). Сопротивление сдвигу ха­ рактеризуется также величиной так называемого угла сдвига у; tg у назы­

вается коэффициентом сдвига, численно tg \|/ = —. У водонасыщенных

а

грунтов предельная кривая приобретает вид

т = с0 + tg ф (а -р),

где р - поровое давление (давление свободной воды, содержащейся в порах породы).

Разность (о - р)упредставляющая собой контактные напряжения ме­ жду минеральными частицами породы, называется эффективным напря­ жением.

В лабораторных условиях сопротивление сдвигу грунтов определя­ ется методами: одноплоскостного среза для дисперсных грунтов и среза со сжатием для скальных грунтов.

Одноплоскостной срез. Для определения сопротивления сдвигу ме­ тодом одноплоскостного среза чаще всего используют прибор Маслова - Лурье в модернизации Гидропроекта - ГГП-30. С помощью этого прибора определяется сопротивление сдвигу образца породы диаметром 71,4 мм и высотой 40,0 мм. Максимальная допустимая вертикальная нагрузка 12 -9,8- 104Па = 12 • 105 Па = 1,2 МПа.

Испытание производится следующим образом (рис. 2.6). Образец породы в разъемном кольце помещается в обойму (также разъемную) и сдвигается усилием т при вертикальной сжимающей нагрузке а. Для полу­ чения достоверной диаграммы сдвига сопротивление сдвигу, как правило, определяется при трех разных вертикальных нагрузках С|, о2, а3. Сдви­ гающую нагрузку т увеличивают ступенями, величина которых определя­ ется на основании выбранной схемы испытания грунта. В результате ис­ пытаний получают диаграмму сдвига. Значения tg ср и с вычисляют путем обработки экспериментально полученных значений т и о по. методу наи­ меньших квадратов.

а

Рис. 2.6. Схема прибора одноплоскостного среза грунта ( / - / ' - заданная плоскость среза)

В зависимости от предполагаемых усилий породы применяется не­ сколько схем испытаний на сдвиг методом среза. Из всего разнообразия схем сдвиговых испытаний следует выделить две основные - испытания по схемам неконсолидированного и консолидированного сдвига.

Исследования по схеме неконсолидированного сдвига проводятся без предварительного уплотнения образцов породы, с сохранением ее ее-

тественной влажности и плотности в ходе сдвига. В природных условиях это соответствует работе породы под воздействием собственного веса (в карьерах, откосах насыпей, на оползневых склонах) или при работе пере­ уплотненной породы, на которой не сказывается применение внешней на­ грузки. При испытании по этой схеме величина наибольшей вертикальной нагрузки при сдвиге не должна превышать нагрузку, воздействующую на образец в естественных условиях его залегания, более чем на 20 - 30 %.

Консолидированный сдвиг производится после предварительного уплотнения образцов разными нагрузками до полной стабилизации. Он осуществляется при нагрузках, равных нагрузкам уплотнения. Такой сдвиг позволяет оценить поведение пород в основаниях сооружений при их дли­ тельной эксплуатации.

Известны также схемы испытаний, промежуточные между двумя описанными. Например, для моделирования работы грунта в период строительства или в начальный период эксплуатации, когда грунт не пол­ ностью консолидирован, целесообразно проводить испытания по методике частично консолидированного сдвига при различных состояниях образцов. В этом случае образцы предварительно уплотняют нагрузками до различ­ ных состояний и сдвиг производят при вертикальных нагрузках, равных нагрузкам предварительного уплотнения.

В зависимости от скорости приложения сдвигающего усилия разли­ чают быстрый и медленный сдвиг. Время осуществления быстрого сдвига, как правило, не превышает 10 мм. сдвигающую нагрузку увеличивают, не дожидаясь прекращения деформации от предыдущей ступени. Медленный сдвиг выполняется за период времени от 30 мин до 1 - 2 ч и больше. В этом случае сдвигающую нагрузку увеличивают после прекращения де­ формации от предыдущей ступени нагрузки.

Сопротивление грунтов сдвигу в определенном диапазоне давлений (от десятых долей до целых единиц МПа) может быть выражено линейной зависимостью, установленной К. Кулоном еще в 1773 г. (рис. 2.7):

т,.р = СУ tg ср + с ,

где т,ф - предельное сдвигающее напряжение, МПа; а - нормальное давление, МПа;

tgФ —коэффициент внутреннего трения; ср - угол внутреннего трения, град; с - сцепление, МПа.

Величины ср и с являются параметрами зависимости сопротивления грунта сдвигу, которые необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости массива грунта и их давления на ограждения и подземные сооружения.

Срез со сжатием производится в наклонных матрицах на образцах цилиндрической и призматической формы, могут быть испытаны также

образцы неправильной формы, которые заливают быстротвердеющим це­ ментом в специальных обоймах. Вертикальная нагрузка, создаваемая прес­ сом, раскладывается на две составляющие - одну нормальную к плоскости среза и вторую, расположенную в плоскости среза. Специальный набор клиньев позволяет производить срез под углами от 25 до 65° с интервалом в 5° Этот способ позволяет получить исходные данные для расчета коэф­ фициента сцепления с и угла внутреннего трения ср пород. Обычно опыты проводятся при углах приложения нагрузки а, равных 30; 45 и 60°, при уп­ рощенных испытаниях - только при углах 30 и 60°.

Рис. 2.7. Сопротивление грунтов сдвигу

Испытания рекомендуется проводить на образцах цилиндрической формы, имеющих следующие размеры (мм): диаметр цилиндра 42 ± 0,1; высота цилиндра 42 ± 2,5; конусность и бочковидность образца ± 0,05.

Значение прочности на срез вычисляется как среднеарифметическое по нескольким (от 3 до 9) образцам, испытанным под одним и тем же уг­ лом. Количество образцов для испытаний определяется неоднородностью свойств породы. Для построения паспорта прочности и определения коэф­ фициента сцепления и угла внутреннего трения требуется испытать от 9 до 27 образцов из одной пробы.

Большая трудоемкость проведения опытов и необходимость отбора проб большого объема, также ряд других недостатков ограничивают об­ ласть применения этого метода. Однако он удобен для испытания пород, из которых невозможно изготовить образцы правильной геометрической формы, а также при определении угла внутреннего трения и коэффициента сцепления по ослабленным поверхностям, трещинам, прослоям слабых по­ род и др.

Ускоренные методы определения прочностных свойств грунтов:

1. Способ определения сопротивления сдвигу образцов горных п род, разработанный автором, заключается в следующем. Первоначально изготавливают цилиндрические образцы из блоков песчаника, гипса, ка-