1400

Как 'показывают тщательно поставленные опыты, предельное (разрушающее) сопротивление мерзлых грунтов плоскостному сдвигу зависит от нормального давления, т. е. обусловлено не толь­ ко силами сцепления, но и внутренним трением и при не очень боль­ ших давлениях (до 10—15 кГ/см2) может быть описано уравнением первой степени от нормального давления с переменными парамет­ рами, зависящими от величины отрицательной температуры —0°С и времени действия нагрузки t, т. е.

мерзлых грунтов при различной их температуре* показывают, что чем ниже температур а мерзлого грунта, тем больше его сопротив­ ление сдвигу, как общее, так и его составляющие: угол внутреннего трения ф° и сцепление с кГ/см2. Так, например, для мерзлой глины (№с=33%) при 0= —1°С <р= 14°, а при 0 = - 2 ° С <р=22° При тем­ пературе, близкой к 0°, угол внутреннего трения мерзлых грунтов практически будет равен углу внутреннего трения грунтов немерз­ лых, сцепление же мерзлых грунтов имеет значительно большую величину по сравнению со сцеплением грунтов немерзлых.

Величина оцепления в общем сопротивлении сдвигу мерзлых грунтов составляет значительную часть (табл. 17) **, что позволяет во многих случаях, особенно при высокотемпературных мерзлых грунтах (когда угол трения по величине приближается к его значе­ ниям для грунтов немерзлых) учитывать при расчетах лишь сцеп­ ление мерзлых грунтов. Дальнейшие опыты показали ****, что угол внутреннего трения мерзлых песков практически не зависит от вре­ мени нагружения, тогда как для мерзлых глин характерно измене­ ние сцепления и угла внутреннего трения по мере увеличения вре­ мени действия разрушающей нагрузки.

Существенное значение для оценки сопротивления мерзлых грунтов сдвигу имеет время действия сдвигающей нагрузки в связи с огромным влиянием на сопротивление сдвигу релаксации напря­ жений, обусловливающей текучесть мерзлых грунтов под нагрузкой

иснижение их прочности.

Втабл. 18 приведены результаты некоторых наших опытов***" по определению временного (близкого к мгновенному) сопротивле­ ния сдвигу при кручении тВр и предела текучести тТек при сдвиге, которые определялись при скорости возрастания сдвигающей на­

грузки в 1,5 кГ/см2в 1мин, прикладываемой ступенями по 0,6 кГ/см2

Н. К. П е к а р с к а я и Н. А. Ц ы т о в и ч . О роли трения и сцепле­ ния в общем сопротивлении мерзлых грунтов сдвигу при быстром возрастании нагрузки. Сб. «Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов»,

№3. Изд-во АН СССР, 1967.

**См. там же.

***См. сноску * 2 на стр. 146.

****Н. А. Цыт о в и ч . Исследование упругих и пластических деформаций мерзлых грунтов. «Труды КОВМ АН СССР», т. X, 1940.

П р и м е ч а н и е . Немерзлые образцы предварительно уплотнялись нагрузкой в 5 к Г / с м 2.

■пластично-вязкого течения.

Приведенные в табл. 18 данные указывают на снижение во вре­ мени сопротивления мерзлых грунтов сдвигу.

Особенно большое снижение сопротивления сдвигу мерзлых грунтов имеет место при длительном действии нагрузки от

Тиш до Тдд. Так, например, в опытах с мерзлым глинистым грун­ том сетчатой структуры, имеющим суммарную влажность Wc = 33% п температуру 0 = —2° С,было получено тМгН=13,7 кГ/см2, а дли­ тельное сопротивление тдл=1,1 кГ[см2.

Снижение сопротивления сдвигу мерзлых грунтов при длитель­ ном действии 'постоянной .нагрузки происходит главным образом за

Для иллюстрации сказанного на рис. 81, а приведены резуль­ таты некоторых наших опытов по определению сопротивления той же мерзлой глины (Wc = 33%), но при температуре 0= —1°С: быст­ рому сдвигу— прямая 1 и предельно-длительному — прямая 2 при различной величине нормального давления р, а на рис. 81, б — ре­ лаксация во времени сил сцепления того же грунта. Приведенные данные показывают, что в рассматриваемых опытах имело место снижение угла внутреннего трения мерзлой глины с 14° (при мгно­ венном сдвиге) до 4° (при предельно-длительном сдвиге), а сцеп­ ления— с 5,2 до 0,9 кГ/см2, т. е. в несколько раз.

Опыты также показали, что, как правило, особо существенное снижение во времени имеет место у сил сцепления мерзлых грунтов (примерно от ’/з до Vs от смгв) — этой основной прочностной харак­ теристики мерзлых грунтов, причем у мерзлых песков угол внут­ реннего трения практически не зависит от времени действия на­ грузки, тогда как у мерзлых глин с течением времени уменьшается как угол внутреннего трения, так и, особенно, сцепление.

Отметим также, что при большом диапазоне изменения давле­ ний, уже нельзя считать для мерзлых грунтов зависимость сопро­ тивления сдвигу от давления линейной и приходится рассматривать диаграмму сдвига как криволинейную огибающую кругов предель­ ных напряжений, различную для различных промежутков времени (рис. 82, а), аппроксимируя опытные данные некоторой нелинейной функцией или линиезируя огибающую кривую по участкам, или же рассматривая зависимость предельной интенсивности касательных напряжений (соответствующей возникновению прогрессирующего течения) от величины среднего нормального напряжения оСрПри этом в общем случае кривые T = f(oCp) также будут нелинейны (рис. 82, б).

Оцепление мерзлых грунтов, которое в большинстве случаев является величиной, определяющей прочность мерзлых и вечно­ мерзлых грунтов, так как составляет превалирующую часть их об­ щего сопротивления сдвигу, как было предложено автором еще в 1947 г. * и подробно описано в других работах**, весьма успешно

Рис. 81. Зависимость сопротивления мерзлых грунтов сдвигу от времени дей­ ствия нагрузки:

а — диаграмма сдвига Т*»/(р); 6 — релаксация сил сцепления с ^f(t)

Рис. 82. Общий случай зависимости сопротивления сдвигу мерзлых грунтов от величин внешнего давления и времени действия нагрузки:

*W<°cp>

может быть определено при помощи шаровой пробы (см. рис. 61). Если принять но строгому решению теории пластичности (А. Ю. Ишлинский, 1944 г.) *** для идеально связанных неупроч­

* Н. А. Ц ы т о в и ч. Инструкция по определению сил сцепления мерзлых грунтов. Институт мерзлотоведения АН СССР, 1947.

**Н. А. Ц ы т о в и ч . Инструктивные указания по определению сил сцеп­ ления мерзлых грунтов. Сб. 2 «Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов под руководством Н. А. Цытовича». Изд-во АН СССР, 1954.

***А. Ю. И ш л и н с к и й . Осесимметричная задача теории пластичности и проба Бринелля. Сб. «Прикладная математика и механика», т. III, № 3, 1944.

няющихся тел отношение твердости к .напряжению при пределе те­ кучести за величину постоянную, равную 0,36, то сцепление связных грунтов (к которым можно отнести все дисперсные мерзлые и не­ мерзлые глины, дисперсные мерзлые пески и лед), как показано автором, опрделяется выражением

с»= 0 ,1 8 <lv -5>

где Р —нагрузка на шаровой штамп; D — диаметр шарового штам­ па; s t—величина осадки штампа, различная в разные промежутки

времени.

Если величина осадки (глубины вдавливания) st шарового штампа определена непосредственно после приложения нагрузки (через 5—10 сек), то величину определяемого сцепления практи­ чески можно принимать за мгновенное сцепление; если же величи­ на st соответствует установившейся стабилизированной осадке штампа (предельно-длительной), то величина сцепления, опреде­ ляемая но формуле (IV.5) при st= sRn, будет предельно длитель­ ным сцеплением *.

Величина сцепления, определяемая по формуле (IV.5), как было показано автором ранее **, является некоторой комплексной харак­ теристикой связных грунтов, учитывающей как их сцепление, так в известной мере и трение. Если же раздельно учитывать сцепление мерзлых груйтов и раздельно их внутреннее трение, то в формулу (IV.5) для определения только сцепления необходимо вводить мно­ жителем некоторую поправку М, величина которой зависит от угла внутреннего трения ср и, как показано В. Г. Березанцевым ***, М = 1

Однако введение этой поправки с выделением чистого сцепле­ ния и одновременным учетом трения, определяемого отдельными опытами, как показано ниже (см. § 6 настоящей главы), значитель­ но осложняет расчеты несущей способности мерзлых и вечномерз­ лых грунтов, не внося, однако, в них существенных уточнений, осо­ бенно при углах внутреннего трения меньших 20°, почему это уточ­ нение и не получило в настоящее время широкого применения.

На основании изложенного, величину сцепления, определяемо­ го по методу шаровой пробы, следует считать эквивалентным сцеп­

ГРУНТ0В по величине вдавливания сферического штампа. «Доклады АН

СССР», т. III, № 6, 1956.

где а' и 6' — по-прежнему параметры кривой co=f {—0°); 0 — абсо­ лютное значение* величины отрицательной температуры мерзлого грунта.

Некоторые значения мгновенного сМгн и длительного сдл сцепле­ ния для мерзлых грунтов, по опытам С. С. Вялова, приведены в табл. 20.

Приведенные данные и им аналогичные с успехом используются при расчетах несущей способности вечномерзлых грунтов в основа­ ниях сооружений.

§ 4. Прочность смерзания грунтов

Весьма большое значение при расчетах заделки фундаментов в вечномерзлые грунты при морозном пучении грунтов деятельного слоя имеют данные о прочности смерзания грунтов, оцениваемые со­ противлением сдвигу грунтов по поверхности их смерзания с мате­ риалом фундаментов. Прочность смерзания определяется обычно путем продавливания или выдергивания стоек, вмороженных в грунт.

Первые (1931—1936 гг.) опыты по определению прочности смер­ зания (или, так называемых сил смерзания) проводились при боль­ шой скорости возрастания нагрузки и были близки к максимальным значениям, а при стандартной скорости возрастания нагрузки в 15— 20 кГ/см2-мин определяли так называемую —временную прочность смерзания. Некоторые данные по определению прочности смерзания (временной, близкой по величине к мгновенному сопротивлению сдвигу по поверхности смерзания), по опытам автора с сотрудника­ ми * в сокращенном объеме приведены в табл. 21.

«Лабораторные исследования механических свойств мерзлых грунтов». Сб. I и II. Изд-во АН СССР, 1936.

Из этих данных вытекает, что на величину временной прочности смерзания мерзлых грунтов с деревом при одинаковой степени ув­ лажнения грунтов существенно влияет механический состав грунта: чем крупнее частицы грунта, тем прочность смерзания меньше. Наи­ меньшая прочность смерзания получена для гальки, пролитой водой.

Для иллюстрации сказанного, на рис. 84 показана кривая зави­ симости прочности смерзания различных грунтов с деревом при од­ ной и той же их относительной влажности (около 80% полной влагоемкости) и температуре ( ~ —10° С) от крупности минеральных частиц грунтов. Как вытекает из рассмотрения этой кривой и дан­ ных табл. 21, наибольшей прочностью смерзания обладают водона-

сыщенные пески, особенно среднезернистые, меньшей — пески круп­

вь1Ше _20° С) с деревом по сравнению с водонасыщенными песка­ ми Последнее объясняется большим содержанием незамерзшей во­ ды в глинистых грунтах по сравнению с содержанием ее в песчаных.

Установленная зависимость имеет существенное значение для практикитак для лучшей заделки стоек и фундаментов в вечномерз­ лых грунтах следует затрамбовывать их увлажненным песком (в дальнейшем, прочно смерзающимся с материалом стойки), а для уменьшения воздействий пучащихся грунтов деятельного слоя сле­ дует часть стоек и фундаментов, находящуюся в деятельном слое, засыпать несмерзающимися материалами или по крайней мере су­ хими гравелистыми и галечными грунтами, что полностью оправ­

дало себя на практике.

Большое влияние на величину прочности смерзания имеет на­ чальная общая влажность грунтов, с увеличением которой проч-