Литература по Основам грунтоведения / Ухов_Механика Грунтов_учебник

Для Схемы компрессионного нагружения это положение легко доказать, исходя из следующего. Так как ax = ay = £az, в = аг{\+2£), то переходя к приращениям, получим Л0 = Лсгг(1+2^). Поскольку Ао-г=А(т, то, подставив это выражение в формулу (4.5), окончательно имеем

Вслучае компрессионного нагружения уменьшение коэффициента пористости грунта в данной точке может произойти только при соответствующем увеличении суммы нормальных напряжений в этой точке. Это допущение используется для расчета скорости уплотнения (консолидации) полностью водонасыщенного грунта. Так как в этом случае (при полном заполнении пор водой) пористость грунта связана с его влажностью, условие (4.20) называется принципом гидроемкости Н. М. Герсеванова.

Вслучае плоской и объемной задачи процесс консолидации, по крайней мере для плотных глин, развивается сложнее, однако использование принципа гидроемкости существенно упрощает математический аппарат теории фильтрационной консолидации грунтов.

4.3. Водопроницаемость грунтов

Физические представления. Водопроницаемостью называется свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. При этом под сплошным потоком воды понимается ее неразрывное движение (фильтрация) по всему сечению активных пор грунта, т. е. той части пор, которая не заполнена связанной водой. Водопроницаемость грунтов зависит от их пористости, гранулометрического и минерального состава, градиента напора.

Фильтрация воды в грунтах представляет собой сложный процесс. Действительно, поры в разнозернистом грунте образуют извилистые каналы переменного сечения, соединяющиеся между собой в различных направлениях. Следовательно, и траектории движения воды в этих каналах будут крайне сложными. В глинистых грунтах пленки связанной воды, окружающие глинистые частицы и связанные с ними силами электростатического притяжения, могут образовывать пробки, перекрывающие поровые каналы в некоторых сечениях и затрудняющие движение свободной воды. Действительная скорость движения воды в разных сечениях грунта может быть различной и, строго говоря, будет неопределенной, поэтому математическое описание фильтрации воды в грунте связано со схематизацией этого процесса и основывается на результатах экспериментов.

Рассмотрим схему фильтрации воды в элементе грунта (рис. 4.8). Пусть в точках 1 и 2 слоя водонасыщенного грунта, удаленных друг от друга на расстояние L, действуют разные пьезометрические напоры: НХ>Н2. Напомним, что из курса гидравлики напор в любой точке движущегося потока воды определяется выражением

где p/yw — пьезометрическая высота (р — давление в воде; yw — удельный вес воды); z — высота рассматриваемой точки над некоторой горизонтальной плоскостью сравнения; vzj(lg) — скоростной напор (v — скорость движения воды в потоке; g — ускорение свободного падения). Поскольку в реальных грунтах скорость движения воды мала, скоростным напором в выражении (4.22) обычно пренебрегают. Здесь важно отметить, что давление в воде р может быть обусловлено не только высотой столба жидкости, как показано на рис. 4.8, но и нагрузкой от сооружения, передающейся на грунты основания через подошву фундамента (поровое давление).

Под действием этой разности напоров может начаться движение воды в порах грунта от точки 1 к точке 2. Примем, что это движение происходит по цилиндрической трубке тока площадью сечения А. Тогда, измерив за некоторое время t объем воды Q, поступившей из точки 1 в точку 2, можно рассчитать условную скорость фильтрации:

Отнесение скорости фильтрации к общей площади сечения трубки тока А кроме факторов, указанных выше, содержит еще и ту условность, что часть этого сечения занята твердыми частицами, а в глинистых грунтах еще и связанной водой, не принимающей участия в фильтрации. Поэтому скорость фильтрации, определенная по формуле (4.23), всегда будет отличаться от истинной скорости фильтрации

Рис 4 8 Схема фильтрации воды в элементарной трубке

Закон ламинарной фильтрации. Коэффициент фильтрации. Первые эксперименты по изучению фильтрации воды в грунте были проведены на песках французским ученым Дарси в 1854 г. Им было установлено, что скорость фильтрации (или расход воды q, протекающей в единицу времени через единицу площади сечения грунта) прямо пропорциональна разности напоров и обратно пропорциональна длине пути фильтрации L:

где / — гидравлический градиент (градиент напора), равный потере напора по длине пути фильтрации: i=AH/L.

В песчаных и тем более глинистых грунтах при обычных значениях градиента напора скорость фильтрации относительно невелика и движение воды имеет параллельно-струйчатый, т. е. ламинарный, характер. И только в крупнообломочных или сильнотрещиноватых скальных грунтах при очень больших градиентах напора возникают завихрения в движущемся потоке воды (турбулентность).

Поэтому уравнение (4.24) часто называют законом ламинарной фильтрации Дарси: скорость движения воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.

Коэффициент пропорциональности к называется коэффициентом фильтрации и является основной фильтрационной характеристикой грунта. Он численно равен скорости фильтрации воды в грунте при градиенте напора /= 1 и имеет размерность см/с, м/сут или см/год (1 см/с«3 ■ 107 см/год; 1 см/с«8,6 • 102 м/сут). Коэффициент фильтрации грунта всегда определяется экспериментально и очень сильно зависит от гранулометрического и минерального состава грунта, а также его плотности. Так, для песков его значения колеблются в пределах k=al0~1...al0~4' см/с; для супесей

— а10~ъ...а10~6; для суглинков — al0~5...al0~6; для глин — а~ 10~7...<г 10~10 см/с, где а может быть любым числом от 1 до 9,9. Поскольку диапазон изменения коэффициента фильтрации грунта очень велик, а точность экспериментального его определения относительно невелика, обычно его находят с точностью до порядка, т. е. значением а пренебрегают.

Отметим, что коэффициент фильтрации уже позволяет оценить скорость движения воды в грунте, а следовательно, и ее расход-С помощью приведенных выше формул нетрудно рассчитать, что приток воды в котлован через 1 м2 поверхности в течение суток при i=l составит: в песчаных грунтах с fc=10~2 см/с — 8,6 м3 воды, в глинистых грунтах с £=10~8 см/с — 8,6 см3, т. е. если в первом случае потребуется организация мощной системы водозащиты, то во втором случае фильтрацией воды в котлован можно пренебречь.

Начальный градиент напора. Многочисленные опыты по фильтрации воды в песчаных грунтах подтверждают полную справедливость закона Дарси (кривая 1 на рис. 4.9). Вместе с тем опыты с глинистыми грунтами показывают систематическое отклонение от этого закона (кривая 2). Так, в глинистых грунтах, особенно плотных, при относительно небольших значениях градиента напора фильтрации может не возникать (начальный участок кривой 2). Увеличение градиента приводит к постепенному, очень медленному развитию фильтрации. Нахонец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим фильтрации.

Во многих случаях исключают из рассмотрения начальный криволинейный участок Оа на рис. 4.9 и закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде

где к' — коэффициент фильтрации глинистого грунта, определяемый в интервале зависимости между точками а и б: k — начальный градиент напора, т. е. участок на оси i, отсекаемый продолжением отрезка прямой аб до пересечения с этой осью.

Отметим, что на рис. 4.9 масштаб оси v для обеих этих кривых следует принимать различным, так как величины к и к', как указывалось выше, различаются на несколько порядков.

Понятие начального градиента напора впервые установлено опытами Б. Ф. Рельтова и С. А. Роза и связывается обычно с проявлением особых свойств воды в глинистых грунтах, отмеченных в начале настоящего параграфа. С. А. Роза показал, что для плотных кембрийских глин начальный градиент напора может достигать очень больших значений, порядка 10...20.

При действующем градиенте напора меньше начального значения (i</o) фильтрация в водонасыщенном грунте практически не возникает, а следовательно, отсутствует возможность уплотнения грунта. При расчетах осадок оснований мощность зоны уплотнения иногда ограничивают той глубиной, где выполняется условие

'■=*о.

Процессы, развивающиеся в грунтах при фильтрации воды. При Движении потока воды в порах грунта между ним и частицами возникают объемные силы

взаимодействия. Равнодействующую этих сил в каждой точке можно разложить на две составляющие: Направленную вертикально вверх и действующую по направлению

Рис. 4.9. Зависимость скорости фильтрации в грунте от гидравлического градиента

движущегося потока. Первая составляющая называется взвешивающей силой (архимедовой силой) и оказывает выталкивающее воздействие на частицы грунта (взвешивание грунта в воде). Вторая— фильтрационная сила — приводит к гидродинамическому давлению движущейся воды на частицы грунта. Взвешивающие силы проявляются даже при отсутствии движения воды и обусловливают уменьшение удельного веса грунта ниже уровня подземных вод. Фильтрационные силы возникают только при движении потока воды в грунте, и их интенсивность зависит от гидравлического градиента.

Движение воды в грунтах может приводить к развитию разнообразных процессов, осложняющих строительство. К ним, в частности, относятся процессы механической суффозии и кольматации грунта. Суффозия заключается в том, что движущийся поток воды в крупных порах песчаных и крупнообломочных грунтов может увлекать мелкие частицы, которые оседают в каких-либо частях массива и кольматируют (закупоривают) поры или выносятся на поверхность. В результате начавшейся суффозии может происходить увеличение пористости грунта, приводящее к возрастанию скорости фильтрации и дальнейшему развитию процесса. При этом скелет грунта оказывается ослабленным и может подвергнуться разрушению. При выходе потока воды на открытую поверхность (например, откос котлована) может развиваться поверхностная суффозия, приводящая к образованию воронок размыва и последующему разрушению (оплыванию) этой поверхности.

Напротив, кольматация, т. е. отложение мелких частиц вблизи открытой поверхности, вызывает уменьшение пористости и снижение водопроницаемости грунта. Кольматация бортов котлована уменьшает приток фильтрующей в него воды. В то же время кольматация дренажных устройств, используемых для отвода воды, приводит к постепенному их выходу из строя.

Суффозионная устойчивость грунта зависит от его гранулометрического состава, градиента напора, скорости фильтрации, напряжений в скелете грунта и определяется экспериментально. Одним из основных путей борьбы с суффозией грунта является уменьшение действующего напора.

В грунтах, содержащих большое количество растворимых минералов (гипс, кальцит, галит и др.), движущийся поток воды может вызывать химическую суффозию — растворение и постепенное вымывание этих минералов. Эти процессы также сопровождаются увеличением пористости и ослаблением грунта. Наиболее опасным здесь является карстообразование — развитие больших

воронок и подземных полостей, сильно осложняющих строительство. Эти вопросы будут рассмотрены в гл 16.

Выше отмечалось, что связанная вода в глинистых грунтах практически не принимает участия в фильтрации, вызванной разностью напоров, обычных для условий промышленного и гражданского строительства. В некоторых случаях возникает необходимость откачки поровой воды из глинистых грунтов. Для этого через водонасыщенный грунт пропускают постоянный электрический ток, вызывающий движение катионов, окруженных гидратными оболочками, к отрицательному электроду. Этот процесс называется электроосмотической фильтрацией, причем скорость движения воды может увеличиться в 10...100 раз по сравнению с напорной фильтрацией в тех же грунтах.

Эффективное напряжение и поровое давление. В § 3.2 была рассмотрена механическая модель Терцаги — Герсеванова (см. рис. 3.5), иллюстрирующая процесс деформирования во времени водонасыщенного грунта.

Было установлено, что полное напряжение в грунте а в любой момент времени равно сумме эффективного напряжения в скелете грунта а и порового давления в воде, [формула (3.9)]:

Отсюда эффективное напряжение в скелете грунта может быть выражено через полное напряжение и поровое давление:

Опытами Л. Рендулика было показано, что эффективное напряжение, действуя в контактах между частицами скелета грунта, приводит в конечном счете к частичному разрушению скелета, сопровождающемуся уплотнением грунта. Поровое давление развивается только в воде, не оказывает воздействия на скелет грунта, т. е. ае приводит к его уплотнению, а создает лишь дополнительный вапор в воде, вызывающий ее фильтрацию, поэтому его иногда называют нейтральным давлением.

Таким образом, фильтрация воды в грунте возникает не только в результате разности пьезометрических напоров, как это было показано на рис. 4.8, но и под действием напоров, обусловленных разницей порового давления в различных точках основания, воспринимающего нагрузку от сооружения. Этот механизм положен в основу математического аппарата теории фильтрационной консолидации грунта, рассматриваемой в § 7.4.

4.4. Прочность грунтов

Физические представления. При изучении конструкционных материалов под прочностью обычно понимают такое предельное значение напряжения сжатия или растяжения, после достижения которого Материал теряет свою оплошность, в нем образуются трещины отрыва или сдвига и он распадается на части или отдельные куски. Э процесс называют хрупким разрушением. Естественно, что хрупкое разрушение материала может происходить и при сложном напряженном состоянии, однако оно всегда сопровождается образованием трещин отрыва или сдвига. Такой характер разрушения свойствен, например, образцам прочных скальных грунтов.

В некоторых случаях (битум, лед, образцы мерзлых глинистых грунтов) предельные нагрузки, характеризующие потерю прочности, вызывают неограниченное пластическое деформирование материала без видимого нарушения оплошности, переходящее в течение. Образцы таких материалов, нагружаемые по схеме одноосного сжатия, приобретают характерную бочкообразную форму.

Особенности разрушения материалов (хрупкое или пластическое) зависят не только от преобладающих в них структурных связей, но и от скорости нагружения. Многие материалы, которым в обычных условиях свойственно пластическое разрушение, при быстром возрастании нагрузок могут разрушаться хрупко.

Таким образом, под прочностью в широком смысле слова подразумевают свойства материала сопротивляться разрушению или развитию больших пластических деформаций, приводящих к недопустимым искажениям формы тела. До настоящего времени в физике не разработана единая теория прочности, и для различных материалов используются те теории, которые показывают наилучшее соответствие результатам экспериментов.

Применительно к песчаным грунтам еще в 1773 г. французским ученым Ш. Кулоном было экспериментально установлено, что их разрушение происходит за счет сдвига одной части грунта по другой. Сопротивление сдвигу песчаных и крупнообломочных грунтов возникает в основном в результате трения между перемещающимися частицами и зацепления их друг за друга. Сопротивление растяжению в этих грунтах практически отсутствует, поэтому часто песчаные и крупнообломочные грунты называются сыпучими.

Такая же концепция прочности (разрушение за счет сдвига) была позже распространена и на глинистые грунты. Однако процесс разрушения в них развивается значительно сложнее. Имеющиеся в них водноколлоидные и цементационные связи обеспечивают глинистым грунтам некоторое сопротивление растяжению. Эти грунты часто называют связными.

Сопротивление сдвигу грунтов очень сильно зависит от их плотности, влажности, гранулометрического и минерального состава, напряженного состояния. Характеристики сопротивления сдвигу грунтов рассматриваются как прочностные показатели и всегда определяются экспериментально.

Одноосные испытания. Данные испытания проводятся, как правило, для образцов скальных грунтов. В опытах используются цилиндрические образцы диаметром или стороной сечения 40...45 мм. Условия испытания те же, что и описанные в § 4.2, толькодогружение ведется до полного разрушения образца. Получаемая При этом величина Rc=Fap/A, где JF^ — предельное разрушающее усилие, А — площадь поперечного сечения образца, называется прочностью образца грунта на одноосное сжатие. Для различных скальных грунтов она изменяется в широких пределах: от 1...5 МПа для мелов, очень слабых известняков и песчаников до 250...300 МПа и более для очень прочных базальтов, габбро, мраморов.

Сопротивление растяжению (Лр — прочность образца грунта на одноосное растяжение) может быть определено непосредственными испытаниями прямыми или косвенными методами. Однако с достаточной для инженерных целей точностью Rp для образцов скальных грунтов можно принимать равным (1/10...

...1/20) Ле.

Важно отметить, что характеристики прочности Д; и Лр скальных грунтов в массиве из-за влияния трещиноватости резко снижаются. Подробнее об этом будет сказано в гл. 16.

Испытания на одноплоскостной сдвиг. При испытаниях используют сдвиговый прибор (рис. 4.10). По существу, это тот же компрессионный прибор (см. рис. 4.3), у которого металлическое кольцо разделено на две части: верхнюю и нижнюю. Между ними имеется зазор, образующий плоскость, по которой произойдет сдвиг одной части образца по другой неподвижной части. Как и при компрессионных испытаниях, образец грунта помещается в металлическое кольцо, на него с помощью штампа ступенями передается сжимающее усилие F, под действием которого грунт уплотняется до требуемого состояния. Осадка образца s под действием ступенчато возрастающего сжимающего напряжения a=F/A измеряется индикаторами, установленными на штампе.

Затем при постоянном значении а=const к верхней каретке прибора также ступенями прикладывается горизонтальное усилие Т. Под действием возникающих в плоскости зазора касательных напряжений х = Т/А развиваются горизонтальные перемещения верхней части образца 5, измеряемые индикатором, установленным на верхней каретке прибора. Обычно образец выдерживают при данной ступени нагрузки Т до полной стабилизации го-

ризонтальных перемещений от этой нагрузки, после чего прикладывают новую ступень нагрузки. I По мере увеличения т интенсивность горизонтальных. Перемещений воз

Рис. 4.10. Схема сдвигового прибора

и при некотором предельном значении т = т„р дальнейшее перемещение образца происходит без увеличения сдвигающего напряжения. Это свидетельствует о разрушении образца грунта при заданном значении а за счет сдвига по фиксированной зазором поверхности.

Предельное значение т, при котором начинается разрушение образца, называется сопротивлением сдвигу.

Подобные испытания проводятся для нескольких образцов грунта, находящихся в одинаковом состоянии («образцов-близнецов»), при разных значениях а. Опыт показывает, что увеличение сжимающего напряжения, действующего на образец грунта, приводит к возрастанию величины Тщ,. Характерный режим испытания трех образцов песчаного грунта при оъ>ог>О\ = const показан на рис. 4.11, а.

Сопротивление сдвигу. Закон Кулона. Многочисленными экспериментами различных авторов установлено, что график зависимости сопротивления сдвигу от нормального напряжения для песчаных и крупнообломочных грунтов в интервале изменения а, представляющем интерес для промышленного и гражданского строительства (до 0,3...0,5 МПа), с достаточной точностью может быть представлен отрезком прямой, выходящей из начала координат (рис. 4.11, б). Тогда эта зависимость может быть выражена уравнением

Поскольку сопротивление сдвигу сыпучих (песчаных и крупнообломочных) грунтов определяется прежде всего сопротивлением трению перемещающихся частиц, угол q> принято называть углом внутреннего трения, а коэффициент пропорциональности f=tg — коэффициентом внутреннего трения сыпучего грунта.

Проведя подобные испытания для образцов глинистых грунтов, получают более сложную криволинейную зависимость (рис. 4.12). Здесь сопротивление сдвигу обусловливается не только силамитрения, возникающими между перемещающимися частицами, но и связностью грунта, т. е. сложными процессами нарушения пластичных (водно-коллоидных) и более жестких (цементационных) связей. Однако, как и для сыпучих грунтов, зависимость сопротивления сдвигу от

нормального напряжения обычно представляется в виде уравнения отрезка прямой

Рис. 4 11 Кривые горизонтальных перемещений образцов при разных значениях а (а) и график сопротивления сдвигу образцов песчаного грунта (б)

Отрезок с, отсекаемый на оси х этой прямой, называется удельным сцеплением глинистого грунта и характеризует его связность.

Параметры ср и с лишь условно могут быть названы углом внутреннего трения и удельным сцеплением, так как физика процесса разрушения грунта значительно сложнее. На самом деле это всего лишь параметры зависимости данного грунта, полученные опытным путем. Однако такое их наименование сложилось исторически и широко используется в механике грунтов. Отметим также, что при определенных условиях даже сыпучие грунты могут обладать некоторой «связностью». Например, влажные пески, особенно мелкие и пылеватые, под действием капиллярно-стыковой воды (см. § 1.2) приобретают небольшую связность. При сдвиге крупнообломочных грунтов и крупных песков, особенно однородных, за счет зацепления частиц также могут возникать относительно небольшие значения удельного сцепления. Однако силы связности в этих случаях очень малы и не оказывают существенного влияния на сопротивление сдвигу.

Уравнения (4.27) и (4.28) часто называют законом Кулона для сыпучих и связных грунтов, формулируя этот закон в таком виде: сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального давления.

Обычно при использовании этих уравнений индекс «пр» (предельное) при т опускают, имея в виду, что они справедливы только в предельном состоянии. Очевидно, что чем больше при равных о значения параметров ср и с, тем более прочным является данный грунт.

Давление связности. Угол отклонения. Уравнение (4.28) часто бывает удобно представить в той же форме, что и уравнение (4.27), записав его в виде

Дифференцируя в соответствии с (4.34) и проведя преобразования, получим

Отсюда следует, что в предельном состоянии в каждой точке грунта имеются две сопряженные площадки скольжения, наклоненные под углом л/4 — <р/2 к линии действия максимального и я/4+(р/2 — минимального главного напряжения (рис. 4.14, в).

Графическая интерпретация теории Кулона — Мора. Условие предельного равновесия. Приведенные выше положения наглядно иллюстрируются с помощью графического построения кругов напряжений Мора для предельного состояния. Пусть некоторый образец связного грунта испытывался в условиях плоской задачи (рис. 4.14, б) при постоянном значении минимального главного напряжения 0-3=const так, чтобы при некотором значении максимального главного напряжения О\ наступило его разрушение, т. е. в нем сформировались площадки скольжения. В координатных осях х—а построим в соответствии с правилами курса сопротивления материалов круг напряжений Мора (рис. 4.15). Отложим на оси т отрезок ОЕ, соответствующий сцеплению с данного грунта. Если теперь через точку Е провести касательную к кругу напряжений, пересекающуюся с осью «г, то получим графическое изображение прямой, соответствующей уравнению сопротивления сдвигу связного грунта (4.28).

Действительно, из треугольника О'АС можно записать АС= = О'С tg q>, т. е. Тщ, = {а+<тс) tg ц>, что соответствует уравнению (4.29). Поскольку в соответствии с построениями на рис. 4.15 ac=ctg<p, отсюда легко получить зависимость

Можно также показать, что для любой точки на круге напряжений с координатами т„ и а„ соответствующими напряжениям на наклонной площадке, не находящейся в предельном состоянии, угол отклонения в будет всегда меньше максимального угла отклонения вти = (р [см. уравнения (4.30) и (4.31)]. Также отметим, что прямая сопротивления сдвигу не может пересекать круг напряжений, так как иначе пришлось бы допустить, что в может быть больше <р или, что то же самое, т может быть больше Тщ,, а это, как следует из рис. 4.13, физически невозможно.

Точка касания А прямой сопротивления сдвигу к кругу напряжений определяет наклон площадки скольжения к направлению главных напряжений. Поскольку треугольник О'АС прямоугольный, имеем 180°-2апр=180о-(90о-(-^). Отсюда получаем одно из двух условий выражения (4.35): а„р = я/4 + <р/2. Так как главные напряжения взаимно перпендикулярны, это определяет и второе условие 0^ = 71/4—ф/2. Если же аналогичным образом рассмотреть и вторую касательную к кругу напряжений О'А' на рис. 4.15, все эти рассуждения можно использовать и для второй сопряженной площадки скольжения, показанной на рис. 4.14, в

Рис. 4.15. Круг напряжений и график сопротивления сдвигу связного грунта в условиях плоской задачи

Выражение (4.36) часто называют условием предельного равновесия связных грунтов, так как оно показывает предельное соотношение между главными напряжениями ах и аъ, при котором в данной точке массива грунта, характеризуемого параметрами прочности q> я c=octgq>, наступает состояние предельного равновесия. Очевидно, что для сыпучих грунтов, для которых с=0, условие предельного равновесия будет иметь более простой вид:

Отметим, что если в какой-либо точке грунта имеет место такое соотношение главных напряжений, при котором правая часть уравнений (4.36) или (4.37) оказывается меньше величины sirup данного грунта, это означает, что грунт в этой точке находится в допредельном состоянии по прочности. В этом нетрудно убедиться, построив соответствующий круг напряжений, так как он не будет касаться прямой сопротивления сдвигу. Соответственно условие, когда правая часть приведенных уравнений оказывается больше величины sin cp, физически невозможно, поскольку величина в не может быть больше (р. Если учесть, что главные напряжения выражаются через компоненты напряжений с помощью известных зависимостей

то уравнение (4.36) можно записать в виде

Напомним, что это условие используется при решении задач теории предельного равновесия [см. формулы (3.11)]. Аналогичным образом можно было бы выразить и уравнение (4.37).

Испытания по схеме трехосного сжатия. Наибольшее распространение получила схема стабилометрического нагружения грунта. Принципиальная схема стабилометре показана на рис. 4.16. Цилиндрический образец грунта 4 помещается в рабочую камеру прибора 7, заполненную водой или лицерином. Для того чтобы предохранить образец от поступления жидкости, его окружают тонкой резиновой оболочкой б. Нормальное напряжение ах создается в образце через штамп 2 с помощью нагрузочного устройства. Боковое напряжение <т2 = 0з осуществляется созданием в жидкости рабочей камеры гидростатического давления. Измерение давления в камере производится манометром 3, вертикальных перемещений образца — индикаторами 5. Для отжатия воды из образца, в процессе испытания или, наоборот, его насыщения используется система дырчатых штампа и поддона с трубками, прикрытыми кранами 1. Для вычисления горизонтальных перемещений используется тонкая градуированная трубка (волюмометр 8), снабженная краном g и позволяющая определить объем жидкости, вытекающей из I рабочей камеры прибора, что соответствует объемной деформации I образца. Испытания в стабилометре проводятся для изучения деформационных и прочностных характеристик грунтов, причем в первом случае опыт можно проводить как в условиях компрессионного испытания, так и по схеме трехосного сжатия. В случае компрессионного испытания кран волюмометра перекрывается, производите вертикальное нагружение образца и с помощью манометра оперяются возникающие в результате горизонтальные напряжением.

Это позволяет для любой ступени нагружения по формула. (4.12) вычислить соответствующие значения коэффициента бокового давления £ = о2/а\ = аъ\о\ и коэффициента Пуассона. При испытаниях по схеме трехосного сжатия кран волюмометра остается открытым. По показаниям индикаторов рассчитывают вертикальную. Напомним, что при незавершенной консолидации водонасыщенного глинистого грунта эффективное напряжение в скелете, вызывающее уплотнение грунта, всегда меньше полного напряжения [см. формулу (4.26)]. Тогда и сопротивление сдвигу не полностью консолидированного грунта будет меньше, чем того же грунта в стабилизированном состоянии, и определится выражением. Применяются различные схемы опытов для определения сопротивления грунта сдвигу в нестабилизированном состоянии. Наиболее точные данные получаются в стабилометрических испытаниях с использованием специальных приспособлений для измерения норового давления и„ в процессе нагружения.

Рис. 4.17. Определение прочностных характеристик по опытам в стабилометре: а — связный грунт; б — сыпучий грунт

4.5. Полевые методы определения характеристик деформируемости и прочности грунтов

Как указывалось в начале настоящей главы, деформационные и прочностные характеристики грунтов, определяемые в лабораторных условиях на образцах, не всегда в полной мере отражают свойства грунтов в условиях их природного состояния. Поэтому при проектировании ответственных сооружений нормативные документы предписывают наряду с лабораторными проводить и полевые испытания грунтов в условиях природного залегания. Ниже приводятся основные сведения о наиболее распространенных методах испытаний.

Полевые испытания пробной статической нагрузкой. Используют для опрееления характеристик деформационных и прочностных свойств грунтов. Такие испытания являются основным методом исследования трещиноватых скальных пород, что подробно рассмотрено в работе С. Б. Ухова (1975). Для определения характеристик деформационных свойств грунтов испытания проводят в шурфах или скважинах инвентарными жесткими штампами в первом случае площадью 0,5... 1,0 м2, во втором — 600 см2. Принципиальная схема опыта приведена на рис.4.18, а. На дно выработки 1

устанавливают плотно притертый к основанию штамп 2, к которому через стойку 3 прикладывают возрастающую ступенями нагрузку F. Каждую следующую ступень нагрузки прикладывают после стабилизации осадок от предыдущей ступени. Осадки грунтов основания под штампом s измеряют с помощью прогибомеров 4, крепящихся к независимой раме. В различных конструкциях установок используют разные схемы приложения нагрузок и измерения осадок.

Зная давление по подошве штампа p=F/A и соответствующее ему значение стабилизированной осадки s, можно построить опытную зависимость s=f(p) как при возрастании давления (ветвь нагружения), так и при его уменьшении (ветвь разгрузки) — на рис. 4.18, б. Поскольку начальный участок кривой этой зависимости соответствует модели линейной деформируемости, модуль деформации грунта основания определится по формуле

где со — коэффициент, зависящий от формы жесткого штампа (для круглого штампа «в=0,78; для квадратного — 0,88); Ь — ширина или диаметр штампа; v — коэффициент Пуассона грунта, принимаемый обычно 0,25; Ар„ Ast — соответственно приращение давления и осадки в пределах линейной зависимости s—f(p).

Если в формулу (4.41) подставить значение Ал,, определенное по ветви нагружения, получим величину модуля деформации грунта при нагружении, если подставить значение Ая„ определенное по ветви разгрузки, получим величину модуля деформации грунта при разгрузке, иногда называемого модулем упругости.

При определении характеристик сопротивления грунта сдвигу используется принципиальная схема, показанная на рис. 4.19, а. Бетонный штамп, обычно площадью 0,5...1,0 м2, устанавливается (или бетонируется в случае скальных пород) на основании. К нему

Рис. 4.18. Схема (а) и результаты (б) полевых испытаний грунта на сжатие

тем или иным способом прикладывается сжимающая нагрузка F и после стабилизации осадок ступенями — сдвигающая нагрузка Т. В процессе опыта фиксируются горизонтальные и вертикальные перемещения штампа. Характерные кривые зависимости горизонтальных перемещений при возрастании т показаны на рис. 4.19, б. Кривая 1 соответствует испытаниям плотного

песка или малотрещиноватых скальных грунтов, кривая 2 — рыхлого песка или сильнотрещиноватого (разборного) скального грунта.

В первом случае отмечаются два характерных критерия прочности: — пиковое, тр — остаточное сопротивления сдвигу, во втором — только, кривая 2 — остаточное сопротивление сдвигу. Это связано с различным характером разрушения грунта в основании штампа. Так, в плотном песке и малотрещиноватой скальной породе разрушение сопровождается разуплотнением (дилатансией) грунта в зоне сдвига, что

Рис. 4.19. Схема (а) и результаты (б) полевых испытаний грунта на сдвиг

отмечается по подъему штампа. В рыхлом песке и разборном скальном грунте при сдвиге происходит дополнительное уплотнение (контракция) грунта и штамп при перемещении дает осадку.

Сложность полевых испытаний для определения прочностных характеристик грунтов заключается не только в громоздкости эксперимента, но и в том, что одно такое испытание позволяет определить лишь пару значений Тщ, и <х, т. е. положение лишь одной точки на графике сопротивления сдвигу. В указанной выше работе С. Б. Ухова приведены рекомендации, позволяющие построить всю эту зависимость только по одному штамповому опыту.

Испытания шариковым штампом. Н. А. Цытовичем был предложен метод шариковой пробы для определения сцепления связных грунтов. Существо метода заключается в том, что с помощью шарика диаметром d на грунт передается усилие F и измеряется осадка штампа s (рис. 4.20, а). Тогда в соответствии с решением акад. А. Ю. Ишлинского сцепление можно определить по формуле

при 0,005 <s/d< 0,1.

Полученное таким образом значение сцепления соответствует определенному в сдвиговых испытаниях для вязких очень малоуплотняющихся грунтов при 5° (жирные глины, мерзлые грунты0 т. п.). При большем значении угла внутреннего трения грунта В. Г. Березанцев рекомендует в правую часть уравнения (4.42) вводить понижающий коэффициент М. Так, при q> = Q° M=l; при ^=10° М=0,61; при <р=20° М=0,28; при

<р=30° М= = 0,12.

Метод шариковой пробы удобен для определения изменения прочностных свойств грунтов в зависимости от времени действия нагрузки. Поскольку осадка s с течением времени увеличивается, в соответствии с выражением (4.42) шариковое сцепление будет уменьшаться. Это позволяет (рис. 4.20, б) ввести понятия мгновенной прочности с0, прочности, соответствующей некоторому времени действия нагрузки /—с, и предела длительной прочности сю, к которому будет стремиться сцепление при очень продолжительном времени действия нагрузки. Очевидно, что если необходимо оценить прочность грунта при воздействии мгновенной нагрузки (например, удар при посадке самолета), то следует исходить из величин, близких к мгновенной прочности. Для обеспечения же длительной устойчивости, например горных склонов, сложенных мерзлыми или глинистыми грунтами, следует принимать в расчет предел длительной прочности. Метод применяют как в полевых, так и в лабораторных условиях.

3. Г. Тер-Мартиросян показал, что при малых величинах стабилизированных осадок методом шариковой пробы можно также определить величину модуля деформации грунта по формуле

Рис. 4.20. Схема испытаний шариковым штампом (а) и кривая длительной прочности грунта (б)

при s/d< 0,005.

Полевые испытания методом зондирования. Для определения характеристик деформационных и прочностных свойств, а также выделения границ между инженерно-геологическими элементами широко применяется метод зондирования, подробно описанный в работе Ю. Г. Трофименкова и Л. Н. Воробкова*.