1. Прочность

При действии нагрузок на грунт в нем возникают касательные напряжения, стремящиеся сместить одну часть грунта по отношению к другой, что приводит к нарушению прочности основания, либо к потере устойчивости откоса.

В обоих случаях условием прочности является сопротивление сдвигу, обусловленное силами трения в несвязных грунтах, которые действуют на контактах между частицами. Внутреннее трение зависит от размера, формы, характера поверхности и минерального состава песков, а так же степени их уплотненности. Чем крупнее частицы, тем более шероховата их поверхность и чем менее они окатаны, тем их сопротивление трению больше. Это сопротивление выражается коэффициентом внутреннего трения f.

Ш. Кулон установил следующую прочностную зависимость: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению. Геометрически эта зависимость выражается прямой с системе координат τ (сопротивление сдвигу) и Р (нормальное давление), проходящей через начало координат ( см. рис.13 ) и может быть записано в виде уравнений

τ =f P и τ=P tgφ

τ - предельно сдвигающее напряжение, МПА

f - коэффициент внутреннего трения песка

P - нормальное давление, МПА

Как видно из графика, f в уравнение прямой представляет угловой коэффициент, равный тангенсу угла наклона прямой к оси давлений

f=tgφ

Угол φ получил название угла внутреннего трения, а уравнение представляет собой уравнение Кулона для несвязных грунтов.

Более сложными зависимостями выражается сопротивление сдвигу в связных грунтах, Здесь кроме сил внутреннего трения существуют еще так называемые силы сцепления между частицами, обусловленные наличием внутренних связей. Т. к. эти связи по своему характеру могут быть различны (структурные, цементационные, вводно-коллоидные, связи зацепления), то и сцепление у разных грунтов и даже одних и тех же грунтов, но находящихся в различном фазном состоянии, могут существенно отличаться.

Сцепление зависит от ряда факторов, в часности от степени влажности грунта: а) уменьшение прочности сухой глины при ее увлажнении б) размокание лессовых грунтов, которое сопровождается потерей сплошности в) снижение прочности набухших грунтов после прекращения набухания. Во всех случаях вода приводит к ослаблению внутренних связей: снижает внутреннее трение в грунтах, увеличивает составляющую нормального давления за счет увеличения объемной массы грунта.

Такие природные явления, как сели, оползни, обвалы связаны с изменением консистенции грунта за счет повышения его влажности, ослабления сил внутреннего трения и сцепления и ведут к резкому уменьшению сопротивления грунтов сдвигу.

Силы, обусловленные сопротивлением внутренних связей в связном грунте, как было показано не зависят от нормального давления. В этом случае уравнение Кулона будет иметь вид:

τ=P tgφ + С ,

С-сцепление, МПа

Геометрически эта зависимость будет иметь вид прямой в координатах τ – P, но не проходящей через начало координат. См. рис.14.

На этом графике силы трения по-прежнему характеризуются углом внутреннего трения φ, а сцепление – отрезком, пересекаемым прямой на оси ординат.

Общее сопротивление сдвигу характеризуется коэффициентом сдвига, который определяется по формуле:

tgψ = tgφ+

ψ-коэффициент сдвига

Для песчаных грунтов tgψ равен tgφ и приближенно соответствует углу естественного откоса песков. Для глинистых песков коэффициент сдвига - величина переменная: она уменьшается с увеличением нормального давления. В таких грунтах общее сопротивление сдвигу увеличивается с увеличением содержания глинистой фракции, хотя внутреннее трение при этом уменьшается