Механика грунтов / УМК по механике грунтов / Лекция 5 Сопротивление грунта сдвигу

эти методы очень дорогие и трудоемкие и применяются лишь при изучении грунтов оснований наиболее ответственных и уникальных зданий и сооружений.

Полевые методы можно разделить на прямые, позволяющие

получить свойства грунта посредством прямых измерений внутренних усилий в момент сдвига и косвенные. Косвенные методы основываются на установленных (в ходе многочисленных прямых исследований) зависимостях между прочностным свойствами грунта и, к примеру,

усилием вдавливания конуса определенных размеров в грунт (пенетрационное зондирования грунтов).

При массовом строительстве исследование прочностных свойств грунтов выполняется как правило в лабораторных условиях. В этом случае исследуются небольшие образцы грунта, отбор, упаковка и хранение

которых должны производиться строго в соответствие с действующими стандартами. Тем не менее, исключить нарушение природной структуры

грунтов при сложных процедурах переноса грунта от места природного залегания в лабораторный прибор удается не всегда. Поэтому полученные

в ходе лабораторных исследований прочностные характеристики могут отличаться от свойств грунта в природном залегании.

5.6.2. Лабораторные методы

Среди лабораторных методов наибольшее применение нашли следующие виды испытаний грунта:

∙Срез грунта по фиксированной плоскости;

∙Испытание грунта при простом сжатии;

∙Испытание грунта в приборе трехосного сжатия (стабилометре).

Срез грунта по фиксированной плоскости

Данный вид испытаний является одним из первых методов определения сопротивления грунта сдвигу. Схема прибора и порядок проведения испытаний рассмотрены выше в разделе 5.2. В странах СНГ и в нашей стране данный вид испытаний фактически является основным,

хотя конструкция приборов претерпели значительные усовершенствования.

На рис.5.9 показан сдвиговой автоматический комплекс на базе прибора СД-25, работающего под управлением компьютера.

Рис.5.9. Автоматический сдвиговой комплекс

Основным недостатком данного метода является то, что сдвиг в этом случае происходит по фиксированной плоскости, не всегда являющейся самой «слабой» в данном образце. Кроме того, напряженное состояние в

сдвиговом приборе не всегда соответствует напряженному состоянию грунта в основании фундамента. В реальных условиях сдвиг по

фиксированной плоскости соответствует лишь условиям сдвига по плоскости подошвы фундамента.

Совершенствование рассмотренного выше метода испытания привело к созданию прибора кольцевого среза, прибора с перекашиванием образца, рис.5.10.

Рис.5.10. Схемы приборов: а)- кольцевого среза; б)- перекашивания образца.

Испытание грунта на сдвиг при простом сжатии

Данный метод применяется для твёрдых и тугопластичных глинистых грунтов силы сцепления которых значительно превышают силы трения. В этом случае из породы грунта вырезается цилиндр определенных размеров, который подвергают простому (не ограниченному с боков) сжатию вертикальной нагрузкой, рис.5.11.

Рис. 5.11. Испытание грунта при простом сжатии

Составим условие равновесия элементарного объема tαds ×1 - s1dxsin a ×1

Решение которого позволяет определить максимальное касательное напряжение в образце при известном значении главного сжимающего напряжения σ1:

max τ = σ21

Полагая τmax = c, получим:

с ≈ σ21

Испытание грунта при трёхосном сжатии

Данный метод позволяет испытывать практически любые грунты в условиях сложного напряженного состояния. Данный вид испытаний впервые предложен советскими учеными (профессорами Г.Б.Яппу и

Н.В.Лалетиным) и в настоящее время широко применяется во всем мире. Прибор, позволяющий смоделировать трехосное сжатие образца

грунта, называется стабилометром. Схема прибора приведена на рис.5.12.

Рис.5.12. Схема прибора для трехосного сжатия: 1- цилиндрический образец грунта; 2- резиновая оболочка; 3- верхний и нижний штамп с фильтрующимися прослойками; 4- внутренняя камера прибора, заполненная жидкостью (вода, глицерин) или сжатым воздухом; 5- датчики (манометры) для контроля за давление воды в порах грунте; 6-датчик (манометр) для контроля давления обжатия образца σ2; 7- вертикальный шток сжимаемого устройства, создающего давление σ1

Общий вид прибора конструкции профессора Болдырева (Россия) показан на рис.5.13.

Рис.5.13. Общий вид стабилометра

Различают несколько стандартных методик испытания грунта в стабилометре: консолидированно-дренинированные, консолидированно- недренирванные, неконсолидированно-недренированные. Каждая из этих

методик характеризуется определенными режимами испытаний основные параметры которых подробно прописанные в нормативных документах.

Порядок испытания грунта в стабилометре с некоторыми упрощениями можно представить в следующем виде:

1)Образец грунта цилиндрической формы покрывают резиновой оболочкой и помещают в стабилометр;

2)При помощи гидравлического насоса или путем нагнетания сжатого воздуха в рабочей камере создают давление обжатия р1=σ2=σ3;

3)Постепенно увеличивая вертикальную нагрузку N, доводят образец до разрушения. Зная площадь поперечного сечения образца А можно

определить напряжение σ1 = NA в предельном состоянии.

4)Разрушенный образец грунта заменяют на аналогичный и опыт

повторяют при другом значении обжимающего давления р2=σ`2=σ`3 определяя максимальное вертикальное напряжение σ`1.

5)По полученным значениям главных напряжений σ1, σ2 и σ`1, σ`2 строят круги Мора, огибающая к которым будет представлять собой кривую предельного состояния грунта Кулона, рис.5.14.

Рис.5.14. Определение прочностных характеристик грунтов по результатам трехосного испытания.

Прочностные характеристики грунта с и φ могут быть определены графически.

5.6.3. Полевые методы определения прочностных свойств грунтов

Среди полевых методов определения прочностных характеристик грунтов наибольшее применение нашли следующие методы испытаний:

∙Испытание грунта крыльчаткой (метод вращательного среза);

∙Испытание целиков грунта на сдвиг.

Испытание грунта крыльчаткой

Схема испытания крыльчаткой и ее конструкция приведены на рис.5.15

Рис.5.15 Испытание грунта методом вращательного среза

Размеры крыльчаток, порядок проведения испытаний регламентируются соответствующим международным стандартами. В процессе испытаний фиксируется максимальный крутящий момент Мmax при котором происходит проворачивание крыльчатки в грунте.

Зная площадь поверхности и торца провернувшегося цилиндра,

можно определить максимальное значение касательных напряжений при сдвиге τu которое можно принять равным удельному сцеплению грунта с:

Принятые в формуле (5.11) обозначения приведены на рис.5.15.

Испытание целиков грунта

Данный метод считается наиболее точным при определении прочностных свойств грунта и относится к так называемым прямым методам. Данный метод является основным при исследовании грунтов оснований сооружений I класса ответственности.

В шурфе или шахте вырезается объем грунта ненарушенной структуры и производится сдвиг по фиксированной плоскости по произвольной поверхности, рис.5.16.

Рис.5.16. Схема испытания целиков грунта в шурфах: 1 – целик грунта; 2 – домкраты; 3 – упорная балка; 4 – каретка для перемещения головки домкрата

Испытав несколько целиков грунта (близнецов) по схеме 5.16-а

строится зависимость между предельным сопротивление сдвигу и нормальным напряжением. Прочностные характеристики грунтов определяются так же, как и в случает среза грунта в лабораторных условиях по фиксированной плоскости (см.раздел 5.3.2)

Выпирая или обрушая целик грунта (рис.5.16-б, в) можно определить лишь общую величину предельного сопротивления сдвига τu.

Вопросы для самоконтроля

1.Чем отличается понятия прочности для грунтов и для твердых тел?

2.От чего зависят силы сопротивления грунта сдвигу?

3.Какие характеристики применяются для оценки прочностных свойств грунтов?

4.Нарисуйте зависимость сопротивления грунта сдвигу для связанных и не связанных грунтов.

5.Дайте определение дилатансии и контракции грунтов.

6.Сформулируйте закон Кулона и запишите уравнение Кулона для связанных и не связанных грунтов.

7.Запишите уравнение предельного равновесия Море-Кулона.

8.Перечислите методы определения прочностных характеристик грунтов.