3. Прочность грунтов при статических и динамических воздействиях

Прочностные свойства грунтов могут исследоваться при самых различных схемах испытаний, в которых образец грунта доводится до состояния разрушения. Некоторые из схем копируют испытания конструкционных материалов, например, испытания на кручение сплошных и полых цилиндрических образцов, в силу своей сложности применяемые лишь в научных исследованиях.

В производственных лабораториях для получения прочностных характеристик грунта широко используются сдвиговые приборы, в меньшей мере – приборы трехосного сжатия.

Сопротивление грунта сдвигу при статических воздействиях обычно определяется на сдвиговом приборе плоского среза (рис. 2.13). Основной элемент прибора – рабочее кольцо (срезыватель) разрезано на две части (обоймы), причем между ними создается небольшой зазор и одна часть (обычно верхняя) может горизонтально смещаться относительно другой. Образец грунта занимает объем обеих частей кольца и его, как и при компрессии, нагружают заданной нагрузкой Р, создающей нормальные напряжения σ. Для отвода отжимаемой из пор воды в штампе и в базе прибора имеются фильтры. После создания вертикальных напряжений к подвижной обойме постепенно ступенями прикладывают горизонтальную нагрузку Т, создавая в плоскости зазора касательное напряжение τ = Т/А, где А – площадь горизонтального сечения образца. По мере увеличения Т фиксируется горизонтальное смещение S_х подвижной обоймы. Экспериментально определяется предельное усилие Т_пр и соответственно касательные напряжения τ_пр, при которых начинается равномерное, незатухающее или ускоренное движение подвижной обоймы. Заметим, что образец в приборе принудительно срезается только по фиксированной плоскости, совпадающей с плоскостью зазора, не всегда являющейся самой «слабой» в образце грунта.

Рис. 2.13. Схема сдвигового прибора.

В настоящее время согласно ГОСТ 12248-96 испытания на сдвиговых приборах проводят по двум схемам: 1) консолидированно-дренированное (КД) и 2) неконсолидированно-недренированное (НН) испытание.

Консолидированно-дренированное (КД) испытание является основным и широко применяется для песчаных и глинистых грунтов независимо от их степени влажности в стабилизированном состоянии. По этой схеме испытание грунта на сдвиг производится при завершенной консолидации (уплотнении) грунта под воздействием заданной вертикальной нагрузки и в условиях свободного отжатия воды из пор грунта при сдвиге под воздействием возрастающей ступенями горизонтальной (сдвигающей) нагрузки.

В КД-испытании сопротивление сдвигу даже водонасыщенных грунтов определяют в условиях практически полной стабилизации процесса уплотнения грунта под действием сжимающих напряжений σ. При этом и нагрузка Т прикладывается ступенями с обеспечением стабилизации деформации образца от каждой ступени. За критерий условной стабилизации деформации среза (горизонтального смещения) принимают скорость смещения, не превышающую 0,01 мм/мин (ГОСТ 12248-96). Опыты показывают, что при таком критерии стабилизации появляющееся (иногда) при приложении ступени ΔТ_n давление в поровой воде успевает рассеяться к моменту приложения следующей ступени ΔТ_n+1. Таким образом, в КД-испытании даже в случае водонасыщенных грунтов поровое давление от нагрузки Р рассеивается к моменту приложения первой ступени ΔТ₁ горизонтальной нагрузки и исключается его развитие при последующем возрастании нагрузки Т.

Для одного и того же грунта проводят КД-испытания нескольких образцов («образцы-близнецы»). Каждый образец срезается (сдвигается) при определенном σ. В результате устанавливается зависимость предельных сопротивлений сдвигу τ_пр от величины вертикальных сжимающих напряжений σ (рис. 2.14). Экспериментальный график τ_пр(σ) часто получается криволинейным, иногда близким к линейному. Спрямляя его на отдельных участках или, как поступают обычно, на всем принятом в опытах диапазоне изменения σ, получаем линейную зависимость

τ = σ ∙ tgφ + c, (2.8)

которая в механике грунтов носит название закона (зависимости) Кулона (Ш. Кулон сформулировал этот закон в 1773 г.). Здесь и далее закон Кулона записываем, опуская у τ индекс «пр», так как применение зависимости (2.8) уже свидетельствует о наступлении в грунте предельного состояния.

Рис. 2.14. Зависимость предельных сопротивлений сдвигу τ_пр

от сжимающих напряжений σ

Согласно закону Кулона сопротивление грунта сдвигу по фиксированной площадке сдвига (среза) возрастает с увеличением нормального напряжения на этой площадке. Входящие в уравнение прямой (2.8) параметры принято называть: tgφ – коэффициент внутреннего трения, φ – угол внутреннего трения, с – сцепление или удельное сцепление. Величины φ и с являются характеристиками (параметрами) прочности грунта на сдвиг в комплексе и по отдельности каждую из них не следует наделять определенным физическим смыслом.

В связных (глинистых) грунтах сцепление с ≠ 0 и может давать существенный вклад в величину сопротивления сдвигу. Для несвязных грунтов параметр с мал и во многих случаях принимают с = о, а зависимость (2.8) в виде

τ = σ ∙ tgφ. (2.8^/)

Угол внутреннего трения φ несвязных грунтов существенно зависит от зернового состава, возрастая с увеличением их крупности (рис. 2.15,а). Так, для мелких песков средней плотности сложения φ ≈ 30…32⁰, а для крупных достигает 38…42⁰. Увеличение плотности песчаного грунта приводит к значительному повышению угла φ (рис. 2.15,б). Существенное влияние на прочностные свойства несвязных грунтов оказывает форма их твердых частиц, в частности, с увеличением окатанности наблюдается снижение величины φ.

Рис. 2.15. Влияние крупности (а), плотности сложения (б) и влажности (в) песчаного грунта на его прочность: 1,2- крупный, мелкий песок;

3,4- песок плотного, рыхлого сложения;

5,6,7- песок маловлажный, сухой и водонасыщенный.

Влажные (S_r < 1) песчаные грунты вследствие образования капиллярно-стыковой воды (см. рис. 1.4) приобретают небольшую капиллярную связность, т.е. с ≠ 0 (рис. 2.15,в). Такое же влияние воды имеет место и в зоне капиллярного подъема. При насыщении песка водой (S_r = 1) капиллярная связность исчезает, с = 0, но угол внутреннего трения φ остается практически таким же, как и для сухого грунта.

Зависимость Кулона (2.8) определяет прочность грунта по площадке среза заданного направления. Если φ и с не зависят от направления плоскости среза, то грунт характеризуется как изотропный по прочности. Однако определение прочности образцов, отобранных из оснований (монолитов), по различным направлениям свидетельствует о наличии у многих грунтов прочностной анизотропии, т.е. зависимости прочности от положения площадки среза, что необходимо учитывать в расчетах оснований сооружений [3].

Неконсолидированно-недренированное (НН) испытание осуществля-ют (ГОСТ 12248-96) для водонасыщенных грунтов по следующей схеме: вертикальное давление (нагрузку) Р на образец передают полностью в одну ступень, сразу после приложения нагрузки Р создают горизонтальную нагрузку Т и проводят сдвиг ускоренно, не более чем за 2 минуты с момента приложения нагрузки Р. Приложение Т идет ступенями, при этом каждая ступень выдерживается всего 10-15 секунд. Очевидно, что в условиях высокого темпа нагружения водонасыщенный грунт в момент сдвига будет пребывать в нестабизилированном состоянии.

При нестабилизированном состоянии грунта, т.е. в условиях протекающей консолидации (см. раздел 2.1), сопротивление сдвигу в момент времени t определяется зависимостью Кулона в виде

τ_t = σ_t∙ tgφ + с,

где σ_t – сжимающие напряжения в скелете грунта в момент времени t нестабилизированного состояния грунта. Учитывая зависимость (2.7), получаем зависимость Кулона, характеризующую сопротивление грунта сдвигу в нестабилизированном состоянии

τ_t = (σ^* - р_t) ∙ tgφ + с, (2.9)

где σ^* - напряжения в скелете грунта после окончания процесса консолидации (стабилизированные напряжения), р_t – избыточное (дополнительное) поровое давление, возникающее в момент времени t консолидации грунта. В процессе консолидации грунта по мере уменьшения величины р_t происходит согласно (2.9) увеличение сопротивления сдвигу, т.е. возрастание прочности. При полной стабилизации р_t = 0 и τ_t = σ^* ∙ tgφ + с (рис. 2.16, прямая 1).

Рис. 2.16. Сопротивление сдвигу в стабилизированном (1) и в нестабилизированном (2) состоянии в момент приложения сжимающей нагрузки

Как уже отмечалось (раздел 2.1), в условиях компрессионного сжатия в момент t = 0 в полностью водонасыщенном грунте вся внешняя нагрузка передается на воду (напряжение σ_t=0 = 0) и р_t=0 = σ^*. В этом случае в сдвиговом приборе для момента t ≈ 0, как следует из (2.9), должны получить τ_t=0 = с. Действительно, как показывают опыты по схеме НН-испытания, если в сдвиговом приборе сразу же после приложения нормальных напряжений (σ^/, σ^//, σ^/// и т.д.) весьма быстро (в течение t ≤ 2 мин) выполнить сдвиг глинистого водонасыщенного грунта, то экспериментальные точки практически укладываются на прямую 2, параллельную оси σ (рис. 2.16).

При испытании на сдвиг грунта в нестабилизированном состоянии в зависимости от продолжительности этапа сдвига (среза) образца можно получить значение предельных касательных напряжений, соответствующее положению экспериментальной точки в секторе между линиями 1 и 2 на рис. 2.16. Конкретный результат зависит от интенсивности рассеяния порового давления за время этапа сдвига. В результате формально можно получить любые углы φ^/, меньшие угла внутреннего трения грунта φ. Угол φ^/ будет зависеть от техники проведения эксперимента, размеров образца, состояния дренажей и других трудно учитываемых факторов. Однако, если в зоне сдвига замерить давление в поровой воде р_t, то такая точка (например, точка а при нагрузке σ^/// на рис. 2.16) переместится на прямую 1 стабилизированного испытания (точка а^/, полученная для σ_t^/// = σ^/// - р_t^///).

С учетом изложенного, испытания в нестабилизированном состоянии рекомендуется проводить при надежном контроле избыточного порового давления р_t в зоне сдвига грунта. Такой контроль, в частности, осуществлялся при испытании грунта, предназначенного для укладки в ядро Нурекской плотины (Н = 300 м), в лаборатории кафедры ПСОиФ ЛПИ (1964).

Динамические воздействия в зависимости от их характера оказывают различное влияние на прочность грунта. Для повторяющихся длительное время импульсов и вибраций опыты показывают снижение, в ряде случаев существенное, сопротивления грунта сдвигу.

В случае песчаных грунтов, для которых при статическом нагружении τ = σ^.tgφ, уменьшение сопротивления сдвигу в условиях совместного действия статических и динамических нагрузок определяется, как показали исследования ЛПИ [9], в основном изменением нормальных напряжений по площадке сдвига от σ до (σ ± σ_д), где ± σ_д – напряжение от динамической нагрузки. В те моменты времени, когда нормальное напряжение вместо σ принимает значение (σ- σ_д), сопротивление сдвигу соответственно снижается от величины σ∙tgφ до (σ - σ_д)·tgφ, что и приводит к сдвигу при уменьшенном значении сдвигающей нагрузки Т при динамическом испытании по сравнению со статическим.

В качестве примера на рис. 2.17 представлены результаты опытов (Иванов П.Л., Флорина Н.В., Бугров А.К., 1964) по сдвигу вертикально вибрирующего штампа на песчаном основании. Аналогичные результаты получены и для штампа с вибратором ненаправленного действия. Для того, чтобы исключить влияние процесса уплотнения песчаного грунта на сопротивление сдвигу, песок предварительно уплотнялся при максимально возможном в опытах динамическом воздействии. В этом случае опыты показали, что угол внутреннего трения φ не изменяется при ускорениях колебаний до 0,8^.g и соответствует значению φ при статическом испытании (прямые 1, 2, 3 практически параллельны). В опытах динамические нормальные напряжения по подошве штампа изменялись по закону σ_д = σ_д,max · sinώt (ώ – угловая скорость вращения эксцентриков). Расчетные прямые, полученные по зависимости τ = (σ – σ_д,max)·tgφ, удовлетворительно согласуются с данными опытов. Следует заметить, что ускорения колебаний η ≤ (0,8…1,0) g соответствуют воздействию большинства работающих машин и установок (промышленная динамика), а также сейсмическим воздействием.

Рис. 2.17. Зависимость между предельными касательными и нормальными (статическими) напряжениями при сдвиге штампа с вибратором вертикального действия:1- статические испытания, σ_д = 0; 2,3- динамические испытания, σ_д,max = 0,0002 и 0,0007 МПа; ― опытные, ---- расчетные зависимости.

При больших ускорениях (η ≥ 0,8g ), что характерно, например, для вибропогружения свай и шпунта, постоянство угла трения φ несвязных грунтов, по некоторым данным (О.А.Савинов, Е.М.Перлей), может не соблюдаться.

В глинистых грунтах при динамических воздействиях часть воды диффузного слоя становится временно свободной – в итоге происходит так называемое явление тиксотропии, приводящее к временному уменьшению характеристик прочности – угла трения φ и, особенно, сцепления с. Снижение прочности используется в строительстве для эффективного погружения свай и шпунтов вибрационным способом. После прекращения действия динамических нагрузок связи между твердыми частицами и поровой водой постепенно восстанавливаются (восстанавливается диффузный слой связанной воды) и связный грунт приобретает первоначальную прочность.