Прочностные и деформационные характеристики грунтов. Деформационные свойства дисперсных грунтов. Определение несущей способности

СП 22.13330.2011
Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88
Автор НИИОСП им.Н.М.Герсеванова

Глава 5.3. п.:

1. Основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются прочностные и деформационные характеристики грунтов (угол внутреннего трения φ, удельное сцепление c , предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов R c , модуль деформации E и коэффициент поперечной деформации υ грунтов). Допускается применять другие параметры, характеризующие взаимодействие фундаментов с грунтом основания и установленные опытным путем (удельные силы пучения при промерзании, коэффициенты жесткости основания и пр.).
   Примечание - Далее, за исключением специально оговоренных случаев, под термином "характеристики грунтов" понимают не только механические, но и физические характеристики грунтов, а также упомянутые в настоящем пункте параметры.

СП 50-101-2004 "Проектирование и устройство оснований
и фундаментов зданий и сооружений"
Автор НИИОСП им. Н.М.Герсеванова, ГУП Мосгипронисельстрой

п.5.1.8
В состав физико-механических характеристик грунтов входят:

• - плотность грунта и его частиц и влажность (ГОСТ 5180 и ГОСТ 30416);
• - коэффициент пористости;
• - гранулометрический состав для крупнообломочных грунтов и песков (ГОСТ 12536);
• - влажность на границах пластичности и текучести, число пластичности и показатель текучести для глинистых грунтов (ГОСТ 5180);
• - угол внутреннего трения, удельное сцепление и модуль деформации грунтов (ГОСТ 12248, ГОСТ 20276, ГОСТ 30416 и ГОСТ 30672);
  

  См. Нормативные значения этих характеристик - Приложение А СП 22.13330.2016

• - временное сопротивление при одноосном сжатии, показатели размягчаемости и растворимости для скальных грунтов (ГОСТ 12248).

Просадочные грунты
Набухающие грунты
Засоленные грунты
Органоминеральные и органические грунты
Элювиальные грунты
Насыпные грунты
Намывные грунты
Пучинистые грунты
Закрепленные грунты

При определении расчетного сопротивления грунта R оснований деревянных домов, относящихся к 3 пониженному классу ответственности , по табличным значениям R 0 (В.1-В.10 приложения В) не требуется определения таких физико-механических характеристик, как:

Угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации и коэффициент поперечной деформации грунтов (ГОСТ 12248 , ГОСТ 20276 , ГОСТ 30416 и ГОСТ 30672);

См. пример определения свойств грунтов для замены фундамента на странице сайте: "Пример расчета основания деревянного дома "

Определения

Приложение А. п.:

1. Коэффициент пористости e определяется по формуле (См. А.6 ГОСТ 25100-2011)

   e = (ρ s - ρ d)/ρ d , (А.5)

   ρ s -плотность частиц (скелета) грунта, масса единицы объема твердых (скелетных) частиц грунта г/см3;
   ρ d - плотность сухого грунта, отношение массы грунта за вычетом массы воды и льда в его порах к его первоначальному объему, г/см3, определяемая по формуле

1. Плотность сухого грунта (скелета) ρ d определяют по формуле (см. А.16 ГОСТ 25100.2011)

   ρ d = ρ/(1+w ), (А.8)

   где ρ - плотность грунта, г/см 3 (см. ГОСТ 5180);
   w - естественная влажность грунта, %
   

1. Показатель текучести I L - отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания Wp, к числу пластичности Ip
   А.18 ГОСТ 25100-2011 , Показатель текучести I L д.е., - показатель состояния (консистенции) глинистых грунтов; определяют по формуле

   I L = (w - w p)/I p , (A.9)

   где w - естественная влажность грунта, % (см. ГОСТ-5180-84);
   w p - влажность на границе раскатывания, % (см. ГОСТ 5180);
   I p - число пластичности, %, (см. А.31 ГОСТ 25100-2011)

1. Число пластичности I p (См. А.31 ГОСТ 25100-2011), %; определяют по формуле

   I p = w L - w p , (A.17)

   где w L - влажность на границе текучести, % (см. 4 ГОСТ 5180);
   w p - влажность на границе раскатывания, % (см. 5 ГОСТ 5180)

Сжимаемость - способность грунта уменьшаться в объеме под действием внешней силы, характеризуется коэффициентом сжимаемости m 0 (тангенсом угла наклона компрессионной кривой), определяемого по формуле (См. 5.4 ГОСТ 12248-2010)

m 0 = (e i - e i+1)/ (p i+1 - p i) 5.32

e i и e i+1 - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям p i и p i+1 .

1. По измеренным в процессе испытания значениям горизонтальной срезающей и нормальной нагрузок вычисляют касательные и нормальные напряжения τ и σ, МПа, по формулам:

   τ = 10Q / A; (5.3)
   σ = 10F / A; (5.4)



2. Удельное сцепление c и угол внутреннего трения φ грунта определяются как параметры линейной зависимости

   τ = σ tg(φ) + c (5.5)

   τ и φ определяются по формулам (5.3) и (5.4) = Q/A, (5.1) - касательные напряжения и
   = F/A, (5.2) - нормальные напряжения
   Q и F -соответственно касательная и нормальная сила к плоскости среза, кН
   A - пллощадь среза, см2

Источник: ГОСТ 12248-2010 плотность грунта ρ - отношение массы грунта включая массу воды в его порах к занимаемому этим грунтом объему (г/см 3 т/м 3)
плотность сухого грунта ρ d - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему (г/см 3 т/м 3)
плотность частиц грунта ρ s - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта (г/см 3 т/м 3). Полная влагоёмкость Wo – максимально возможное содержание в грунте всех возможных видов воды при полном заполнении его пор.

w sat = n.ρ w / ρ d

где: n – пористость, д.е.,
ρ w – плотность воды, г/см3,
ρ d – плотность сухого грунта .

Основными характеристиками сжимаемости грунтов являются модуль общей деформации Е или коэффициент относительной сжимаемости , коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона) и коэффициент бокового давления .

1. Коэффициент относительной сжимаемости . При расчете осадок часто используется коэффициент относительной сжимаемости , который определяется по формуле:

Выразим выражение из формул и . Приравниваем правые части этих выражений, решаем их относительно m v , получим:

Или m v *p i =s i /h

Т.о. коэффициент относительной сжимаемости равен относительной осадкеs i /h , приходящейся на единицу действующего давления.

2. Модуль общей деформации Е является коэффициентом пропорциональности между напряжениями и относительными деформациями. Определяется он в полевых и лабораторных условиях. Наиболее распространенный способ – проведение компрессионных испытаний с последующей их обработкой. В этом случае модуль общей деформации будет равен:

;

где β – коэффициент, учитывающий невозможность бокового расширения грунта (для песков и супесей β = 0,76, суглинков β = 0,63, глин β = 0,42.

При испытании грунта диаметром d штампом по результатам лабораторных испытаний, Е определяется расчетом по формуле

Е=(1-ν 2)*w*d*∆p/∆S

3. Коэффициент бокового давления ξ рассматривается как отношение приращения бокового давления (или ) к приращению действующего вертикального давления при обязательном отсутствии боковых деформаций :

По экспериментальным данным значения коэффициентов бокового давления изменяются в следующих пределах: для песчаных грунтов ξ = 0,25-0,37, глинистых ξ = 0,11-0,82. Величина ξ определяется в приборах трехосного сжатия.

4. Коэффициент поперечного расширения ν грунта (коэффициент Пуассона) равен отношению относительных горизонтальных деформаций образца ε х к относительным вертикальным ε z , т.е..

План лекции:

1. Природа прочности грунтов.

2. Определение прочности грунтов:

– на одноосном сжатии;

– на одноосном растяжении;

– сцепления и угол внутреннего трения упрощенными методами.

3. Определение сцепления и угла внутреннего трения по данным стабилометрических испытаний.

4. Определение сцепления и угла внутреннего трения по данным сдвиговых испытаний.

Прочностные свойства грунтов характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта. Потеря прочности материала осуществляется, как правило, путем его разрыва и (или) сдвига.

1. Природа прочности грунтов

Теория Гриффитса дает внутренний механизм и математическую модель разрушения, основанную на физических параметрах. Эта теория предполагает, что в любом материале содержатся дефекты, и при нагружении тела вокруг дефектов возникает концентрация напряжений, которая вызывает рост и распространение трещин; этот процесс в конечном итоге приводит к формированию магистральной трещины разрыва, т. е. к макроскопическому разрушению грунтов.

Рисунок 8.1 – Механизм формирования прочности по Гриффитсу

Расчет энергии формирования трещин достаточно сложный, поэтому эта теория не нашла своего широкого применения на практике.

Макклинтон и Уолш предложили, что при сжатии трещины Гриффитса закрываются и на их поверхности возникают силы трения.

Предложен механизм разрушения материалов, связывающий теории Гриффитса и Уолша – при нагружении грунта до его разрушения в нем протекают процессы образования роста и группирования трещин разрыва (по Гриффитсу), среза и дробления материала в зоне магистрального разрыва (по Уолшу). Это влечет за собой изменения структуры и фазового состояния грунта в зоне магистрального разрыва, отсюда и изменение его (материала) свойств.

Так же, как и теория Гриффитса, данная теория широко не используется изза сложности расчетов формирования трещин.

Рисунок 8.2 – Механизм формирования прочности по Гриффитсу и Уолшу

В практике наиболее широкое распространение получила теория Кулона – Мора .

Теория Кулона наибольших касательных напряжений. Согласно этой теории предел прочности породы при сложном напряженном состоянии должен наступать тогда, когда наибольшее касательное напряжение (σ пр. ) достигнет того значения, при котором наступает предел прочности образца при простом сжатии (σ сж. ) или растяжении (σ р. ).

где σ сж.

σ пр.

τ пр. ≤ σ сж. (σ р.)

– прочность на одноосном сжатии;

– прочность на одноосном растяжении.

σ н.

Рисунок 8.3 – Механизм формирования прочности по Кулону

Предельное напряжение состояния грунта – критерий прочности Кулона – описывается следующим уравнением:

τ пр =σ tgϕ +c

где ϕ – угол внутреннего трения, град; с – сцепление, МПа; σ – нормальное напряжение, МПа;

τ пр. – сдвигающие напряжения, МПа.

Недостатком этой теории является то, что на практике предельные сдвигающие напряжения не всегда ниже прочности на сжатие. Но в целом теория Кулона удовлетворяет практику.

cos 2 α

Следует отметить, что наибольшие касательные напряжения формируются на площадке наклонной под углом около 45° к поверхности горизонтального сечения. Рассмотрим данное утверждение на примере (рисунок 8.4).

Р н. F ′

α Р с

Рисунок 8.4 – Действие нормальной (Рн. ) и касательной (Рс. ) составляющей силы Р на произвольно выбранном сечении

На рисунке видно, что если на поверхность горизонтального сечения (α = 0) площадью F действует распределенная нагрузка Р, то нормальные напряжения σ н. равны:

σ н . = σ 1 = F P

Площадь сечения под углом α >0 равна:

F ′ = cos F α

Составляющие силы Р, ориентированные нормально (Рн. ) и касательно (Рс. ) к этому сечению равны:

Рн. =Р сos α , Pc. =P sin α

Тогда нормальные (σ н. ) и касательные (τ ) напряжения будут равны:

Отсюда, при α = 0, σ н.

При α = 45° sin 2 α = 1,

мальные значения и равны:

достигает максимального значения, т. е. σ н . = σ с .

тогда сдвигающие напряжения принимают макси-

τ max . = σ 2 1

Таким образом, в объеме горной породы в наиболее неблагоприятном состоянии находятся сечения, по отношению к которым действующее усилие направлено по нормали или под углом, близким к 45°, т. е. сечения, в которых действуют максимальные нормальное и касательное напряжения. Вот почему наибольшая деформация пород при сжатии наблюдается в направлении действия усилия, а трещины скола возникают вдоль сечений, образующих с направлением

действующего усилия угол, близкий к 45°, т. е. близкий к углу θ max.

Теория Мора – теория предельного напряженного состояния.

В грунтовом массиве на любую точку воздействуют три главных и шесть касательных напряжений (рисунок 8.5), при этом σ 1 > σ 2 > σ 3 .

σ 3 σ2

Рисунок 8.5 – Распределение главных нормальных напряжений в любой точке грунтового массива

Согласно теории Мора, два главных нормальных напряжения σ 1 и σ 3 определяют прочность грунтов, σ 2 – влияние на прочность не оказывает.

Условие прочности по теории Мора запишется следующим образом:

σ 1 − [ σ [ σ сж р . . ] ] σ 3 ≤ [ σ сж . ]

где σ сж. – прочность на одноосное сжатие; σ р. – прочность на одноосное растяжение.

Графические условия прочности могут быть отражены в виде диаграмм Мора (рисунок 8.6).

Рисунок 8.6 – Диаграмма Мора, показывающая напряжения, вызываемые действием сил по трем сечениям, проходящим через оси σ 1 , σ 2 , σ 3

Диаграмма показывает, что каждая точка на поверхности круга характеризует нормальные (σ н. ) и касательные напряжения (τ ) строго определенной площадки в теле грунта, и эти напряжения можно рассчитать.

Так, например, для того, чтобы определить напряжения σ н. и τ , действующие по какой-либо площадке А-В , наклонной под углом α к плоскости I-I главных напряжений, по оси абсцисс откладывают значения главных напряжений σ 1 и σ 3 и на их разности, как на диаметре, строят круг («круг напряжений», или «круг Мора»), центр которого С лежит на середине расстояния между точками A-D . При точке С , отложив угол 2α , получим точку В , координаты которой ОК и ВК соответственно равны σ н. и τ .

Из рисунка 8.7 следует:

Рисунок 8.7 – Определение нормальных и касательных напряжений, действующих в данной точке произвольной площадки,

с помощью диаграммы Мора

Из прямоугольного треугольника ВКС имеем:

τ = BK = BC sin 2α = σ 1 − 2 σ 3 sin 2α

σ н . = σ 1 cos2 α + σ 3 sin 2 α

Таким образом, зная главные нормальные напряжения, можно для любой площадки в теле грунта рассчитать действующие на ней нормальные (σ н. ) и касательные (τ ) напряжения.

Для определения прочности грунта строят по частным значениям σ 1 и σ 3 круги напряжений, которые отражают предельные равновесия при конкретных σ 1 и σ 3 . Эти круги называют предельными (рисунок 8.8).

Рисунок 8.8 – Диаграмма Мора для предельного состояния породы

На каждом из предельных кругов напряжений (рисунок 8.8) ординаты точек В, В’ и В’’ равны предельным касательным напряжениям в момент, непосредственно предшествующий разрушению породы при соответствующих сжимающих нормальных напряжениях К, К ′ , К ′′ . Если к предельным кругам напряжений провести касательную (огибающую), то она образует с осью абсцисс угол ϕ = θ max . , а

на оси ординат отсечет отрезок С . В соответствии с условием предельного равновесия точки В, В ′ и В ′′ должны находиться на этой касательной, уравнение которой имеет вид:

τ = σн . tg ϕ + C

Величины ϕ и С в этом уравнении являются параметрами прочности грунтов; С характеризует наличие и прочность структурных связей, т. е. действие сил сцепления, или просто сцепление, в мегапаскалях, а ϕ – интенсивность роста сопротивления сдвигу (скалыванию) породы с увеличением нормальной нагрузки, т. е. ее внутреннее трение. Угол ϕ условно называют углом внутреннего трения, а tg ϕ – коэффициент внутреннего трения.

Из рисунка 8.8 также видно, что направление АВ определяет направление площадки, по которой в данной точке при предельном состоянии может произойти скалывание (сдвиг) породы, ее разрушение. Эта площадка скалывания (скольжения) образует угол α с направлением площадки, по которой действует большое главное напряжение. Так как угол 2α = 90°ϕ , то α = 45°+ϕ /2, следовательно, в условиях предельного напряженного состояния «площадка скалывания» будет на-

клонена под углом 45°+ϕ /2 к направлению площадки наибольшего главного напряжения. В каждой точке предельно напряженной породы таких площадок может быть две. Сопряженные площадки расположены под углом 45°±ϕ /2.

Таким образом, круги предельных напряжений Мора и огибающая кругов Мора, выраженная уравнением Кулона, собственно и есть теория прочности грун-

тов Кулона – Мора.

2. Определения прочности грунтов

В практике прочность грунтов принято оценивать следующими показателями: прочностью на одноосное сжатие и растяжение, сцепление и угол внутреннего трения.

а) Прочность грунтов на одноосное сжатие относится к прочностным свойствам грунтов. Прочность грунтов часто определяют путем их раздавливания в условиях свободного бокового расширения. Разрушающая сила при этом действует только в одном направлении, поэтому такое испытание называют одноосным сжатием, т. е. выполняется условие предельного состояния грунтов (рисунок 8.9)

σ 1 > σ 2 = σ 3 = 0.

σ1

Рисунок 8.9 – Схема условия работы грунта при одноосном сжатии

Расчет сопротивления сжатию производится на основе предположения об однородном напряженном состоянии образца грунта по формуле:

σ сж = Р F разд

где Р разд – усилие раздавливания;

F – площадь поперечного сечения образца, м2 .

Следует отметить, что испытание на сжатие необходимо проводить при соотношении высоты образца к диаметру h/d ≥ 2. Это обусловлено тем, что при нагружении грунта в нем возникают зоны уплотнения (а) рисунка 8.10. Поэтому при h/d ≤ 2 эти зоны вступают во взаимодействие, отсюда возникает дополнительная прочность грунта, т. е. получаем завышенные значения σ сж. .

45° +ϕ /2

а α

Рисунок 8.10 – Зоны уплотнения

Графически прочность на сжатие можно выразить посредством круга Мора

(рисунок 8.11).

σ

σ 3=0 σ 1= σ сж.

Рисунок 8.11 – Прочность на сжатие

Прочность на одноосное сжатие представляет до известной степени условную характеристику прочности грунта, зависящую от многих факторов. Тем не менее, определение σ сж в инженерно-геологической практике широко распространено, так как позволяет приближенно оценить несущую способность фундамента на скальных грунтах, определить сцепление и угол внутреннего трения породы и оценить ее прочность как строительного материала.

б) Прочность грунтов одноосному растяжению

Прочность пород на разрыв является одной из важнейших характеристик породы, она может быть широко использована как для сравнительной оценки прочностных свойств пород, так и для расчета величины угла внутреннего трения и коэффициента сцепления. Оно так же как одноосное сжатие моделирует работу грунта при условии σ 1 > σ 2 = σ 3 = 0.

Прочностьпородынаодноосноерастяжение(σ рас , МПа) вычисляютпоформуле:

σ рас . = Р F разд. .

где Pразд. – максимальное значение растягивающего давления; F – площадь поперечного сечения образца.

Графически прочность на растяжение выражается через круг напряжений Мора в следующем виде (рисунок 8.12).

σ р.

Рисунок 8.12 – Прочность на растяжение

Экспериментальные данные по прочности на сжатие и растяжение. В таблице приведены данные по σ сж и σ рас.

Таблица 8.1 – Прочность на разрыв σ р и одноосное сжатие σ сж некоторых пород

Из таблицы видно, что прочность на растяжении на порядок меньше прочности на сжатии. Это обусловлено тем, что τ р оценивает только прочность структурных связей, а в прочности на сжатие, кроме прочности структурных связей, участвуют уже и сдвигающие силы.

в) Сцепление и угол внутреннего трения

Сцепление и угол внутреннего трения грунтов являются основными показателями, характеризующими грунт в различном напряженном состоянии. Известно достаточно много способов определения с и ϕ . Из них наиболее широкое применение нашли следующие методы:

– по данным прочности на одноосное сжатие и растяжение;

– по данным объемного сжатия (стабилометрии);

– по данным сдвиговых испытаний.

Определение сцепления и угла внутреннего трения грунтов по данным прочности на одноосное сжатие и растяжение

Для определения с и ϕ проводят испытание грунтов на одноосное сжатие и растяжение (таблица 8.1). Строят паспорта прочности грунтов (огибающую предельных кругов напряжения Мора). Определяют угол внутреннего трения (ϕ ) и сцепления (с ).

σ р. σ сж.

Рисунок 8.13 – Схема построения паспорта прочности грунтов

Результаты, полученные данным методом, являются достаточно условными, но ими можно пользоваться как оценочными.

Ускоренные методы определения прочностных свойств грунтов:

1. Способ определения сопротивления сдвигу образцов горных пород, разработанный автором, заключается в следующем. Первоначально изготавливают цилиндрические образцы из блоков песчаника, гипса, каменной соли и другой исследуемой породы. Затем образцы распиливают для образования трещины, и рабочие поверхности трещины обрабатывают до образования неровностей высотой 0,03–0,5 мм. После чего образец с трещиной нагружают ступенчато возрастающими сжимающими усилиями, вызывающими в образце сжимающие напряжения σ. При этом σ не должна превышать 0,6 среднего значения прочности материала образца на сжатие σсж . После чего производят многократные сдвиги разделенных трещиной частей образца на каждой из ступеней нагружения и измеряют угол трения φ материала образца. Сжимающие напряжения σ ≤ 0,6 σср не вызывают в материале образца микроразрушений и пластических деформаций, что позволяет использовать образец для последующих испытаний, а высота неровностей в указанных переделах обеспечивает точный замер истинных углов трения φ. Если высота неровностей выходит за указанные пределы (0,03–0,5 мм) для перечисленных материалов, то это приводит к резкому увеличению угла трения φ, т. е. замеру не угла трения материала, а угла трения шероховатых поверхностей, и к увеличению ошибки при измерении. После определения угла трения φ материала образец нагружают сжимающими усилиями до его разрушения и определяют прочность на сжатие σсж материала испытуемого образца.

По полученным данным рассчитывают параметр с :

с = σ сж / 2 tg (45° – φ 2 )

и сопротивление сдвигу по формуле

τ = σ tg φ + с .

С помощью предложенного способа можно рассчитать сопротивление сдвигу горных пород, особенно скальных и полускальных, по достаточно легко определяемым показателям прочности на сжатие и углу трения пород.

2. Метод определения прочности на разрыв путем раздавливания цилиндрических образцов по образующей. Цилиндрический образец высотой, равной диаметру, помещается между плитами пресса так, чтобы сжимающие усилия были направлены параллельно боковым поверхностям цилиндра. Торцовые поверх-

ности цилиндра должны быть гладкими и плотно соприкасаться с плитами пресса. Расчет ведут по формуле

σ раз = F Р

где σраз – прочность на разрыв, МПа;

F – площадь образца по поверхности раскола, м2 .

Разброс получаемых значений прочности пород на разрыв, как правило, значительно ниже, чем при испытании любым другим способом (коэффициент вариации для отдельных проб обычно не превышает 6–10 %).

3. Метод соосных пуансонов разработан во ВНИМИ для определения прочности пород на разрыв и сжатие. Он основан на разрушении дисков пород, имеющих диаметр 30–120 мм и высоту 8–11 мм.

Определение сцепления и угла внутреннего трения грунтов по данным прочности на одноосном сжатии и трение

Для определения С и ϕ проводит испытание грунтов на одноосное сжатие (σ сж. ), затем определяют трение по подготовленной поверхности сдвига (ϕ ) и по этим данным строят паспорт прочности грунта (рисунок 8.14).

Рисунок 8.14 – Схема построения паспорта прочности грунтов по σ сж. и ϕ

После чего определяют С – сцепление. Данный метод является оценочным.

3. Определение сцепления и угла внутреннего трения по данным стабилометрических испытаний

Под стабилометрическими испытаниями понимается исследование грунтов

в объемном напряженном состоянии по схеме (рисунок 8.15):

σ 1 > σ 2 = σ 3

Рисунок 8.15 – Схема испытаний грунтов в условиях трехосного сжатия

Известно, что в основании сооружения грунт находится в объемном напряженном состоянии. Поэтому получение прочностных характеристик в условиях объемного сжатия наиболее точно моделируют условия работы грунта.

Испытания грунтов проводятся в приборах, которые называются стабилометры. Конструкции стабилометра приведена на рисунке 8.16.

Образец грунта

Штуцер, через который подается давление масла

Рисунок 8.16 – Схема стабилометра

Методика

Общая схема испытаний следующая:

– образец в водонепроницаемой оболочке помещают между двумя поршнями в камеру (стабилометр);

– камеру наполняют жидкостью (например, маслом);

– задают фиксированное боковое давление на образец – σ 2 ;

– вертикальное давление (σ 1 ) передается на образец грунта через поршень до полного разрушения грунта;

– проводят три-четыре цикла таких испытаний;

– проводят обработку данных.

Например: испытываем грунт песчаник.

Задаются три фиксированные ступени боковых давлений σ 3 = 5, σ 3 ′ = 10 и σ 3 ″ = 15 МПа. Определяются соответственно σ 1 , σ 1 ′ , σ 1 ″ (таблица 8.2).

Таблица 8.2

Обработка результатов испытаний

Обработка результатов в общем случае сводится к построению кругов Мора и предельной огибающей к ним.

Для построения кругов Мора на оси абсцисс откладывают максимальное и минимальное главные напряжения σ 1 и σ 3 (таблица 8.2) и на их разности, как на диаметре, описывают окружности (рисунок 8.17). По трем кругам Мора строят огибающую (см. рисунок 8.17). Определение сцепления и угла внутреннего трения пород, находящихся в заданных (моделируемых) условиях, производится графически или расчетным путем (см. рисунок 8.17).

τ , МПа

Рисунок 8.17 – Огибающая предельных кругов напряжений Мора по данным испытаний

В практике огибающую предельных кругов напряжений Мора называют паспортом прочности грунта.

В том случае, если для исследуемого грунта ещё определены и прочности на одноосное сжатие (σ сж. ) и растяжения (σ р. ), то строится полный паспорт прочности грунтов (рисунок 8.18).

Рисунок 8.18 – Общий случай огибающей предельных напряжений кругов Мора:

1 – одноосное растяжение σ р. ;

2 – одноосное сжатие σ сж. ;

3 – объемное (трехосное) сжатие;

σ 1 > σ 2 = σ 3 ≠ 0;

ϕ – угол внутреннего трения, град;

С – сцепление, кг/см2.

Следует отметить , что с увеличением σ н. угол внутреннего трения уменьшается. Поэтому при оценке с и ϕ необходимо учитывать работу грунта в конкретных условиях.

Приведенные схемы испытаний не исчерпывают всего многообразия условий работы породы, поэтому конструктивно приборы трехосного сжатия выполнены так, что позволяют также моделировать различные частные случаи поведения грунта, встречающиеся в практике. Во ВНИМИ разработаны стабилометры, позволяющие создавать боковое и осевое давление соответственно от 15–40 до 50–250 МПа и более. Испытания грунтов в стабилометрах рекомендуется проводить при оценке и прогнозе устойчивости наиболее ответственных инженерных сооружений.

4. Определение сцепления и угла внутреннего трения по данным сдвиговых испытаний

Сдвигом называется процесс разрушения грунта вследствие скольжения одной его части относительно другой по заданной поверхности, т. е. при ис-

пытаниях грунтов сдвигу моделируются условия фиксированной поверхности разрушения (рисунок 8.19).

Поверхность сдвига, σ н. формирующаяся в процессе

нагружения грунта

σ τ

Фиксированная поверхность (сдвига) разрушения

Рисунок 8.19 – Схема сдвиговых испытаний грунтов:

А) в естественных условиях; Б) фиксированная поверхность сдвига (разрушения)

Зависимость τ = f (σ) называют паспортом грунта, иногда ее называют пре-

дельной огибающей Мора (рисунок 8.20).

τ , МПа

Рисунок 8.20 – Паспорт прочности

В диапазоне давления 1÷ 20 МПа сопротивление грунтов сдвигу может быть выражено уравнением Кулона:

τ = σ tg ϕ + c

где c и φ являются параметрами данного грунта.

Сопротивление сдвигу характеризуется также величиной так называемого угла сдвига ψ ; tg ψ называется коэффициентом сдвига , численно tg ψ = σ τ .

В лабораторных условиях сопротивление сдвигу грунтов определяется методами одноплоскостного среза для дисперсных грунтов и среза со сжатием для скальных грунтов.

Одноплоскостной срез

Для определения сопротивления сдвигу методом одноплоскостного среза чаще всего используют прибор Маслова – Лурье в модернизации Гидропроекта – ГГП-30 (рисунок 8.21) и ВСВ-25.

Неподвижное Подвижное кольцо кольцо

Рисунок 8.21 – Схема прибора одноплоскостного среза грунта (I – I" – заданная плоскость среза)

С помощью прибора ГГП-30 определяется сопротивление сдвигу образца породы диаметром 71,4 мм и высотой 40,0 мм. Максимальная допустимая вертикальная нагрузка 12 · 9,8 · 104 Па ≈ 12 · 105 Па ≈ 1,2 МПа.

Методика

Испытание производится следующим образом (см. рисунок 8.21).

– производится подготовка грунта;

– образец породы в разъемном кольце помещается в обойму;

– на грунт подается фиксированная вертикальная нагрузка (σ );

– определяется сдвигающее напряжение (τ );

– сдвигающее напряжение τ определяется при трех разных вертикальных нагрузках σ 1 ;

– сдвигающую нагрузку τ увеличивают ступенями, величина которых определяется на основании выбранной схемы испытания грунта;

– обработка экспериментальных данных сводится к построению паспорта прочности грунта. Значения tg φ и с вычисляют путем обработки экспериментально полученных значений τ и σ по методу наименьших квадратов.

Схемы испытаний грунтов на сдвиг различаются условиями предварительной подготовки грунта и скоростью сдвига.

По характеру предварительной подготовки глинистого грунта к испытанию различаются три основных метода испытаний:

1. Сдвиг образцов грунта в естественном состоянии без предварительного уплотнения (неконсолидированные).

2. Сдвиг образцов грунта, предварительно уплотненных разными нагрузками

и срезанных при нагрузках уплотнения образцов грунта (консолидированные);

3. Сдвиг образцов грунта, предварительно уплотненных одной и той же нагрузкой, но срезанных при меньших нагрузках (консолидированные).

В зависимости от скорости проведения испытания различают быстрый и медленный сдвиг:

1. Быстрый сдвиг проводится с такой скоростью, чтобы плотность – влажность грунта в процессе сдвига – не изменялась (недренированный сдвиг).

2. Медленный же сдвиг проводится с такой скоростью, когда плотность – влажность глинистого грунта – успевает прийти в равновесие с действующей нагрузкой (дренированный сдвиг).

Характер предварительной подготовки и режим проведения испытания определяют величину параметров сопротивления сдвигу.

При быстром сдвиге прочность глинистого грунта будет определяться только сцеплением, а силы внутреннего трения будут очень малы.

Результаты неконсолидированно-недренированного сдвига обычно используются для расчета устойчивости массива грунта на стадии строительства (метод

ϕ = 0).

При медленном сдвиге грунты обладают наибольшим сопротивлением сдвигу.

Результаты консолидированно-дренированного сдвига используются для расчета устойчивости массива глинистого грунта на стадии длительной эксплуатации.

Например: испытываем глинистый грунт.

Задаются три фиксированных нормальных напряжения σ 1 = 0,1 МПа, σ 1 ′ = 0,15 МПа и σ 1 ′′ = 0,20 МПа. Затем определяются сдвигающие напряжения (таблица 8.3).

Таблица 8.3

Рисунок 8.23 – Паспорт прочности песков

Из рисунка 8.23 видно, что сцепление равно нулю, тогда уравнение Кулона принимает следующий вид:

τ = σ tg ϕ

А ϕ

С В

Рисунок 8.24 – Схема выбора минимальных нормальных напряжений

Следует отметить , что при выборе минимального нормального напряжения (рисунок 8.24) (σ ) при сдвиговых испытаниях нужно учитывать σ н. – величину главного нормального напряжения, при котором происходит разрушение грунта. При

σ < σ н. моделируем разрушение грунта в точке В. Тогда полученные значения с 1 < С

и ϕ′ > ϕ , что недопустимо, т. к. использование этих данных в инженерных расчетах приводит к понижению надежности устойчивости инженерных сооружений.

Средние значения с и ϕ для дисперсных грунтов. Таблица 8.4

с – кгс/см2 , ϕ – град., глинистые грунты текучесть 0,25 < I < 0,5.

Срез со сжатием

Для определения сопротивления сдвигу методом среза со сжатием используют наклонные матрицы (рисунок 8.25). Специальный набор клиньев, позволяющих производить срез под углами от 25 до 65° с интервалом в 5°. Вертикальную нагрузку передают прессом.

Образец грунта

Рисунок 8.25 – Схема определения объемной прочности образцов методом косого среза: α – угол среза образца:

а) испытание образцов правильной формы грунта; б) испытание образцов неправильной формы грунта

Методика

Испытание производят следующим образом:

– производится подготовка образцов цилиндрической и призматической формы, могут быть испытаны также и образцы неправильной формы, которые заливают быстротвердеющим цементом в специальных обоймах;

– на грунт подается вертикальная нагрузка Q (см. рисунок 8.25), создавае-

мая прессом, которая раскладывается на нормальную (σ ) и сдвигающую (τ );

– устанавливаются (клиньями) углы среза α = 30°, α = 45° и α = 60° в наклонных матрицах (см. рисунок 8.25);

– подается вертикальная нагрузка (Q) до полного разрушения образца грунта, нагрузка фиксируется;

– проводят от 3 до 27 испытаний;

– производится обработка результатов исследований, которая сводится к

построению паспорта прочности грунта (рисунок 8.26) и определению с и ϕ .

Рисунок 8.26 – Паспорт прочности грунта

Например: испытываем аргиллиты.

1. Готовятся образцы, имеющие цилиндрическую форму, размером (мм): диаметр цилиндра 42 ± 0,1; высота цилиндра 42 ± 2,5; конусность и бочковидность ± 0,05.

2. α = 30°, α = 45° и α = 60° (таблица 8.5) и рассчитываются нормальные напряжения.

Таблица 8.5

3. Обработка данных.

От оси ординат откладываем угол α = 30° и проводим прямую через начало ординат. На этой прямой откладывается σ = 9,4 кгс/см2 . Подобные же операции делаем для α = 45° и α = 60°. Затем рассчитываем с и ϕ (рисунок 8.27).

с α =30°

45° 60 °

Рисунок 8.27 – Паспорт прочности аргиллита

Данный способ имеет большую трудоемкость. Однако он удобен для испытания пород, из которых невозможно изготовить образцы правильной геометрической формы, а также при определении угла внутреннего трения и сцепления по ослабленным поверхностям, трещинам, прослоям слабых пород и др.

Таким образом, рассмотрены природа прочности грунтов и методы определения прочностных показателей σ р. , σ сж. , с и ϕ .

План лекции:

1. Общие положения.

2. Деформационные свойства грунтов, обусловленные природными условиями.

3. Деформационные свойства грунтов, обусловленные внешней нагрузкой.

4. Упругие деформации.

5. Факторы, определяющие упругие свойства грунтов.

6. Механизм пластических деформаций.

7. Построение компрессионной кривой.

8. Показатели деформаций.

9. Консолидация грунтов.

10. Эффективное и нейтральное давление.

11. Методика определения деформационных свойств грунтов.

1. Общие положения

Механические свойства грунтов проявляются при воздействии на них внешних нагрузок.

Механические свойства подразделяются наследующие виды:

– деформационные;

– прочностные;

– реологические.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. То есть не приводящими к разрушению грунта.

Прочностные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта.

Реологические свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками во времени.

Деформацией называется перемещение частиц тела под действием механических напряжений.

В нормативных документах употребляется термин деформация грунтов, при этом данные деформации не связанны с внешними нагрузками, например деформации набухания и т. д.

Поэтому термин деформационные свойства грунтов в практике следует различать по виду воздействия на грунт:

1. Деформации, связанные с воздействием природных условий на грунт.

2. Деформации, связанные с внешним нагружением грунта.

2. Деформационные свойства грунтов, обусловленные природными условиями

Деформация набухания оценивается через показатель εSW (относительная деформация набухания). Рассчитывается следующим образом (рисунок 7.1):

ε SW = h h

где h – первоначальная высота образца;

∆h – увеличение высоты образца при его замачивании.

Рисунок 7.1 – Схема расчета относительной деформации набухания

Природа наб ухания – набухание происходит за счет раздвижки молекулам водного раствора структурной решетки кристаллов.

Деформация просадочности оценивается через показатель εS (относительная деформация просадочности) которая рассчитывается следующим образом (рисунок 7.2):

Рисунок 7.2 – Схема расчета относительной деформации просадочности

Природа пр осадочности – при замачивании грунта разрушаются структурные связи и грунт без нагрузки может деформироваться.

Морозное пучение оценивается через показатель относительной деформации морозного пучения εfn , который определяется по формуле (рисунок 7.3):

где hof – высота мерзлого грунта;

ho – начальная высота грунта, до замерзания.

Рисунок 7.3 – Схема расчета относительной деформации морозного пучения грунтов

Природа мо розного пучения – при понижении температуры < 0 °С вода в порах грунта замерзает и расширяется, что вызывает деформацию грунта.

Вышеприведенные виды деформации грунтов связаны с природными факторами. Ниже рассмотрим деформации связанные с нагружением грунта.

3. Деформационные свойства грунтов, обусловленные внешней нагрузкой – общие положения

а). Понятие о напряжениях. б). Виды деформаций.

в). Связь между напряжением и деформацией.

а). Понятие о напряжениях

Для понимания данного материала рассмотрим понятия о напряжениях в грунтах.

Внешние нагрузки, передающиеся на грунт, представляют собой механические напряжения, которые являются мерой этих внешних сил (рисунок 7.4). Под механическим напряжением понимается сила, действующая на единицу площади грунта.

Рисунок 7.4 – Схема распределения внешних и внутренних сил, действующих в объеме грунта в точке М

Из рисунка 7.4 видно, что на любую точку в массиве грунта (М) воздействуют три силы (Р). Эти силы раскладываются на нормальные (σ ) и касательные (τ ) напряжения. Нормальные напряжения действуют по нормали к площадке, а касательные – вдоль нее (рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 – Компоненты касательных (τ ij ) и нормальных (σ i ) напряжений

Совокупность всех напряжений для всех площадок, проходящих через точку М, характеризует напряженное состояние в точке. Оно определяется тензором напряжений (Тσ ), компонентами которого являются три нормальных (σ х , σ у , σ z ) и шесть касательных (τ ху = τ ух , τ yz = τ zy , τ zx = τ xz ) напряжений.

б). Виды деформаций

По виду прилагаемой нагрузки на грунт выделяются следующие виды деформаций:

– линейные;

– касательные;

– объемные.

Линейные деформации обусловлены нормальными напряжениями (σ ). Ме-

рой линейных деформаций является относительная линейная деформация (e ), которая определяется по формуле:

e = h h0

∆h

где h 0 – первоначальная высота образца; h – высота образца при его нагружении;

∆h – прирощение (уменьшение) длины образца при его нагружении.

Касательные деформации обусловлены касательными напряжениями (τ ). Мерой касательных деформаций является относительная деформация сдвига (γ ), которая определяется по формуле:

где h o – первоначальная высота образца;

s – величина сдвига под воздействием касательных напряжений.

Объемные деформации обусловлены всесторонней нагрузкой на тело. Мерой объемных деформаций является относительная объемная деформация (e v ), которая определяется по формуле:

e v = V V

где V – первоначальный объем тела;

V1 – объем тела, полученный при нагружении;

V – абсолютное изменение объема при нагружении.

V = V V − V1

в). Связь между напряжениями и деформациями грунта

Одним из главных вопросов в грунтоведении (механике грунтов) является установление связи между напряжениями и деформациями в грунтах.

В общем случае эта связь нелинейная и зависит от многих факторов. Все факторы учесть невозможно, поэтому до настоящего времени нет уравнения, описывающего эти взаимодействия.

В грунтоведении (механике грунтов) используют уравнения Гука.

Закон Гука записывается следующим образом:

– длялинейных деформаций σ = Е·e , гдеЕ– модуль Юнга(модуль упругости);

– для касательных деформаций τ = γ·G , где G – модуль упругости сдвига;

– для объемных деформаций σ v = K·e V , где К – модуль объемной упругости.

В практике при прогнозе устойчивости инженерных сооружений наибольшее распространение получили линейные деформации e . Касательные и объемные используются при решении частных задач. Поэтому ниже остановимся на линейных деформациях.

Линейные деформации

При приложении к грунту внешней нагрузки в нем первоначально возникают упругие деформации, затем пластические и разрушающие (рисунок 7.6).

Рисунок 7.6 – Схема формирования упругих (1), пластических (2) и разрушающих (3) деформаций

4. Упругие деформации

Под упругими (объемными) деформациями грунта понимаются деформа-

ции, которые восстанавливаются при устранении (снятии) сил, их вызывающих (рисунок 7.7).

а) Механизм упругого деформирования следующий: при нагружении грунта в нем возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения вызывают изменение расстояния между атомами кристаллической решетки. Снятие нагрузки устраняет причину, вызванную изменением межатомного расстояния, атомы становятся на прежнее место и деформация исчезает.

Если нормальные напряжения достигают значений сил межатомных связей (величины структурных связей в грунте), то происходит хрупкое разрушение грунта путем отрыва.

Структура

Рисунок 7.7 – Схема формирования упругих деформаций на уровне: 1 – кристалла; 2 – структурной связи; 3 – грунта

Графическая зависимость напряжения и деформаций грунта приведена на рисунок 7.8.

Рисунок 7.8 – Зависимость напряжений и деформаций грунта при нагрузке ОА и разгрузке АО

Из рисунка 7.8 видно, что при нагружении грунт деформируется на отрезке ОА по линейной зависимости. При разгрузке грунт полностью восстанавливает свою форму, о чем свидетельствует ветвь разгрузки АО, которая повторяет ветвь нагрузки ОА.

Отсюда деформация е обр. – есть упругая часть общей деформации.

б) Мерой упругих деформаций является модуль упругости (модуль Юнга), который определяется по зависимости (рисунок 7.9):

E = σ

e обр.

где σ – напряжение; е прод. – относительная деформация грунта.

e прод .

Рисунок 7.9 – Схема определения модуля Юнга

Мерой поперечных деформаций является коэффициент Пуассона, который определяется по формуле:

μ = e попер.

где e попер – относительные поперечные деформации.

e попер. = d d

e прод – относительные продольные деформации.

e прод. = h h

в) Методика определения упругих свойств пород включает в себя:

– изготовление образца в виде цилиндра с соотношением высоты (h ) к диаметру (d ) равным 2 ÷ 4;

– нагружение образца через пресс;

– измерение продольных и поперечных деформаций при каждой ступени нагружения;

– расчет показателей.

5. Факторы, определяющие упругие свойства грунтов

К основным факторам, определяющим упругие свойства пород, можно отнести:

– трещиноватость (пористость);

– структурные связи;

– минеральный состав.

Упругие деформации в значительной мере проявляются у скальных грунтов, в дисперсных они имеют подчиненное значение. Поэтому рассмотрим факторы, влияющие на упругие свойства грунтов, по группам.

Скальные грунты

У большинства скальных грунтов область упругости сохраняется до напряжений, составляющих 70–75 % от разрушающих.

Трещиноватость (пористость)

Влияние трещиноватости и пористости на упругие свойства грунтов значительно. На рисунке 7.10 приведены зависимость модуля упругости от пористости.

Рисунок 7.10 – Зависимость модуля упругости (Е) грунтов разного состава от пористости (n):

1 – мигматиты и гранитоиды;

2 – граниты;

3 – габбро и диабазы;

4 – лабрадориты;

5 – железистые кварциты;

6 – кварциты и песчаники;

7 – карбонатные грунты;

8, 9, 10 – основные, средние и кислые эффузивы; 11 – туфы и туфобречкии.

Из рисунка 7.10 видно, что с увеличением пористости от 1 до 20 % модуль упругости уменьшается в 8 раз. Подобная же закономерность характерна и для трещиноватых грунтов (рисунок 7.11). С увеличением трещиноватости модуль упругости Е уменьшается в 3 раза.

Рисунок 7.11 – Зависимость динамического модуля упругости (ЕD ) грунтов от степени тектонической нарушенности:

I – слаботрещиноватые;

II – среднетрещиноватые;

III – сильнотрещиноватые;

1 – габбро-долериты;

2 – базальты порфировые;

3 – известняки, доломиты, мергели;

4 – песчаники, алевролиты и аргиллиты;

5 – пирротин-халькопиритовые руды.

Минеральный состав

На упругие параметры влияет довольно сильно. При прочих равных условиях упругие константы грунта будут тем выше, чем выше эти константы у породообразующих минералов.

Структурные связи

Являются определяющим, после трещиноватости, фактором, влияющим на упругие свойства грунтов. Так, в магматических грунтах , где цементом является материнская порода магмы, модуль упругости изменится от Е = 40÷ 160 ГПа. В метаморфических , где цементом является перекристаллизационная материнская порода, значения модуля упругости ниже – Е = 40÷120 ГПа. В осадочных породах , где цементом являются соли, выпавшие из инфильтрационных растворов, значение модуля минимальное – Е = 0,5÷ 80 ГПа (рисунок 7.12).

Рисунок 7.12 – Взаимосвязь между материалом жестких структурных связей

и модулем упругостей скальных грунтов

У дисперсных грунтов модуль упругости определяется, в основном, типом структурных связей (рисунок 7.13). Так, в твердых глинах, с жесткими структур-

ными связями, Е = 100÷ 7600 МПа, в текучепластичных, где связи практически нет, модуль составляет Е = 2,7÷ 60 МПа, т. е. Е уменьшается в 30÷ 100 раз.

твердая (жесткая) текучепластичная (водно-калоидная)

Рисунок 7.13 – Взаимосвязь между типами структурных связей и модулем упругости для глины

Численные значения некоторых скальных и полускальных грунтов приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Значения характеристик упругих свойств скальных и полускальных горных пород

1 мПА – 10 кгс/см2

6. Механизм пластических деформаций

Под пластическими деформациями понимаются деформации, которые не восстанавливаются при устранении (снятии) сил, вызывающих их (рисунок 7.14).

В классическом виде пластические деформации в упругих телах образуются следующим образом: при нагружении материала в нем возникают нормальные и касательные напряжения. Под действием касательных напряжений одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. При снятии нагрузки эти перемещения остаются, т. е. происходит пластическая деформация (см. рисунок 7.14). Нормальные напряжения формируют упругие деформации.

Рисунок 7.14 – Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием касательных напряжений:

а – ненапряженная решетка;

б – упругая деформация;

в – упругая и пластическая деформация; г – пластическая деформация;

д, е – пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

Под упругим телом понимается материал, в котором отсутствуют поры и трещины. В грунтах всегда есть поры и трещины. Поэтому механизм формирования пластических деформаций несколько отличается от классического.

При нагружении грунтов, особенно дисперсных, высокопористых, в них возникают нормальные и касательные напряжения. Под действием нормальных напряжений первоначально формируются упругие деформации (незначительные), затем за счет уменьшения пор в грунте происходит перемещение частиц грунта относительно друг друга. Эти перемещения под действием нормальных напряжений заканчиваются при заполнении порового пространства грунтовыми частицами. После чего, по классической схеме, в работу вступают касательные напряжения, которые и формируют классическую часть пластических деформаций.

Таким образом, в грунтах пластические деформации (е п . ) фактически складываются из деформаций сжатия (е сж. ) и собственно пластических е с.п . , т. е.

е п.=е сж. + е с.п. = е общая

При этом доля собственно пластических деформаций в составе общих незначительна. Поэтому в практике геологи работают с деформацией сжатия, которую называем сжимаемостью.

Под сжимаемостью понимается способность грунтов уменьшаться в объеме (давать осадку) под воздействием внешнего давления (нормальных напряжений).

7. Построение компрессионной кривой

Показатели сжимаемости определяются в лаборатории в условиях одномер-

ной (линейной) задачи. Такой вид испытаний грунта, без возможности бокового расширения, называется компрессией, а прибор – одометром (рисунок 7.16).

Рисунок 7.16 – Схема компрессионного прибора (одометра) 1 – одометр, 2 – грунт, 3 – поршень, P – нагрузка

При нагружении грунта в компрессионном приборе, диаметр образца не меняется. Поэтому относительная вертикальная деформация грунта равна относительному изменению объема, т. е.

где h 0 – первоначальная высота образца грунта;

h – изменение высоты образца под давлением; V 0 – первоначальный объем образца грунта;

V – изменение объема образца под давлением.

Так как уплотнение грунта происходит, главным образом, вследствие уменьшения объема пор, то деформацию сжатия грунта выражают через изменение величины коэффициента пористости (рисунок 7.17).

Рисунок 7.17 – Изменение объема пор в грунте при компрессии:

а – первоначальное состояние;

б – после компрессии;

Vn – объем пор;

Vс – объем скелета грунта;

ε0 , ε1 – коэффициенты пористости начальный и после компрессии; h0 – первоначальная высота образца;

h – высота образца после компрессии;

h – изменение высоты образца под давлением.

Напомним, что коэффициент пористости – это показатель, характеризующий отношения объема пор (V n ) к объему минеральной части грунта (V с ).

По этой же схеме рассчитывается объем образца при нагружении (V1 ):

Подставив в выражение (1) значение объемов образцов до опыта и после опыта (4) и (5), получим:

Из формулы (6) получим выражение для коэффициента пористости грунта, соответствующего данной ступени нагрузки (ε p ):

давлении P , ε 0 – коэффициент пористости начальной.

Зная коэффициенты пористости (или относительные деформации) грунта при соответствующих ступенях нагрузки, можно построить компрессионную кривую (рисунок 7.18).

ε = ρ s − ρ d

ρ d

где ρ s – плотность частиц;

ρ d – плотность сухого грунта.

ε 1 A

Рисунок 7.18 – Компрессионная кривая, построенная по данным коэффициента пористости и нагрузке

8. Показатели, характеризующие сжимаемость грунтов

Компрессионную сжимаемость грунтов можно характеризовать разными показателями: коэффициентом сжимаемости (a ), модулем осадки (e p ) и модулем общей деформации (E 0 ).

Коэффициент сжимаемости (компрессии) (a) определяется следующим образом. Для небольших диапазонов давлений (1–3 ктс/см 2 ) компрессионную кривую между точками А и В заменяем прямой, тогда:

где ε и P – интервалы измерений ε и P .

Как видно из уравнения, коэффициент компрессии характеризует уменьшение пористости при повышении давления на единицу.

Модуль общей деформации (E 0 ) характеризует также уменьшение пористости при нагружении грунта и определяется:

E 0 = β 1 + a ε 0 ,

где ε 0 – первоначальный коэффициент пористости; a – коэффициент сжимаемости;

β – коэффициент, зависящий от поперечного расширения грунта

и приблизительно равный для песков – 0,8; для супесей – 0,7; для суглинков – 0,5 и для глин – 0,4.

Модуль общей деформации можно получить, используя закон Гука:

E = σ e

Для этого строится компрессионная кривая по данным относительной деформации (e ) и нагрузки (напряжении) (рисунок 7.19).

e = h h

e 1 e 2

Рисунок 7.19 – Компрессионная кривая, построенная

по данным относительной вертикальной деформации (e) и нагрузки

Расчет E 0 , проводится по зависимости

В таблице 7.1 приведены некоторые значения E общ. модуля общей деформации.

Таблица 7.1 – Модуль общей деформации различных типов горных пород по результатам полевых опытных испытаний

* – 1 МПа – 10 ктс/см2

Модуль осадки (сжимаемости)

В практике расчетов часто в качестве меры сжимаемости применяют непосредственно величину относительной вертикальной деформации:

e p = 1000 h h мм / м .

Величина e p называется модулем осадки и представляет величину сжатия в миллиметрах столба грунта высотой в 1 м при приложении к нему дополнительной нагрузки P .

h – уменьшение высоты образца при давлении P , мм . h 0 – начальная высота образца, мм .

На основании определений модуля осадки строится кривая зависимости модуля осадки от давления (рисунок 7.20), которая позволяет быстро находить величину осадки толщи грунта с мощностью 1 м при том или ином давлении.

Модуль осадки ep в мм/м

Вертикальное давление Pn , в кГ/см2

Рисунок 7.20 – Кривая зависимости модуля осадки от давления

9. Консолидация грунтов

Уплотнение глинистого водонасыщенного грунта во времени под постоянной нагрузкой называется консолидацией. Знание процесса консолида-

ции глинистых грунтов необходимо для правильного прогноза скорости осадок сооружений.

Механизм консолидации

В общем случае при приложении внешней нагрузки к водонасыщенному грунту первоначально возникает мгновенное сжатие, обусловленное упругими деформациями поровой воды и скелета грунта, затем начинается процесс фильтрационной (первичной) консолидации, обусловленный выжиманием воды из пор грунта, по завершении которого идет процесс вторичной консолидации грунта, определяемый медленным смещением частиц относительно друг друга в условиях незначительного отжатия воды из пор грунта (рисунок 7.21).

Рисунок 7.22 – Общий вид кривой консолидации водонасыщенного глинистого грунта (σ z = const):

0-1 – мгновенное сжатие; 1-2 – фильтрационная (первичная) консолидация; 2-3 – вторичная консолидация.

На рисунке 7.22 приведен общий вид консолидации водонасыщенного глинистого грунта при σ = const.

Одним из параметров консолидации грунтов является коэффициент консолидации (Сv ), характеризующий скорость процесса уплотнения, определяемого по формуле:

с v = K ф (1+ е ) / aρ в

где Кф – коэффициент фильтрации;

е – коэффициент пористости;

а – коэффициент сжимаемости;

ρ в – плотность воды; сv измеряется в см2 /с.

Высокая скорость консолидации (большие значения сv – порядка 10-2 …10-3 см2 /с) характерна для грубодисперсных (крупно- и мелкообломочных) грунтов. Пески уплотняются намного быстрее, чем глины, так как обладают большими коэффициентами фильтрации. Консолидация высокодисперсных грунтов идет наиболее медленно (низкие значения сv ≈ 10-5 …10-6 см2 /с), так как глины обладают малыми коэффициентами фильтрации, отжатие связанной воды в них происходит медленно и с трудом, обуславливая так называемые длительные или «вековые» осадки сооружений (рисунок 7.23). Продолжительность таких осадок может составлять несколько лет.

Рисунок 7.23 – Длительная осадка толщи илов в основании Каховской ГЭС

1-6 – илы в разных частях плотины

10. Понятие об эффективном и нейтральном давлениях

При прогнозе осадок грунтового массива величина внешнего давления является одним из важнейших параметров.

В процессе уплотнения водонасыщения глинистых грунтов не вся внешняя нагрузка передается на скелет грунта, а только ее часть, которая называется эффективным давлением (Pz ).

Вторая часть нагрузок (Pw ) направлена на отжатие из грунта воды, которая называется нейтральным или поровым давлением. Отсюда общее давление:

P = Pz + Pw

Понятие об эффективном и нейтральном давлениях распространяют и на любые нормальные напряжения, действующие в водонасыщенных грунтах. В общем случае можно написать:

σ = σ + и

σ = σ − и

т. е. эффективное напряжение σ в любой точке водонасыщенного грунта равно разности между полным σ и нейтральным и напряжениями.

11. Методика определения

Для изучения сжимаемости грунтов в настоящее время пользуются прибором типа прибора Терцаги (рисунок 7.24), с жесткими металлическими стенками, препятствующими боковому расширению образца при сжатии его вертикальной нагрузкой. Это так называемые одометры.

Рисунок 7.24 – Кольца Терцаги

Изучение сопротивления грунтов сжатию производится в условиях, близких к условиям работы грунта в результате возведения сооружения.

Нагрузка на прибор для передачи давления на образец осуществляется ступенями. Первая нагрузка при стандартных испытаниях образцов с ненарушенной структурой должна быть равна природной, т. е. весу толщи пород, залегающих выше места отбора образца.

Природное давление однородной толщи, залегающей выше уровня грунтовых вод, подсчитывается по формуле:

ρ ир . = 0,1 Н кГ / см2 .

Максимальная нагрузка для грунтов с ненарушенной структурой должна быть на 1–2 кГ/см2 больше суммы проектной нагрузки от сооружения и давления вышележащей толщи пород.

Каждую сообщаемую образцу грунта ступень давления выдерживают до условной стабилизации деформации. За условную стабилизацию деформации принимают величину сжатия, не превышающую 0,01 мм за время:

– 30 мин. – для песчаных грунтов;

– 3 часа – для супесей;

– 12 часов – для суглинков и глин.

Осадка образца в процессе испытания определяется с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм, располагаемого на приборе.

Таким образом, деформационные свойства грунтов в целом можно характеризовать модулем деформации.

Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики.

Сжимаемость грунтов характеризует их способность деформироваться без разрушения под влиянием внешней нагрузки. Деформационные свойства грунтов характеризуются модулем общей деформации Е , коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия. Сжимаемость дисперсных грунтов под нагрузкой обусловлена смещением минеральных частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор.

Прочность грунтов определяется их сопротивляемостью сдвигу , которое можно описать линейной зависимостью Кулона

τ = p tgφ + c ,

где τ – сопротивление сдвигу, МПа; р – нормальное давление,МПа; tg φ – коэффициент внутреннеготрения; φ – угол внутреннего трения, град; c – сцепление,МПа.

Величины φ и c необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости.

Прочность скальных грунтов определяется преимущественно их структурными связями, т.е. сцеплением, но в наибольшей меретрешиноватостью.

Временное сопротивление скального грунта одноосному сжатию (предел прочности на сжатие) является важной классификационной характеристикой, по которой проводится отнесение грунта к скальному (> 5 МПа) или нескальному (< 5 МПа).

Химико-минеральный состав, структуры и текстуры грунтов, содержание органического вещества определяют в геологических лабораториях, оснащенных необходимой аппаратурой (рентгеноэлектронный микроскоп и т. д.). Физико-механические свойства грунтов изучают в грунтоведческих лабораториях и в полевых условиях на будущих строительных площадках. Особое внимание при этом обращается на достоверность получаемых результатов .

По каждой характеристике грунтов выполняется несколько определений и проводится их статистический анализ. Для любого ИГЭ определений должно быть не менее трех.

Грунтоведческая лаборатория. Образцы грунтов для лабораторных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах и в буровых скважинах на объектах.

В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты - это образцы грунтов с ненарушенной структурой, которые должны иметь размеры 20 х 20 х 20 см. У пылевато-глинистых грунтов нужно сохранять природную влажность за счет водонепроницаемой парафиновой или восковой оболочки на их поверхности В рыхлых грунтах (песок, гравий и т. д.) образцы отбираются массой не менее 0,5 кг.

В лабораторных условиях можно определять все физико-механические характеристики, причем каждую согласно своему ГОСТ: природная влажность и плотность грунта – ГОСТ 5180-84, предел прочности – ГОСТ 17245-79, гранулометрический (зерновой) состав – ГОСТ 12536-79 и т. д. В лаборатории определяют влажность, плотность частиц грунта и некоторые другие.

Полевые работы. Исследование грунтов в полевых условиях дает преимущество перед лабораторным анализом, поскольку позволяет определять все значения физико-механических характеристик при естественном залегании грунтов без разрушения их структуры и текстуры, с сохранением режима влажности. При этом моделируется работа массивов грунтов в основаниях зданий и сооружений. Такие исследования грунтов в последние годы используют все больше.При этом совершенствуется техническая оснащенность, применяютсяЭВМ. Экспресс-методы позволяют быстрее получать свойства грунтов. Чтобы прогнозировать поведение массивов грунтов на период эксплуатации зданий и сооружений, целесообразно разумно сочетать лабораторные и полевые исследования.

Среди методов деформационных испытаний грунтов на сжимаемость следует считать эталонным метод полевых штамповых испытаний (ГОСТ 20278-85). Результаты других методов испытаний, как полевых (прессиометрия, динамическое и статическое лидирование), так и лабораторных (компрессионные и стабилометрические) обязательно должны сопоставляться с результатами штамповых испытаний.

При определении прочностных характеристик грунтов наиболее достоверные результаты дают полевые испытания на срез целиков грунта непосредственно на строительной площадке(ГОСТ 23741-79). Из-за высокой стоимости и трудоемкости эти работы проводят толькодля сооружений I уровня (класса) ответственности. К ним относятся здания и сооружения, имеющие большое хозяйственное значение, социальные объекты и требующие повышенную надежность (главные корпусы ТЭС. АЭС, телевизионные башни, промышленные трубы выше 200 м, здания театров, цирков, рынков, учебных заведений и т, д.).

Для других случаев строительства (II и III класс сооружений) достаточно надежные показатели с и φ получают в результате лабораторных испытаний грунтов в приборах плоского среза (ГОСТ 12248-78) и трехосного сжатия (ГОСТ 26518-85).

Прочностные характеристики можно также определять по методу лопастного зондирования, результаты которого при проектировании ответственных сооружений сопоставляют со сдвиговыми испытаниями для обеспечения достоверности результатов.

Деформационные испытания грунтов. Сжимаемость грунтов изучают методами штампов, прессиометрами, динамическим и статически зондированием.

Метод ш т а м п о в . В нескальных грунтах на дне шурфов или в забое буровых скважин устанавливают штампы, на которые передаются статические нагрузки (ГОСТ 20276-85). Штамп в шурфе – это стальная или железобетонная круглая плита площадью 5000 см 2 . Для создания под штампом заданного давления применяют домкраты или платформы с грузом (рис. 49).

Осадку штампов измеряют прогибомерами. В шурфе на отметке подошвы штампа и вне его отбирают образцы грунтов для параллельных лабораторных исследований. Штамп загружают ступенями в зависимости от вида грунта и его состояния, выдерживая до стабилизации деформаций. В итоге испытания строят графики зависимостей осадки штампа от давления и от времени по ступеням нагрузки.После этого по формуле вычисляют модуль деформации грунта Е , МПа.

Штамп в буровой скважин е. Испытание грунтов проводят в скважине диаметром более 320 мм глубиной до 20 м. На забой скважины опускают штамп площадью 600 см 2 . Нагрузка на штамп передается через штангу, на которой располагается платформа с грузом. Модуль деформации также определяют по формуле.

Прессиометрические исследования проводят в глинистых грунтах. Прессиометр представляет собой резиновую цилиндрическую камеру, опускаемую в скважину на заданную глубину и расширяемую давлением жидкости или газа. При создаваемых давлениях замеряют радиальные перемещения стенок скважины, что позволяет определять модуль деформации и прочностные характеристики грунта.

Рис. 49. Определение сжимаемости грунтов штампами:

а, б – шурфы; в – буровая скважина; 1 – штампы; 2 – домкрат;

3 – анкерные сваи; 4 – платформа с грузом; 5 - штанга

Зондирование (или пенетрация ) используется для изучения толщ грунтов до глубины 15 – 20 м. По сопротивлению проникновения в грунт металлического наконечника (зонда) определяют плотность и прочность грунтов и их изменчивость в вертикальном разрезе. Зондирование относится к экспресс-методам определения механических свойств песчаных, глинистых и органогенных грунтов, которые не содержат или имеют мало примесей щебня или гальки. По способу погружения наконечника различают зондирование динамическое и статическое . При статическом зондировании конус в грунт задавливается плавно, а при динамическом его забивают молотом.

Статическое и динамическое зондирования позволяют:

Расчленить толщу грунта на отдельныеслои;

Определить глубину залегания скальных и крупнообломочных грунтов;

Установить приблизительно плотность песков, консистенцию глинистых грунтов, определить модуль деформации;

Оценить качество искусственно уплотненных грунтов в насыпях и намывных образованиях;

Измерить мощность органогенных грунтов на болотах.

На рис. 50 показана пенетрационно-каротажная станция.

Рис. 50. Пенетрационно-каротажная станция:

1 – зонд-датчик; 2 – штанга; 3 – мачта; 4 – гидроцилиндр; 5 – канал связи; 6 – аппаратная станция; 7 – пульт управления

Прочностные испытания грунтов. Сопротивление грунтов сдвигу определяется предельными значениями напряжений при разрушении. Опыты проводят в котлованах, оставляя столбчатые целики ненарушенного грунта, к которым прикладывают сжимающие и сдвигающие усилия. Для правильного определения внутреннего трения и удельного сцепления опыт проводят не менее чем на трех целиках при различных сжимающих усилиях. Сдвиг производят также при вращении крыльчатки, которая представляет собой четырехлопастной прибор. Его вдавливают в грунт и поворачивают, измеряя при этом крутящий момент, по которому рассчитывают сопротивление сдвигу.

Опытные строительные работы . При строительстве объектов I уровня ответственности (класса) полевые исследования грунтов приобретают особо важное значение, поэтому прибегают к опытным работам.

Опытные сваи . На строительной площадке погружают инвентарную сваю и наблюдают за характером ее погружения и сопротивляемостью грунта. Прикладывая к свае нагрузки и измеряя осадки при каждой ступени определяют несущую способность грунта в условиях природной влажности и при замачивании . Результаты испытаний сравнивают с расчетными данными на базе лабораторных исследований грунта.

Опытные фундаменты . Устраивают фундаменты будущего здания в натуральную величину и на проектную глубину. На фундамент прикладывают нагрузку как от будущего здания и ведут наблюдения за сжатием грунта основания. Так определяют реальную несущую способность грунта и осадку будущего здания.

Опытные здания . Количественную оценку просадочных свойств лессов дают по данным лабораторных и полевых испытаний грунтов. В реальных условиях под возведенными зданиями в натуральную величину лессовое основание насыщают водой и проводят наблюдения за характером развития процесса, определяют значения просадок и оценивают состояние конструкций здания. Аналогичные опытные работы выполняют и при оценке динамических воздействий на конструкции зданий и основания.

Обработка результатов исследований грунтов . Оценку свойств массивов грунтов проводят на основе физико-механических характеристик в результате лабораторных исследований отдельных образцов грунтов и полевых работ на территории массива. Полученные в лаборатории и в поле характеристики отвечают только тем местам, где были отобраны образцы и проведены полевые испытания грунтов. В связи с этим разрозненные результаты исследований и нормативные показатели необходимо обобщить, т. е. статистически обработать с целью получения усредненных значений и последующего использования в расчетах оснований.

Стационарные наблюдения при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях проводят для оценки развития неблагоприятных геологических процессов (карста, оползней и др.), режима подземных вод и температурного режима На выбранных характерных участках для наблюдений устанавливают сеть реперов и ведут инструментальные наблюдения за их перемещением и т. д. Измерения выполняют в период эксплуатации зданий и сооружений, но они могут быть начаты и в периодих проектирования. Продолжительность работ – до 1 года и более.