Механика грунтов

      Прочность грунта оценивается максимальной нагрузкой, приложенной к нему в момент разрушения (потери сплошности). Эта характеристика называется пределом прочности Rc измеряется в МПа, или временным сопротивлением сжатию.

На прочность  грунтов влияют: минеральный состав, характер структурных связей, трещиноватость, степень выветрелости, степень размягчаемости в воде. Для нескальных грунтов другой важной характеристикой прочности является сопротивление сдвигу. Определение этого показателя необходимо для расчета устойчивости оснований, а так же для оценки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета давления грунта на подпорные стены и т. д. Сопротивление сдвигу оценивается силами внутреннего сдвига φ измеряется в градусах, сцепления C, кПа. Под первыми понимают силы сопротивления, которые возникают между соприкасающимися друг с другом частями грунта, а под вторым – сопротивление структурных связей грунта всякому перемещению слагающих частиц.

Для практических расчетов по деформациям и несущей  способности грунтов применяются  показатели удельного сопротивление C, кПа, φ, град. Сдвиговые характеристики определяют полевыми работами (срез целиком грунта, вращательный срез, зондирование) и лабораторными исследованиями в приборе плоского среза (стабилометре)

Деформационные  свойства характеризуют поведение  грунтов под нагрузками, не превышающими критические и не приводящие к разрушению. Деформируемость грунтов зависит как от сопротивляемости и податливости структурных связей, пористости, так и от способности деформироваться слагающих их минералов.

Для проведения расчетов по деформациям грунтов  используют модуль общей деформации E, измеряется в МПа. Для его определения проводят штамповые и прессиометрические полевые работы, а так лабораторные исследования компрессионные и стабилометрические испытания грунтов.

При определении  ориентировочных размеров подошвы слоя по таблицам СНиП 2.02.01-83 находят значение расчетного сопротивления грунтов R0 (кПа)

Для расчета  стабилизации осадок зданий и сооружений определяющим показателем будет  коэффициент фильтрации kф. Определяется в лабораториях, по таблицам, по опытным откачкам воды для водонасыщенных и наливы для сухих грунтов.

В расчетах по деформациям и по несущей способности  грунтов используется плотность  грунта p (отношение массы образца  к его объему).

Вспомогательные характеристики, отражающие физические свойства дисперсных грунтов

Важными расчетными характеристиками являются коэффициент пористости е, степень  влажности Sr и показатель текучести JL. Они характеризуют состояние  грунтов. По наименованию грунтов и  их коэффициенту пористости определяют плотность сложения песчаных грунтов. Показатель текучести характеризует подвижность глинистых частиц при механических воздействиях на грунт. JL отражает степень заполнения пор грунтовой водой

В лабораторных условиях для определения гранулометрического  состава исследуют зерновой и микроагрегатный состав (по ГОСТ 12536-84), природную влажность W, влажность на границе раскатывания (пластичности) для глинистых грунтов Wp, влажность на границе текучести только для пылеватоглинистых грунтов WL (по ГОСТ 5180-84).

Кроме указанных характеристик на свойства грунтов во многих случаях существенное влияние оказывают минеральный и химический составы, структуры и текстуры, для скальных грунтов – трещиноватость, степень выветрелости, для дисперсных – содержание водорастворимых солей, присутствие органического вещества.

Реологические свойства грунтов. При оценке свойств  грунтов следует помнить, что  эти свойства могут изменяться во времени в силу воздействия процессов  выветривания и многолетнего воздействия  больших нагрузок. Всё это приводит к «усталости» грунтов. В грунтах возникают процессы деформации в виде ползучести и даже текучести. – этот процесс называется реологическим. В результате грунт разрушается, издание деформируется.

Сопротивление грунта срезу вызывается сопротивлением междучастичных связей, зависящим от прикладываемого давления. Прочность связей зависит от вида грунта, его влажности и плотности.

      Срез  происходит по определенной поверхности. Схема разрушения представлена на рис.М.11.2. Деформация сдвига захватывает некоторый объем и связана с перекашиванием прямоугольного элемента.

Под прямым срезом в механике грунтов понимается срез, изображенный на рис.М.11.2, однако часто под сдвигом понимается и прямой срез, а эти понятия  отождествляются.

Деформация  сдвига в грунтах связана с  изменением объема, так как при  сдвиге происходит перекомпоновка частиц. Особенно явно это проявляется в песке. При сдвиге в плотном песке происходит его разуплотнение, а в рыхлом - уплотнение. Однако существует такая начальная пористость песка, которая при сдвиге не изменяется. Эта пористость называется критической. Критическая пористость ближе по своему значению к максимальной. 

Закон Кулона для несвязного грунта имеет  следующий вид (рис.М.11.4,а):

где φ угол внутреннего трения. Угол внутреннего трения следует рассматривать как параметр линейного графика среза образца песчаного грунта, который проведен через начало координат.

Однако  в ряде случаев диаграмма может  иметь начальный участок c₀, называемый зацеплением. Обычно величина этого зацепления очень невелика.

Сопротивление срезу связного глинистого грунта вызывается междучастичными связями - пластичными водно-коллоидными и хрупкими цементационными  

Закон Кулона для связного грунта записывается следующим образом (см.рис.М.11.4,б):

где φ - угол внутреннего трения; c - удельное сцепление.

Эта зависимость  определяет предельное состояние грунта. Если состояние в глинистом грунте неконсолидированное, то имеет место давление в поровой воде (поровое давление) u, и этот закон будет следующим:

где - полное давление на площадке уже в полностью консолидированном состоянии, а разность ( -u) представляет эффективное давление, то есть давление, приходящееся на скелет грунта. Строго говоря, j и c следует рассматривать лишь как параметры линейного графика среза связного грунта.

Диаграмма Мора (рис.М.11.10) служит для определения  всех компонентов напряжений, действующих  по любой, как угодно направленной площадке в точке сплошной среды. Таким  образом, диаграмма Мора характеризует  напряженное состояние в точке. Это напряженное состояние будет предельным, если круг Мора касается предельной огибающей кругов Мора. Если он не касается этой предельной огибающей, то состояние будет непредельным. Пересекать предельную огибающую он не может. Предельная огибающая может быть прямолинейной или, в более общем случае, криволинейной - это зависит от свойств среды, т.е. грунта. Диаграмма Мора строится в координатах t (касательное напряжение) - s (нормальное напряжение) для любой площадки. 

Формальной  разницы между диаграммой Мора и диаграммой Кулона нет, поскольку при построении той и другой диаграммы по оси абсцисс откладывается нормальное напряжение s , а по оси ординат касательное напряжение t . Но существенная разница заключается в том, что диаграмма Кулона относится лишь к одной из площадок, проходящих через рассматриваемую точку в массиве грунта, а диаграмма Мора относится ко всем площадкам, проходящим через эту рассматриваемую точку, то есть диаграмма Мора включает в себя диаграмму Кулона как частный случай.

Условие Мора в частном случае, когда напряжения входят в него линейно, записывается так:

где σ ₁>σ ₂ - главные напряжения.

В общем  случае, когда огибающая предельных кругов Мора не прямолинейна, эта зависимость будет иметь функциональный вид и здесь не приводится. В условие Мора входят два главных напряжения σ 1 и σ 2. Оно связано с напряжениями, действующими в точке грунта, и не привязано только к наиболее опасной площадке как условие прочности Кулона. Но с помощью диаграммы Мора эту наиболее опасную площадку можно найти.

Условие прочности Кулона, связанное только с наиболее опасной площадкой, проходящей через данную точку, имеет вид 

При этом напряженное состояние в точке  в целом не рассматривается.

Поскольку неизвестных две величины, то и  минимальное число опытов - два (потом решаются два уравнения с двумя неизвестными). Для несвязного грунта, у которого c = 0, минимально возможен один опыт, с помощью которого устанавливается величина угла внутреннего трения σ . Это и есть минимальное количество опытов, но исключающее возможность статистической обработки результатов.

Условие прочности Мора записывается в напряжениях  s _z, s _x и t _xz следующим образом:

.

Частные случаи следующие:

1)σ ₂ = 0 - одноосное сжатие;

2) σ₂ =-s ₁ - чистый сдвиг, когда σ ₁ +σ₂ = 0;

3)σ ₁ = 0 - одноосное растяжение (σ₂< 0).

В лабораторных условиях для этой цели используются методы:

-  прямого среза;

-  трехосного сжатия;

-  сжатия-растяжения;

-  испытания в приборе с независимым регулированием трех главных напряжений;

-  испытания в приборе "шариковой пробы".  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Критическая нагрузка по условию обеспечения устойчивости  основания сооружений.  

Ответ: Если взять кубик связного грунта (глины), то при малых давлениях, прикладываемых к нему сверху, происходит затухание осадки со временем и ее стабилизация (фаза затухающей ползучести - 1) (рис.М.12.3). При дальнейшем увеличении нагрузки осадка будет нарастать практически с постоянной скоростью и не стабилизироваться (фаза установившейся ползучести - 2). Дальнейший рост нагрузки приведет к такому состоянию, когда скорость нарастания осадки со временем будет расти и, наконец, произойдет полное разрушение грунта. Это - фаза прогрессирующего течения - 3.

На кривой "нагрузка-осадка" (рис.М.12.4), полученной для штампа, находящегося на поверхности  основания, можно различить три  фазы: I - фазу уплотнения, II - фазу образования зон сдвигов, размер которых растет с ростом нагрузки и III - фазу полного выпирания (потеря несущей способности основанием).

Для определения  границы I фазы принимается схема, когда  основание загружено равномерно распределенной нагрузкой p, расположенной на участке шириной b. По бокам действует пригрузка q, а область предельного равновесия только начинает образовываться в точках A1 и A2. Коэффициент бокового давления x 0 в схеме Пузыревского-Герсеванова принимается равным единице (x 0 = 1). Если x 0 < 1 или x 0 > 1, то в обоих случаях область пластической деформации будет зарождаться раньше, чем при x 0 = 1 (рис.М.12.5).

Формулы для главных напряжений наибольшего s 1 и наименьшего s 2 имеют следующий вид: