1.1.3. Контактний опір грунтів зсуву. Умови міцності

Під дією зовнішнього навантаження в окремих точках (областях) ґрунту ефективні напруги можуть перевершити внутрішні зв'язки між частинками ґрунту, при цьому виникнуть ковзання (зсуви) одних частинок або агрегатів їх по інших і може порушитися сплош­ність ґрунту в деякій області, тобто міцність ґрунту буде перевищена.

Внутрішнім опором, перешкоджаючим переміщенню (зсуву) частинок в ідеально сипких тілах, до яких можна віднести чисті піски, буде лише тертя, що виникає в точках контакту частинок. В ідеальних же зв'язних ґрунтах, таких, як, наприклад дуже в'язкі дисперсні глини, переміщенню частинок чинитимуть опір тільки внутрішні структурні зв'язки і в'язкість водно-колоїдних оболонок частинок. Природні глини мають як в'язкі (водно-колоїд­ні), так і жорсткі (кристалічні) внутрішніми зв'язками, причому роль тих або інших зв'язків для різних глин буде різна. Поки ефективними напругами внутрішні зв'язки не перевищені, зв'язний ґрунт поводитиметься як квазітверде тіло з лише пружними силами зчеплення.

Під силами зчеплення маються на увазі опір структурних зв'язків всякому переміщенню зв'язаних ними частинок незалежно від величини зовнішнього тиску. Якщо навантаження буде таке, що ефективні напруги пере­вищать міцність жорстких структурних зв'язків, то в точках контакту мінеральних частинок і по поверхнях їх водно-колоїдних прошарків (міцно пов'язаних з мінеральними частинками) зсуву ча­стинок чинитимуть опір водно-колоїдні зв'язки, що ще залишилися і знов виникаючі. Розділити ці опори на тільки тертя і лише зчеплення частіше за все не уявляється можливим, оскільки одночасно має місце як тертя зсовуваних частинок одна по іншій, так і подолання в'язких опорів, які завжди залишаються у глинястих ґрунтах, тому що при подоланні одних в'язких зв'язків (якщо жорсткі зв'язки вже зруйновані) виникають нові.

Опір зсуву незв'язних твердих мінеральних частинок є тільки опір їх тертю; опір же агрегатів частинок з водно-колоїдними зв'язками складається як з в'язкого опору ковзанню, величина якого залежить від швидкості наростання зсовуючих зусиль, так і сил зчеплення, які у свою чергу залежать від величини ущільнюючого тиску, що виникає у точках і на майданчиках контактів частинок.

Показники опору зсуву - це основні показники міцності тіл; для ґрунтів їх важливіша особливість в тому, що вони змінні, залежать від тиску і умов в точках контакту частинок, що чинять опір зсуву. Правильний вибір показників опору зсуву ґрунтів має першорядне значення для практики, оскільки він обумовлює точність інженерних розрахунків за визначенням граничного навантаження на ґрунт, стійкості масивів ґрунту і тиску ґрунтів на огорожі.

Визначення опору ґрунтів зсуву може проводитися різними методами: по результа­тах прямого площинного зрізу, простого одновісного стиснення, тривісного стиснення, зрізу по циліндровій поверхні, вдавлювання і ін.

Закон Кулона. Сипкі ґрунти - різного роду піски (за винятком слюдяних), крупноуламкові ґрунти, галечники і т.п. при збільшенні на них зовнішнього тиску змінюють свою густину і цими змінами при випробуванні сипких ґрунтів на граничний опір зсуву можна нехтувати. Після навантаження зразка ґрунту деяким стискаючим (верти­кальним) навантаженням прикладають зсувне (горизонтальне) навантаження, збільшуючи його до тих пір, поки не виникнуть зсовуючи навантаження, незгасаючі прогресивно зростаючі деформації зсуву і відбудеться зріз (ковзання) однієї частини зразка ґрунту по іншій. Величину мак­симального граничного опору зсуву при даному ступені навантаження відносять до одиниці площі поперечного перетину зразку, приймаючи розподіл зсовуючих напруг рівномірним. Потім ідентичний зразок того ж ґрунту навантажують великим тиском і знов визначають максимальний опір зсуву (зрізу). Як показують результати численних випробувань, діаграма граничних опорів зсуву для сипких ґрунтів може бути прийнятий за пряму, виходячи з початку координат (для ідеально сипких ґрунтів), і нахилену під кутом  до осі тиску. Згідно діаграмі зсуву для сипких ґрунтів будь-яка гранична зсовуюча напруга

 =  tg , (1.1)

або, позначивши коефіцієнт пропорційності tg = 

 =   , (1.2)

Оскільки опір сипких ґрунтів зсуву є опором їх тертю, то кут  носить назву кута внутрішнього тертя, а величина tg =  - коефіцієнта внутрішнього тертя.

Співвідношення (1.1) є основною залежністю міцності для сипких ґрунтів, і може бути сформульований таким чином: граничний опір сипких ґрунтів зсуву є опір тертю, прямо пропорційний нормальному тиску. Ця залежність в механіці ґрунтів носить назву закону Кулона.

Зв'язні ґрунти (глини, суглинки і пісковини) відрізняються від ґрунтів незв'язних (сипких) тим, що частинки і агрегати частинок цих ґрунтів зв'язані між собою пластичними (водно-колоїдними) і частково жорсткими (цементаційно-кристалізаційними) зв'язками, при цьому опір їх зсуву у великій мірі залежатиме від їх зв'язності (від сил зчеплення).

Всякий зовнішній тиск на водо-насичені зв'язні глинясті ґрунти за умови вільного відтоку води, що вичавлюється зовнішнім тиском, викликає значне змі­нення густини-вологості, що і позначається на загальному опору ґрунтів зсуву.

Основними видами випробувань зв'язних ґрунтів на зсув будуть випробування по закритій системі (неконсолідовано-недренована) і випробування по відкритій системі (консолідована-дренована). У першому випадку зразки зв'язних ґрунтів повинні бути випробувані за відсутності умов видавлювання води з пір ґрунту і так, щоб під час випробування практично не змінювалася їх густина-вологість, що можна виконати лише при швидкому зсуві. При цьому випробуванні і збереженні вологості ґрунту граничний опір зсуву практично не залежить від величини зовнішнього

тиску (стискаючи напруги), змінюючись лише при зміні густини-вогкості ґрунту.

Інший характер мають криві зсуву зв'язних ґрунтів по відкритій системі. Крива консолідованого зсуву зв'язних ґрунтів має досить великий діапазон тиску, задовольняючого будівельну практику і добре описується рівнянням прямої лінії

Якщо прийняти позначення по мал. 11.16, то рівняння прямої, проведеної через експериментально знайдені точки, матиме вигляд

 =  tg + с , (1.3)

 =   + с , (1.4)

Рівняння (1.3) виражає закон Кулона для зв'язних ґрунтів, який може бути сформульований таким чином: граничний опір зв'язних ґрунтів зсуву при завершеній їх консолі­дації є функція першого ступеня від нормального тиску (стискуючої напруги). Кутовий коефіцієнт прямої (tg = ) по аналогії з сипкими ґрунтами носить назву коефіцієнта внутрішнього тертя, а пара­метр с, не залежний у явному вигляді від величини зовнішнього тиску, - коефіцієнта зчеплення.

Величини  і с слід розглядати лише як математичні параметри прямолінійної діаграми зсуву зв'язних ґрунтів, відповідає певній їх густини. Для неконсолідованого стану повністю водонасичених зв'язних ґрунтів, тобто коли повного ущільнення від даного навантаження ще не досягнуто, частина опору зсуву ґрунту, залежна від величини нормального тиску, буде менше оскільки на скелет ґрунту передається не весь зовнішній тиск, а лише ефективна, рівна різниці між повним тиском (стискуючою напругою) і нейтральним.

Величина відрізка с, що відсікається діаграмою зсуву на осі зсувів, рівна сумарній силі зчеплення ґрунту, відповідної його густини-вологості. Сумарну величину зчеплення слідує розглядати, що складається з двох складових - с (структурне жорстке зчеплення, обумовлене міцністю зв'язків цементаційно-кристалізаційних і необоротне при руйнуванні) і cw - пластичне зчеплення, обумовлене водно-колоїдними оборотними зв'язками.