- •«Национальный исследовательский томский политехнический университет» грунтоведение
- •Предисловие
- •Введение
- •1. История развития и задачи грунтоведения
- •2. Состав грунтов
- •2.1. Минеральная компонента грунтов
- •2.1.1. Типы связей, состав и свойства минерального вещества грунтов
- •2.1.1.1. Типы связей в твердых компонентах грунтов
- •2.1.1.2. Состав и свойства первичных силикатов
- •2.1.1.2.1. Состав, строение и свойства глинистых минералов
- •2.1.1.3. Состав и свойства простых солей
- •2.1.1.4. Состав и свойства сульфидов и металлических соединений
- •2.1.2. Классификационные показатели грунтов, содержащих минеральную компоненту
- •2.1.2.1. Классификационные показатели скальных грунтов
- •2.1.2.2. Классификационные показатели техногенных грунтов
- •2.1.2.3. Классификационные показатели дисперсных грунтов
- •2.1.2.4. Классификационные показатели элювиальных грунтов
- •2.1.3. Определение минералогического состава грунтов
- •2.1.4. Определение гранулометрического состава дисперсных грунтов
- •2.2. Органическая компонента грунтов
- •2.2.1. Распространение, состав и свойства органического вещества в грунтах
- •2.2.2. Классификационные показатели грунтов содержащих органическую компоненту
- •2.2.2.1. Классификационные показатели органоминеральных грунтов и их определение
- •2.2.2.2. Классификационные показатели органических грунтов и их определение
- •2.3. Ледяная компонента грунтов
- •2.3.1. Распространение, состав и свойства льда в грунтах
- •2.3.2. Классификационные показатели грунтов содержащих ледяную компоненту
- •2.3.3. Распространение, состав и свойства газогидратов
- •2.4. Жидкая компонента грунтов
- •2.4.1. Распространение, классификация, состав и свойства жидкой компоненты грунтов
- •2.5. Газовая компонента грунтов
- •2.5.1. Распространение, состав и свойства газовой компоненты грунта
- •2.5.2. Характеристики газовой компоненты грунта
- •2.6. Биотическая компонента грунтов
- •2.6.1. Распространение, состав биоты грунтов
- •2.6.2. Биологическая активность грунта и ее показатели
- •3. Требования к описанию, отбору, хранению, транспортировке и качеству образцов грунта
- •3.1. Требования к описанию образцов грунта
- •3.2. Требования к отбору, хранению, транспортировке и качеству образцов грунта
- •4. Физические свойства грунтов
- •4.1. Влажность грунтов
- •4.2. Консистенция грунта и ее характеристики
- •4.3. Плотность грунтов
- •4.4. Пористость грунтов
- •5. Гидрофизические свойства грунтов
- •5.1. Водопроницаемость грунтов
- •5.2. Водопрочность грунтов
- •5.2.1. Размокаемость грунтов
- •5.2.2. Размягчаемость грунтов
- •5.2.3. Размываемость грунтов
- •5.3. Набухание грунтов
- •5.4. Усадочность грунтов
- •5.5. Просадочность лессовых и лессовидных грунтов
- •6. Теплофизические свойства грунтов
- •6.1. Показатели теплофизических свойств грунтов
- •6.2. Пучинистые свойства грунтов
- •7. Химические свойства грунтов
- •7.1. Растворимость грунтов, ее основные характеристики и методы их определения
- •7.2. Агрессивность грунтов по отношению к бетону и металлам
- •7.2.1. Химическая и биологическая агрессивность грунтов по отношению к бетону
- •7.2.2. Коррозия металлических элементов подземных конструкций
- •7.2.2.1. Определения коррозионной активности грунтов по химическому составу водной вытяжки
- •7.2.2.2. Определение удельного электрического сопротивления грунта и средней плотности катодного тока
- •7.2.2.3. Определение коррозии металлов блуждающим током
- •7.2.2.3. Определение признаков биохимической коррозии
- •8. Физико-механические свойства грунтов
- •8.1. Основные понятия о напряжениях и деформациях в грунтах
- •8.2. Реологические свойства грунтов
- •8.3. Деформационные свойства грунтов и определение их показателей
- •8.3.1. Деформационные свойства грунтов
- •8.3.2. Определение характеристик деформируемости при компрессионных испытаниях дисперсных грунтов
- •8.3.2.1. Определение показателей деформации просадочных грунтов
- •8.3.2.2. Определение характеристик деформации набухающих грунтов
- •8.3.2.3. Определение характеристик деформации засоленных грунтов
- •8.3.2.4. Определение характеристик деформации мерзлых грунтов
- •8.3.3. Определение характеристик консолидации грунтов
- •8.4. Прочностные свойства грунтов и определение их показателей
- •8.4.1. Сопротивление грунтов сдвигу
- •8.4.1.1. Определение показателей прочности на сдвиг дисперсных грунтов
- •8.4.1.2. Определение показателей прочности на сдвиг мерзлых грунтов
- •8.4.1.3. Определения показателей прочности скального грунта при срезе со сжатием
- •8.4.2. Определение угла естественного откоса грунтов
- •8.4.3. Сопротивление грунтов одноосному растяжению
- •Временное сопротивление разрыву скальных грунтов [50]
- •8.4.4. Сопротивление грунтов изгибу
- •8.5. Определение показателей прочности и деформируемости грунтов методом одноосного сжатия
- •8.5.1. Определение показателей прочности и деформируемости связных и полускальных грунтов
- •8.5.2. Определение показателей прочности и деформируемости скальных грунтов
- •8.5.3. Определение показателей прочности и деформируемости мерзлых грунтов
- •8.6. Определение показателей прочности и деформируемости грунтов методом трехосного сжатия
- •8.6.1. Определение показателей прочности и деформируемости дисперсных грунтов
- •8.6.2. Определение показателей прочности и деформируемости скальных грунтов
- •8.7. Определение показателей твердости, крепости, выветрелости и истираемости грунтов
- •8.8. Особенности определения параметров физико-механических свойств переуплотненных грунтов
- •8.9. Динамические свойства грунтов
- •8.9.1. Определение показателей динамических свойств грунтов
- •8.9.2. Разжижение грунтов
- •9. Классификации грунтов
- •9.1. Виды классификаций грунтов в инженерной геологии
- •9.2. Общая классификация грунтов
- •Список литературы
- •8.5. Определение показателей прочности и деформируемости грунтов методом одноосного сжатия 393
8.4.1. Сопротивление грунтов сдвигу
Сопротивляемость грунтов сдвигу является основным фактором, определяющим поведение грунта под нагрузкой, и поэтому, изучение сопротивления грунтов сдвигающим усилиям, возникающим при инженерно-геологических процессах и в результате воздействия сооружений, имеет большое значение для правильного расчета: устойчивости оснований (несущей способности оснований), заложения откосов плотин, насыпей, дамб, выемок, бортов карьеров, коэффициентов устойчивости склонов, оползневых процессов, расчета давления грунтов на крепи подземных выработок и подпорные стенки.
Грунты в основании сооружений, а также при разных отметках их поверхности испытывают воздействие не только нормальных σ, но и касательных напряжений τ. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного состояния, происходит сдвиг одной части массива грунта по другой (рис. 8.32, а). Следует различать две возможные формы нарушения устойчивости сооружения: плоский и глубокий сдвиг. Плоский сдвиг возникает, главным образом, при относительно невысоких нормальных напряжениях, создаваемых сооружением и при достаточно высокой плотности грунтов основания. Наиболее характерной формой его проявления является сдвиг сооружения по контакту фундамент-основание или по наиболее слабым прослойкам грунтов в основании. Глубокий сдвиг имеет место при приложении к основанию, сложенному относительно слабыми грунтами, когда прикладываются значительные нагрузки. В этих случаях сдвиг происходит по некоторой криволинейной поверхности скольжения, заходящей в толщу подстилающих пород на большую глубину.
При одноплоскостном срезе прочность грунта зависит от соотношения величин нормального сжимающего (σ) и касательного сдвигающего (τ) напряжений, действующих на одной площадке: чем больше вертикальная сжимающая нагрузка на образец грунта, тем большее сдвигающее напряжение нужно приложить к образцу для его среза (рис. 8.32, а). Разрушение грунта в данном случае происходит лишь при определенном соотношении σ и τ, поэтому прочность нельзя характеризовать критическими парами напряжений (σ или τ), так как они являются переменными.
Взаимосвязь предельных касательных и нормальных напряжений τ =f(σ) описывается линейным уравнением, представляющим собой условие прочности Мора – Кулона (закон Кулона):
τ = σ tgφ + с, (8.12)
где φ – угол внутреннего трения, град; tgφ – коэффициент внутреннего терния; с – сцепление, МПа.
Для несвязных грунтов не обладающих сцеплением закон Кулона упрощается:
τ =σ tg φ. (8.13)
Зависимость (8.13) была установлена Ш. Кулоном в 1773 г. и выражает закон сопротивления сыпучих грунтов сдвигу: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению.
Угол внутреннего трения (φ), определяется как угол наклона прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления τ =f(σ) к оси абсцисс. Величина удельного сцепления (с) определяется как отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат при σ=0 (рис. 8.33). Выше этой прямой лежит опасная область соотношений напряжений σ и τ, ниже – безопасная область.
Если состояние глинистого грунта неконсолидированное, то имеет место поровое давление u, а величина τ определяется по формуле 8.11.
В условиях прямого среза образец грунта подвергается воздействию постепенно возрастающих касательных напряжений , при постоянном нормальном напряжении . Рост касательных напряжений приводит к возникновению горизонтальной l и вертикальной h деформаций (рис. 8.32, в). Вертикальная деформация может быть положительной при сжатии или отрицательной при расширении грунта. Впервые увеличение объема грунта, обусловленное деформациями сдвига было обнаружено Рейнольдсом в 1886 году и названо – дилатансией (dilatation). Уменьшения объема называется отрицательной дилатансией или контракцией. В плотном песке и переуплотненной глине при сдвиге наблюдается увеличение высоты образца на величину h, а в рыхлом песке и нормально уплотненной глине имеет место уменьшение высоты образца на величину (– h). В первом случае высота (объем) образца грунта при сдвиге увеличивается, а во втором случае уменьшается (рис. 8.34, б, в).
Дилатансия характеризуется ростом прочности грунта до пика на графиках зависимости =f(l) и последующим ее уменьшением до остаточного значения при больших деформациях сдвига (рис. 8.34, в). Подобный характер деформации объясняется тем, что при смещении одной части грунта относительно другой его сопротивление сдвигу определяется трением скольжения и качения частиц, а в случае плотных песков также и их зацеплением. Чтобы преодолеть силы зацепления, необходима их раздвижка и некоторое поднятие твердых частиц, без чего невозможно их перемещение, так как каждая из частиц зафиксирована между другими песчинками. При раздвижке частиц происходит разрыхление в зоне среза, которое сопровождается уменьшением его сопротивления сдвигу.
Рис. 8.33. График
Кулона для глинистых грунтов и песков
tg = ΔV/ Δl, или tg =εv / l,
где εv – относительная объемная деформация.
В зависимости от знака (рис. 8.34, б) угол дилатансии может увеличивать или уменьшать сопротивление сдвигу: τ =σ tg(φcr), его типичные значения приведены в табл. 8.32.
Таблица 8.32
Значения угла дилатансии дисперсных грунтов
Грунт |
Угол дилатансии ψ, град. |
Рыхлый песок |
–2 – +3 |
Средней плотности песок |
+3 – +8 |
Плотный песок |
+8 – +13 |
Нормальноуплотненная глина |
0 |
На рис. 8.34, а) изображен график зависимости сопротивления сдвигу τ от горизонтальных перемещений – деформаций сдвига (l) несвязных грунтов в рыхлом (II кривая) и плотном (I кривая) сложении. Грунт в более рыхлом состоянии (II кривая) при нормальном постоянном напряжении имеет сдвигающее напряжение (τmax) меньшее чем более плотный грунт. Сопротивление сдвигу плотного образца грунта (I кривая) растет до максимального пикового значения τmax, и затем снижается до точки, соответствующей предельному критическому сопротивлению сдвига τcr (рис. 8.34, a). Критическое состояние обычно наступает при деформации 10–30 %, когда грунт начинает сдвигаться (разрушаться) при постоянном объеме (не изменяется коэффициент пористости) и постоянном эффективном напряжении. Критическая прочность также называется предельной прочностью (Atkinson and Bransby, 1978) или полной прочностью разупрочнения (Skempton, 1970). Пиковая прочность τmax соответствует малым деформациям (менее 1–5 %), она используется для определения максимума прочности плотного песка и переуплотненной глины, критическая прочность применяется для большинства расчетов устойчивости склонов.
Точка τr (от residual) характеризует предельное остаточное сопротивление – уровень сохранившейся прочности разрушенного грунта, равный соответствующим максимальным напряжениям при данном значении запредельной деформации. Критическая прочность отличается от остаточной прочности (Skempton, 1964), так как последняя меньше и имеет место при очень больших деформациях по сформировавшейся поверхности скольжения. Остаточная прочность соответствует такому состоянию грунта, в котором на поверхности сдвига частицы ориентированы по направлению сдвига и не оказывают сопротивления движению грунта [5]. Остаточную прочность характеризует относительное остаточное сопротивление (residual factor):
R=(τmax– τ)/(τmax– τr),
где τ – среднее сопротивление сдвигу около поверхности разрушения [125].
Таким образом, выделяют три различных значения прочности: пиковое (τmax, далее τ без индекса), критическое или предельное – (τcr) и остаточное (τr) и соответствующие значения углов внутреннего трения (φ, φcr, φr).
При оценке прочности грунта на сдвиг следует учитывать следующие факторы: уровень напряжений, действующих на грунт; анизотропию прочностных свойств грунтов, особенно глин с низкой пластичностью; трещиноватость, особенно твердых глин; эффекты скорости деформаций; большие деформации, которые могут возникнуть по проектному сценарию; ранее сформированные поверхности сдвига; временные эффекты; чувствительность связных грунтов и их степень водонасыщения. Если оценка прочности на сдвиг основана на результатах испытаний, то следует учесть уровень доверительной вероятности согласно теории, используемой для определения значений прочности на сдвиг, а также возможные нарушения во время отбора образцов и неоднородность грунта. Что касается временных эффектов, то следует учитывать, что период, в течение которого грунт дренируется, зависит от его водопроницаемости, наличия свободной воды и конкретной геометрической конфигурации. Значения параметров c' и tg' эффективной прочности на сдвиг должны приниматься постоянными только в пределах диапазона напряжений, для которого они были определены.