Механическими называют свойства, которые оказывают решающее влияние на деформацию и прочность грунта под нагрузкой.
Деформации грунтов под нагрузкой сопровождаются сложными процессами: сжатием твердых частиц, сжатием воды и воздуха, находящихся в порах грунта, разрушением связей между частицами и их взаимным смещением, изменением толщины пленок воды и отжатием свободной воды из пор грунта.
Эти процессы приводят к деформациям, которые можно разделить на упругие, т. е. исчезающие после снятия нагрузки, и остаточные.
Нагрузку на грунтовое основание можно увеличивать до тех пор, пока не наступает резкого увеличения деформаций основания, связанного с развитием в нем сдвигов. Чем выше сопротивляемость грунта сдвигу, тем большую нагрузку он может воспринять.
Сопротивление грунта сдвигу. Прочность грунтов в основании зависит главным образом от сопротивления сдвигу частиц относительно друг друга вследствие наличия между ними сил трения и сцепления. Сопротивление взаимному сдвигу двух частиц или двух групп частиц можно схематически проиллюстрировать на примере сдвига двух тел.
Сжимаемость грунтов и их компрессионные испытания. Модуль деформации грунтов. Характерные свойства грунтов изменять под воздействием нагрузки свой, объем вследствие упругого обжатия или обжатия со взаимным перемещением частиц без нарушения сплошности называют их деформативными свойствами. Основными характеристиками деформативных свойств грунтов являются модуль общей деформации и коэффициент бокового расширения.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические и, следовательно, не приводящими к разрушению. Эти свойства можно выразить двумя парами показателей: либо модулем деформации и коэффициентом Пуассона, либо модулями сдвига и объемного сжатия.

Прочностные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта. Сдвиг и разрыв - два основных механизма потери прочности телом. Сдвиг происходит под действием касательных сил; при сдвиге одна часть тела перемещается относительно другой. Разрыв тела происходит под действием нормальных растягивающих, сил и морфологически выражается в виде трещин и отделении одной части тела от другой.Основным показателем прочности грунтов является их сопротивление сдвигу; сопротивление разрыву определяется значительно реже. В практике инженерно-геологических изысканий часто определяют сопротивление грунтов одноосному сжатию..

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Структура, задачи геологии, её роль в строительной отрасли

В строительной практике любые горные породы и почвы называют грунтами грунт представляет собой минеральную или органоминеральную дисперсную фазовую.. и горные породы которые находятся в верхней части литосферы и являются.. анализу для выбора оптимальных проектных решений по размещению сооружении конструкций и способов производства..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Все темы данного раздела:

История развития геологии. Основные этапы развития
Как наука историческая геология начала формироваться на рубеже 18-19 веков, когда У.Смит в Англии, а Ж.Кювье и А. Броньяр во Франции пришли к одинаковым выводам о последовательной смене слоев и нах

Каковы задачи инженерной геологии в строительстве
В процессе инженерно-геологических исследований собирают сведения о физико-географической обстановке, климате, растительности, животном мире, об опыте строительства и эксплуатации сооружений, эконо

Методы, используемые в инженерной геологии
С помощью геофизических методов можно решить ряд важных инженерно-геологических задач. При проведении инженерно-геологических исследованийчасто используют:электрор

Основная технологическая последовательность проектирования сооружений
Инженерно-геологические изыскания нужны для определения особенностей геологического строения участка строительства.Изыскательские работы включают в себя бурение скважин, отбор образцов гру

Какие гипотезы о происхождении Земли Вы знаете
Гипотеза Канта-ЛапласаОни полагали, что прародительницей Солнечной системы является раскаленная газово-пылевая туманность, медленно вращавшаяся вокруг плотного ядра в центре. Под в

Опишите строение земного шара и его внешние и внутренние оболочки
Строение земного шара явилось результатом сложных процессов, протекающих как в недрах Земли, так и на ее поверхности. Земля имеет форму геоида (греч. ge - земля, eidos - вид), т. е. шара, несколько

Что изучает палеонтология
Палеонтоло́гия (от др.-греч. παλαιοντολογία) - наука об ископаемых останках растений и животных, пытающаяся реконст

Что изучает геотектоника
Геотектоника - раздел геологии, наука о строении, движениях и деформациях литосферы, о её развитии в связи с развитием Земли в целом. Геотектоника составляет теоретическую сердцевину всей геологии[

Основные черты рельефа земной поверхности
Наиболее характерная черта лика Земли - антиподальное, т. е. противостоящее, расположение океанических и материковых пространств. Антиподами материков на одной стороне глобуса служат океаны на прот

Основные тектонические структуры
Тектонические структуры - Это большие участки земной коры, ограниченные глубинными разломами. Строение и движения земной коры изучает геологическая наука тектоника. Как вы уже знаете, круп

Тектонические движения земной коры
Тектоническими нарушениями называются перемещения вещества земной коры под влиянием процессов, происходящих в более глубоких недрах Земли. Эти движения вызывают тектонические нарушения, т. е. измен

Как определяются элементы залегания пласта
Элементы залегания геологических границ (пластов, поверхностей напластования и несогласий, тектонических) не всегда удаётся замерить в обнажениях. Их можно определить: по видимым наклонам в обнажен

Складки и их элементы
Среди складок выделяются элементарные типы складок – антиклинальные и синклинальные, нейтральные, а так же антиформы и синформы. Антиклинальными складками или антиклиналями называются изг

Элементы складки
В складке выделяются следующие элементы – замок или свод, крылья, осевая поверхность, осевая линия или ось складки, шарнир складки, гребень и киль, гребневая и килевая поверхность, линия перегиба и

Типы разрывных и неразрывных нарушений (дислокаций)
Разрывные нарушения. Выделяется три основных типа разрывных нарушений, влияющих на формирование ландшафтной структуры территории. В первом случае по разрывным нарушениям возникает ослабленна

Что называется платформой и какого ее строение
Платформа - относительно устойчивый блок континентальной коры. Платформы представляют собой обширные малоподвижные участки земной коры - наиболее устойчивые глыбы, создающие её твёрдый каркас. Стро

Перечислите основные свойства минералов
Долгое время основными характеристиками минералов служили внешняя форма их кристаллов и других выделений, а также физические свойства (цвет, блеск, спайность, твердость, плотность и проч.), имеющие

Перечислите процессы минералообразования
ПРОЦЕССЫ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ - физико-хим. процессы, протекающие в земной коре и вызывающие образование, изменение и разрушение м-лов. Классификация П. м. основана, с одной стороны, на источнике ве

Важнейшие породообразующие минералы
Среди большого разнообразия природных минералов только небольшая их часть участвует в образовании горных пород. К числу этих минералов, называемых породообразующими, относятся кварц, полевые шпаты,

Для чего нужна шкала Мооса
Для измерения твердости минералов делались попытки применить всевозможные методы, основанные на сопротивлении камней царапанию, истиранию, сверлению, деформации поверхности… Но все эти попытки не и

Инженерно - геологические особенности магматических и метаморфических горных пород
Инженерно-геологические особенности метаморфических горных пород Физико-механические свойства метаморфических горных пород во многом близки к магматическим, что обу

Какие формы интрузивных тел вы знаете
Теоретически интрузивные тела бывают любых размеров и любой формы, однако обычно их можно отнести к одной из разновидностей, характеризующихся определенными размерами и формой. Дайки - пла

Какие виды метаморфизма вы знаете
Метаморфизм представляет собой сложное физико-химическое явление, обусловленное комплексным воздействием температуры, давления и химически активных веществ. Он протекает без сущест

Какие факторы обусловливают метаморфизм
Метаморфизм - преобразование горных пород под действием эндогенных процессов, вызывающих изменение физико-химических условий в земной коре. Преобразованию могут подвергаться любые горные породы - о

Какие метаморфические породы вам известны
Метаморфические горные породы - результат преобразования пород разного генезиса, приводящего к изменению первичной структуры, текстуры и минерального состава в соответствии с новой физико-химическо

Горные породы биохимического происхождения
Породы биохимического происхождения. В зависимости от состава выделяют кремнистые(трепел, опоки, некоторые яшмы), карбонатные (известняки, доломиты, мергели) ифосфатные породы.

Физические свойства грунтов. Показатели физических свойств грунтов. Методы их определения
физич.св-ва грунтов: плотность, влажность, прочность, сцепление, кусковатость, разрыхляемость, угол естественного откоса и размываемость. Плотностью р называется отношение массы грунта, вк

Плотность грунтов, основные показатели
Плотностью р называется отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему. Плотность песчаных и глинистых грунтов - 1,5...2 т/м3; полускальных неразрыхленных

Основные свойства глинистых пород
Особые свойства глинистых пород во многом определяются кристаллохимическими особенностями глинистых минералов и их высокой дисперсностью (то есть чрезвычайно малым размером частиц) . Наиболее ти

Определение сопротивления грунтов сдвигу. Формула Кулона. Приборы. Построение графиков. Паспорт сдвига
Сопротивление грунтов сдвигу является их важнейшим прочностным показателем. Оно необходимо для расчета устойчивости и прочности оснований, оценки устойчивости откосов, расчета давления грунтов на п

Какая горная порода самая прочная
Глубинные горные породы (магматические) характеризуются высокой плотностью, морозостойкостью и малым во до поглощением. Основные виды глубинных горных пород - граниты, сиениты, габбро, лабра-дориты

Физико-химические свойства грунтов, их значение в строительной практике. Тиксотропия
Физ.св-ва: В первую очередь к физическим свойствам относятся: удельная и объемная масса, а также скважность (порозность) грунтов. Отношение твердой фазы сухой почвы к весу равного объема воды п

Грунт как многофазная система. Характер структуры связей в грунте
Дисперсные грунты представляют собой многофазную систему. Они состоят из двух или более веществ, распределённых одно в другом. Примером такой системы является глинистая суспензия, состоящая

Массив горных пород как объект инженерно-геологического исследования
На основе инженерно-геологических данных массива горных пород выбирают оптимальные проектные решения разработки месторождения, в связи с чем затраты на инженерно-геологические работы оправдываются

При взаимодействии с инженерными сооружениями
В зависимости от горно-геологических условий и характера проектируемых горных работ поведение и свойства горных пород массива приближённо отображают механическими закономерностями различных идеализ

Оценка трещиноватости, меры борьбы
Степень трещиноватости пород вместе с другими тектоническими нарушениями характеризует структуру массива горных пород, ее пространственную неоднородность и анизотропность свойств. Она влияет на про

Критерии оценки степени трещиноватости
Критерием количественной оценки степени трещиноватости выбирают показатели, учитывающие размеры и густоту трещин. Различают три вида показателей: линейн

Разновидности трещин
Трещины представляют собой плоские разрывы сплошной среды в случае, если их величина на порядок и больше превосходит межатомные расстояния в кристаллической решетке. Выделяют трещины трех порядков:

Характеристики трещиноватости
От степени трещиноватости зависит правильный выбор системы разработки и параметров буровзрывных работ. В старину трещиноватость оценивали акустическим методом, ударяя по породе молотком и выслушива

Теории происхождения подземных вод
1. Инфильтрационная теория.Основные положения: подземные воды происходят из атмосферных осадков, которые по мельчайшим канальцам горных пород проникают в землю, где и скапливаются, что происходит н

Подземный и поверхностный сток
Поверхностный сток, процесс перемещения воды по земной поверхности под влиянием силы тяжести. Поверхностный сток делится на склоновый и русловой. Склоновый сток образуется з

Физические свойства подземных вод
Согласно ГОСТ, к физическим свойствам подземных вод относятся также плотность, вязкость, электропроводность, радиоактив­ность и др. Плотность воды - масса воды, нах

Основные химические компоненты подземных вод
ионно-солевой состав. Подземная вода не встречается в химически чистом виде. В ней обнаружено более 60 элементов периодической системы Менделеева. Основные компоненты (ионы), определяющие химически

Агрессивность и жесткость подземных вод
Чаще всего анализы воды проводятся на пробах, где общее количество растворенных твердых веществ составляет лишь небольшую долю одного процента от общего веса пробы воды. Поэтому минерализацию воды

Формула Курлова
Курлов, 1921, - псевдоформула, наглядно изображающая основные свойства хим. сост. воды. В числителе дроби пишут анионы, в знаменателе - катионы, присутствующие в количестве более 5%-экв. (из расчет

Разгрузки
Верхняя часть земной коры залегающая выше уровня грунтовых вод называется зоной временного содержания воды или зоной аэрации. Зона аэрации измеряется от 0 (болота) до 50-100 (пустыни) зоны питания

Разгрузки
Грунтовыми называют свободные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего в зоне полного насыщения. Область питания грунтовых вод, как правило, совпадает

Карты гидроизогипс и гидроизобат. Их анализ
Карта гидроизогипс - карта, на которой отображается положение зеркала грунтовых вод в виде гидроизогипс. ГИДРОИЗОБАТЫ- линии, соединяющие на плане (карте) точки зеркала подземных вод, расположенные

Разгрузки Элементы артезианских бассейнов. Карты гидроизопьез
Артезианскими называют напорные подземные воды, находящиеся в водопроницаемых (пористых, трещиноватых, закарстованных) пластах, перекрытых и подстилаемых водонепроницаемыми породами. Эти воды всюду

Назовите водные и физические свойства горных пород
Под водными свойствами горных пород понимаются те, которые проявляются в них при взаимодействии с водой: водопроницаемость, влагоемкость, водоотдача, естественная влажность, набухание, размокание,

Поднятие, водоотдача, водопоглащение, водонасыщение
Одними из главных свойств породы, определяющими ее отношение к воде, являются пористость и скважность. Под пористостью понимают наличие в породах малых пустот - капиллярных пор, под скважностью - н

Пористость, плотность, влажность
Физические свойства характеризуют физическое состояние горных пород, т.е. качественную определенность, проявляющуюся в их плотности, влажности, пористости, трещиноватости и выветрелости в условиях

Назовите виды воды в горных породах
1)Вода в форме пара. Этот вид воды присутствует в воздухе, заполняющем трещины и пустоты между частицами породы. 2)Вода в форме льда. Лёд в почвах и пород

Движение. Формула Дарси. Как отличаются ламинарное и турбулентное
движение подземных вод? Скорость движения (фильтрации) подземных вод характеризуется законом Дарси «Количество воды Q, прошедшее через какое-либо сечение F в единицу вр

Методы определения коэффициента фильтрации (КФ)
1) фильтрационными приборами в лабораториях Коэффициент фильтрации k определяется в лаборатории на специальной установке, в которую закладывается образец испытуемого грунта.

Галереи и пр.). Назовите как отличаются водозаборы по характеру вскрытия
Горизонтальные водозаборы применяют при небольшой глубине залегания водоносного пласта (до 5 - 8 м) и малой его мощности. Они представляют собой дренажные трубы или галереи (рис. 4), размещаемые в

Мощность, линии тока, линии равного напора, скорость, расход
Напо́р- величина давления жидкости, выражаемая высотой столба жидкости над выбранным уровнем отсчёта; измеряется в линейных единицах. НАПОРНЫЙ ГРАДИЕНТ

Основные виды
[править]Пластовый дренаж Пластовая дренажная система укладывается в основании защищаемого сооружения непосредственно на водоносный грунт. При этом она гидравлически связа

Понятие о депрессионной воронке и радиусе влияния
При откачке воды из скважин вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня воды. Образуется депрессионная воронка, в плане имеющая форму, близкую к кру

Факторы определяющие развитие геологических и инженерно-геологических процессов и явлений
Экзогенными (от греч. éxo – вне, снаружи) называют геологические процессы, которые обусловлены внешними по отношению к Земле источниками энергии: солнечной радиацией и гравитационным полем.

Эндогенные инженерно-геологические процессы и явления. Общая характеристика
Эндогенными (внутренними) процессами называются такие геологические процессы, происхождение которых связано с глубокими недрами Земли. Вещество земного шара развивается во всех сво

Что называется землетрясением,гипоцентром,эпицентром
Землетрясе́ния - подземные толчки и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами (главным образом тектоническими процессами), или (иногда) искусственными про

Сейсмические волны и их измерение
Скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической то

Типы сейсмических волн
Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига. § Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вд

Техногенные землетрясения
В последнее время появились сведения, что землетрясения могут вызываться деятельностью человека. Так, например, в районах затопления при строительстве крупных водохранилищ, усиливается тектоническа

Шкала магнитуд
Шкала магнитуд различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных

Шкалы интенсивности
Основная статья: Интенсивность землетрясения Интенсивность является качественной характеристикой землетрясения и указывает на характер и масштаб воздействия

Какие основные факторы ваветривания и чем представлены зоны коры выветривания полного профиля
Выветривание, процесс разрушения и изменения горных пород в условиях земной поверхности под влиянием механического и химического воздействия атмосферы, грунтовых и поверхностных вод и организмов. П

Что такое эволюция, делювий, пролювий, коллювий, аллювий. Их инженерно геологические особенности
Элювий (элювиальные отложения) (лат. eluo - «вымываю») - рыхлые геологические отложения и почвы, формируемые в результате выветривания поверхностных горных пород на месте пе

Речные долины. Речная эрозия. Базис эрозии
Доли́на (речная) - отрицательная, линейно вытянутая форма рельефа с однообразным падением. Образуется обычно в результате эрозионной деятельности текучей воды. Речная в

Линейная эрозия
В отличие от поверхностной, линейная эрозия происходит на небольших участках поверхности и приводит к расчленению земной поверхности и образованию различных эрозионных форм (промоин, оврагов, балок

Селевые процессы, их деление
По механизму движения селевые потоки можно разделить на два типа. 1 тип - связные («грязевые» и «грязекаменные») потоки с преобладанием вязкого течения. 2 тип - несвязные («водно-каменные») потоки

Развитие карста
Наиболее характерны для карста отрицательные формы рельефа. По происхождению они подразделяются на формы, образованные путём растворения (поверхностные и подземные), эрозионные и смешанные. По морф

Понятие суффозия, плывун, причина возникновения, меры борьбы
Суффозия (от лат. suffosio - подкапывание) - вынос мелких минеральных частиц породы фильтрующейся через неё водой. Процесс близок к карсту, но отличается от него тем, что су

Истинные плывуны
Часто плывунные свойства проявляют пылеватые пески и супеси, насыщенные водой, содержащие в большом количестве очень мелкие частицы (глинистые и коллоидные), которые начинают играть роль смазывающе

Ложные плывуны
Ложный плывун - мелкий пористый песок, насыщенный водой. Поскольку пласт находится на глубине, вода в порах плывуна находится под давлением больше атмосферного. При вскрытии пласт обнажается, и вод

Инженерно-геологическая оценка многолетнемерзлых пород
Распространение мёрзлых толщ подчинено широтной и высотной зональности. По среднегодовым температурам, характеру распространения и мощности на многлетнемёрзлых пород выделяются пять зон. Непрерывно

Напряженное состояние горных пород
Напряженное состояние земной коры характеризует не только сами поверхностные слои, которые можно наблюдать непосредственно, но и более глубинные части земной коры, причем величина напряжения состав

Назовите критерии оценки инженерно-геологических условий местности
Инженерно-геологические изыскания. 1 сбор и обработка материалов ранее выполненных работ; 2 полевые работы (бурение и опробование скважин, полевые исследования грунтов); 3 гидрогеологическ

Требования к построению карт. Чтение геологических разрезов и карт
Геологическая карта, отображающая горизонтальное залегание горных пород, имеет свои особенности:  наиболее молодые породы занимают наиболее высокие участки местности (вершины гор),

Построение и анализ карт гидроизогипс

Определение расхода подземного потока
Расчет производится по карте гидроизогипс, построенной по даннымизмерения уровней в скважинах, в местах выхода родников а)H1 = h1 и H2 = h2 б)

Практика построение карты гидроизогипс по данным буровых скважин
Питание грунтовых водза счет поверхностных происходит повсеместно (уровень поверхностных и подземных вод колеблется в зависимости от времени года). В результате, между поверхностны

Построение и анализ инженерно-геологических разрезов. Практика построения
Инженерно-геологическиеразрезы (профили) – широко применяемая форма графической обработки и обобщения информации, характеризует инженерно-геологические и гидрогеологические условия

Построения геологической колонки скважины, пробуренной в пределах геологической карты
Для построения геологической колонки скважины используются описания буровых скважин, пробуренных в пределах геологической карты. Для построения геологической колонки, например скважины № 6,

Этапы инженерно-геологические изыскания для строительства
Инженерные изыскания являются важной частью строительного проектирования. В результате комплекса мероприятий поступают необходимые данные о природных условиях района, где планируется строительство.

Современные методы исследования и обработки инженерно-геологической информации
Для получения, накопления, хранения и обработки инженерно-геологической информации используют различные методы, которые целесообразно разделить на методы: получения информации - М11

Методы инженерно-геологического опробования и последовательность опробования
Инженерно-геологическое опробование - метод, включающий методы установления объема и параметров cппинфов, способы отбора образцов грунтов и их консервации. Этот метод совместно с другими методами (

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

Деформационные
и прочностные характеристики
юрских глинистых грунтов Москвы

СТО 36554501-020-2010

Москва

Предисловие

Сведения о стандарте:

1 РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН лабораторией электротехнических технологий (зав. лабораторией - канд. техн. наук Х.А. Джантимиров) НИИ-ОСП им. Н.М. Герсеванова - института ОАО «НИЦ «Строительство» вед. науч. сотр., канд. техн. наук О.И. Игнатовой

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ приказом генерального директора ОАО «НИЦ «Строительство» от 10 февраля 2010 г. № 27

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Введение

В связи с интенсивным развитием в последние годы строительства в Москве зданий повышенной этажности и высотных с глубокой подземной частью и подземных сооружений возникла необходимость в оценке строительных свойств грунтов, залегающих на больших глубинах. К этим грунтам относятся грунты юрского, мелового и каменноугольного периодов.

Оценка характеристик этих грунтов на основе статистического обобщения накопленных архивных данных инженерно-геологических изысканий является актуальной задачей.

Для выполнения работы был проведен сбор архивных материалов лабораторных и полевых испытаний дочетвертичных грунтов Москвы из отчетов по инженерно-геологическим изысканиям 40 организаций, проводящих изыскательские работы на территории города, поступивших в институт по конкретным объектам проектирования.

В настоящем стандарте приводятся результаты исследований для юрских J 3 глинистых грунтов.

Результаты исследований связи модуля деформации по данным штамповых испытаний с удельным сопротивлением грунта под конусом зонда для юрских глин Москвы приведены в работе , но они основывались на небольшом статистическом материале.

На основе проведенных исследований для юрских глинистых грунтов составлены таблицы нормативных и расчетных значений прочностных и деформационных характеристик и установлены коэффициенты перехода от компрессионных модулей деформации к штамповым. Для этих грунтов получено также уравнение для оценки модуля деформации по результатам статического зондирования. Результаты проведенных исследований опубликованы в работе .

Эти результаты рекомендуется использовать в практике инженерно-геологических изысканий, проектирования и устройства оснований и фундаментов, что позволит повысить достоверность деформационных и прочностных характеристик, используемых в расчетах оснований.

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЮРСКИХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ МОСКВЫ Deformation and strength characteristics of Jurassic clay soils in Moscow

Дата введения 2010-02-25

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт распространяется на определение деформационных и прочностных характеристик юрских J 3 глинистых грунтов Москвы. Эти грунты были представлены следующими отложениями: J 3 ν - волжский ярус; J 3 ox - оксфордский ярус и J 3 cl - келловейский ярус. В табл. приведены диапазоны изменения и средние значения основных физических характеристик грунтов указанных отложений.

1.2 Стандарт предназначен для определения нормативных и расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов по таблицам и уравнениям в зависимости от их физических характеристик и данных статического зондирования.

1.3 Таблицы и уравнения для определения нормативных и расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов рекомендуется применять для предварительных расчетов оснований и фундаментов зданий и сооружений I уровня ответственности и окончательных расчетов оснований и фундаментов зданий и сооружений II и III уровней ответственности.

Индекс	Характерные значения	ρ , т/м 3	e	w L , %	I p , %	I L	h , м
J 3 ν		1,72	0,48			0,25
		2,14	1,14			0,90
	Среднее	1,92	0,77			0,29
J 3 ox		1,62	0,82			0,26
		1,93	1,52			0,40
	Среднее	1,75	1,20			0,04
J 3 cl		1,74	0,60			0,36
		2,04	1,22			0,35
	Среднее	1,84	0,98			0,06

2 Нормативные ссылки

Статическое зондирование грунтов выполнялось зондом II типа в соответствии с ГОСТ 19912 .

Компрессионные испытания грунтов выполнялись в соответствии с ГОСТ 12248 для грунтов природной влажности. Для исследований были использованы результаты испытаний с конечной вертикальной нагрузкой р ≥ 0,5 МПа. Значения компрессионных модулей деформации вычислялись в диапазоне нагрузок 0,2 - 0,5 МПа.

Значения φ и с определялись по данным консолидированно-дренированных испытаний на срез грунтов природной влажности в соответствии с ГОСТ 12248 .

Физические характеристики грунтов определялись в соответствии с ГОСТ 5180 .

3.3 Для составления таблиц нормативных и расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов при статистической обработке материалов использован аппарат корреляционно-регрессионного анализа, позволяющий установить корреляционные связи и уравнения регрессии между механическими характеристиками Е , φ и с с одной стороны и физическими характеристиками и данными статического зондирования q с другой. Теснота связи характеризуется коэффициентом корреляции R и средним квадратическим (стандартным) отклонением S (приложение ).

При корреляционном анализе использованы следующие физические характеристики: число пластичности I р как показатель вида или глинистости грунта; коэффициент пористости е как показатель плотности грунта в природном залегании и показатель текучести I L как показатель состояния грунта по консистенции.

3.4 Исследования корреляционных связей выполнены между нормативными значениями механических и физических характеристик и сопротивления зондированию q , определенными как среднее арифметическое значение частных значений для выделенных при изысканиях инженерно-геологических элементов (ИГЭ) (ГОСТ 20522).

Для определения нормативных и расчетных значений Е , φ и с по таблицам и уравнениям необходимо использовать нормативные значения физических характеристик и сопротивления зондированию q для ИГЭ.

4 Определение модуля деформации по физическим характеристикам

4.1 Нормативные значения полевого модуля деформации Е следует принимать по уравнению () или табл. , составленных на основе статистической обработки результатов испытаний грунтов штампом и прессиометром (рис. ).

Показатель текучести I L	Нормативные значения модуля деформации Е , МПа, при коэффициенте пористости е , равном
	0,6 - 0,7	0,8 - 0,9	1,0 - 1,1	1,2 - 1,3	1,4 - 1,5
0,25 ≤ I L ≤ 0
0 < I L ≤ 0,25
0,25 < I L ≤ 0,5
0,5 < I L ≤ 0,75

Рисунок 1 - Зависимость модуля деформации по данным штамповых (Е m ) и
прессиометрических (E n ) испытаний (n ИГЭ = 75; n i = 280) от коэффициента
пористости е и показателя текучести I L для юрских глинистых грунтов:
I L :1 - (-0,25); 2 - 0,0; 3 - 0,25; 4 - 0,5; 5 - 0,75

5 Определение модуля деформации по данным статического зондирования

5.1 Нормативные значения полевого модуля деформации Е следует принимать в зависимости от удельного сопротивления грунта под конусом зонда q по уравнению (), полученному на основе статистической обработки результатов испытаний грунтов штампом, прессиометром и статическим зондированием (рис. ).

Рисунок 2 - Зависимость модуля деформации Е по данным штамповых
и прессиометрических испытаний от удельного сопротивления грунта
под конусом зонда q :
экспериментальные точки: 1 - для J 3 ox ; 2 - для J 3 ν ; 3 - зависимость Е = f (q )

6 Коэффициенты перехода от компрессионного модуля деформации к штамповому

6.1 Коэффициенты перехода m k от компрессионного модуля деформации к штамповому следует принимать или в зависимости от коэффициента пористости е и показателя текучести I L (табл. ), или в зависимости от числа пластичности I р и показателя текучести I L (табл. ).

Показатель текучести I L	Значения коэффициента m k при коэффициенте пористости е , равном
	0,6 - 0,8	0,9 - 1,1	1,2 - 1,5
0,25
0,25
0,75

Показатель текучести I L	Значения коэффициента m k при числе пластичности I p равном
	≤ 7	8 - 17	18 - 30	31 - 50
0,25
0,25
0,75

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента m k от коэффициента пористости е
и показателя текучести I L для юрских глинистых грунтов
(n = 32; m k = 2,47 + 0,53е - 1,60I L ; R = 0,79; S = 0,42):
I L :

Рисунок 4 - Зависимость коэффициента m k от числа пластичности I р
и показателя текучести I L для юрских глинистых грунтов
(n = 32; m k = 2,51 + 0,02I р - 1,24I L ; R = 0,83; S = 0,38):
I L :1 - (-0,25); 2 - 0,0; 3 - 0,25; 4 - 0,5; 5 - 0,75

При использовании коэффициентов m k по табл. и для корректировки компрессионных модулей деформации последние должны вычисляться в диапазоне вертикальных давлений 0,2 - 0,5 МПа, а значения коэффициента β , учитывающего невозможность бокового расширения грунта в компрессионном приборе, составлять 0,4 - для глин, 0,62 - для суглинков и 0,72 - для супесей.

7 Определение прочностных характеристик по физическим характеристикам

7.1 Нормативные значения прочностных характеристик юрских глинистых грунтов - угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с , полученных по результатам консолидированно-дренированных (КД) испытаний грунтов на срез, следует определять в зависимости от числа пластичности I р и показателя текучести I L по уравнениям () и () или табл. (рис. и ):

Показатель текучести I L Обозначение характеристики Нормативные значения φ ° и с , кПа, при числе пластичности I р , %, равном ≤ 1 8 - 17 18 - 30 31 - 40 41 - 50 0,25 ≤ I L ≤ 0 φ ° с , кПа 0 < I L ≤ 0,25 φ ° с , кПа 0,25 < I L ≤ 0,5 φ ° с , кПа 0,5 < I L ≤ 0,75 φ ° с , кПа 7.2 Расчетные значения φ и с следует вычислять исходя из нормативных значений (табл. ), уменьшая их на величину доверительного интервала Δ, вычисленного по методике прил. 2 СТО при доверительной вероятности α = 0,85 и α = 0,95 (СП 50-101). Доверительный интервал Δ для φ и с составляет: Δφ = 1° Δс = 7 кПа (при α = 0,85); Δφ = 2° Δс = 11 кПа (при α = 0,95). Рисунок 5 - Зависимость угла внутреннего трения φ ° от числа пластичности I р и показателя текучести I L Приложение А J 3 v - верхнеюрские отложения волжского яруса J 3 ox - верхнеюрские отложения оксфордского яруса J 3 cl - верхнеюрские отложения келловейского яруса ρ - плотность грунта е - коэффициент пористости грунта I р - число пластичности грунта I L - показатель текучести грунта h - глубина отбора образца грунта или испытания штампом (прессиометром) Е ш - модуль деформации по результатам штамповых испытаний Е п - модуль деформации по результатам прессиометрических испытаний q - удельное сопротивление грунта под конусом зонда при статическом зондировании КД - консолидированно-дренированный срез грунта R - коэффициент корреляции S - среднее квадратичное отклонение (стандартное отклонение) Приложение Б Для исследования взаимосвязей между механическими у и физическими х i характеристиками использовался аппарат корреляционно-регрессионного анализа. Вычисления производились на компьютере по стандартной программе, которая предусматривает построение методом наименьших квадратов линейной зависимости вида Для аппроксимации нелинейной зависимости чаще всего используются полином 2-й или 3-й степени или уравнение (). Однако в связи с тем, что статистические оценки в теории корреляции разработаны только для линейных зависимостей, нелинейные зависимости должны быть преобразованы в линейные путем замены переменных. m - среднее число определений φ и с в ИГЭ; n - общее число нормативных значений φ и с (общее число ИГЭ); d 2 - функционал, характеризующий изменение ширины доверительного интервала вдоль зависимости. Следует отметить, что значение d 2 /n при тех значениях n , которые имели место в исследуемой выборке опытных данных, получалось пренебрежимо малым. Расчетные значения φ и с вычислены при доверительных вероятностях α = 0,85 и α = 0,95, регламентированных

Основными показателями механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований, а также их деформацию, является угол внутреннего трения , удельное сцеплениеС , модуль деформации Е . Для определения механических свойств грунтов можно воспользоваться таблицами приложения 1 СНиП 2.02.01-83*. Для песчаных грунтов нормативные значении сцепления
(кПа), угла внутреннего трения(град.) и модуля деформацииЕ (МПа) (табл.1.2.1) определяют в зависимости от типа грунта и коэффициента пористости. Для пылевато-глинистых грунтов величины
,(табл.1.2.2) иЕ (табл.1.2.3) определяются в зависимости от типа грунта, показателя текучести и коэффициента пористости. Искомое нормативное значение показателя механических свойств грунта определяют, используя для этого в необходимых случаях линейную интерполяцию по коэффициенту пористости. Если значения е, грунтов выходят за пределы, предусмотренные в таблице, характеристики
,иЕ следует определять по данным непосредственных испытаний этих грунтов в полевых или лабораторных условиях. Допускается в запас надежности принимать характеристики
,иЕ по соответствующим нижним пределам е, , если грунты имеют значения величин е, меньше этих величин.

Таблица 1.2.1. – Извлечение из табл.1 прил.1 СНиП 2.02.01-83*. Нормативные значения удельного сцепления с n j n , град. и модуля деформацииЕ , МПа (кгс/см 2), песчаных грунтов четвертичных отложений

Песчаные грунты		Характеристика грунтов при коэффициенте пористости е , равном
Гравелистые и крупные	c n
	j n
Средней крупности	c n
	j n
	c n
	j n
Пылеватые	c n
	j n

Таблица 1.2.2. – Извлечение из табл.2 прил.1 СНиП 2.02.01-83*.Нормативные значения удельного сцепления с n , кПа (кгс/см 2), угла внутреннего тренияj n , град. пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений

		Обозначения характеристик грунтов	Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е , равном
	0 £ I L £ 0,25	c n j n
	0,25 < I L £ 0,75	c n j n
Суглинки	0 < I L £ 0,25	c n j n
	0,25 < I L £ 0,5	c n j n
	0,5 < I L £ 0,75	c n j n
	0 < I L £ 0,25	c n j n
	0,25 < I L £ 0,5	c n j n
	0,5 < I L £ 0,75	c n j n

Таблица 1.2.3. Извлечение из табл.3 прил.1 СНиП 2.02.01-83*.Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых

Происхождение и возраст грунтов

Наименование грунтов и пределы нормативных значений их показателя текучести

Модуль деформации грунтов Е , МПа (кг/см 2), при коэффициенте пористости е , равным

Четвертичные отложения

Аллювиальные, Делювиальные, Озерно-аллювиальные

0 £ I L £ 0,75

Суглинки

0 £ I L £ 0,75

0,25 < I L £ 0,5

0,5 < I L £ 0,75

0 £ I L £ 0,75

0,25 < I L £ 0,5

0,5 < I L £ 0,75

Флювиоглянциальные

0 £ I L £ 0,75

Суглинки

0 £ I L £ 0,75

0,25 < I L £ 0,5

0,5 < I L £ 0,75

Моренные

Суглинки

I L £ 0,5

Юрские отложения оксфордского яруса

0,25 £I L £ 0

0 < I L £ 0,25

0,25 < I L £ 0,5

Прочностью грунтов называется их способность сопротивляться разрушению. В общем случае разрушение грунта может быть вызвано силами разной природы (механическими, термическими, электрическими и др.), поэтому выделяют соответствующие типы прочности грунтов по природе разрушающих воздействий. В инженерно-геологических целях в первую очередь важно знать механическую прочность грунтов, т. е. их способность сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Если деформационные характеристики грунтов определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т. е. докритических), то параметры прочности грунтов соответствуют критическим разрушающим напряжениям и определяются при предельных нагрузках, вызывающих либо разделение тела на части (для упругих грунтов), либо необратимое изменение формы тела в результате деформации пластического течения (для пластичных грунтов).

Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между их структурными элементами - кристаллами, зернами, обломками, агрегатами, частицами, т. е. зависит от типа и особенностей структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между структурными элементами грунта, тем выше его прочность в целом. Поэтому скальные грунты, среди которых преобладают прочные химические (кристаллизационные и цементационные) структурные связи, имеют большую прочность, чем дисперсные грунты со слабыми физическими и физико-химическими структурными связями.

Поскольку на испытываемый образец грунта могут действовать разные напряжения (нормальные, касательные, объемные или их совокупности), то в качестве меры его прочности могут быть выбраны разные виды критических напряжений или их соотношения, именно такие меры являются параметрами прочности.

К настоящему времени известно более двух десятков условий прочности, разработанных для описания поведения глинистых и песчаных грунтов. Согласно классификации, предложенной W.-F. Chen, все напряженные состояния грунтов можно подразделить на одно- и двупараметрические модели. К однопараметрическим моделям относятся условия прочности Треска, Мизеса, Lade, Duncan. К двупараметрическим моделям относятся условия, предложенные Мором-Кулоном, Drucker-Prager, Р. Lade, М.В. Малышевым и др. После публикации W.-F. Chen прошло много лет (1984 г.), и за это время были предложены условия прочности или модели грунта, которые можно назвать многопараметрическими. В наиболее сложные из них входят до 6 независимых параметров, определяемых из очень сложных и дорогостоящих опытов. Несмотря на многообразие условий прочности, на практике применяются лишь несколько из них. Это в первую очередь условие прочности Мора-Кулона, Кэп-модели и многоповерхностные модели (Prevost, 1977, 1985; Dafalias, 1985). Последние две фуппы моделей грунта более сложные и не позволяют получать решения в аналитическом виде, поэтому они используются в нелинейной механике и численном решении задач .

При оценке прочности грунтов чаще всего используют теорию предельного состояния, согласно которой определяют те или иные параметры критических (предельных) значений напряжений, которые может выдержать образец грунта без разрушения. Пределами прочности называются такие пределы, при превышении которых происходит разрушение грунта и он не воспринимает прикладываемых к нему усилий. Критические значения па- раметров соответствуют разным типам напряженного состояния грунта, в которых он может находиться и которые могут харакгеризоваться величинами главных напряжений σ1, σ2 и σ3 , причем σ1, σ2 и σ3 в качестве таковых состояний чаще всего рассматриваются (рис. 8.27):

• плоскостной сдвиг (σ1 > 0, г > 0, рис. 8.27, а);
• одноосное растяжение σ1 0, σ2 = σ3 = 0, рис. 8.27, б);
• одноосное сжатие (когда σ1 > 0, σ2 = σ3 = 0, рис. 8.27, в)
• трехосное сжатие (σ2 = σ3 ≠ σ1> 0, рис. 8.27 (г, д , е).

Рис. 8.27. Схемы опытов: па сдвиг (а): на одноосное растяжение (б); на одноосное сжатие (в): на трехостное сжатие: на определение недренированной прочности грунтов (г): дренированной прочности песчаных (д) и глинистых (е) грунтов

Прочностные характеристики дисперсных грунтов (угол внутреннего трения <р и удельное сцепление с) могут быть получены путем испытания грунтов лабораторными методами: на срез или трехосное сжатие, растяжение, но углу естественного откоса, вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах. Параметры прочностных свойств и лабораторные методы их определения, регламентируемые действующими нормативными документами, приведены в табл. 8.30.

Для водонасыщенных глинистых грунтов с показателем текучести //,>0,5, органоминеральных и органических грунтов, для которых подготовка целиков для полевых испытаний или отбор образцов для лабораторных испытаний затруднительны, прочностные характеристики (с„) для расчета оснований из этих грунтов в нестабилизированном состоянии могут быть определены полевым методом вращательного среза в скважинах или массиве.

Значения (рис песков и глинистых грунтов для сооружений II и III уровней ответственности могут быть определены полевыми методами поступательного и кольцевого среза в скважинах. При этом для сооружений 11 уровня ответственности полученные значения <р и с должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта лабораторными методами на срез или трехосное сжатие, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах.

Значения (р и с песков и глинистых грунтов могут быть определены методом статического зондирования . а песков (кроме пылеватых водонасыщенных) - методом динамического зондирования. Для сооружений I и II уровней ответственности полученные зондированием значения (рис должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта лабораторными методами на срез или трехосное сжатие, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах. В остальных случаях допускается определять значения (рис только по данным зондирования [ 114).

Испытания вращательным срезом крыльчаткой следует проводить для оценки максимальных значений сопротивления сдвигу с и органо-минеральных и органических грунтов и глинистых грунтов мягкопластичной, текучей консистенции в недренированных условиях. Методику испытаний и интерпретацию полученных результатов следует выполнять в соответствии с ГОСТ 20276-99 (или ASTM D2573, NEN 5106 при выполнении изысканий совместно с иностранными инвесторами или по их техническому заданию).

Определение прочностных характеристик грунтов в лабораторных условиях следует производить методом трехосного сжатия (ГОСТ 12248), а их результаты использовать для корректировки данных испытаний одноплоскостного среза . Другие виды напряженных состояний могут быть реализованы в приборах прямого и кольцевого сдвига (рис. 8.28, я), в установках с перекашиванием образца (рис. 8.28, б), при помощи лабораторных сдвигомеров-крыльчаток (рис. 8.28, в) и при испытаниях сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (рис. 8.28, г, д). Образцы грунта могут иметь форму: куба, параллелепипеда, сплошного или полого цилиндра, сплошной или полой катушки.

Таблица 8.30

Методы определения прочностных характеристик немерзлых грунтов

Окончание табл. 8.30

Рис. 8.28. Схемы и фотографии приборов:

а - кольцевого сдвига: б - прямого сдвига с перекашиванием образца; в - лабораторный вариант крыльчатки и полевой тестер-крыльчатка; г, д - схемы испытаний сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (81. 92]

Приборы кольцевого сдвига применяются для определения прочности грунтов как при малых, так и при больших сдвиговых деформациях (в сотни процентов). У большинства грунтов наблюдается уменьшение прочности с ростом деформации сдвига после достижения пикового состояния. Этот процесс можно зафиксировать в приборе кольцевого сдвига, а также с помощью прибора прямого среза при кинематическом нагружении образца. В приборе кольцевого сдвига (рис. 8.29), кроме значений максимального и предельного угла внутреннего трения, замеряется параметр остаточной прочности (р г, применяемый при расчетах устойчивости склонов, откосов котлованов, подпорных стен и при моделировании оползневых процессов или движения грунтов в зоне сброса по уже сформировавшейся плоскости скольжения. Главное преимущество испытаний на кольцевой сдвиг заключается в деформации сдвига с постоянной площадью образца в течение всего опыта, а также возможность выполнять испытания грунтов при деформации сдвига более 10...30 %, чего не позволяют приборы прямого среза или простого сдвига. Кроме того, в условиях кольцевого среза не меняется ориентация частиц в послепиковом состоянии, что характеризуется почти нулевым сцеплением и минимальным трением.

При испытаниях в приборе кольцевого сдвига грунт находится в двух кольцах (верхнее или нижнее), одно из которых вращается, а другое (верхнее или нижнее) лежит неподвижно. Опыт проводится при постоянном нормальном давлении, которое определяется по зависимости:

где Р - нагрузка от веса грузов, штампа и штанги; г 0 и г, - соответственно внутренний и наружный радиусы кольцевого штампа.

Касательное напряжение рассчитывается по величине крутящего момента М

Рис. 8.29. Срезные приборы, определяющие прямые и остаточные напряжения: а - схемы опыта с кольцевыми приборами; о - схема кольцевого прибора; в - фотография прибора кольцевого сдвига (производитель Wykeham Farrance)

Метод кольцевого сдвига дает возможность воссоздавать в лаборатории условия, аналогичные естественным, и получать очень точные значения остаточного сопротивления, которые зависят не только от величины нормального давления в плоскости сдвига, но и от скорости сдвига. Обычно при смещении склонов наблюдается скорость движения грунтовых масс от 5 см/год до 50 см/сут.

Устройства простого сдвига с перекашиванием образца (рис. 8.28, б) позволяют моделировать различные условия действия сдвигающих нагрузок. Результаты применяются при расчете устойчивости подводных склонов континентальных шельфов, характеризуемых слоистым залеганием глинистых грунтов; при прогнозе поведения грунтов под фундаментом морских платформ или рядом с боковой поверхностью свай. Установка предназначена для уплотнения образца дренирования и затем сдвига. Деформация сдвига вызывается горизонтальным смещением нижней части образца относительно верхней, кольца скользят друг по другу и при этом диаметр образца остается постоянным, поэтому любые изменения объема являются результатом вертикального движения верхнего прижимного устройства. На этапе сдвига во время испытания вертикальная высота образца поддерживается постоянной с помощью вертикального привода, соединенного обратной связью с датчиком смешения. Образцы грунта могут быть в форме цилиндра, прямоугольника или куба.

Преимущества данного прибора заключается в том, что если в условиях прямого среза разрушение образца грунта происходит вдоль заранее фиксированной горизонтальной плоскости, то в условиях простого сдвига разрушение будет проходить вдоль серии горизонтальных (или вертикальных) плоскостей сдвига по ослабленным участкам грунта с наименьшим сопротивлением. В отличие от испытаний на прямой срез (когда практически невозможно выдержать недренированные условия), при опытах в приборах прямого сдвига образец находится в резиновой оболочке, что позволяет проводить дренированные и недренированные испытания, сохраняя объем грунта, а также измерять поровое давление. Испытания в условиях простого сдвига позволяют определить не только параметры прочности, но и модуль сдвига G.

Испытания на прямой одноплоскостной или кольцевой сдвиг проводятся в основном для таких условий устойчивости грунтов, когда возникают явные плоскости разрыва или когда прочностные характеристики определяются на поверхности контакта іруит- фундамент. Результаты этих испытаний хорошо совпадают. Напряжения в условиях кольцевого сдвига более однородны, при этом испытании легче получить большие деформации сдвига и определить остаточную прочность грунта, чем в приборе прямого сдвига. Подготовка образца для испытаний в условиях прямого сдвига менее трудоемка по сравнению с кольцевым сдвигом.

Сравнение результатов испытаний в условиях простого сдвига с результатами испытаний в условиях трехосного сжатия или прямого среза свидетельствует о том, что в условиях простого сдвига максимальная прочность получается ниже, а разница в значениях остаточной прочности менее существенна. Учитывая эти различия, рекомендуется принимать значения пиковой прочности при срезе с понижающими коэффициентами 0,77-0,85 .

Для полевых исследований прочности слабых грунтов (торфов, илов, текучих и текучепластичных глинистых грунтов) применяется сдвигомер-крыльчатка. Аналогичный миниприбор используется и в лабораторных условиях. Крыльчатка представляет собой две одинаковые прямоугольные взаимно перпендикулярные пластинки, насаженные на вертикальную ось (рис. 8.28, в ), к которой прикладывается крутящий момент и измеряется его предельная величина, используемая для расчета сопротивления недренированному сдвигу с и.

В установках, действующих по схемам торсионного сдвига (рис. 8.28, г) и кручения пустотелого цилиндра (рис. 8.28, <)), образцы фиксируются в основании, и вращение производится вокруг вертикальной оси в верхней части образца. Изначально для этих схем испытаний применялись стабилометры кручения, в 1957 г. W. Kirpatric предложил использовать полые цилиндры грунта, что позволило приводить во вращение верхний нагрузочный штамп, а также создавать давление внутри и с внешней стороны образца. За рубежом приборы для испытаний получили название НСА (Hollow Cylinder Apparatys). При испытании полых цилиндрических образцов (рис. 8.30, в) моделируется истинное трехосное сжатие с вращением направлений осей главных напряжений (рис. 8.30, а). В результате создается широкий диапазон возможных вариантов сложного напряженного состояния в образце грунта, что особенно важно для грунтов анизотропных: можно изменять вертикальное (

Рис. 8.30. Испытания полых цилиндрических образцов: а - максимальные и минимальные напряжения в грунтах основания: б - прибор НСА (производитель Wykeham Farrance); в устройства для подготовки образцов; г - образец грунта перед установкой в камеру трехосного сжатия

Как уже отмечалось, при проведении испытаний грунтов необходимо выбрать условия, которые наиболее полно соответствуют реальным условиям работы грунта в основании будущего сооружения. К основным внешним факторам, влияющим на прочность грунтов, относятся: вид напряженного состояния, условия проведения испытаний (закрытая или открытая система, влияние порового давления и т. п.), скорость нагружения, характер нагружения образца (статическое или динамическое) и др.

Влияние вида напряженного состояния в условиях чистого сдвига, одноосного растяжения и сжатия, а также трехосного сжатия (схемы опытов приведены на рис. 8.27) на прочность грунтов можно проанализировать с помощью кругов Мора паспорта прочности грунта (рис. 8.31). Паспортом прочности грунта является кривая, огибающая предельные круги напряжений Мора в координатах нормальных и касательных напряжений. Предельный круг Мора соответствует предельному напряженному состоянию, достигаемому

при данном соотношении наибольшего и наименьшего главных нормальных напряжений, и имеет радиус R = /2с координатами центра ( / 2; 0). Для построения паспорта прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии, одноосном сжатии и растяжении по совокупности парных значений o c v = ffmax и оъ = <7 П ип (полученных при объемном сжатии не менее чем при трех различных значениях бокового давления <7з) в координатах строят полуокружности радиусами /2 с координатами центров / 2; 0) К семейству полуокружностей добавляют полуокружности радиусами (т р /2и<т с /2с координатами центров (-я р / 2; 0) и (я с / 2; 0), где <т р - предел прочности при одноосном растяжении; я с - предел прочности при одноосном сжатии.

Рис. 8.31. Паспорт прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии, одноосном сжатии и растяжении

Из диаграмм (рис. 8.31) следует, что один и гот же грунт, в зависимости от вида напряженного состояния, будет иметь различные величины предельных параметров прочности, наименьшее значение характерно для условий простого одноосного растяжения (разрыва), наибольшее - для условий объемного сжатия.

Характеристики прочности грунтов зависят от скорости нагружения образца , параметры сопротивления скальных и связных грунтов сдвигу (угол внутреннего трения (р и сцепление с) различны для одного и того же грунта, испытываемого в условиях быстрого или медленного сдвига. С уменьшением скорости нагружения (увеличением длительности испытания) величина удельного сцепления закономерно снижается, а угол внутреннего трения возрастает. С целью идентификации вида напряженного состояния, при котором касательные напряжения достигают предела прочности, применяют такие термины, как кратковременная и длительная устойчивость.

Кратковременная устойчивость предполагает возникновение ряда условий в массиве слабых водонасыщенных глинистых грунтов с низкой проницаемостью, как в ходе строительства, так и при эксплуатации сооружения. Эти условия включают быстрые темпы нагружения основания, отсутствие возможности дренирования, возникновение избыточного порового давления. В этом случае прочность глинистых грунтов оценивается в условиях недренироваиного нагружения.

Длительная устойчивость оценивается в условиях возможности дренирования и частичной (или полной) консолидации грунта с рассеиванием порового давления и стабилизацией деформаций. Эти условия возникают мгновенно при строительстве на крупно- обломочных и песчаных грунтах, в глинистых грунтах стабилизация деформаций продолжается более длительное время. При возникновении данных условий прочность грунта оценивается в условиях дренированного нагружения.

В некоторых случаях необходимо определять и кратковременную, и длительную устойчивость основания. Например, в течение строительства насыпи в водонасыщенных грунтах основания дренирование будет практически отсутствовать, а после ее возведения в процессе дренирования и консолидации прочность будет изменяться. В первом случае нужно проводить неконсолидированно-недренированные испытания, во втором - консолидированно-дренированные или консолидированно-недренированные.

К условиям испытаний, влияющим на прочность грунтов, прежде всего относятся закрытая или открытая (недренированная или дренированная) схемы испытании.

Параметры дренированной прочности определяют в установках прямого среза и трехосного сжатия (испытания консолидированно-дренированные). При определении прочности в условиях открытой системы из грунта при нагружении может отжиматься вода. За счет этого возникающее при передаче на грунт нагрузки (о) поровое давление (и) постепенно рассеивается и при медленном нагружении может упасть до нуля. В неполностью водонасыщенных грунтах поровое давление не учитывают. При дренированном нагружении прочность грунтов зависит в значительной степени от того, испытывает ли грунт сжатие или расширение от действия внешней нагрузки. Если грунт расширяется (например, зона перед подпорной стенкой) или сжимается (за подпорной стенкой), то прочность грунта будет различной. Прочность грунтов при расширении меньше прочности при сжатии.

Параметры недренированной прочности с и получают из результатов неконсолидированно-недренированных испытаний в установках прямого среза и трехосного сжатия, которые отражают поведение глинистого грунта с низкой проницаемостью при любой скорости нагружения, даже при очень медленной. Высокая скорость возведения сооружения и отсутствие возможности дренирования не дают грунту консолидироваться и влияют на его прочность. При определении прочности водонасыщенных грунтов в условиях закрытой системы грунт изолирован от внешней среды, он не может впитывать или отдавать воду при нагружении, его влажность остается постоянной. Возникающее при нагружении образца поровое (или нейтральное) давление (и) увеличивается пропорционально приложенной нагрузке (о) вплоть до момента разрушения образца или остается постоянным при данном постоянном напряжении о.

Сопротивление срезу с ы в водонасыщенных органо-минеральных и органических грунтах допускается отождествлять с величиной удельного сцепления с (по методике (р = 0), что позволяет вести расчеты несущей способности и устойчивости оснований и откосов по имеющимся расчетным схемам с использованием стандартных программ. Полевые исследования органо-минеральных и органических грунтов с помощью четырехлопастной крыльчатки в ряде случаев являются единственно возможным способом определения их механических свойств. Недренированная прочность используется как классификационный показатель, например, в стандарте Великобритании BS. В табл. 8.31 приведена классификация грунтов по недренированной прочности.

Наличие или отсутствие норового давления в грунтах имеет немалое значение при исследовании их прочности. В большинстве случаев результаты испытаний обрабатываются с использованием условия прочности Кулона или Мора-Кулона. Прочность грунта по Кулону зависит от нормального давления, которое можно выразить через полные и эффективные напряжения. При определении параметров прочности в полных напряжениях поровое давление не учитывают, полагая, что в условиях полного дренирования оно рассеивается, поэтому испытания на стадии сдвига проводят по открытой схеме, допуская дренирование и нагружение образца ступенями с выдержкой до полной стабилизации деформации сдвига. Если поровое давление измеряется, что возможно только при полном водонасыщении образцов и отсутствии дренирования, то при проведении опытов по схеме неконсолидированно-недренированного или консолидированно-недренированного сдвига можно определить параметры прочности в эффективных напряжениях. Чем больше поровое давление и, тем меньшая часть внешнего давления передается на скелет грунта. Для учета влияния порового давления, согласно К. Терцаги, вводят эффективное давление, тогда уравнение Кулона с учетом норового давления принимает вид:

где о" - эффективное давление; и - поровое давление; с" - удельное сцепление (в терминах эффективных напряжений).

Таблица 8.31

Сдвиговая прочность грунтов в недренированных испытаниях

Разновидность грунтов	Сопротивление недренированному сдвигу с„. кПа
Чрезвычайно низкой прочности
Очень низкой прочности	10 < с„ < 20
Низкой прочности	20 < с и < 40
Средней прочности	40 < с и < 75
Высокой прочности	75 < с и < 150
Очень высокой прочности	150 < с„ < 300
Чрезвычайно высокой прочности	с и > 300

Таким образом, если в расчетах устойчивости склонов или несущей способности оснований учитывается норовое давление, то параметры прочности принимают в эффективных напряжениях; если поровое давление не учитывается, то в полных.

Характер нагружения, также влияющий на параметры прочности грунтов, проявляется в разных способах передачи на грунт внешних напряжений. Они могут быть статическими (при действии постоянных или медленно меняющихся нагрузок) или динамическими (при действии переменных, циклических, периодических, импульсных нагрузок и др.). Особенности и закономерности разрушения одного и того же грунта в статических или динамических условиях различны, поэтому при динамических воздействиях прочность грунтов изучается специальными способами.

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:

Pн .

P cosα cosα

(1+ cos 2α )

τ =

Pc .

P sinα cosα

sin 2α

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).

	(σ н.) min.= σ 3
		(σ н.) max.= σ 1

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:

	BC = DC = AC =			OD − OA		σ 1 − σ 3

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 . = OK = OA + AC + CK = σ 3		σ 1 − σ 3		σ 1 − σ 3	cos 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

σ 2 =σ 3 =0

σ 2 =σ 3 =0

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

Горная порода		σ сж , кГ/см2	σ р , кГ/см2
Кварциты
Известняки
Песчаники
Глинистые сланцы
Каменная соль

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).

	σ сж.

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

σ 2 =σ 3 >0		σ 2 =σ 3 >0

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.

				Подвижный поршень

Образец грунта

Р2 = σ 2

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

№ испытания	σ 2 , МПа	σ 1 , МПа

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

σ , 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).

τ ,МПа

σр

σ2 "

σ1 "

σ ,МПа

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

	0,05 0,1 0,15 0,20	σ , 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

σ н.

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

	Показатели		Коэффициент пористости, е
Пески гравелистые
Пески средней крупности
Пылеватые
Суглинки

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

		Угол наклона			Разрушающая	Нормальные
						напряжения, σ =
	испытания	(α , град.)	образца, см		кгс/см2

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 .