Сопротивление грунтов сдвигу

(Определяется в лаборатории опытным путем с использованием сдвигового прибора, для грунтов ненарушенной структуры.)

Сдвиговой прибор представляет собой толстостенный цилиндр, состоящий из 2 частей, одна из которых неподвижна, а другая может смещаться на величину S от действия сдвигающей нагрузки Т.

В прибор помещается образец грунта и нагружается давлением Р₁, затем прикладываем ступенями сдвигающую нагрузку (Т), происходит сдвиг (разрушение образца) при τ₁.

Берём второй образец с Р₂ и получаем τ₂.

Фотография локализованного объема сдвига грунта в сдвиговом приборе

На приведенной фотографии показана зона локализованного сдвига, возникающая в месте среза в образце грунта. Отдельные полосы, полученные в результате проведенного опыта, показывают зону развития касательных напряжений τ в образце грунта по мере возрастания сдвигающей нагрузки (Т). В момент разрушения образца грунта касательные напряжения достигают максимального значения τ.

Существуют большое разнообразие типов сдвиговых приборов, применяемых в лабораторных испытаниях. На ниже приведенных фотографиях представлено изображение автоматизированного сдвигового прибора, входящего в комплекс автоматизированных систем измерения (АСИЗ).

Сдвиговой прибор (вид сверху).

Общий вид сдвигового прибора.

Результаты испытаний на сдвиговом приборе могут быть представлены следующей схемой:

Здесь:

• φ – угол внутреннего трения грунта;
• Р_е – давление связности;
• С – сцепление глинистого грунта (начальный параметр прямой).

На представленном рисунке приведены результаты испытаний (доведение до разрушений) 3 образцов грунта, обжатого давлениями Р₁< Р₂< Р₃(левый график представленной схемы). В результате в момент разрушения образца грунта получаем максимальные значения касательных напряжений сдвига τ_max1, τ_max2, τ_max3, значения которых откладываем на графике τ_max=τ_max(Р) (средний и правый графики представленной схемы). Различие в очертании графиков на данных схемах обусловлено свойствами песка и глины (обладающей способностью сцепления).

Таким образом, математическая формулировка III закона механики грунтов, или сопротивления грунта сдвигу (закон Кулона), может быть представлена зависимостью τ = С + f(Р) или сформулирована в следующим определением:

Сопротивление грунта сдвигу есть функция первой степени от нормального давления (при консолидированном состоянии грунта).

Представленные зависимости отражают работу грунта при консолидировано-дренированных испытаниях, что чаще всего отвечает работе возводимых сооружений.

Однако в ряде случаев, необходимо получать характеристики грунтов при неконсолидированном-недренированном состоянии – быстрый сдвиг (устойчивость стен котлованов, насыпей и т.д.), что имеет первостепенное значение для глинистых водонасыщенных грунтов.

На приведенной ниже схеме показано, что сопротивление быстрому сдвигу связных водонасыщенных грунтов зависит в основном только от влажности W . Такие грунты будут обладать лишь параметром сцепления (С) при практическом значении угла внутреннего трения равного нулю φ≈0.

В современных условиях развития механики грунтов, для определения сопротивления грунта сдвигу существует довольно много приборов и способов:

• Односрезные сдвиговые приборы.
• 2-срезные сдвиговые приборы.
• Приборы 3-осного сжатия (стабилометры).
• Зондирование.
• Искусственное обрушение откосов.
• Лопастные испытания (крыльчатка).
• Метод шарикового штампа.

Для изучения данных способов обращайтесь к дополнительной литературе.

Каковы пределы изменения φ?

φ – основная прочностная характеристика грунта.

В качестве примера необходимости точного определения прочностных характеристик грунтов оснований, рассмотрим случай возникновения аварийной ситуации при проведении ремонтных работ по береговому укреплению на набережной реки Фонтанка в Санкт-Петербурге.

В расчёте по определению активного давления грунта Е_А на стену набережной канала в начале был принят угол внутреннего трения грунта 22°. В результате проведения работ фактически образовавшаяся величина Е_А привела к нарушению устойчивости стенки по длине около 200 м. После дополнительного исследования свойств грунтов оказалось, что φ =18°, или на 4° меньше ранее принятого значения. Ошибка (неточность) в измерении φ привела к возникновению аварийной ситуации на стройке.

Таким образом, качество проводимых испытаний грунтов и точность определения величин φ имеют решающие значение при расчете сооружений по устойчивости, прочности.

Не менее важное значение в обеспечении прочности и устойчивости оснований имеет и характеристика сцепления (С). Так при производстве работ по устройству оросительного канала в связных грунтах, без учета сцепления откос должен быть выполнен с заложением 1:4.

Откос при учете сцепления на незначительную величину С = 0,005 МПа получил уже заложение 1:1,5, что позволило сократить объем земляных работ ≈ на 61000 м³ на 1 км канала и получить значительный экономический эффект.