Прочностные свойства грунтов оснований

Грунты оснований зданий и сооружений испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, то происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.

Сопротивление грунта сдвигу характеризуется прочностными свойствами грунта и используется в расчетах оснований по первому предельному состоянию (по прочности).

Прочностью грунта называют способность его воспринимать силы внешнего воздействия не разрушаясь. Разрушение грунта, служащего основанием сооружения, слагающего берег (склон) водохранилища или же откос канала, происходит в виде перемещения-сдвига одной его части относительно другой тогда, когда силы внешнего воздействия превысят силы внутреннего сопротивления.

Прочность грунта определяется его сопротивляемостью сдвигу и оценивается показателем, который называется предельным сопротивлением сдвигу ф.

Испытание грунтов на сдвиг

В лабораторных условиях сопротивление грунта сдвигу устанавливается испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез) в сдвиговых приборах и приборах трехосного сжатия, в полевых — путем испытания крыльчаткой, методами раздавливания призмы грунта, сдвигом целика грунта в заданной плоскости и другими способами. На рис. 1 показан общий вид установки для испытания грунтов на одноплоскостной сдвиг.

Рис. 1 Общий вид прибора для испытания грунта на сдвиг

Сопротивление сдвигу песчаных и крупнообломочных фунтов возникает в основном в результате трения между перемещающимися частицами и зацепления их друг за друга. В этих грунтах сопротивление растяжению практически отсутствует, поэтому их называют сыпучими, или несвязны ми. Тогда сопротивление сдвигу в несвязных (сыпучих) грунтах зависит от сил трения между частицами.

Процесс разрушения глинистых грунтов значительно сложнее, чем песчаных или крупнообломочных. Водно-коллоидные и цементационные связи, которые имеют место в глинистых грунтах, обеспечивают некоторое сопротивление их растяжению.

Поэтому эти фунты часто называют связными. Тогда сопротивление сдвигу в связных фунтах складывается из сил трения частиц и сил сцепления между ними.

Сцепление — это сопротивление структурных связей глинистых грунтов всякому перемещению частиц.

Испытание глинистых грунтов на сдвиг производится по двум схемам:

• · I схема — закрытая (неконсолидированно-недренированные испытания), т. е. когда фунт не консолидирован. Испытания производятся сразу после приложения вертикальной нагрузки, при этом плотность и влажность грунта в процессе опыта не меняются. Такие опыты носят название «быстрого сдвига».
• · II схема — открытая (консолидированно-дренированная), т. е. когда грунт консолидирован. В этом случае испытания на сдвиг производятся после полной консолидации. Консолидация — процесс уплотнения грунта, сопровождающийся отжатием воды из пор грунта, т. е. это явление свойственно водонасыщенным грунтам. Как было сказано выше, сопротивление грунтов сдвигу можно определить с помощью различных приборов. Наиболее простым из них является одноплоскостной сдвиговой (рис. 2).

Рис. 2 Схема прибора для испытания фунта на сдвиг

1 — неподвижная обойма; 2 — то же, подвижная; 3 — фильтрующая пластина с зубцами Если образец грунта поместить в сдвиговой прибор (в виде двух компрессионных колец), то приложив вертикальную силу F и постепенно увеличивая горизонтальную силу Т, происходит срез (сдвиг) одной части образца относительно другой по линии, показанной пунктиром (см. рис. 2).

Опыты на сдвиг проводят при нескольких сжимающих напряжениях (о) для образцов грунта, находящихся в одинаковом состоянии и результаты оформляют в виде графиков (рис. 3). При этом, чем больше а, тем больше предельное сопротивление сдвигу фи.

Под действием возникающих в плоскости среза касательных напряжений ф=Т/А развиваются горизонтальные перемещения верхней части образца, а (см. рис. 3). По мере увеличения интенсивность горизонтальных перемещений, а возрастает, и при некотором предельном значении ф = фи дальнейшее перемещение части образца происходит без увеличения сдвигающего напряжения. Это свидетельствует о разрушении образца грунта.

Рис. 3 Кривые горизонтальных смещений части образца при различных значениях нормальных напряжений (а) и график сопротивления сдвигу образца песчаного грунта (б)