Предел прочности на растяжение грунтов

Учет физико-механических свойств грунтов при выборе средств уплотнения касается прежде всего тех давлений, которые развиваются на поверхности контакта рабочих органов машин с уплотняемым грунтом. При больших давлениях происходят разрушения сплошности грунта, а вследствие этого чрезмерное погружение в грунт рабочих органов машин. В итоге грунт не столько уплотняется, сколько выдавливается в стороны. При небольших контактных давлениях почти вся деформация развивается как деформация уплотнения, однако она мала и потому эффективность процесса недостаточна.
Следовательно, имеются какие-то определенные значения контактных давлений, при которых обеспечивается нормальное течение процесса, когда вся или почти вся деформация развивается а результате сближения отдельных частиц и их агрегатов, т. е. в результате уплотнения грунта, и при этих условиях деформация максимальна.
Такие значения контактных давлений соответствуют пределу прочности грунта.
Если, деформируя грунт посредством плоского жесткого штампа, постепенно повышать оказываемую на него нагрузку, то вначале, т. е. при малых контактных давлениях, деформация сосредоточивается в небольшом объеме грунта, расположенном вблизи контактной поверхности. С ростом контактного давления деформация постепенно распространяется на все большую часть объема грунта.
Наконец, наступает момент, когда, несмотря на продолжающееся увеличение давления, рост деформируемой зоны практически прекращается, т. е. потенциальные возможности такого роста, определяемые поперечными размерами контактной поверхности, оказываются исчерпанными. При этом грунт, расположенный в определенной зоне, имеет одинаковую плотность. Эта зона с верхней стороны ограничена поверхностью контакта, а со стороны грунта — поверхностью, которая может быть принята полусферической. Расположенный в этой зоне грунт называют уплотненным ядром.
Образование ядра происходит благодаря сближению частиц и агрегатов, т, е. в результате уплотнения.
При продолжении нагружения штамп перемещается вниз уже вместе с уплотненным ядром. Это перемещение возникает из-за пластических сдвигов, развивающихся в объеме грунта вблизи границ уплотненного ядра. При таких сдвигах грунт из-под ядра перемещается в стороны, что приводит к разрушению грунтового массива, и потому вначале вокруг штампа образуются кольцевые, а затем и радиальные трещины и, наконец, происходит выпирание грунта. В несвязных грунтах такие сдвиги происходят скачками, между которыми уже в новой, расположенной на большей глубине зоне вновь происходит накопление деформации, завершающееся очередным скачком, т. е. провалом штампа на некоторую глубину.
Приведенное описание показывает, что на определенной стадии деформирования происходит качественный переход деформации от развития ее с изменением объема к развитию без изменения объема. Этот переход соответствует началу разрушения грунтового полупространства или грунтового слоя. Контактное давление, при котором начинается такое разрушение, можно называть пределом прочности σр. Предел (прочности определяют по изменению закономерности развития необратимой деформации от контактного давления.

Пределы прочности зависят от вида грунтов, их влажности и плотности (рис. 56—58), степени упрочнения и парам нагруження. К последним относятся скорость изменения напряженного состояния и поперечные размеры контактных поверхностей, т. е. рабочих органов машин.
Пределы прочности на рис. 56—58 даны в относительных единицах. За единицу соответственно приняты предел прочности песка (см. рис. 56), грунтов оптимальной влажности (см. рис. 57) и максимальной стандартной плотности (см. рис. 58). Зависимость предела прочности от содержания в грунтах глинистых частиц (см. рис. 56) характеризуется кривой, имеющей минимум, который соответствует грунтам, содержащим глинистые частицы в количестве 10—12%. Эти грунты относятся к оптимальным смесям и обладают максимальной плотностью. Небольшой предел прочности можно объяснить тем, что влага и глинистые частицы здесь концентрируются на стыках многочисленных песчаных частиц. Глинистые частицы имеются в сравнительно небольшом количестве и потому, оказываясь переувлажненными, играют роль смазки, что облегчает взаимоперемещения более крупных песчаных частиц. С повышением содержания в грунтах глинистых частиц они оказываются увлажненными уже в меньшей мере и потому сопротивляемость внешним нагрузкам возрастает. Оказалось, что влиянием на предел прочности минералогического состава глинистой фракции грунта можно пренебречь, а учитывать лишь гранулометрический состав, который в общем может быть охарактеризован содержанием в грунтах глинистой фракции.

Уменьшение влажности приводит к непрерывному росту предела прочности грунта, который характеризуется прогрессирующей кривой (см. рис. 57, а). Кривая зависимости предела прочности песка от его влажности имеет максимум и минимум (см. рис. 57, б). Максимум соответствует оптимальной или близкой к ней влажности, а минимум — весьма небольшому увлажнению.
Оказалось, что на пределы прочности грунтов влияет характер сложившейся структуры. Опыты, поставленные на малосвязных грунтах с содержанием глинистых частиц 6—12%, имеющих одинаковые плотности и влажности, показали, что в зависимости от условий формирования образцов прочность их может отличаться в 3—4 раза. По мере уплотнения предел прочности грунта возрастает и притом значительно (см. рис. 58). Так, предел прочности при максимальной стандартной плотности примерно в 2—2,5 раза выше значений, которые соответствуют грунтам с плотностью (0,80—0,90) δmax.

При упрочнении грунтов повторяющейся нагрузкой их пределы прочностей увеличиваются незначительно, однако при условии, что число приложений нагрузки не превышает 100—150 и при этом плотность грунтов практически не меняется. Так, при плотности связного грунта 0,95 δmax увеличение предела прочности зарегистрировано только у 35% образцов, причем оно составляло всего 10—20%. Однако Сидом и Ченом установлено, что после нескольких десятков тысяч приложений упрочняющей нагрузки предел прочности увеличивается на 35 и даже па 60%, причем такое упрочнение сохраняется лишь в случаях, когда полная деформация грунта не превышает определенных пределов,
В противном случае эффект упрочнения отсутствует. Таким образом, ввиду небольшого числа приложений нагрузки влиянием этого фактора на предел прочности грунта при рассмотрении процессов уплотнения грунтов можно пренебречь.
Зависимость предела прочности грунта от парам нагружения представлена на рис. 59. За единицу приняты диаметр самого малого из тех штампов, которыми испытывались грунты, и соответствующий ему предел прочности. С увеличением диаметра штампа предел прочности грунта возрастает, однако чем больше диаметр, тем меньше влияние на предел прочности грунта он оказывает.
Из графика рис. 59, б видно, что на пределы прочности грунта большое влияние оказывает скорость изменения напряженного состояния. Поэтому пределы прочности при трамбовании больше, чем при укатке. Этот график, как и предыдущие, построен в относительных единицах, причем за единицу приняты скорость изменения напряженного состояния, равная 0,1 кгс/см2*с, и соответствующий ей предел прочности грунта.

Пределы прочностей грунтов, уплотненных различными машинами, даны в табл. 43. Эти значения относятся к грунтам оптимальной влажности, имеющим плотность 0,95 δmax. При плотности грунтов, равной 1,0 δmax, пределы прочности превышают приведенные в таблице значения в среднем в 1,6 раза при связных грунтах и в 1,3 раза — при несвязных. Для определения пределов прочностей грунтов, влажности которых отличаются от оптимальных, в значения, приведенные в табл. 44, следует вводить поправочные коэффициенты, которые можно находить, пользуясь рис. 57.

Пределом прочности грунта при одноосном сжатии Rc называется предельное сжимающее напряжение, при котором происходит разрушение грунта, находящегося в условиях одноосного напряженного состояния. Прочность на одноосное сжатие соответствует критерию прочности, предложенному Галилеем (первая теория прочности), согласно которому разрушение тела наступает в момент, когда сжимающее нормальное напряжение о достигнет критического (предельного) значения. Предел прочности па одноосное сжатие Rc определяют как отношение приложенной к образцу вертикальной нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения. Результаты испытаний грунта используются при определении несущей способности и устойчивости грунтов, определении показателя консистенции глинистых грунтов, для определения недренированной прочности связных грунтов, расчета сваи стоек.

По характеру поведения пробы в процессе деформации и разрушения выявляют пять типов деформаций грунтов [84]: хрупкий, хрупковязкий, хрупкопластичный, вязкопластичный, пластичный.

Рис. 8.49. Типы деформационного поведения глинистых пород при одноосном сжатии: а хрупкий: б хрупкопластичный: в пластичный

При хрупком типе разрушения деформация носит упругий характер до величины предела упругости, затем быстро наступает разрушение. В этом случае прочность на одноосное сжатие равна пределу упругости (рис. 8.49, а).

При хрупковязком типе деформирования после упругих деформаций начинается вязкое течение с постоянной скоростью, которое заканчивается хрупким разрушением.

При хрупкопластичном типе деформирования пластическое течение заканчивается хрупким разрушением (рис. 8.49, о).

При вязкопластичном типе деформирования вязкое деформирование переходит в пластичное течение.

При вязкопластичном и пластичном типах деформирования величину Rc определяют при достижении относительной деформации в 20 % (рис. 8.49, в).

При одноосном сжатии грунтов начинается вначале резкое нарастание деформации, затем, по мере уплотнения частиц, сопровождающегося увеличением числа контактов между ними и возрастанием (в глинистых грунтах) сил отталкивания между молекулами связанной воды сближаемых частиц, интенсивность нарастания деформации постепенно уменьшается.

После снятия нагрузки не все вновь образовавшиеся контакты исчезают. Кроме того, процессы разрушения цементационных связей между твердыми частицами и нарушения структуры скелета грунта являются необратимыми, т. е. при разгрузке нарушенные цементационные связи и структура грунтов не восстанавливаются. Опыты по многократному циклическому нагружению и разгружению грунтов в условиях последовательного возрастания с каждым новым циклом величины максимальною давления показывают, что ветвь нагрузки при давлениях, не превышающих их максимального значения, достигнутого в процессе предшествующею нагружения, проходит близко к ветви предыдущей нагрузки, а при более высоких давлениях выходит на продолжение исходной кривой (как при однократной нагрузке).

При малом количестве циклов нагрузки-разгрузки деформации грунтов являются в основном остаточными. По мере увеличения числа циклов количество контаков между твердыми частицами возрастает, а деформации грунта, в основном остаточные, уменьшаются. При этом ветви нагружения и разгрузки при постоянном максимальном давлении с каждым циклом сближаются и все более совпадают. При достаточно большом количестве циклов деформации грунта становятся практически полностью упругими и объясняются только выжиманием связанной воды из контактов и упругим сжатием скелета грунта и в меньшей степени объемным деформациями материала твердых частиц.

Для некоторых грунтов, например для мергелей, разрушение может произойти по плоскостям, параллельным оси образца. Это происходит вследствие неоднородности напряженною состояния образца. В некоторых случаях поверхность смещения формируется в виде комбинации вертикальных и наклонных поверхностей скола. В подобных случаях определение сопротивления сдвигу методом одноосною сжатия производить не следует.

Для вычисления деформационных характеристик грунтов по измеренным значениям вертикальных и поперечных деформаций образца, соответствующим различным вертикальным напряжениям о, строят графики зависимости и , где е и а — продольные и поперечные относительные деформации образца.

Модуль деформации Ео и коэффициент поперечной деформации п вычисляют с использованием выражений (8.4) и (8.5) по нагрузочным ветвям зависимостей а от с: для по- лускальных грунтов при уровне нафузки, составляющей 50…60 %, и для скальных грунтов в диапазоне напряжений от 5 до 50 % от предела прочности при одноосном сжатии Rc. Модуль упругости Е и коэффициент Пуассона р вычисляют в этом же диапазоне напряжений по тем же формулам, в которых значения Деі и Лє2 принимают по разгрузочным ветвям зависимостей t’l =До) И Є2 =.Д<т).

Определение коэффициента структурной прочности S,. Дисперсные грунты природного сложения имеют более высокую прочность на сжатие, чем те же грунты нарушенного сложения. Для оценки этого эффекта используют показатель, называемый чувствительностью (по Скемптону), или коэффициентом структурной прочности S,. Подсчитать S, можно как отношение сопротивления грунта сжатию в естественном (Rc) и в нарушенном состоянии (Лен): S, = Rc/ Rcн. Оценить прочность структуры связей можно по величине показателя структурной прочности L = 1 / S,. Величина S, меняется от 1,2… 1,5 для нелитифицированных глинистых грунтов до 10… 16 и более для литифицированных.

Сопротивление недренированному сдвигу си, МПа, водонасыщенного глинистого грунта (рис. 8.50), соответствующее сцеплению грунта при нсконсолидированно- недпениоованном испытании, определяют по формуле

(8.24)

Определение сцепления и угла внутреннего трения. В тех случаях, когда при разрушении четко выявляется плоская площадка скольжения, метод одноосного сжатия позволяет определять величину сцепления с и угла внутреннего трения <р. С этой целью замеряют угол наклона поверхности площадки а к горизонту (рис. 8.51).

Рис. 8.50. Зависимость нагрузки σ от относительной вертикальной деформации образца с

Рис. 8.51. Определение сцепления и угла внутреннего трения при одноосном сжатии грунта: а — схема разрушения образца породы при одноосном сжатии; б — диаграмма Мора при одноосном сжатии

По определенным величинам Re и а находятся параметры прямолинейной огибающей диаграммы Мора:

При малых углах внутреннего трения (φ —*■ 0, а = 45°) сцепление определяется но формуле (8.24).

Определение коэффициента размягчаемости ksof. Различают пределы прочности при сжатии образцов: в воздушно-сухом состоянии, в водонасыщенном состоянии и при естественной влажности. У некоторых полускальных грунтов (мертели, аргиллиты и др.) под влиянием увлажнения происходит уменьшение прочности. Это свойство называют размягчаемостью породы и характеризуют коэффициентом размягчаемости, который

представляет собой отношение пределов прочности на сжатие после и до насыщения водой. Согласно [34], подразделение грунтов по прочности на одноосное сжатие проводится для водонасыщенного состояния грунта и по коэффициенту размягчаемости.

Коэффициент размягчаемости к-,,,/ определяется при испытаниях на одноосное сжатие как отношение прочности водонасыщенного грунта (RIW) к прочности того же воздушно-сухого грунта (R,.):

Величина коэффициента размягчаемости kiof меняется от 0 до 1: если км/> 0,75, то грунт считается неразмягчаемым; если kSOf < 0,75, то грунт относится к категории размягчаемых. Чем ниже коэффициент размягчаемости, тем больше снижается прочность породы при насыщении водой. Среди скальных грунтов наибольшая размягчаемость характерна для грунтов с неводостойкими структурными связями; например, глинистые сланцы, песчаники с глинистым цементом, алевролиты, аргиллиты, мергель и др. Для изверженных пород коэффициент размягчаемости практически равен единице. Осадочные породы. породы с глинистым или легко растворимым в воде цементом обладают низким коэффициентом размягчаемости (меньше 0,5). Определение коэффициента размягчаемости, как правило, производят только для полускальных грунтов с глинистым или другим слабым цементом.

Рис. 8.52. Кривая длительной прочности

Определение длительной прочности. Различают мгновенную прочность, когда время нагрузки стремится к нулю, и длительную прочность, когда время нагрузки стремится к бесконечности. Длительная прочность имеет важное значение при проектировании сооружений, так как определяет размеры фундамента. Кривая длительной прочности, т. е. -зависимости времени г до разрушения образца от величины приложенного напряжения а, представлена на рис. 8.52, где — условно-мгновенная прочность; σх — предел длительной прочности, строится по данным ряда испытаний с фиксированными напряжениями, составляющими определенную долю от величины Rc (рекомендуется ряд напряжений: 0,9Rc; 0,8Rc; 0,7Rc», 0.6Rc; 0,5Rc). За величину оУ принимается такое напряжение, при котором в течение суток относительная продольная деформация увеличивается менее чем на 0,1 %.