Прочность грунтов при растяжении

Прочность грунтаПрочность грунта (далее – ПГ) – это способность грунта сопротивляться разрушению, в основном при механическом воздействии на него. Ее выражают и оценивают временным сопротивлением сжатию, разрыву, скалыванию (для полускальных и скальных грунтов), сдвигу (для глинистых грунтов и песков). Она обусловлена взаимодействием между элементами, составляющими грунт.

ПГ зависит не только от самого грунта, но и от вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.), условий эксплуатации (температура, скорость нагружения, длительность и число циклов нагружения, воздействие окружающей среды и т.д.). В зависимости от всех этих факторов в механике грунтов приняты различные категории: предел ПГ, предел текучести, предел усталости и др. Повышение ПГ достигается термической и механической обработкой, введением добавок, применением армированных и композиционных материалов.

Виды прочности грунта

Длительная прочность – ПГ при длительном действии нагрузки. Характеризуется кривой длительной прочности. Она зависит, в основном от прочности структурных связей грунта.

У грунтов с крепкими кристаллизационными и конденсационными связями прочность до их разрушения снижается до 70-90% от начальной (для большинства скальных грунтов до 60-80%). При наличии самых слабых структурных связей (коагуляционных) длительная прочность уменьшается до 20-60% от начальной.

В глинистых грунтах длительная ПГ зависит также от их влажности и консистенции. У глинистых грунтов пластичной консистенции прочность с течением времени при постоянной нагрузке снижается сравнительно быстро, и длительная ПГ для текучепластичных глин составляет от 20-40% до 50-60% для тугопластичных глин от начальной прочности. У мёрзлых грунтов длительная ПГ составляет 15-50% от начальной прочности, длительная ПГ льда уменьшается до нуля. При сжатии прочность снижается в меньшей мере, чем при сдвиге и тем более при растяжении. В условиях сложного напряжённого состояния, чем больше среднее нормальное напряжение, тем в меньшей степени снижается прочность. С ростом температуры снижение ПГ идет интенсивнее.

Контактная прочность – характеристика твёрдости породы, определяемая при вдавливании штампа в необработанную поверхность образца и составляющая, например, для песчаников 3,5 – 18,0 МПа, для сланцев 3,0 – 7,0 МПа.

Мгновенная прочность – ПГ при мгновенном приложении нагрузки.

Прочность грунта на сжатие – разрушение грунта при сжатии. Проводится в условиях свободного бокового расширения (такое испытание называется простым или одноосным сжатием) или при его ограничении. Она характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие Rс и равно частному от деления максимальной разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения образца до испытания. По величине Rс приближённо оценивается несущая способность свай. Она прямо пропорциональна предельной расчётной величине прочности на одноосное сжатие. Величина Rс используется также для определения устойчивости массива грунтов, в котором происходит подземная выработка, величин его смещения, нагрузок на крепь и параметров крепи. По значению Rс вычисляют коэффициент крепости по Протодьяконову.

Предел прочности на одноосное сжатие в лабораторных условиях изучают на образцах правильной (кубической или цилиндрической) и неправильной форм. Между пределом прочности на одноосное сжатие для образцов правильной Rс и неправильной Rс.н. формсуществует эмпирическая взаимосвязь Rс=5,3 Rс.н. Предел прочности на одноосное сжатие зависит от трещиноватости грунта, размера, формы и характера упаковки слагающих грунт частиц, прочности структурных связей между частицами, степени насыщения грунта водой или льдом.

Стандартная прочность – ПГ (песчаных и глинистых), оцениваемая методом медленного сдвига после предварительного полного их уплотнения при давлении, соизмеримом с давлением, создаваемым инженерным сооружением.

Структурная прочность – ПГ, обусловленная структурными связями между компонентами грунта, преимущественно твёрдыми. Она зависит от вида компонент и их физической природы, отвечает величине нагрузки, при которой начинается деформирование грунта. Различают структурную прочность при сжатии и сдвиге. Структурная ПГ при сжатии ориентировочно определяется по формуле: σстр=2с cosφ /(1-sinφ), где φ – угол внутреннего трения; с – сцепление.

Прочность грунта фильтрационная – сопротивление грунтов, главным образом песчаных, разрушению при действии на них фильтрационного потока.

Прочность остаточная – минимальное касательное напряжение при данной величине деформации, которое грунт выдерживает без деформирования и разрушения.

Прочность пластическая – предельное сопротивление сдвигу глинистых грунтов, определяемое по результатам лабораторных пенетрационных исследований по формуле: Рm=KaP/h2, где Ka – константа конуса, равная 0,959 при угле вершины конуса 300; Р – усиление пенетрации; h – глубина погружения конического наконечника под действием усилия Р.

Главная—>Справочник геолога—>Прочность грунта

Источник

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
τ .

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. 5.11 показан общий вид установки для испытания
грунтов на одноплоскостной сдвиг.

Рис. 5.11. 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. 5.12).

Рис. 5.12. 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. 5.12).

Опыты на сдвиг проводят при нескольких сжимающих напряжениях (о) для образцов
грунта, находящихся в одинаковом состоянии и результаты оформляют в виде
графиков (рис. 5.13). При этом, чем больше а, тем больше предельное
сопротивление сдвигу τи.

Под действием возникающих в плоскости среза касательных напряжений
τ=Т/А развиваются горизонтальные перемещения верхней части образца а
(см. рис. 5.13). По мере увеличения интенсивность горизонтальных
перемещений а возрастает, и при некотором предельном значении τ =
τи
дальнейшее перемещение части образца происходит без
увеличения сдвигающего напряжения. Это свидетельствует о разрушении образца
грунта.

Рис. 5.13. Кривые горизонтальных смещений части образца при различных
значениях нормальных напряжений (а) и график сопротивления сдвигу образца
песчаного грунта (б)

Многочисленными экспериментами различных авторов установлено, что график
зависимости сопротивления сдвигу от нормального напряжения для песчаных и
крупнообломочных грунтов с достаточной точностью может быть представлен отрезком
прямой, выходящей из начала координат (см. рис. 5.13, б). Тогда эта
зависимость может быть выражена уравнением

(5.27)

где tgφ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трение
грунта о грунт, tgφ = ƒ; φ— угол внутреннего трения.

Зависимость (5.27) установлена французским ученым Ш. Кулоном еще в 1773 г. и
формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу
прямо пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется
законом Кулона для несвязных фунтов.

Как известно, глинистые фунты (супесь, суглинок, глина) обладают связностью,
интенсивность которой зависит от влажности и степени уплотненности
грунта.
Испытание глинистых грунтов производится в таких же приборах, что и
несвязных грунтов (см. рис. 5.12), только фильтрующая пластина — без
зубцов.
Так же проводятся несколько испытаний и строится график (рис. 5.14).
Тогда зависимость τ = ƒ (σ) для связных грунтов может быть представлена
следующим образом:

(5.28)

где с — отрезок, отсекаемый от оси τи
прямой АВ (рис. 5.14), называется удельным сцеплением и характеризует
связность грунта.

Параметры φ и с лишь условно можно назвать углом внутреннего трения и
удельным сцеплением, так как физика процесса разрушения грунта намного сложнее.

Рис. 5.14. График сопротивления сдвигу образцов глинистого грунта

На полученные величины параметров сопротивления грунта
сдвигу (φ и с) оказывает влияние методика проведения опытов (табл.
5.3).
Уравнение (5.28) называют законом Кулона для
связных грунтов и формулируют следующим образом: предельное сопротивление
связных грунтов сдвигу при завершении их консолидации есть функция первой
степени нормального напряжения.

Таблица 5.3. Прочностные показатели глинистых грунтов, определяемые
различными методиками

φ, град	с, МПа
Мгновенный сдвиг без предварительного уплотнения	6	0,02
Быстрый сдвиг без предварительного уплотнения	5	0,027
Медленный сдвиг с предварительным уплотнением под нагрузками среза	20	0,003

Исследования, проведенные во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, показывают, что метод
определения сопротивления сдвигу оказывает довольно существенное влияние на
конечные результаты.

Так, φ и с определенные в полевых условиях по результатам сдвига жестких
бетонных штампов, довольно существенно отличаются от результатов, полученных на
приборе одноплоскостного среза для грунтов с ненарушенной структурой (табл.
5.4).

Таблица 5.4. Характеристики грунтов, полученные различными испытаниями
(по П.Д. Евдокимову, 1966)

Бетонный штамп	Бетонный штамп	Бетонный штамп	Бетонный штамп	Одометр	Стабилометр
φ, град.	с, Н/см2	φ, град.	с, Н/см2	φ, град.	с, Н/см2
Мелкий песок	25-30	0,6	34	0,6	42
Плотные суглинки, супеси	22-45	6,3	27-35	0,6	33	15
Глина	14-16	3,8-5,2	17	0,92	—	—
Плотная глина	28	1,6	34	20,7	—	—

Применявшиеся бетонные штампы размером от 1,5×1,0 до 2,5×2,5 м позволили
интегрирование учесть свойства грунта большого объема, в то время как испытания
в лабораторных условиях на образцах объемом в несколько кубических сантиметров
дают возможность определить лишь свойства грунта в той точке, в которой взята
проба.
Таким образом, для расчета оснований зданий и сооружений необходимо
определить вышеуказанные прочностные характеристики грунта, а именно: угол
внутреннего трения и удельное сцепление грунта.

Для расчетов оснований зданий и сооружений II и III классов можно
использовать нормативные значения прочностных и деформационных характеристик,
приведенных в СНиП 2.02.01—83*.

Источник

Прочность грунтов— это их способность сопротивляться разрушению.

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. Они соответствуют разным типам напряженного состояния грунта, в котором может находиться грунт и которое может характеризоваться величинами главных напряжений σ1σ2 и σ3 причем σ1 >σ 2>σ3 В качестве таковых состояний чаще всего рассматриваются: одноосное сжатие (когда σ1>0, σ2 = σ3 = 0), одноосное растяжение (σ1,<0, σ2 = σ3 = 0), плоскостной сдвиг (σ1, >0, τ>0) и трехосное сжатие (σ1, /= σ2/= σ3> 0).

При одноосном сжатии прочность грунта оценивается величиной временного сопротивления сжатию (Rсж), определяемого из соотношения:

R= Р /S,

cж cж’

где Рсж— предельная (минимальная разрушающая) нагрузка одноосного сжатия на образец, Н; S — площадь поперечного сечения образца, м2. Величина Рсжизмеряется в единицах напряжения, Па.

При сдвиге (одноплоскостном срезе) прочность грунта зависит от соотношения величин нормального сжимающего (σ) и касательного сдвигающего (т) напряжений, действующих на одной площадке: чем больше вертикальная сжимающая нагрузка на образец грунта, тем большее сдвигающее напряжение надо приложить к образцу для его среза.

τ = σtgφ+ с,

Таким образом, φ и с являются параметрами прочности грунта на сдвиг. Это важнейшие характеристики, используемые в инженерных расчетах прочности и устойчивости массивов грунтов.

С углом внутреннего трения ф в некоторых случаях отождествляют угол естественного откоса ср0, определяемый у несвязных грунтов. Углом естественного откоса называется угол наклона поверхности свободно насыпанного грунта к горизонтальной плоскости. Он формируется за счет сил трения частиц, уравновешивающих их гравитационную составляющую.

При трехосном сжатиипрочность грунта в общем зависит от соотношения главных нормальных напряжений σ1 σ 2 и σ 3. Чаще всего испытания на трехосное сжатие проводят по такой схеме соотношения главных напряжений, когда σ1>σ2 = σ3> 0. В этом случае зависимость τ = f (σ) строится с помощью кругов Мора10, радиус которых r = (σ1 — σ2)/2

Проведя испытания на трехосное сжатие грунта не менее чем при двух соотношениях σ1и σ 3 и построив с помощью кругов Мора предельную огибающую к ним вида τ = f (σ), согласно теории прочности Кулона—Мора определяют значения ф и с, которые в условиях трехосного сжатия и являются параметрами прочности грунта.

Более сложные виды напряженных состояний (при кручении, изгибе и др.) реже встречаются при инженерно-геологическом изучении прочности грунтов. Таким образом, в качестве основных технических параметров прочности грунтов в зависимости от вида испытаний и напряженного состояния грунта являются временное сопротивление сжатию (Rcx) и растяжению (R), угол внутреннего трения (ф) и сцепление (с). Выбор тех или иных параметров прочности при исследованиях определяется условиями работы грунта и его реальным напряженным состоянием.

Сопротивление одноосному сжатию скальных грунтов.У различных типов скальных грунтов прочность на одноосное сжатие меняется в широких пределах: наибольшая у магматических и метаморфических грунтов, а наименьшая у осадочных скальных грунтов и выветрелых разностей.

Структурно-текстурные особенности грунтов являются самым важным внутренним фактором, определяющим величину временного сопротивления сжатию. При испытаниях на одноосное сжатие наибольшие значения Rсж (при прочих одинаковых условиях) будут характерны для скальных грунтов с прочными фазовыми (цементационными и кристаллизационными) контактами, а наименьшие — для грунтов со смешанными или переходными (точечными) контактами. При этом характер диаграммы «нагрузка—деформация», а также тип деформирования будет различным для хрупких, хрупко-пластичных и пластичных грунтов

Относитепьнаядеформация, %

Рис. 14.48. Характер деформирования грунтов при одноосном сжатии (Грунтоведение, 1971):

а — внешний вид образца до (7) и после (2—4) сжатия; 2 — хрупкое разрушение; 3 — полухрупкое разрушение; 4 — пластичное разрушение; б — диаграмма «давление — деформация»

Сопротивление разрыву скальных грунтов.При испытании скальных грунтов на одноосное растяжение они упруго деформируются и имеют хрупкий тип разрушения. В образцах грунтов образуются характерные шероховатые плоскости раскола (разрыва). На сопротивление разрыву скальных грунтов влияют те же факторы, которые определяют и их прочность на сжатие. Величина Rмаксимальна у магматических и метаморфических грунтов с прочными кристаллизационными связями, а минимальна — у осадочных скальных грунтов со слабыми цементационными структурными связями.

Структурно-текстурные особенности скальных грунтов в наибольшей мере влияют на сопротивление растяжению: у мелкокристаллических и мелкозернистых разностей более высокая прочность на растяжение, чем у крупнокристаллических. Величина Rpуменьшается с ростом пористости и трещиновато-сти скальных грунтов и снижением плотности. У грунтов с анизотропной текстурой величина Rpпри разрыве вдоль слоистости всегда выше, чем поперек слоистости, когда отрыв слоев друг от друга происходит намного легче.

Сопротивление одноосному растяжению дисперсных грунтов.Способностью сопротивляться растяжению (или разрыву) среди дисперсных грунтов обладают лишь связные грунты — пылеватые и глинистые. Несвязные крупно- и мелкообломочные грунты, не обладающие структурным сцеплением, имеют прочность на разрыв, близкую к нулю. Поэтому испытаниям на растяжение в основном подвергают дисперсные связные грунты, которые при растяжении проявляют значительные пластические деформации. Их прочность на растяжение меняется в широком диапазоне в зависимости от типа грунта и его состояния (консистенции). Наибольшая прочность на растяжение у пылевато-глинистых грунтов с прочными смешанными (кристаллизационными и переходными) контактами, а наименьшая — со слабыми коагуляционными контактами. При прочих одинаковых условиях Rбольше у высокодисперсных разностей, поэтому монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины имеют большую прочность на разрыв, чем каолини-товые.

Сопротивление сдвигу скальных грунтов. Косновным внутренним факторам, свойственным грунту и влияющим на его прочность при сдвиге, относятся: комплекс структурно-текстурных особенностей (тип структурных связей и их прочность, зернистость, однородность структуры, тип текстуры, пористость и трещиноватость, зависящие от выветрелости), а также наличие и состав поровой жидкости и ее количество.

Скальные грунты обладают высоким сцеплением, намного превышающим сцепление связных дисперсных грунтов. Особенно велико сцепление у монолитных скальных грунтов (рис. 14.53) по сравнению с трещиноватыми и выветрелыми разностями. Величина сцепления скальных грунтов соизмерима с их прочностью на одноосное сжатие и у некоторых типов грунтов достигает сотен мегапаскалей. Как отмечалось выше, тип преобладающих структурных связей и их прочность, тип контакта между структурными элементами в первую очередь влияют на прочность грунта при сдвиге. Соответственно при испытаниях грунтов на сдвиг (по любой схеме) или трехосное сжатие величины угла внутреннего трения (ср) и сцепления (с) также будут зависеть от преобладающего типа контактов: максимальные значения ср и с будут у скальных

Сопротивление сдвигу несвязных грунтов.Главной особенностью сопротивления сдвигу несвязных грунтов является отсутствие значимого сцепления Поэтому сопротивление сдвигу таких грунтов в полной мере характеризуется углом внутреннего трения (ф) или углом естественного откоса (фо), а основными факторами, определяющими прочность несвязных грунтов при сдвиге, будут те, которые влияют на трение между частицами грунта.

Величина сил трения между частицами несвязных грунтов прежде всего зависит от формы частиц, состояния и характера их поверхности. Окатанные частицы обусловливают снижение угла внутреннего трения ф грунтов за счет уменьшения при этом сил трения и зацепления частиц. Поэтому при одинаковой дисперсности несвязный грунт, состоящий из окатанных частиц, имеет меньший угол внутреннего трения, чем такой же грунт, состоящий из неокатанных частиц.

Сопротивление сдвигу связных грунтов.Особенностью сопротивления сдвигу связных грунтов является наличие у них сцепления, величина которого намного меньше, чем в скальных грунтах, но играет все же ощутимую роль в обеспечении их прочности и меняется в широких пределах. Например, в илах сцепление может быть всего 0,001—0,0001 МПа, а в литифицированных глинах достигать 0,5—1,0 МПа и более.

Дата добавления: 2016-07-29; просмотров: 2219 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов