увеличение объема песчаного образца грунта плотного сложения при сдвиге называется

Прочность грунтов при статических воздействиях

Сопротивление сдвигу и характеристики прочности грунтов. Прочностные свойства грунтов могут исследоваться при самых различных схемах испытаний, в которых грунт доводится до состояния разрушения (сдвиговые приборы, приборы одно- и трехосного сжатия, приборы для испытаний на перекос, кручение и др., описанные в § 1.3).

При испытаниях грунтов в сдвиговых приборах (см. рис. 1.18) при заданной вертикальной нагрузке ст экспериментально определяется сдвигающее усилие Т и соответствующие ему касательные напряжения х = тПР, возникающие в заданной плоскости среза, при которых начинается равномерное, незатухающее или иногда ускоренное движение одной части прибора (в схеме на рис. 1.18 верхней части кольца) относительно другой. Для одного и того же грунта таких испытаний делается несколько при различных возможных в сооружении ст.

Рис. 1.38. Зависимость сопротивления грунта сдвигу тпр от сжимающих напряжений а

В результате строят график зависимости предельных сопротивлений сдвигу тпр от величины вертикальных сжимающих напряжений ст (рис. 1.38).

Экспериментальная зависимость тПР (ст) криволинейна. Спрямляя ее на отдельных участках или, как поступают чаще, на всем диапазоне изменения ст, получим уравнение, широко известное под названием зависимости Кулона («закон Кулона»)

где 1§ф — коэффициент «внутреннего трения», ср — угол «внутреннего трения»; с — «.сцепление» или удельное «сцепление», Некоторые исследователи исходя из этих названий пытаются придать им физический смысл истинного трения и сцепления между частицами. Нужно четко понимать условность этих терминов. Их можно было бы назвать просто параметрами а и Ь, но это непривычно.

При определении параметров прочности ф и с путем испытания грунтов в стабилометре (см. рис. 1.16) вначале обычно создается всестороннее сжатие интенсивностью ст3, затем постепенно, ступенями увеличивают вертикальное давление с»! и так же, как при испытаниях в сдвиговом приборе, определяют ст4 ПР, при достижении которого возникают незатухающие продольные деформации ьг (см. рис. 1.12 и 1.29). Такие испытания проводят для одного и того же грунта, но каждый раз с новым образцом при различных боковых давлениях ст3. По полученным ст1>пр и принятым о3 для каждого испытания строят круг напряжений (рис. 1.39), радиус которого равен 0,5(ст, — о3). К полученным предельным кругам напряжений — кругам Мора —• проводят общую касательную. Угол наклона касательной к оси а является углом внутреннего трения ф, а отрезок, отсекаемый на оси т,— сцеплением с, т. е. параметрами прочности грунта в зависимости Кулона (1.35).

Для несвязных грунтов параметр с мал и во многих случаях принимают т — ст!§ф. Здесь и в дальнейшем в зависимости Кулона и ее различных формах индекс «пр» для краткости опущен, так как уже само принятие этой зависимости свидетельствует о достижении грунтом предельного состояния.

Величина угла внутреннего трения существенно зависит от зернового состава несвязных грунтов, повышаясь с увеличением их крупности (рис. 1.40, а). Так, для мелких песков средней плотности сложения ф ==; 30. 32°, а для крупных достигает 38. 42°. Значительно повышается угол внутреннего трения с увеличением плотности сложения песчаных грунтов (рис. 1.40, б).

Рис. 1.39. Определение характеристик прочности грунта по результатам его испытания в стабилометре

Увлажнение песчаных грунтов вследствие образования капиллярно стыковой воды (см. § 1.1 и рис. 1.6) приводит к появлению не-

Рис. 1.40. Влияние крупности, плотности сложения и влажности несвязного грунта на его прочность:

1 — крупный песок; 2—мелкий песок; 3 — песок плотного сложения; 4 — песок рыхлого сложения; 5 — маловлажный песок; 6 — сухой песок; 7 — песок, насыщенный водой

большой капиллярной связанности (рис. 1.40, в). Такое же влияние воды в зоне ее капиллярного подъема. При насыщении песка гравитационной водой капиллярная связанность исчезает и угол внутреннего трения становится практически таким же, как и для сухого песка (рис. 1.40, в).

Существенно влияние на прочностные свойства несвязных грунтов формы их частиц. С увеличением окатанности и сферичности, а следовательно, коэффициента формы Кф, определяемого по зависимости (1.4), угол внутреннего трения грунта значительно уменьшается (рис. 1.41).

Сопротивление сдвигу в нестабилизированном состоянии. Прочностные характеристики водонасыщенных грунтов ср и с определяют
в условиях, близких к полной стабилизации процесса уплотнения грунта под действием сжимающей нагрузки о, в сдвиговых приборах или всестороннего сжатия сг3 в стабилометрах. Нагрузки Т или ст, прикладываются ступенями также с обеспечением стабилизации основной части деформации образца от каждой ступени.

При нестабилизированном состоянии грунта, т. е. в условиях его консолидации, сопротивление грунта сдвигу

Рис. 1.41. Влияние коэффициента формы Кф частиц на угол внутреннего трения мелких песков (номера песков соответствуют приводимым на рис. 1.10).

где стг — сжимающие напряжения в скелете грунта в данный момент времени ^ нестабилизированного состояния грунта.

Рис. 1.42. Сопротивление сдвигу в стабилизированном (1) и в нестабилизированном состоянии (2) в начальный момент времени приложения сжимающей нагрузки 0 = 0)

Учитывая зависимость (1.32), получим основное уравнение сопротивления грунта сдвигу в нестабилизированном состоянии

где ст* — напряжения в скелете грунта в стабилизированном состоянии, т. е. после окончания процесса его консолидации; рг — избыточное (дополнительное) давление в поровой воде, возникающее в процессе консолидации грунта.

Таким образом, в процессе консолидации грунта по мере уменьшения рг происходит увеличение сопротивления грунта сдвигу (возрастание прочности). При полной стабилизации рг — 0 сопротивление сдвигу грунта равно стабилизированному, т. е. т = ст^1§ф + с.

Характерным для процесса консолидации является момент приложения сжимающей нагрузки (/« 0). Как уже отмечалось, в условиях сдвигового прибора, т. е. компрессионного сжатия в момент времени I = 0 в полностью водонасыщенном грунте сг г

Источник

Увеличение объема песчаного образца грунта плотного сложения при сдвиге называется

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Методы лабораторного определения характеристик сопротивляемости сдвигу грунтов в дорожном строительстве

Soils. Methods of laboratory determination of characteristics of shear resistance of soils in road construction

Дата введения 2012-05-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Открытым акционерным обществом «Дорожный научно-исследовательский институт «СоюздорНИИ» (ОАО «СоюздорНИИ») при участии Государственного технического университета МАДИ (ГТУ МАДИ)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство»

5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Июль 2019 г.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает методы лабораторного определения характеристик сопротивляемости сдвигу грунтов, используемых в строительстве автомобильных дорог [1] в качестве оснований насыпей, а также материала насыпей и имеющих в природных условиях низкую прочность вследствие особенностей состава и высокой влажности. К таким грунтам следует относить особые грунты, определяемые как «слабые», а также глинистые грунты с повышенной влажностью и переувлажненные (см. раздел 3). Указанные выше грунты в качестве естественных оснований других инженерных сооружений обычно не используются. При воздействии на грунтовую толщу, сложенную такими грунтами, самых малых (менее 0,05 МПа) нагрузок, в частности от типовых насыпей высотой до 3 м, грунты могут работать на сдвиг в неконсолидированном состоянии.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 5180 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик

ГОСТ 12248 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости

ГОСТ 22733 Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности

ГОСТ 30416 Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 слабые грунты: Связные грунты, имеющие прочность на сдвиг в условиях природного залегания менее 0,075 МПа (при испытании приборами вращательного среза) или модуль осадки более 50 мм/м при нагрузке 0,25 МПа (модуль деформации ниже 5 МПа). При отсутствии данных испытаний к слабым грунтам следует относить торф и заторфованные грунты, илы, сапропели, глинистые грунты с коэффициентом консистенции свыше 0,5, иольдиевые глины, грунты мокрых солончаков.

3.3 максимальная влажность: Наибольшая влажность, при которой возможно получить коэффициент уплотнения 0,9 по ГОСТ 22733

3.4 допустимая влажность: Максимальная влажность, при которой еще возможно при устройстве земляного полотна автомобильных дорог уплотнение грунта до требуемого коэффициента уплотнения.

3.5 грунты с повышенной влажностью: Глинистые грунты с влажностью от допустимой до максимальной.

3.6 грунты переувлажненные: Глинистые грунты с влажностью, превышающей максимальную.

3.7 коэффициент уплотнения: Отношение плотности сухого грунта к максимальной плотности сухого грунта при испытании по методу стандартного уплотнения по ГОСТ 22733.

4 Общие положения

4.1 Настоящий стандарт устанавливает метод лабораторного определения характеристик прочности немерзлых слабых грунтов ненарушенной структуры и нарушенной (искусственно уплотненных) при испытании на одноплоскостный срез.

4.2 Общие требования к лабораторным испытаниям грунтов, оборудованию и приборам, лабораторным помещениям, способам изготовления образцов для испытаний приведены в ГОСТ 30416.

4.3 Для учета статистического характера распределения прочностных свойств грунтов в пределах выделенного инженерно-геологического элемента (ИГЭ) для испытания используют образцы грунта, имеющие природную влажность, близкую к среднемедианному (среднеарифметическому) или к заданному расчетному значению (с заданной обеспеченностью) для данного ИГЭ.

* Допускается использовать ускоренные методы, если это предусмотрено заданием на испытания.

4.5 В процессе испытаний на сдвиг ведут журнал, форма которого приведена в приложении А.

5 Метод определения характеристик прочности при одноплоскостном срезе

5.1 Сущность метода и исходные предпосылки

5.1.1 Испытания на сдвиг проводят для определения сдвиговых характеристик (удельного сцепления и угла внутреннего трения ), в зависимости от влажности грунта в момент сдвига. Принципиальная схема испытаний на одноплоскостный сдвиг представлена в ГОСТ 12248.

5.1.2 При проведении испытаний и последующей интерпретации результатов исходят из положений, что сопротивляемость сдвигу практически полностью водонасыщенного грунта описывается выражением

, (5.1)

В общем случае удельное сцепление может состоять из двух частей:

, (5.2)

— часть полного сцепления, имеющая невосстанавливающийся характер.

Для грунтов, входящих в область применения настоящего стандарта, значение обычно пренебрежимо мало. В случае, если оно существенно, его можно выделить испытанием «плашка по плашке» в соответствии с ГОСТ 12248.

5.2 Оборудование и приборы

5.2.1 Принципиальная схема установки для испытаний представлена в ГОСТ 12248.

5.2.2 Конструкция срезного (сдвигового) прибора должна обеспечивать передачу первоначального вертикального давления на образец (от веса штампа и измерительных приборов) не более 0,01 МПа.

5.2.3 При тарировании срезной коробки для прибора устанавливают поправки на преодоление трения подвижной части коробки.

5.2.4 Для уменьшения изменения влажности образца в процессе испытания применяют штампы без перфорации или с водонепроницаемыми прокладками.

5.3 Проведение испытаний

5.3.1 Определяют начальную (исходную) влажность образцов, предназначенных для испытаний.

5.3.2 Выбирают значения нормальных нагрузок, при которых будет проводиться срез, исходя из следующих основных условий:

— максимальные нормальные напряжения принимаются на 30%-50% больше значения вертикальных нормальных напряжений, которые могут возникнуть в грунте под расчетной нагрузкой от проектируемого сооружения, но не выше значений напряжений, при которых может происходить выдавливание грунта через зазоры в сдвиговом приборе;

— минимальная нагрузка принимается такой, чтобы значение сопротивляемости грунта сдвигу под нагрузкой оказалась не более значения этой нагрузки, в противном случае получаемую экспериментальную точку при окончательной обработке результатов и их анализе не учитывают;

— промежуточное значение нормальной нагрузки назначают равным среднеарифметическому максимального и минимального значений.

Различие образцов во влажности в момент сдвига достигается следующими различными способами:

— выдерживанием образцов в течение различного времени под одной и той же достаточно большой уплотняющей нагрузкой, значение которой должно быть не менее значения максимальной нормальной нагрузки при сдвиге. Предельное значение уплотняющей нагрузки определяют в этом случае возможностью ее передачи на образец без выдавливания грунта в зазоры. Чем больше уплотняющая нагрузка (в пределах возможного), тем меньше времени будет затрачено на проведение испытания. В этом случае испытывают по одному образцу под каждой нормальной нагрузкой без предварительного выдерживания под уплотняющей нагрузкой;

— выдерживанием (с целью ускорения консолидации) образцов до практически полной консолидации под четырьмя различными нагрузками, значение наибольшей из которых должно быть примерно в полтора-два раза больше значения максимальной нормальной нагрузки при сдвиге. При этом три образца из серии также не подвергают предварительному уплотнению.

1 Предварительное выдерживание образцов под нагрузкой может проводиться как в самих сдвиговых приборах (до установки зазора), так и в стандартных приборах предварительного уплотнения.

2 Оперативный контроль за изменением влажности образца во времени при их предварительном уплотнении может осуществляться по значениям осадков образцов, фиксируемых мессурами.

5.3.4 Каждый из четырех образцов с различной влажностью испытывают на сдвиг под одной и той же нормальной нагрузкой. Аналогично проводят испытания образцов под остальными двумя нормальными нагрузками.

5.3.5 Если предварительное уплотнение проводилось в приборе предварительного уплотнения, то после загрузки образца в сдвиговый прибор и приложения к нему заданной нормальной нагрузки сдвиг следует проводить немедленно, не дожидаясь завершения вертикальной деформации.

Источник

Особенности деформирования грунтов.

Под действием напряжений, возникающих в грунтах от различных факторов, грунты могут испытывать деформации объема и формоизменения, упругие и остаточные деформации, проявлять свойства линейной и нелинейной деформируемости, текучести и ползучести, изменять свою прочность от длительности воздействия нагрузки. Грунты в зависимости от их состава, состояния и характера приложенных внешних воздействий могут проявлять указанные деформации в различных соотношениях, что и определяет рациональную область применения к ним Механики различных сред.

Особенности деформирования грунтов выявляются в результате экспериментов. Здесь мы будем рассматривать некоторые воображаемые схемы нагружения грунта и с их помощью иллюстрировать его поведение под нагрузкой.

Линейные и нелинейные деформации.

Рис. 5.2. Схема опыта (а) и графики зависимости осадки штампа от давления по подошве р при нагружении (б) и при нагружении – разгрузке (в):

Пусть на поверхности грунта установлен штамп (или фундамент), передающий на грунт по подошве возрастающее давление p (рис. 5.2, а). Под действием этого давления будет происходить перемещение поверхности грунта (осадка штампа) s, величина которого возрастает с увеличением р. Опыт показывает, что эта зависимость имеет весьма сложный характер (рис. 5.2, б).

При изменении давления от 0 до некоторой величины р1 осадка штампа будет близка к линейной (участок Оа). Дальнейшее увеличение давления ( ) вызывает все большее значение осадки, и зависимость становится существенно нелинейной (участок абв). При р=р2 происходит резкое увеличение осадки, свидетельствующее об исчерпании несущей способности грунта.

Если теперь перейти от зависимости между давлением под штампом и перемещениями поверхности грунта к анализу зависимости между напряжениями и деформациями в элементарном параллелепипеде, вырезанном из основания, то очевидно, что и эта зависимость окажется нелинейной.

Таким образом, в общем случае грунтам свойственна нелинейная деформируемость, причем в некотором начальном интервале изменения напряжений она достаточно близка к линейной.

Упругие и пластические деформации. Усложним опыт и в процессе нагружения штампа при достижении некоторых значений давления р будем производить разгрузку (рис. 5.2, в). Тогда можно заметить, что при любом значении р, даже в пределах линейной деформируемости (р ≤ р1), разгрузка не вызывает полного восстановления осадок поверхности грунта.

Объемные и сдвиговые деформации. Представим себе, что мы вырезали элементарный параллелепипед из основания штампа и для каждого значения р рассчитали все компоненты напряжений, действующих по его граням. Тогда, по аналогии с рис. 5.1, можно составить программу раздельных испытаний двух образцов того же грунта в режимах гидростатического и девиаторного нагружений. В результате испытаний получим графики, представленные на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Зависимости между напряжением и деформацией грунта:

а) – объёмная деформация;

б) – сдвиговая деформация.

Характер кривых на рис. 5.3 свидетельствует о том, что с увеличением среднего нормального напряжения σm объемная деформация εv возрастает, но стремится к некоторой постоянной величине. В то же время увеличение интенсивности касательных напряжений τi, не может происходить беспредельно и вызывает все большее возрастание сдвиговых деформаций γi, приводящее, в конечном счете, к разрушению грунта.

Отсюда можно сделать важный вывод о том, что разрушение грунта происходит под действием сдвиговых напряжений, поэтому главной формой разрушения в механике грунтов считается сдвиг. Гидростатическое обжатие вызывает уплотнение, а, следовательно, и увеличение прочности грунта. Этот вывод имеет большое практическое значение при решении инженерных задач.

Из-за дискретного строения грунта действительный характер его деформирования будет значительно сложнее. Так, при сдвиге (девиаторное нагружение) песчаного образца плотного сложения к моменту разрушения отмечается некоторое увеличение его объема, называемое дилатансией. При сдвиге же песчаного образца рыхлого сложения, напротив, происходит его дополнительное уплотнение (контракция), т. е. в действительности объемная деформация грунта будет зависеть не только от среднего нормального напряжения, но и от интенсивности касательных напряжений: . В свою очередь сдвиговая деформация зависит также не только от интенсивности касательных напряжений, но и от среднего нормального напряжения: . Такое перекрёстное влияние гидростатического и девиаторного нагружения на развитие объёмных и сдвиговых деформаций учитывается при построении теорий нелинейного деформирования грунтов.

Можно было бы показать, что разгрузка образца (уменьшение σm и τi) от любого уровня напряжений, как и в опыте со штампом, обнаруживает наличие упругих и пластических деформаций, причем с увеличением интенсивности касательных напряжений τi, доля пластических деформаций в общей деформации сдвига , будет возрастать. При некотором предельном для данного грунта значении τi, (τi =const на рис. 5.3, б) возникнет состояние неограниченного пластического деформирования , что часто называется течением грунта.

Таким образом, сдвиговое разрушение грунта и полная потеря им прочности вызываются неограниченным развитием пластических деформаций, т. е. течением грунта. Такое состояние называется предельным.

Если теперь вернуться к схеме на рис. 5.2, то можно заключить, что по мере увеличения давления р грунт под штампом переходит из упругого состояния (правильнее говорить: из линейно деформируемого состояния, так как наличие петли гистерезиса при разгрузке не позволяет рассматривать грунт как упругое тело) в пластическое (нелинейно деформируемое) состояние и, наконец, при р = р2 в текучее (предельное состояние). Поэтому в зависимости от интенсивности действующей нагрузки различают два напряженных состояния: допредельное (р е ), и деформации ползучести, развивающейся во времени γ(t):

. (5.8)

Отметим, что обозначения на рис. 5.4 и в формуле (5.8) относятся к деформациям сдвига. Однако все рассмотренные закономерности остаются справедливыми и для других случаев нагружения образца.

Понятия затухающей и незатухающей ползучести в грунтах связаны с понятием предела длительной прочности, т. е. таким напряжением (или соотношением напряжений), до превышения которого деформация грунта имеет затухающий характер, и разрушение не происходит при любом значении времени воздействия нагрузки. При превышении предела длительной прочности грунта возникает незатухающая ползучесть, которая рано или поздно приведет к его разрушению.

Фильтрационная консолидация грунта. В предыдущих случаях грунты рассматривались как сплошные тела. Это допустимо при анализе стабилизированного состояния для всех видов грунтов, при расчетах ползучести скальных грунтов, нескальных грунтов в неводонасыщенном состоянии, т. е. при Sr ≤ 0,8 (трехкомпонентных грунтов), а также мерзлых грунтов.

Деформирование полностью водонасыщенных грунтов (грунтовой массы) происходит значительно сложнее. Уплотнение грунта связано с уменьшением его пористости. В то же время в водонасыщенных грунтах все поры заполнены водой. При нагрузках, обычных для строительства промышленных и гражданских сооружений, во многих случаях вода, как и частицы скелета грунта, может считаться практически несжимаемой. Поэтому уплотнение водонасыщенного грунта возможно только при отжатии части воды из его пор.

Процесс уплотнения грунта, сопровождающийся отжатием воды из пор, называется фильтрационной консолидацией (иногда просто консолидацией).

Рис. 5.5. Механическая модель процесса консолидации водонасыщенного грунта при одноосном сжатии.

В момент приложения нагрузки р (при t = 0) поровая вода еще не успевает отжаться через отверстия, скелет грунта еще не деформируется, поэтому вся нагрузка воспринимается только водой. В результате в начальный момент в воде возникает избыточное (поровое) давление uw, равное приложенной к поршню нагрузке (uw0 = р). Напряжение в скелете грунта (эффективное напряжение) а в этот момент равно нулю ( ).

Избыточное давление в воде приводит к ее отжатию через поры грунта (отверстия в поршне) в области с меньшим давлением. Поршень опускается, все сильнее сжимая скелет грунта (пружину) и создавая в нем увеличивающееся эффективное напряжение. Поскольку в любой момент времени должно выполняться условие равновесия системы , с увеличением эффективного напряжения поровое давление уменьшается.

Когда пружина сожмется до такой степени, что полностью воспримет внешнюю нагрузку ( ), поровое давление упадет до нуля (uwk = 0) и дальнейшее отжатие воды прекратится. Это означает, что к моменту времени tk консолидация грунта завершилась, его уплотнение прекратилось и наступило стабилизированное состояние.

Таким образом, в соответствии с рассмотренной моделью в процессе консолидации грунта эффективное напряжение постепенно возрастает от 0 до p, а поровое давление соответственно уменьшается от р до 0.

Изложенное выше полностью относится и к элементарному объему грунта, выделенного из основания, при любой схеме его загружения. Тогда напряженное состояние этого объема в любой момент времени можно представить в виде

, (5.9)

Физические процессы при деформировании грунтов. Изложенные выше особенности деформирования по-разному проявляются у различных видов грунтов и существенно зависят от состояния грунта и интенсивности действующих нагрузок.

Монолитные скальные грунты при нагрузках, возникающих в результате строительства промышленных и гражданских сооружений, обычно могут рассматриваться как практически недеформируемые тела. Однако трещиноватая скала и тем более разборный скальный грунт уже обладают некоторой деформируемостью. У трещиноватых скальных грунтов сдвиговые деформации связаны, прежде всего, с соотношением направлений действия усилий и плоскостей трещин, и представляют значительно большую опасность, чем объемная деформируемость. Разрушенные структурные связи в скальных грунтах со временем не восстанавливаются.

Размеры пор в глинистых грунтах крайне малы, поэтому процесс консолидации в них протекает очень медленно. Деформации могут не стабилизироваться в течение многих месяцев, лет, даже десятилетий. Также медленно могут развиваться и процессы ползучести, связанные с взаимным смещением частиц, окруженных водными пленками, поворотом, изгибом и разрушением отдельных частиц.

Очень сложные процессы происходят при деформировании структурно-неустойчивых грунтов. Здесь уже кроме перечисленных выше факторов большое значение имеет изменение физической обстановки (оттаивание мерзлых грунтов, обводнение лёссовых просадочных грунтов, разложение органических включений в торфах или насыпных грунтах и т. п.).

Источник

Операционные системы и программное обеспечение