Лекція 5. ОПІР ГРУНТУ зрушення
5.1. Поняття міцності грунту
Як відомо з курсу опору матеріалів при певному рівні внутрішніх зусиль в твердих тілах утворюються незворотні руйнування у вигляді тріщин. відриву і зсуву. після чого ціле розчленовується на окремі частини. Цей процес називають крихким руйнуванням. а рівень внутрішніх зусиль в момент руйнування характеризує міцність матеріалу твердого тіла.
У деяких матеріалах. що володіють високими в'язко - пластичні властивості (бітум. лід), граничні навантаження призводять до
безмежного розвитку деформацій зразка без видимих порушень суцільності. Це явище називається вязкопластіческого плином матеріалу.
Тому в загальному випадку поняття міцності можна сформулювати у вигляді.
Прочностьсвойство матеріалу чинити опір руйнуванню або розвитку значних пластичних деформацій.
Стосовно до ґрунтів традиційне поняття міцності підходить лише частково. Численні дослідження характеру руйнування ґрунтового масиву показали. що при досягненні
граничного стану в дисперсному середовищі виникають значні області зсуву. які призводять до втрати стійкості підстави.
На рис 5.1, 5.2 наведені найбільш характерні випадки втрати стійкості грунтового масиву.
Мал. 5.1. Схема втрати стійкості грунтового підстави фундаменту
Мал. 5.2. Схема втрати стійкості укосу
І в тому і в іншому випадку при втраті стійкості відбувається зсув однієї частини щодо іншої.
Таким чином. в основі фундаментів при досягненні
граничного навантаження виникають області з максимальними дотичними напруженнями. утворюють суцільну поверхню ковзання. У цей момент відбувається втрата стійкості підстави. супроводжується осіданням фундаменту.
При втраті стійкості укосу також утворюється поверхня ковзання по якій частина грунту сповзає або обрушается. приводячи до серйозних аварійних наслідків.
поняття міцності грунту, його властивості міцності безпосередньо пов'язані з опором грунту зрушенню.
5.2. Внутрішні сили опору грунту зрушенню
Якщо грунт являє собою роздроблену. дисперсне середовище. що ж забезпечує його опір сдвигающим зусиллям.
Ще в 18 столітті французьким вченим Ш. Кулоном було показано. що опір дисперсної середовища зсуву забезпечується.
∙ тертям між частинками грунту;
∙ структурними зв'язками між частинками грунту;
Тертя між частинками грунту залежить від цілого ряду чинників
серед яких можна виділити. мінеральний і гранулометричний склад грунт; вологість ґрунту; окатанность зерен грунту. З курсу фізики також відомо. що сила тертя між твердими тілами (в даному випадку між частинками грунту) залежить від величини нормальної сили, що притискає ці тіла один одному.
Структурні зв'язки (кристалізаційні і водно - колоїдні) залежать від геоморфологічних особливостей грунту. грансостава. наявності і товщини плівки зв'язаної води. Структурні зв'язки і сили зачеплення в сумі утворюють сили зчеплення між частинками грунту. грають величезну роль у формуванні його міцності властивостей.
Саме тертя і зчеплення між частинками грунту дозволяють мелкораздробленной дисперсному середовищі чинити опір впливу зовнішніх навантажень і. отже. служити надійною основою будівель і споруд.
Отже. опір грунту зрушенню обумовлюється виникненням між частинками грунту.
∙ сил тертя (рис .5.3);
∙ і сил зчеплення (рис. 5.4.).
Рис .5.3. Сили тертя між частинками грунту
Рис .5.4. Сили зчеплення між частинками грунту
З'ясуємо. від чого залежать сили тертя і зчеплення. якими
параметрами їх можна охарактеризувати кількісно і як ці параметри (характеристики) можна визначити в лабораторних і польових умовах.
5.3. Випробування грунту в приладі одноплощинного зрізу
5.3.1. Схема випробування грунту
Дослідження міцності властивостей грунту в лабораторних умовах виконують за допомогою зсувного приладу. принципова схема якого наведена на рис .5.5
Рис .5.5. Принципова схема сдвигового приладу
Основними деталями даного приладу є.
∙ рухома частина (платформа);
∙ завантажувати пристрій для створення обжимаються тиску N;
∙ завантажувати пристрій для створення зсувного зусилля G;
∙ індикатори вертикальних і зсувних переміщень.
Випробування грунту проводять при постійному навантаженні N доти.
поки одна частина грунту не зрушиться щодо іншої на відстань
більше 5 мм. При цьому вимірюють максимальне зусилля G max. яке було досягнуто в ході випробувань.
Нормальні і дотичні напруження в момент зсуву визначаються наступним чином.
де τ u - максимальне дотичне напруження в грунті в момент
Випробування повторюють при інших значеннях обжимаються тиску
5.3.2. Опір грунту зрушенню для пов'язаних і незв'язаних грунтів
В процесі випробувань грунту в сдвиговом приладі будують криву залежності τ u (σ). рис .5.6.
Рис .5.6. Залежність граничного опору грунту зрушенню від нормального
тиску для пов'язаних грунтів. - - фактичні значення; τ u - апроксимуюча
В цілому залежність τ u (σ) являє собою практично пряму лінію виходить з точки з під кутом φ до осі абсцис. Величини с і φ
є параметрами прямої лінії і характеризують сили зчеплення і тертя.
Параметри з і φ в повній мірі відображають властивості міцності грунту і звуться міцності.
Рівняння прямої лінії з урахуванням міцності можна записати в наступному вигляді.
t u = s × tg j + з
Мал. 5.7. Залежність τ u (σ) для незв'язаних грунтів
Лінійна залежність між опором грунту зрушенню і нормальним напругою носить назву закону Кулона. Закон Кулона можна сформулювати в наступному вигляді.
Граничний опір грунту зрушенню є функція першого ступеня нормального напруги.
5.4. Ділатансіі грунтів і контракция
Грунти як і багато інших дисперсні тіла мають властивість змінювати обсяг V при деформаціях формозміни G.
Якщо обсяг збільшується (+ V), то дане явище називається
ділатансіі. якщо зменшується (-V) - контракцією
Дане явище можна спостерігати при проведенні випробувань грунту на зрушення в приладі одноплощинного зрізу. при контролюванні
переміщень верхнього штампа приладу в щільних пісках спочатку відбувається невелике ущільнення (контракция) з подальшою ділатансіі грунту. супроводжується підняттям штампа. У пухких пісках при зсуві спостерігається тільки контракция (-S). при
проміжних значеннях щільності відбувається як контракция так і ділатансіі
Критична пористість (щільність) - це така пористість грунту.
при якій в результаті деформацій зсуву кінцеве значення пористості одно початкового.
При зсуві в результаті явища ділатансіі.
∙ пухкі грунти зміцнюються;
∙ щільні грунти разупрочняется Розвиток ділатантні деформацій обумовлюється дисперсним
∙ зміщення однієї частини грунту щодо іншої відбувається по нерівній поверхні утворюється зернами частинок
∙ чим більше розміри частинок грунту. тим більше ділатансіі.
5.5. Умова граничної рівноваги в точці
Схема одноплощинного зсуву (зрушення по фіксованій площині)
відповідає лише окремих випадків руйнування грунтової основи при втраті стійкості. У загальному випадку грунт підстав споруд знаходиться в умовах складного напружено - деформованого стану. і його стійкість буде залежати від усіх компонентів тензора напружень.
Умова міцності грунту при складному напруженому стані можна сформулювати з використанням відомої теорією міцності Мора - Кулона.
Припустимо. що на межі елементарного обсягу діють головні напруження s 1 s 2. рис .5.8. У міру збільшення головних напружень
може відбутися руйнування елементарного обсягу з утворенням поверхні зсуву під кутом a. Нам необхідно визначити чому дорівнюватиме дотичне напруження (τ a) на цьому майданчику і обмежити його граничним опір грунту зрушенню τ u. т. е.
З курсу опору матеріалів відомо. що головні напруження s 1 s 2 пов'язані з напругою на довільній поверхні a виразами.
Рис .5.8. Положення майданчиків ковзання в граничному стані
Для того. щоб встановити залежність між головними
напруженнями і властивостями міцності грунту скористаємося колами Мора. рис .5.8. Як відомо коло Мора є графік залежності між нормальними і дотичними напруженнями s a τ a. Коло Мора будується по головним напруженням s 1, s 2 і дозволяє
графічно визначити значення нормальних і дотичних напружень при будь-якому куті нахилу майданчика ковзання a.
На тому ж графіку побудуємо криву граничного опору грунту зрушенню Кулона. Зрозуміло. що в граничному стані умова (5.6) буде справедливим тоді. коли пряма Кулона стане дотичній до кола Мора.
Мал. 5.8. До визначення умови граничної рівноваги в точці
В цьому випадку можна записати.
Розглянемо трикутник Про МС. Так як він прямокутний запишемо. σ 1 - σ 2
Якщо грунт не володіє пов'язаністю (ідеально сипучі грунти. З = 0)
вираз (5.9) набуде вигляду.
Отримані вирази (5.9), (5.10) являють собою рівняння
рівноваги в точці ґрунтового масиву для пов'язаного і ідеально сипучого грунту відповідно.
Дані рівняння дозволяють визначити максимально можливий рівень напруженого стану грунту при перевищенні якого в елементарному обсязі утворюється поверхня зсуву і. отже. відбувається його «руйнування».
5.6. Методи визначення міцності властивостей грунту
5.6.1. Переваги та недоліки лабораторних і польових
методів дослідження властивостей ґрунтів
Для вивчення характеристик міцності властивостей грунту розроблено ряд лабораторних і польових методів. кожен з яких має свій переваги і недоліки.
Найбільш достовірними методами. що дозволяють отримати властивості міцності грунту ненарушенной структури. вважаються польові методи дослідження. У цьому випадку грунт випробовується в місцях свого природного залягання в природних природних умовах. Однак