8.Определение напряжений в массиве грунта от действия собственного веса.

Фактическое напряженное состояние грунтов основания при современных методах изысканий точно определить не представляется возможным. Вертикальные напряжения от собственного веса грунта называют бытовыми давлениями, а график их изменения по глубине – эпюрой бытовых давлений. Напряжения от собственного веса грунта определяются на основании следующих упрощающих гипотез: 1) напряженным состоянием грунта при действии его собственного веса является осесимметричное компрессионное сжатие; 2) вертикальные напряжения в грунте определяются суммированием напряжений от веса элементарных слоев грунта; 3) грунт, находящийся ниже уровня грунтовых вод, испытывает взвешивающее действие воды; 4) слой грунта, находящийся ниже водоносного слоя, называется водоупором и испытывает на своей поверхности гидростатическое давление водяного столба. Определяем напряжение от собственного веса грунта (природного или бытового) по формуле где n – число слоев грунта в пределах глубины z; γ_i – удельный вес грунта i-го слоя, кН/м3;h_i – толщина или мощность этого слоя, м.

Удельный вес водопроницаемых грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод,принимается с учетом взвешивающего действия воды согласно выражению

γsb=(γs – γw)/(1+e), е – коэффициент пористости.

Формула используется для вычисления бытовых давлений на границах геологическихслоев, на линии уровня грунтовых вод и на границе водоупора. В остальных сечениях бытовые давления могут быть определены по линейной интерполяции. На рис. 4.11 представлены характерные эпюры бытовых давлений в грунтовом массиве. На границах геологических

слоев угол наклона эпюры, как правило, изменяется в связи с изменением величины удельного веса грунта. На линии уровня грунтовых вод (WL) имеет место самый заметный перегиб эпюры, вызванный уменьшением удельного веса грунта во взвешенном состоянии. На границе водоупора эпюра имеет скачок на величину гидростатического давления от веса столба воды над водоупором. Деформации от действия веса природного грунта считаются давно стабилизировавшимися. Исключение составляют случаи действия свежеотсыпанной насыпи или пониженияуровня подземных вод. При большой мощности толщи насыщенных водой сильносжимаемых грунтов, обладающих ползучестью, иногда приходится считаться с незавершенной фильтрационной консолидацией и консолидацией ползучести.

Рис. 4.11. Характерные эпюры распределения бытовых напряжений в массиве грунта:а – однородный массив; б – массив, представленный тремя инженерно-геологическими элементами;в – то же, но при этом третий слой является водоупором; HwL – расстояние от водоупора до уровня грунтовых вод

9. Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона. Характеристики прочности грунтов.

Сдвиг – процесс изменения расположения частиц грунта под действием внешних сил. Грунты в основании сооружений, а также при неодинаковых отметках их поверхности испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.

Невозможно определить прочностные характеристики грунта в опыте на компрессионное сжатие. По этой причине используют схемы испытаний, в которых нагружение сопровождается развитием сдвиговых напряжений и деформаций. Сопротивление грунта сдвигу (предельное) может быть установлено испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез) путем трехосного сжатия, вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью, по результатам среза грунта крыльчаткой по цилиндрической поверхности и другими способами.

Если понятие прочности связного грунта не выходит за рамки традиционных представлений о прочности строительных материалов, то понятие прочности несвязных (сыпучих) грунтов требует дополнительных пояснений.

Механизм прочности несвязных грунтов заключается в следующем. Под действием сжимающих напряжений в грунте, в том числе вызванных его собственным весом, на контактных поверхностях минеральных частиц возникают силы трения, препятствующие взаимным перемещениям частиц. Кроме этого, между минеральными частицами, пересекающими условную плоскость, имеются зоны зацепления (взаимного проникновения), создающие нагельный эффект.

Таким образом, при сдвиге грунта по фиксированной плоскости возникает реакция, равная сумме сил трения по контактным поверхностям минеральных частиц. После преодоления сил трения происходит сдвиг грунта по фиксированной плоскости. При наличии зацепления между частицами сдвиг сопровождается переупаковкой минеральных частиц скелета грунта (рис. 3.6). Переупаковка скелета вызывает вначале доуплотнение грунта (дилатация), а при дальнейшем сдвиге – разуплотнение грунта (контракция). В предельном состоянии сдвиг грунта по фиксированной плоскости происходит без увеличения сдвигающей нагрузки.

Предельное сопротивление грунтов сдвигу есть функция первой степени нормального напряжения.

τ = σ · tgφ + c,

где τ – сопротивление сдвигу; σ – нормальное напряжение (давление); φ – угол внутреннего трения грунта, определяет прочность грунта (для сыпучих грунтов практически совпадает с углом естественного откоса); tgφ – коэффициент внутреннего трения; c – сцепление грунта (характерно для глинистых грунтов).

Характерные графики сопротивления сдвигу для различных грунтов.

1. Сыпучие грунты

τ = σ · tgφ + c, для сыпучих грунтов практически отсутствует сцепление, c = 0, следовательно, формула универсального закона сдвига примет вид τ = σ · tgφ.

2. Для обычных глинистых грунтов

τ = σ · tgφ + c, есть и сцепление, и внутреннее трение в грунте; формула соответствует универсальному закону сдвига.

Рис. 3.9. График зависимости сопротивления сдвигу от вертикального напряжения для обычных глинистых грунтов

3. Глина, насыщенная водой

τ = σ · tgφ + c, для глины, насыщенной водой, внутреннее трение практически отсутствует, угол внутреннего трения стремится к нулю φ→0 tg0 = 0, следовательно, формула универсального закона сдвига примет вид τ = c.

Для определения сопротивления грунта сдвигу сейчас существует довольно много приборов:

• односрезные сдвиговые приборы;

• 2-срезные сдвиговые приборы;

• приборы 3-осного сжатия (стабилометры);

• зондирование;

• искусственное обрушение откосов;

• лопастные испытания (крыльчатка);

• метод шарикового штампа.

Уравнение (3.6) указывает на линейную зависимость между касательными и нормальными напряжениями при сдвиге в грунте. В настоящее время доказано, что природа сил сопротивления грунта сдвигу имеет сложный характер, а потому простое их разделение на трение и сцепление является условным. Однако, учитывая, что многочисленные опыты хорошо подтверждают представленную уравнением (3.6) простую зависимость, пока считают возможным пользоваться указанными понятиями.

Зависимость τ_ui = σ_i∙tg φ установлена Ш. Кулоном еще в 1773 г. Она выражает закон сопротивления сыпучих грунтов сдвигу, который формулируется так: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется законом Кулона.