Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов
Подождите немного. Документ загружается.
Прочность и деформируемость грунтов
101
Первая стадия до точки А соответствует закрытию существующих пор с
одновременным открытием и ростом существующих трещин. Однако в
течение второй части первой фазы от точки А до точки В проницаемость
возрастает с ростом девиатора напряжений. Рост трещин прекращается на
точке, где большинство трещин достигает устойчивого состояния.
В течение второй фазы BCD наблюдается резкое падение проницаемости
вследствие прогрессивного формирования плоскостей сдвига. Зарождение
плоскостей сдвига приводит к закрытию существующих микротрещин,
расположенных в центральной части образца. Плоскости разрушения
заканчивают свое формирование вблизи точки D, за пиком прочности образца.
Третья фаза является переходной от стадии формирования плоскостей сдвига к
последней стадии появления остаточной прочности. Так как плоскости сдвига
являются слоями, по которым легко движется вода с уменьшением в то же
время действующих напряжений, то проницаемость в образце возрастает в
течение третьей стадии деформирования. На последней стадии DE прочность
образца остается неизменной, значения проницаемости имеют случайный раз
брос присущий изменению структуры типа «скольжение – запирание».
На рис. 2.69–2.72 представлены результаты опытов, выполненных
автором настоящей работы в 1991 году. Опыты проводились с песком. На
гружение образцов грунта в стабилометре осуществлялось по траектории
трехосного сжатия при различных значениях всестороннего давления – от 0,1
до 0,3 МПа.
Рис. 2.69. Результаты испытания образца песка
при всестороннем давлении 0,1 МПа
Глава 2
102
Во всех опытах после гидростатического обжатия образцов песка заA
данным всесторонним давлением выполнялось девиаторное нагружение с
определением изменения плотности образца по величине коэффициента
пористости (рис. 2.69, 2.70). На этих рисунках представлены результаты
опытов с начальным значением коэффициента пористости 0,613. При гидроA
статическом обжатии (участок 0...8) песок уплотняется. Завершение обжатия
характеризуется уменьшением коэффициента пористости до значения 0,609.
Рис. 2.70. Зависимость изменения коэффициента пористости
в процессе деформирования:
0…8 – изотропная консолидация; 8…11 – девиаторное нагружение
Девиаторное нагружение на начальном участке приводит к продолжению
уплотнения песка при сдвиге (участок 8A9). Завершение уплотнения песка
при сдвиге характеризуется нулевым приращением объемной деформации
при продолжающемся деформировании (участок 9A10). Дальнейшее
нагружение приводит к возникновению объемной деформации расширения,
что сопровождается возрастанием коэффициента пористости. На кривой
деформирования можно отметить состояние (точка 12), при котором
достигается величина начальной плотности грунта 0,613e = . Данное
состояние характеризуется также нулевым значением объемной деформации
(
точка пересечения оси
1
ε кривой деформирования).
Возрастание всестороннего давления приводит к достижению данного
состояния на более поздних деформациях, точка 12 смещается в направлении
пика прочности песчаного образца. Возможно состояние, когда начальное
значение коэффициента пористости достигается на участке разупрочнения
кривой деформирования. При остаточной прочности грунта (точка 14)
плотность песка практически неизменна.
Прочность и деформируемость грунтов
103
Рис. 2.71. Зависимость объемной деформации
от коэффициента пористости:
0…8 – изотропная консолидация; 8…11 – девиаторное нагружение
Рис. 2.72. Характер изменения объемной деформации с ростом осевой деформации: 0…8 –
изотропная консолидация; 8…11 – девиаторное нагружение
Если сравнить результаты выполненных исследований с результатами,
которые обсуждались ранее, то можно сделать следующие общие выводы.
Деформирование песчаного грунта вызывает перестройку его первонаA
чальной структуры, которая сопровождается движением частиц с
возникновением трения скольжения пpи сжатии и расширении грунта.
Разрушение грунта является непрерывным процессом, в ходе которого
достигаются следующие состояния, или пороги деформирования:
1.
Продолжается уплотнение грунта при сдвиге после завершения
уплотнения при гидростатическом нагружении. Завершение уплотнения при
сдвиге характеризуется нулевым приращением объемной деформации.
Достижение данного состояния соответствует первому порогу деформиA
рования (точка 10 на рис. 2.69). Конечная форма образца грунта похожа на
Глава 2
104
«
шпульку» (влияние трения на нагрузочных штампах). Первый порог
деформирования инвариантен отношению /qp.
2.
Второй порог деформирования соответствует достижению начального
значения коэффициента пористости в грунте и нулевой объемной дефорA
мации в плотном песке (точка 12 на pис. 2.69). Неоднородность деформации
возникает на стадии перехода от первого порога деформирования ко второму.
Локализация деформаций в виде полосы сдвига зарождается при достижении
второго порога деформирования на участке упрочнения или разупрочнения
грунта в зависимости от величины первоначального гидростатического обжаA
тия. Второй порог деформирования предлагается использовать в качестве
критерия бифуркации в виде полос сдвига.
3.
Третий порог деформирования соответствует достижению остаточной
прочности грунта с нулевой величиной изменения объемной деформации
(
точка 14 на pис. 2.69).
Локализация деформаций и разрывы в глинистых грунтах
Если в песчаном грунте локализация пластической деформации непосредA
ственно связана с дилатансией и ее развитием в полосе сдвига, то в глинистых
грунтах после определенной степени деформации грунта наблюдается возA
никновение разрывов непосредственно в полосе локализации деформаций.
Это подтверждается исследованиями, выполненными автором в условиях
плоской деформации с измерением полей деформаций методом фотограмA
метрии.
Испытание образцов глинистого грунта проводилось в приборе истинного
трехосного сжатия конструкции А.Крыжановского в условиях плоской
деформации (рис. 2.73). Нагружение образцов грунта осуществлялось
посредством гладких жестких штампов, покрытых смазкой.
В первой серии опытов образцы грунта размером 150х150х150 мм
формовались перемятием глины руками (нормально уплотненный образец
грунта), а во второй серии опытов производилось их предварительное
обжатие на прессе (давление до 0,8 МПа), что позволило создать плотное наA
чальное состояние обоих образцов, близкое к 19,0 кН/м
3
. ФизикоAмехаA
нические свойства образцов грунта второй серии опытов были следующими:
е = 0,36;
ϕ
=19°; коэффициент сжимаемости 0,07 1/МПа.
Испытания образцов глинистого грунта проводились следующим обA
разом. После подготовки образец помещался в прибор, и в одну из его
боковых граней вдавливались марки в виде тора с внешним диаметром 2–3
мм. Марки вдавливались через шаблон в узлах координатной сетки с шагом
20×20
мм. В процессе нагружения образца грунта выполнялось фотографиA
рование положения марок через одну из прозрачных стенок прибора. Поля
деформаций определялись по измеренным значениям вертикальных и
горизонтальных перемещений марок.
Прочность и деформируемость грунтов
105
Испытания проводились по схеме двухосного сжатия следующим обA
разом. Выполнялось гидростатическое нагружение образца грунта величиной
в 0,2 МПа. Далее в испытаниях использовались переуплотненные образцы с
коэффициентом переуплотнения, равным 0,8/0,2=4, при пропорциональном
приращении значений
1
σ и постоянном приращении
3
0Δσ = , вплоть до
разрушения образца грунта.
Рис. 2.73. Стенд для испытания образцов грунта
в условиях плоской деформации
На рис. 2.74, б, в, г приведены результаты, полученные путем обработки
двух фотоснимков: первый – до деформации и второй – в процессе
нагружения. Вследствие симметрии все обсуждаемые результаты относятся
только к одной четвертой части образца грунта (OABC).
Глава 2
106
Рис. 2.74. Деформации в образце грунта:
а – образец грунта; б – изолинии деформаций сдвига; в – интенсивность деформаций
сдвига; г – изолинии объемных деформаций; д – интенсивность объемных деформаций
Из рис. 2.74, б наглядно видно, что в процессе сжатия образца грунта
происходит его расширение по направлению наименьшего главного напряA
жения
3
.σ Вертикальные перемещения имеют максимум по направлению
действия наибольшего главного напряжения
1
σ на оси симметрии образца
грунта. На рис. 2.75, а,б и 2.76 показаны области 1 и 2 в образце грунта, в
которых наблюдаются только вертикальные и горизонтальные перемещения
соответственно. На границе каждой области, совпадающей с поверхностью
штампов, отсутствуют деформации сдвига, а сами области перемещаются с
постоянной скоростью деформации как жесткое тело. Объемная деформация
в пределах данных областей близка к нулю (рис. 2.74, г). Векторы
перемещений в пределах областей 1, 2 практически не меняют своего
направления, причем на границе области 1 угол наклона вектора
перемещений к вертикальной оси близок к нулю, а на границе области 2
составляет угол в 90° с вертикалью, или направлением наибольшего главного
напряжения (см.рис. 2.76).
(a)
(б)
(в)
(г)
(д)
Прочность и деформируемость грунтов
107
(а) (б)
Рис. 2.75. Деформация образца грунта:
а – схема нагружения и разрушения; б – вертикальные перемещения в верхней левой части
образца
Если соединить точки векторов перемещений с равными углами наклона
к вертикали, то мы получим изолинии угла наклона векторов перемещений
(
см.рис. 2.76). Как видно из рис. 2.76, в интервале угла наклона от 15 до 45°
изолинии представляют собой прямые линии, которые в то же время
являются следом поверхности сдвига. На фотографиях хорошо видны следы
поверхностей сдвига (за счет отжимаемой воды), которые совпадают с рядом
изолиний.
На рис. 2.74, б, г приведены интегральные значения сдвиговых и
объемных деформаций, которые указывают на существенную неоднородность
деформации в пределах образца грунта. В опытах отмечается концентрация
сдвиговых и объемных деформаций по направлению пространственных
диагоналей кубического образца грунта. Максимальные сдвиговые и объемA
ные деформации имели место в угловых точках образца грунта. Анализ полей
деформаций показал, что в данных опытах наблюдалось разрушение с
образованием семейства полос сдвига. Однако на более ранних ступенях
нагружения концентрация деформаций имела место только в пределах одной
полосы сдвига.
Опыты показали, что разрушение глинистого грунта сопровождается
возникновением и развитием не только поверхностей сдвига, но и разрывов
сплошности в образце грунта. Причем видимые разрывы сплошности
возникают в зоне между областями 1 и 2 (рис. 2.75, а), в пределах которой
наблюдается образование серии полос сдвига при максимальной конценA
трации деформаций.
Глава 2
108
Рис. 2.76. Изолинии углов наклона векторов перемещений:
1,2 – «жесткие», недеформируемые (в пределах точности измерений) зоны в образце
грунта
Образование разрывов в глинистом грунте показывает, что существует
непосредственная связь между развитием сдвиговых и объемных деформаций
расширения, с одной стороны, и зарождением и развитием трещин, с другой.
Видимое развитие трещин наблюдается в опытах на стадии разрушения
образцов грунта при больших деформациях (6A8 %). При меньших
деформациях образуются только полосы сдвига, которые по мере развития
неоднородности деформаций переходят в трещины скольжения и отрыва. По
всей видимости, образование трещин скольжения обусловлено
концентрацией деформаций сдвига, а трещин отрыва – развитием объемных
деформаций расширения. В опытах видны только трещины отрыва, трещины
скольжения должны зарождаться ранее на кончиках полос сдвига.
Экспериментальные исследования образцов глинистого грунта, отобранных
из зон интенсивного деформирования, проведенные В. Осиповым (1979),
Rizkallah (1978)
и рядом других исследователей с использованием растрового
электронного микроскопа, также показывают, что дилатансия, возникающая в
процессе сдвига, вызывает раскрытие пор с переориентацией частиц и
образованием микротрещин по направлению сдвига. Раскрытие пор и трещин
наблюдается также и при действии только растягивающих напряжений (Ajaz
et al., 1975).
Прочность и деформируемость грунтов
109
Возникновение разрывов в грунте
Как было показано в разделе 1, в глинистых грунтах после определенной
степени развития деформаций возможно возникновение разрывов сплошA
ности. В общем случае появление разрывов обусловлено действием не только
растягивающих, но и сдвигающих напряжений. В определенных условиях,
как в образцах грунта, так и в массиве основания возможно возникновение
трещин двух типов: скольжения и отрыва.
Первый тип (Alhashina, 1973), соответствующий первой моде разрушения
(
по терминологии механики разрушения), показывает расхождение берегов
трещин и обусловлен действием компонент внутренних растягивающих
напряжений, которые развиваются нормально к плоскости трещины
(
Ю. Зарецкий и др., 1977). Трещина распространяется непрерывно от одной
части матричного материала к другой.
Второй тип разрывов соответствует второй моде разрушения, в котором
развитие трещин происходит со сдвигом их берегов относительно друг друга
без расхождения сторон. В процессе роста трещины сдвига образуются новые
поры (В. Осипов, 1983), которые в последующем срастаются. Траектория
разрыва ступенчатая вследствие того, что продвижение трещины обусловлено
срастанием пор на изменяющихся плоскостях, наклоненных под определенA
ным углом к оси сжатия.
Опыты показывают, что тип разрушения зависит от минералогического
состава грунта. В чисто глинистых образцах после незначительных дефорA
маций наблюдается образование множества взаимно пересекающихся плосA
костей сдвига. Трещины сдвига исчезают с возрастанием процентного содерA
жания песчаных частиц. В сцементрированных грунтах появляются только
трещины отрыва (раскалывания). Процесс трещинообразования не ограничиA
вается в этом случае одной трещиной, а включает целые зоны микротрещин.
Экспериментально трещины отрыва можно реализовать при прямом
растяжении образцов в виде цилиндра или шпульки (З. ТерAМартиросян и др.
1968, 1970),
отрыве приклеенного штампа (С. Колмогоров, 1983), разрыве
надрезанных образцов (Lee, 1988), испытании на изгиб прямоугольного бруса
(Ajaz, 1975).
Трещины сдвига исследуются путем нагружения цилиндрических
образцов по траектории раздавливания (Zacharias, 1976).
При нагружении штампом в опытах на сжатие трещины зарождаются в
центре глинистых образцов (Zacharias, 1976) и распространяются в
направлении штампов. Следует отметить, что и в песчаных образцах
неоднородность деформаций начинает возникать также в центре образцов
(Sandler, 1984).
В испытаниях на изгиб прямоугольного бруса уплотненной
глины (Alhashina, 1973) образованию разрывов предшествует сильная локалиA
зация деформаций в зоне растяжения, причем полное разрушение грунта
наступает тогда, когда средняя относительная деформация достигает криA
тической величины. Трещина распространяется перпендикулярно растягиваA
Глава 2
110
ющему напряжению в области, где распределение напряжений в значиA
тельной степени однородно.
Опыты С. Колмогорова (1983) на прямое растяжение цилиндрических
образцов глинистого грунта указывают на зависимость направления развития
трещины от степени пластичности грунта, что также выявлено в наших
опытах с моделями анкерных плит. В твердых глинах разрыв перпендиA
кулярен действию растягивающего усилия, а в пластичных разрыв возникает
под углом, близким к 45°. Форма разрыва хрупкого глинистого грунта имеет
вид чаши и состоит из кратера с гладкими краями, где при разрушении
происходит сдвиг частиц, и плоского дна с шероховатой поверхностью, в зоне
которого структурные связи между частицами разрушаются прямым растяжеA
нием. В более пластичном грунте при отpыве грунта в виде конуса поверхA
ность разрыва сглажена, что указывает на сдвиг частиц при разрушении. Если
считать, что сдвиг происходит в процессе пластических деформаций, а разрыв
структурных связей – в процессе упругих деформаций, то в зоне разрыва
грунта одновременно образуются упругие и пластические деформации
(
Ю. Зарецкий и др., 1977). Причем разрыву предшествует накопление опредеA
ленной величины пластической деформации, которая зависит, в свою
очередь, не только от уровня напряженного состояния, но и от степени пласA
тичности грунта.
Опыты с кинематическим нагружением при прямом растяжении надреA
занных образцов (рис. 2.77) показывают, что грунт не только упрочняется, но
и разупрочняется после достижения пиковой прочности. Более существенA
ным является то обстоятельство, что критическая скорость высвобождения
энергии
S
при продвижении трещины оказывается постоянной для данного
типа грунта (рис. 2.77, д). Данный параметр можно использовать как для
определения начала зарождения трещины, так и направления ее развития.
Вторым параметром, который характеризует упругое поведение грунта
при растяжении, является модуль деформации. Исследования С. КолмоA
горова (1983) показали, что модули деформации при сжатии и растяжении на
начальных ступенях нагружения практически совпадают друг с другом,
расхождение не более 20 %.
Возникновение разрывов в глинистых грунтах непосредственно связано с
перестройкой их структуры в процессе деформирования. Исследования
ненарушенных образцов глинистого грунта с использованием электронного
микроскопа (Osipov, 1983; С. Вялов, 1978) показали, что первоначальная
структура имеет много пустот и подобна структуре «карточного домика». На
снимках, полученных после разрушения образцов в стабилометре, видно
изменение структуры в плоскости локализации деформаций. Можно
различать области с неизменной структурой, поврежденную зону и зону
разрушения (плоскость разрушения с новой ориентацией частиц). В зоне