Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Прочность и деформируемость грунтов

В ходе опытов была установлена зависимость напряженноAдеформироA

ванного поведения глинистого грунта от вида напряженного состояния.

Кривые, обозначенные как T1, HC1 и SC1, были получены при одних и тех

условиях нагружения по траектории сжатия, при

0b =

. Опыты HC1 и Т1

показывают один и тот же предел прочности, но разные предельные деA

формации, в то время как в опыте SC1 получено как меньшее значение прочA

ности, так и меньшее значение предельной деформации. Испытания по

траектории расширения (

1b =

) были проведены в опытах Т6, HC5 и SC2 и не

выявили существенного различия в кривых деформирования. Прочность

наибольшая у кубических образцов и наименьшая у полых образцов грунта.

Во всех случаях поровое давление практически не зависит от формы образца

грунта.

2.7. Поведение глинистого грунта в процессе

деформирования

2.7.1. Нормально уплотненная и переуплотненная глина

Процесс

роста деформации сдвига в нормально уплотненных глинистых

грунтах (1)OCR = характеризуется постепенным возрастанием сопротивления

сдвигу образца грунта. Если нагружение является недренированным, то

поровое давление возрастает с ростом девиатора напряжений (рис. 2.19, а) и

наоборот, если нагружение дренированное, то объем образца грунта уменьA

шается (рис. 2.19, в). На некоторой ступени напряжения сдвига (девиатор

напряжений

σ−σ) достигают максимального значения и не изменяются.

Это состояние называется предельным (или критическим) и характеризуется

отсутствием изменения объема образца, постоянством напряжений сдвига и

порового давления.

Сопротивление сдвигу переуплотненных образцов глины возрастает

быстро и сопровождается вначале или возникновением положительного

порового давления (рис. 2.19, б) или уменьшением объема образца грунта

(

рис. 2.19, г). Далее поровое давление начинает уменьшаться, достигая даже

отрицательного значения, и в условиях дренированного нагружения наблюA

дается увеличение объема образца грунта. Максимум прочности (пиковое

значение) достигается при небольшом уровне деформации, что характеA

ризуется также максимальной скоростью возрастания порового давления и

увеличением объема образца. В дальнейшем с ростом деформации сдвига

сопротивление сдвигу постепенно снижается с падением порового давления.

При больших деформациях сопротивление сдвигу уменьшается до

постоянного критического значения с отсутствием изменения объема и

порового давления в образце грунта.

Глава 2

(в) (г)

Рис. 2.19. Сопротивление глинистого грунта сдвигу:

а, в – нормально уплотненная глина; б, г – переуплотненная глина; u – поровое давление;

Δ v – изменение объема;

ε – осевая деформация; (

σ−σ) – девиатор напряжения

Если построить круги Мора с использованием значений пиковой прочA

ности сильно переуплотненных глин (

OCR

> 2–5) и провести к ним

огибающую прямую, то получатся большие значения параметров

, так

как пиковая прочность больше остаточной прочности. Эти параметры прочA

ности, в общем, не могут использоваться при других условиях, в отличие от

параметров, определенных при критическом значении прочности. Пиковые

значения прочности могут быть использованы только тогда, когда инженер

уверен в том, что в решаемой им задаче уровень деформаций сдвига будет

ниже критических значений. Грунт, разрушающийся при пиковой прочности,

показывает локализованный характер деформации (рис. 2.20, б, в); причем

степень локализации возрастает с ростом деформации. Напротив, в критичесA

ком состоянии грунт деформируется однородно при постоянном объеме.

Физическая интерпретация плоскости сдвига зависит от формы дефорA

мации. В механике сплошной среды изменение формы деформации элемента

среды называется модой деформации. Поэтому иногда, применительно к

грунтам говорят или о форме, или о моде деформации. Форма деформации

зависит как от уровня достигнутой деформации при нагружении, так и от

вида грунта. Нормально уплотненные глины деформируются в предельном

состоянии при постоянном объеме (рис. 2.20, а). Если это недренированные

испытания, то объем образца никогда не изменяется; поэтому эффективная

(а)

(б)

Прочность и деформируемость грунтов

прочность остается постоянной. В случае дренированных испытаний образец

будет сжиматься и упрочняться с ростом деформации. В состоянии упрочнеA

ния и даже в критическом состоянии деформации распределяются в образце

однородно. Для переуплотненных глин деформации однородны только до

пикового значения прочности. В состоянии разупрочнения грунта дефорA

мации резко неоднородны, причем неоднородность возрастает, а сопроA

тивление сдвигу уменьшается. Форма деформации подобна отображенной

схематично на рис. 2.20, б, в.

(а) (б) (в)

Рис. 2.20. Форма деформации образцов грунта:

а – однородная деформация; б – локализация деформаций в узкой зоне; в – локализация

деформаций на плоскости

2.7.2. Недренированная прочность глинистых грунтов

Геотехники

обычно предпочитают определять прочность глинистых

грунтов из условий недренированных испытаний

c , а не эффективную

прочность, которая характеризуется параметрами с′ и ϕ′. Полагают, что

глинистые грунты обладают низкой проницаемостью, и поэтому условия

недренированных испытаний отражают поведение грунта в массиве даже при

очень медленной скорости нагружения. Параметр

c , характеризующий неA

дренированную прочность, определяется как радиус круга эффективных

напряжений Мора (рис. 2.21). Круги Мора в эффективных и полных

напряжениях имеют один и тот же размер, но смещены горизонтально на

величину порового давления. Параметры прочности в полных напряжениях

(

дренированные условия нагружения) будем обозначать как

и c , без верхнего

индекса. Эти параметры получаются при обработке кругов Мора в полных

напряжениях.

Недренированная прочность оценивается из результатов неконсолиA

дированноAнедренированных испытаний глинистых грунтов.

При проведении неконсолидированноAнедренированных испытаний

дренирование поровой воды из образца грунта отсутствует как при всеA

стороннем нагружении, так и при нагружении девиатором напряжений.

Нагружение девиатором выполняется сразу же после создания требуемой

Глава 2

величины всестороннего обжатия образца грунта без стабилизации дефорA

маций во времени. Испытания этого типа выполняются быстро и занимают

не более 3–10 минут. Предельное значение девиатора напряжений

()

Δσ = σ − σ

не зависит от величины предварительного обжатия

Рис. 2.21. НеконсолидированноAнедренированные испытания

Если результаты опытов отображены с использованием кругов Мора в

полных напряжениях, то предельная прямая практически не имеет угла

наклона (0)

= к оси нормальных напряжений, и прочность грунта опреA

деляется только силами сцепления. Параметр недренированной прочности

находим из выражения

max

Δσ

= . (2.29)

Недренированная прочность не зависит от величины всестороннего обжаA

тия

σ , что видно из результатов опытов, приведенных на рис. 2.21. На рис. 2.22

круг Мора 1 построен в полных напряжениях, а круг Мора 2 – в эффективных

напряжениях со смещением его влево на величину порового давления

13max

()

uAΔ= σ−σ

. Так как касательную к одному кругу Мора можно

провести только через начало координат, то для эффективных напряжений

сцепление будет равно нулю, а угол внутреннего трения –

′

. Увеличение

всестороннего давления приводит к пропорциональному росту порового

давления, но так как значение предельного девиатора напряжений

max

Δσ

не

изменяется, то круг Мора 3 смещается вправо на величину дополнительного

порового давления, не меняя своего размера. Поэтому касательная к кругам

Мора 1 и 3 в полных напряжениях является горизонтальной и 0

= .

Эффективный круг напряжений Мора 2 для различных кругов Мора в полных

напряжениях 1 и 3 будет один и тот же. Если провести предельную прямую к

Прочность и деформируемость грунтов

полному кругу напряжений Мора, например 1 (см. рис. 2.22), то мы получим

угол внутреннего трения

Рис. 2.22. Предельные огибающие в эффективных и полных напряжениях

Для нормально уплотненных глин отношение недренированной прочA

ности к вертикальным эффективным напряжениям, при которых происхоA

дило уплотнение в условиях естественного залегания, связано с числом пласA

тичности (рис. 2.23). Как видно из рис. 2.23, данная зависимость является

линейной.

Skempton (1957)

предложил простое эмпирическое выражение, связыA

вающее недренированную прочность и индекс пластичности нормально

уплотненных глин:

0,11 0,0037

I=+

′

, (2.30)

где

′

– эффективное природное напряжение;

– число пластичности.

Ladd et al. (1977)

предложили подобное выражение, но для переупA

лотненных глин:

0,8

(0,11 0,0037 )

OCR

′

σ+

, (2.31)

где OCR – коэффициент переуплотнения, выраженный в эффективных

напряжениях и определяемый как отношение существовавших ранее приA

родных напряжений к природным напряжениям, отмечаемым в настоящее

время.

Глава 2

Рис. 2.23. Зависимость недренированной прочности от числа пластичности

для нормально уплотненной глины:

– сопротивление сдвигу на глубине, где эффективное природное давление равно σ

Недренированная прочность

нормально уплотненных глин харакA

теризует прочность грунта, в котором трение принимается равным нулю.

Недренированная прочность значительно уменьшается с увеличением

влажности; поэтому в проектах рассматривают условия полного водонасыA

щения, даже если глина частично водонасыщена в естественных условиях.

Недренированная прочность возрастает с глубиной или эффективными

природными напряжениями и обычно выражается отношением

′

σ (

′

–

эффективное природное вертикальное напряжение). Это отношение связано

с индексом пластичности и коэффициентом переуплотнения (рис. 2.24, 2.25).

Рис. 2.24. Зависимость отношения

′

и индекса пластичности I

для нормально уплотненной глины (Gardner, 1977):

ТС – консолидированноAнедренированные трехосные испытания; DSS – испытания на

прямой срез

Прочность и деформируемость грунтов

Рис. 2.25. Зависимость недренированной прочности от коэффициента переуплотенения

(Ladd et al., 1977):

1 – 6 – глина различного происхождения

Опыты показывают, что значения недренированной прочности многих

переуплотненных глин, определенные в лаборатории, оказываются больше

значений, измеренных в полевых условиях методом статического зондироA

вания или лопастным срезом.

2.7.3. Дренированная прочность глинистых грунтов

Параметры

дренированной прочности глинистых грунтов определяют в

приборах прямого среза, приборах трехосного сжатия или приборах прямого

сдвига кручением. Применяют два типа испытаний: консолидированноA

дренированные и консолидированноAнедренированные.

Консолидированнодренированные испытания проводятся в два этапа. На

первом этапе водонасыщенные образцы грунта подвергают всестороннему

сжатию боковым давлением

σ=σ в рабочей камере прибора трехосного

сжатия. Возникающее поровое давление

u на стадии консолидации рассеиA

вается, так как испытания проводятся по открытой схеме, с возможностью

дренирования. В процессе девиаторного нагружения вертикальное напряA

жение

прикладывают небольшими ступенями с выдержкой до стабилизации

Глава 2

осевой деформации во времени, полагая, что за этот период возникшее поровое

давление

исчезнет.

На рис. 2.26 приведены зависимости, характеризующие процесс деA

формации нормально уплотненной и переуплотненной глины. Опыты

показывают, что при девиаторном нагружении объем образца грунта уменьA

шается вплоть до состояния разрушения (рис. 2.26, б). В переуплотненных

глинах в начале девиаторного нагружения объем образца уменьшается, а

затем расширяется.

В консолидированноAдренированных испытаниях полное напряжение

равно эффективному, так как избыточное поровое давление равно нулю. ЭфA

фективные напряжения принято обозначать штрихом т.е.

′′

σσ

, а полные –

без штриха

,σσ. Так, для консолидированноAдренированных испытаний

Рис. 2.26. КонсолидированноAдрениA

рованные испытания глины:

а – гидростатическое обжатие; б – деA

виаторное нагружение; 1 – переуплотA

ненная глина; 2 – нормально уплотA

ненная глина

(а)

(б)

Прочность и деформируемость грунтов

′

σ=σ

′

σ=σ

. Если испытания проводятся по траектории сжатия, то

σ>σ; здесь

σ является наибольшим главным напряжением, а

σ – наиA

меньшим главным напряжением.

Используя результаты нескольких испытаний при различном всестоA

роннем давлении, можно построить круги Мора, касательная к которым

является огибающей предельного равновесия Мора – Кулона. Результаты

построений показывают, что у нормально уплотненных глин сцепление равно

нулю (рис. 2.27, а). Наклон предельной прямой (рис. 2.28) определяет угол

внутреннего трения из условия прочности:

sin

σ−σ

ϕ=

σ+σ

. (2.32)

(а) (б)

Рис. 2.27. Предельные огибающие:

а – нормально уплотненная глина; б – переуплотненная глина; 1 – предельная огибающая;

2 – предельная прямая

(а) (б)

Рис. 2.28. Плоскость сдвига (а) и предельная прямая Мора – Кулона (б)

Глава 2

Плоскость сдвига наклонена под углом

45 /2α= °+

к наибольшему

главному напряжению при расширении и под

45 / 2α= °−

– при сжатии

образцов грунта (рис. 2.28, а).

Для переуплотненных глин сцепление не равно нулю (рис. 2.27, б).

Наклон предельной прямой определяет не только угол внутреннего трения,

но и силы сцепления.

Как показано на рис. 2.27, а, б, действительная предельная огибающая к

кругам Мора (пунктирная кривая) не является прямой линией, в некоторых

случаях она аппроксимируется параболой (В.В. Соколовский) или гиперA

болой (программы ABAQUS, LSADYNA и др.). Криволинейность предельной

огибающей более резко выражена при небольших всесторонних давлениях

(

см. рис. 2.10).

На рис. 2.29 показаны результаты испытаний при больших деформациях в

приборе кольцевого среза. Деформации сдвига в десятки и сотни процентов

возникают на поверхности скольжения в процессе смещения склонов. Для

переуплотненной глины при остаточной прочности сцепление практически

равно нулю, что объясняется полным разрушением структурных связей.

Сопротивление сдвигу определяется только трением, причем остаточный угол

внутреннего трения

rest

′

является минимальным из всех возможных значений.

Остаточный угол внутреннего трения используется при оценке длительной

прочности склонов грунта.

Рис. 2.29. Пиковая и остаточная прочность глинистого грунта:

1 – пиковая прочность; 2 – критическая прочность; 3 – остаточная прочность