Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов
Подождите немного. Документ загружается.
Методы определения недренированной и дренированной прочности
631
Как видно из рис. 16.22, поровое давление уменьшается с ростом OCR в
испытаниях на сжатие. При нагружении в условиях расширения поровое
давление достигает минимального значения, а затем уменьшается постепенно
с ростом деформации.
Рис. 16.22. Изменение нормализованного порового давления при различных OCR
и условиях нагружения (Seah and Lai, 2004)
Метод рекомпрессии
На рис. 16.23 приведены кривые зависимости «напряжение – деформация»,
показывающие, что осевая деформация при разрушении почти одна и та же при
сжатии и расширении образцов грунта, отобранных с одной и той же глубины.
Рис. 16.23. Зависимость прочности от OCR и условий нагружения
(Seah and Lai, 2004)
Зависимость между нормализованным модулем сдвига и деформацией
сдвига для испытания на сжатие показана на рис. 16.24. Кривые имеют незна"
чительный разброс и находятся в пределах небольших отклонений для всех
испытаний независимо от глубины отбора образцов и условий нагружения.
Глава 16
632
В условиях сжатия поровое давление возрастает с ростом осевой дефор"
мации (рис. 16.25) и остается постоянным после пика напряжений. При рас"
ширении грунта поровое давление постепенно уменьшается до пиковой проч"
ности, после чего остается постоянным.
Рис. 16.24. Зависимость нормализованного
модуля сдвига от OCR и условий нагружения
(Seah and Lai, 2004)
Рис. 16.25. Зависимость порового давления
от OCR и условий нагружения
(Seah and Lai, 2004)
Сравнение результатов испытаний, проводимых с использованием двух методов
Результаты испытаний методом SHANSEP обычно выражаются нормали"
зованным значением недренированной прочности
'
(/ )
uvcOC
c σ
и коэффици"
ентом переуплотнения:
()
m
uu
vc vc
OC NC
cc
OCR
⎛⎞ ⎛⎞
=
⎜⎟ ⎜⎟
′′
σσ
⎝⎠ ⎝⎠
. (16.12)
Обобщенные результаты испытаний приведены на рис. 16.26 показывают
различные значения
(/ )
uvcNC
c
′
σ
при сжатии и расширении грунта: 0,265 и
0,245,
соответственно. Параметр m зависит от скорости увеличения
прочности с ростом OCR. Скорость возрастания недренированной прочности
при расширении больше, чем при сжатии. Отношение
(/ )
uvcNC
c
′
σ
при расши"
рении к
(/ )
uvcNC
c
′
σ
при сжатии определяет коэффициент анизотропии не"
дренированной прочности
()
s
K
для глин. В этих опытах с нормально уплот"
ненной глиной он равен 0,92. Величина К
s
возрастает с ростом OCR
(
рис. 16.27).
Коэффициент анизотропии, полученный из рассматриваемых испытаний,
зависит от числа пластичности, причем эта пластичность проявляется
различным образом для переуплотненных и нормально уплотненных глин.
Методы определения недренированной и дренированной прочности
633
Рекомпрессионные испытания показывают большие значения норма"
лизованной недренированной прочности по сравнению с методом SHANSEP.
В исследованном диапазоне OCR оказалось также, что недренированная
прочность в условиях нагружения по траектории расширения выше, чем ее
значения при сжатии.
Рис. 16.26. Зависимость недренированной прочности от OCR
(Seah and Lai, 2004)
Рис. 16.27. Зависимость анизотропной прочности
()
s
K
от числа пластичности (I
p
) (Seah and Lai, 2004):
1 –
слегка переуплотненная глина; 2 – нормально уплотненная глина
Глава 16
634
Установлено также, что недренированная прочность полученная из
рекомпрессионных испытаний, на 28% выше, чем ее значения из SHANSEP
испытаний (рис. 16.28). Это различие в значениях
u
c
может быть вызвано нару"
шением структуры глины при консолидации до 17%. Этот эффект уменьшает
также жесткость глины, и, как следствие, модуль сдвига, полученный путем
рекомпрессии, в 2"3 раза выше модуля сдвига, установленного в ходе SHANSEP"
испытаний. Сравнение результатов трехосных испытаний с полевыми испыта"
ниями крыльчаткой показывают (рис. 16.29), что нескорректированные значе"
ния полевых испытаний совпадают с результатами рекомпрессионных
трехосных испытаний, а скорректированные результаты полевых испыта"
ний – с данными SHANSEP испытаний.
Рис. 16.28. Недренированная прочность, найденная из испытаний
методом рекомрессии и SHANSEP (Seah and Lai, 2004)
Рис. 16.29. Недренированная прочность, найденная из полевых испытаний
крыльчаткой и лабораторных трехосных испытаний образцов глины (Seah and Lai, 2004)
Методы определения недренированной и дренированной прочности
635
Профиль прочности
Результаты трехосных испытаний по определению недренированной
прочности с помощью метода SHANSEP по траекториям сжатия (СТС) или
расширения (СТЕ) используются для построения графика (профиля)
изменения недренированной прочности в зависимости от глубины. Пример
построения подобного профиля показан на рис. 16.30.
Рис. 16.30. Изменение недренированных прочности и модуля сдвига с глубиной
(Seah and Lai, 2004)
Глава 16
636
16.3. Определение дренированной прочности грунтов
Дренированная прочность грунтов определяется в приборе прямого среза
или в приборе трехосного сжатия. Конструкции приборов рассмотрены в главах
6, 7,
а условия испытаний описаны в подразд. 16.1. Основное отличие
дренированной прочности от недренированной заключается в том, что дре"
нированная прочность зависит от деформации сдвига и может как возрастать
при консолидации грунта, так и уменьшаться при его разуплотнении.
Критическая и остаточная прочность
Обычной практикой для определения дренированной прочности грунтов
в эффективных напряжениях является ее измерение по пику девиатора
напряжений. Однако наблюдения за поведением склонов, которые сложены
высокопластичными глинами (влажность на границе текучести 50 % и более),
показывают, что их прочность может быть значительно меньше, по
сравнению с прочностью, соответствующей пику напряжений (Wright, 2005).
Поэтому в зависимости от истории формирования грунтов принято опре"
делять не только пиковую прочность, но и прочность при больших
деформациях сдвига. На графике, приведенном на рис. 16.31, а можно обна"
ружить три характерных изменения в девиаторе напряжений. Первое (точка
2),
легко определяемое изменение соответствует пику напряжений, после
чего прочность грунта падает до второго значения (точка 3), и, если
увеличивать деформацию сдвига, можно обнаружить третий участок,
характеризуемый наименьшим значением девиатора напряжений (точка 4).
Прочность, соответствующая второму участку деформирования, называется
критической, а прочность, соответствующая третьему участку при еще боль"
шей деформации – остаточной.
Критическая прочность используется при расчете напряженно"деформи"
рованного состояния грунтовых оснований с помощью семейства моделей
Cam"Clay,
введенных в ряд программ, например Abaqus, Crisp, Flac и др.
Пиковая прочность используется в аналитических решениях, которые
включены в СП 50"101"2004, а определение параметров прочности регла"
ментировано требованиями ГОСТ 1248"96. Следует отметить, что в этом
ГОСТе при измерении параметров прочности используются два условия
прочности Мора – Кулона и Мизеса – Боткина. В первом случае параметры
прочности вычисляются с использованием выражения (16.1) или анало"
гичного, но записанного через главные напряжения (см. главу 2). Во втором
случае применяется октаэдрическая теория прочности, а функциональные
зависимости для определения интенсивности касательных напряжений,
интенсивности деформации сдвига и среднего напряжения приведены в
приложении И ГОСТ 12248"96.
Методы определения недренированной и дренированной прочности
637
(а) (б)
Рис. 16.31. Зависимость «касательное напряжение – деформация сдвига» (а)
и предельные огибающие Мора – Кулона (б) (Sabatini et al., 2002)
Термин остаточная прочность впервые был предложен Skempton (1964)
для описания прочности, которая реализуется в грунтах при большой
деформации сдвига (более 100%) и дренировании. Для многих глин с
большим числом пластичности остаточная прочность всегда меньше
пиковой, с меньшими углами внутреннего трения и небольшими или вообще
пренебрежимо малыми значениями сил сцепления c
r
, как показано на рис.
16.32,
б. Параметры остаточной прочности используют при оценке устой"
чивости склонов, которые уже имеют большие деформации, полагая, что в
массиве сползающего грунта имеются поверхности скольжения.
(а) (б)
Рис. 16.32. Зависимость параметров прочности от деформации сдвига
при дренированном нагружении
Глава 16
638
Пиковая прочность
Пиковую прочность можно измерять прямым образом при проведении
испытания в приборе прямого среза или стабилометре, нагружая образец
грунта с заданной скоростью осевой деформации. Методика определения
скорости деформации рассмотрена в главе 7. В то же время имеются
известные корреляции между пиковой прочностью глин и их физическими
характеристиками, в частности числом пластичности. Как правило, все эти
корреляции выражают прочность через угол внутреннего трения, при этом
полагают, что сцепление равно нулю. Несмотря на то что многие связные
грунты показывают как сцепление, так и трение, полученные корреляцион"
ные зависимости не учитывают влияния сцепления на пиковую прочность.
Типичная зависимость между пиковым углом внутреннего трения и числом
пластичности для нормально уплотненной глины показана на рис. 16.33.
Рис. 16.33. Зависимость между пиковым эффективным углом внутреннего трения
и числом пластичности (Bjerrum and Simons, 1960)
Параметры прочности, определенные при пиковой прочности, могут быть
применены при расчете устойчивости склонов и насыпей в глинах с влаж"
ностью на границе текучести менее 50 %. Эти же параметры используются
при определении расчетного сопротивления грунтов оснований фундаментов
и при расчете их несущей способности, если выполняются рекомендации
СП 50"101"2004.
В некоторых случаях криволинейную предельную огибающую, полу"
ченную из результатов дренированных испытаний, используют для
вычисления секущего угла внутреннего трения
sec
ϕ
(рис. 16.34), при раз"
личных нормальных напряжений и делают номограмму зависимости
секущего угла внутреннего трения от напряжения. Как правило, это выпол"
Методы определения недренированной и дренированной прочности
639
няется для грунтов, не показывающих сцепление. В зависимости от типа
испытаний, секущий угол внутреннего трения может являться функцией
нормального давления или всестороннего давления. Для прямого или коль"
цевого среза определяется зависимость секущего угла внутреннего трения от
нормального давления на плоскости сдвига, в то время как в процессе
трехосных испытаний устанавливается зависимость между секущим углом
внутреннего трения и всесторонним давлением.
Рис.16.34. Определение секущего угла внутреннего трения
Корреляция критической прочности с показателями пластичности
глинистых грунтов
При оценке устойчивости откосов критическую прочность принято
называть прочностью при полном разупрочнении. Этот термин был пред"
ложен Skempton в 1977 году, который высказал предположение о том, что
прочность при полном разупрочнении эквивалентна прочности грунта в
нормально консолидированном состоянии ( 1OCR = ). Исследования, выпол"
ненные Skempton, показали, что во многих случаях прочность сдвигу
оказывается меньше пиковой прочности, но больше остаточной прочности.
Прочность при полном разупрочнении может быть измерена в лабо"
ратории путем подготовки образцов нормально уплотненной глины, которые
затем подвергаются сдвигу. Обычно образцы подготавливаются смешиванием
грунта с водой (
2
L
ww=
) до формирования «грязи», а затем консолидируются
небольшим давлением (для исключения переуплотнения грунта) перед испы"
танием на сдвиг. Опыты с подготовкой образцов и их испытания в режиме
изменения влажности (увлажнение и высушивание) занимают значительное
время. Около месяца уходит на изготовление образцов и последующее их
Глава 16
640
испытание в условиях трехосного сжатия. Поэтому такие опыты проводятся,
как правило, при реализации больших и ответственных проектов.
Результаты исследований, приведенные в работе Wright (2005), показы"
вают, что прочность, определенная при полном разупрочнении, может быть
использована при проектировании насыпей из пластичных глинистых
грунтов (
50%
L
w >
). В отчете отмечено, что прочность, измеренная у нор"
мально консолидированных глин при полном разупрочнении, практически
сопоставима с прочностью, которую грунт приобретает после повторяющихся
циклов увлажнения и высушивания. Процесс увлажнения и высушивания
приводит к разупрочнению уплотненных насыпей, что также наблюдается в
глинистых склонах естественного отложения.
Stark et al. (1997, 2005)
выполнили большое количество опытов с целью
определения прочности глин при полном разупрочнении. Полученная ими
зависимость секущего угла внутреннего трения от влажности на границе
текучести показана на рис. 16.35. Угол внутреннего трения зависит от
эффективного нормального напряжения и содержания глинистых частиц.
Рис. 16.35. Зависимость секущего угла внутреннего трения от нормального давления и
процентного содержания минералов глины
Зависимость, предложенная Stark et al. (2005), дает надежную оценку
прочности при полном разупрочнении для пластичных глин. Кривые на
рис. 16.35 получили с использованием криволинейной огибающей предельного
состояния, полагая, что существует зависимость угла внутреннего трения от
эффективного нормального напряжения на плоскости сдвига.