Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Прочность и деформируемость грунтов

Консолидированнонедренированные испытания также проводятся в два

этапа. На первом этапе условия нагружения подобны схеме консоA

лидированноAдренированных испытаний. Образец грунта уплотняется всеA

сторонним давлением

при условии полного дренирования поровой воды

из образца грунта. После рассеивания порового давления, возникающего при

обжатии образца грунта, переходят к девиаторному нагружению. На втором

этапе испытаний осевая нагрузка прикладывается ступенями вплоть до

разрушения образца грунта. В течение всего второго этапа нагружения кран

дренирования закрыт, и поэтому в образце грунта возникает поровое

давление. На рис. 2.30 показаны зависимости, характеризующие процесс

деформирования образца грунта при нагружении.

(а)

Рис. 2.30. КонсолидированноAнедреA

нированные испытания:

а – гидростатическое обжатие; б – деA

виаторное нагружение: 1 – переуплотA

ненная глина; 2 – нормально уплотA

ненная глина

(б)

Глава 2

При испытании нормально уплотненных и переуплотненных глин поровое

давление изменяется поAразному. В течение девиаторного нагружения образца

нормально уплотненной глины поровое давление постепенно возрастает до

максимального значения (см. рис. 2.30, б) при постоянном уменьшении

объема. Увеличение девиатора напряжений сопровождается изменением поA

рового давления. На начальных ступенях девиаторного нагружения поровое

давление возрастает при одновременном уменьшении объема образца грунта.

Далее, после достижения максимального положительного значения, поровое

давление уменьшается и может достигнуть даже отрицательных значений,

при этом образец грунта увеличивается в объеме. Диапазон изменения отриA

цательного порового давления зависит от степени переуплотнения глинисA

того грунта и возрастает с ростом коэффициента переуплотнения (рис. 2.31):

OCR

′

, (2.33)

где

′

σ=σ

– максимальное всестороннее давление в рабочей камере, при

котором образец грунта был обжат (консолидирован);

σ – всестороннее

давление, при котором проводится испытание образца грунта. Значение параA

метра порового давления

у нормально уплотненных глин при разрушении

обычно близко к единице, а у переуплотненных глин изменяется от 1 до –0,4

(

рис. 2.31, 2.32).

()

Δσ −σ

. (2.34)

Рис. 2.31. Изменение параметра порового давления

в зависимости от значения

коэффициента переуплотнения OCR (Бишоп и Хенкель, 1962)

Прочность и деформируемость грунтов

(а) (б)

Рис. 2.32. Влияние переуплотнения на значение параметра порового давления

при разрушении образцов:

а – вельдская глина; б – лондонская глина (Бишоп и Хенкель, 1962)

Используя результаты испытаний нескольких образцов нормально уплотA

ненной глины (OCR=1), можно построить круги Мора (рис. 2.33) и, проведя к

ним касательную, определить параметры прочности для условий консолиA

дированноAнедренированного нагружения.

Рис. 2.33. КонсолидированноAнедренированные испытания

нормально уплотненной глины

Круги Мора А и В для полных напряжений показаны на рис. 2.33

пунктирными линиями. Эффективные круги напряжений Мора С и D поA

лучены смещением влево кругов А и В на величину порового давления

13max

()

uAΔ= σ−σ

, где

13max

()σ−σ – максимальное значение девиатора напряA

Глава 2

жений. Касательные к кругам Мора позволяют найти параметры прочности

′

в эффективных и полных напряжениях, соответственно.

Для образцов нормально уплотненных глин сцепление равно нулю, а угол

внутреннего трения зависит от типа грунта (увеличивается с уменьшением

числа пластичности).

На рис. 2.34 приведены результаты испытаний образов переуплотненной

глины в условиях консолидированноAнедренированного нагружения. РезульA

таты опытов представлены в эффективных и полных напряжениях. Угол

внутреннего трения для переуплотненной глины, как и для нормально

уплотненной глины, в эффективных напряжениях оказывается больше, чем в

полных напряжениях. Силы сцепления для переуплотненной глины пракA

тически равны нулю при определении их в эффективных напряжениях.

Рис. 2.34. КонсолидированноAнедренированные испытания переуплотненной глины

(Бишоп и Хенкель, 1962)

Дренированная прочность нормально уплотненных глин подобна дрениA

рованной прочности рыхлых песков, т.е 0c = , за исключением того, что для

глин угол внутреннего трения меньше. Дренированная прочность переA

уплотненной глины подобна прочности плотного песка (но опять с меньшим

значением

′

), при наличии пиковой прочности (c

′

не равно нулю) и осA

таточной прочности (c

′

= 0).

В общем случае при проектировании оснований, сложенных глинистыми

грунтами, используются результаты недренированных и дренированных

Прочность и деформируемость грунтов

испытаний, и, исходя из этого, расчеты оснований выполняются различным

образом. Как правило, выбираются худшие условия. Полные напряжения

используются в анализе при наличии недренированных условий нагружения

и эффективных напряжений в дренированном случае.

Выше были рассмотрены результаты испытаний, проведенных по метоA

дикам, принятым для обычных непросадочных грунтов, когда не учитыA

ваются специфические свойства просадочных грунтов, такие, как изменение

структуры и плотности грунта при изменении влажности и давления.

На рис. 2.35 приведены результаты испытаний на сдвиговом приборе

конструкции Гидропроекта лессовидных суглинков, отобранных в Душанбе,

Запорожье, Тольятти и Кишиневе. Давление предварительного уплотнения

изменялось от 0 до 600 кПа, что позволило получить прочностные характеA

ристики просадочных грунтов при трех характерных состояниях: до наступA

ления просадки, в процессе просадки и после ее прекращения. На рис. 2.35

можно выделить три стадии изменения прочностных характеристик:

1 –

при изменении уплотняющего давления от нуля до начального

просадочного давления (для рассматриваемых грунтов – от 100 до 120 кПа);

2 –

при изменении давления от 100A120 до 250A300 кПа, т.е. в процессе

просадки;

3 –

при увеличении давления более 250A300 кПа, т.е. после просадки

грунта.

(а) (б)

Рис. 2.35 Зависимость прочностных характеристик лёссовых просадочных грунтов

от величины предварительного уплотнения при консолидированноAдренированном сдвиге

В первой стадии при небольших уплотняющих давлениях и отсутствии

просадки естественная структура грунта практически не нарушается, и втоA

Глава 2

ричное (цементационное) сцепление по Н.Я. Денисову сохраняется. ПервичA

ное (межмолекулярное) сцепление за счет некоторого увеличения плотности

и сближения частиц грунта возрастает, что приводит к увеличению полной

величины сцепления. Во второй стадии при просадке происходит разрушение

структуры грунта, резкое снижение вторичного сцепления, за счет чего

полная величина сцепления резко уменьшается. Причем с увеличением

давления интенсивность снижения сцепления уменьшается. В то же время

угол внутреннего трения в этой стадии изAза повышения плотности грунта и

увеличения числа контактов между частицами возрастает. В третьей стадии

(

после просадки грунта) вторичное сцепление продолжает снижаться, а

первичное – возрастать. Соотношение этих величин определяет степень

уменьшения общего сцепления грунта. Так как в этой стадии не происходит

интенсивного уплотнения грунта, угол внутреннего трения увеличивается

незначительно.

Опыты показывают, что угол внутреннего трения уменьшается с увеA

личением количества глинистых частиц (рис. 2.36). Для высокопластичных

монтмориллонитовых глин угол внутреннего трения может быть равен 3–4°.

Рис. 2.36. Зависимость угла внутреннего трения от процентного содержания

глинистых частиц (Das, 1997)

Прочность и деформируемость грунтов

Рис. 2.37. Предельная огибающая в нормализованных эффективных напряжениях

(Henkel, 1960)

В 1960 г. Henkel показал, что можно получить единую огибающую

предельного состояния (рис. 2.37), если представить результаты испытаний,

используя зависимость между отношением наибольшего напряжения к наA

именьшему в состоянии разрушения

′

и отношением максимального

давления уплотнения σ

к среднему эффективному напряжению

′

+σ

′

=σ

′

также в состоянии разрушения.

2.7.4. Влияние происхождения глинистых грунтов на их свойства

Определение

параметров прочности для проектирования откосов или

склонов в аллювиальных, элювиальных и делювиальных глинистых грунтах в

большинстве случаев выполняется с использованием прибора трехосного

сжатия и прибора прямого среза в лаборатории и на основе результатов

пенетрационных испытаний в полевых условиях. Как правило, различия в

происхождении глинистых грунтов при определении параметров прочности

не учитываются.

В общем случае элювиальные грунты могут быть определены как

материал, полученный в результате разрушения скальных пород при физиA

ческих и химических воздействиях, таких, как замачивание и выветривание с

отложением непосредственно в месте разрушения скальных пород. Величина

эрозии и баланс между физическим, химическим и биологическим воздейA

ствиями зависят главным образом от климата и исходной скальной породы,

так же как и от местного влияния, такого как дренаж, топология и вегетация.

Элювиальные грунты могут иметь характеристики, совершенно отличные

от характеристик аллювиальных и делювиальных грунтов. Твердые частицы

Глава 2

элювиальных грунтов обычно включают агрегаты или кристаллы разруA

шенного матричного материала, которые могут быть легко раздроблены при

перемятии руками. Проницаемость элювиальных грунтов, в отличие от аллюA

виальных, не связана с гранулометрическим составом, и зависит обычно от

микроA и макроструктуры, упаковки частиц и дополнительных особенностей,

таких, как гладкость частиц, наличие термитов и биоканалов.

Главными особенностями элювиальных грунтов являются их значительA

ная неоднородность, что затрудняет отбор представительных образцов, и

высокая проницаемость, которая приводит к резкому изменению естестA

венных свойств грунтов при их увлажнении.

Выбор соответствующих параметров прочности является критичным при

проектировании склонов. Прочность и деформируемость элювиальных грунA

тов отличны от прочности и деформируемости аллювиальных грунтов.

Основное отличие определяется наличием в элювиальных грунтах прочных

структурных связей; прочность и жесткость этих связей проявляются в виде

кажущегося сцепления

′

, которое не зависит от эффективных напряжений и

отношения пористости к плотности.

На устойчивость склонов элювиальных грунтов более существенное

влияние оказывают эффективные напряжения (условия дренирования и длиA

тельность) по сравнению с полными напряжениями (недренированные

условия). Поэтому при анализе устойчивости склонов обычно используют

параметры прочности, ,c

′′

, полученные в эффективных напряжениях, путем

испытания представительных образцов. Эти параметры определяются как в

лабораторных, так и в полевых условиях. Полевые исследования включают

стандартные пенетрационные испытания, испытания конусом, лопастные

испытания и прессиометрические испытания. Лабораторные испытания

обычно проводят с образцами ненарушенной структуры с использованием

прибора прямого среза или прибора трехосного сжатия в условиях консолиA

дированноAнедренированного сдвига с измерением порового давления и

консолидированноAдренированного сдвига.

При проведении лабораторных испытаний образцы грунта должны быть

водонасыщены и испытаны при напряжениях, сравнимых с напряжениями, дейA

ствующими в полевых условиях. Элювиальные грунты обычно имеют высокую

проницаемость (1⋅10

–4

–10

–6

м/с); поэтому дождевые осадки могут легко

инфильтрировать в глубь естественного склона, что приводит к уменьшению

прочности.

Прочность грунта при сдвиге обычно представляется графически с исA

пользованием диаграмм Кулона или Мора – Кулона. Эффективные параA

метры прочности

′′

являются коэффициентами предельной прямой

Кулона уравнения вида:

′′′

τ=σ

, (2.35)

Прочность и деформируемость грунтов

( )tg ( )tg

aw na

cuu u

′′

τ= + −

+σ −

, (2.36)

где

– касательное напряжение, при котором происходит разрушение

грунта;

′

– эффективное нормальное напряжение при разрушении;

′

–

эффективный угол внутреннего трения;

′

– силы сцепления;

– давление

порового воздуха;

u – давление поровой воды;

– угол внутреннего трения,

зависящий от величины матричного всасывания.

На рис. 2.38 показано типичное поведение элювиальных грунтов в

результате сдвига при низком уровне напряжений (всесторонних в условиях

трехосного сжатия и нормальных при прямом срезе). Зависимость

()fτ= σ

построена с использованием касательного напряжения, соответствующего

пику прочности

max

τ=τ . При низком уровне нормальных напряжений (обычA

но не более 50 кПа) элювиальные грунты сопротивляются сдвигу преимуA

щественно структурными связями. С ростом нормального давления струкA

турные связи разрушаются и элювиальные грунты ведут себя подобно норA

мально уплотненным или слегка переуплотненным аллювиальным грунтам.

Brand (1995)

показал, что большинство критических поверхностей

скольжения в склонах, сложенных из элювиальных грунтов, находится на

небольшой глубине при эффективных напряжениях в интервале от 30 до 200

кПа. Он также показал, что имеются очевидные подтверждения того, что

предельная огибающая для некоторых элювиальных грунтов является

криволинейной при низких эффективных напряжениях, и что линейная

зависимость измеренной прочности на высоком уровне напряжений недоA

оценивает прочность сдвига в диапазоне небольших нормальных напряA

жений. Поэтому для различных уровней напряжений можно получить из

опытов различные предельные огибающие прочности (c

′

), используя

метод касательной (см.рис. 2.38) и метод секущей (рис. 2.39) к предельной

огибающей.

На рис. 2.38 показана типичная для элювиальных грунтов зависимость

деформация сдвига – касательное напряжение». Образец изотропно уплотнен

при небольшом уровне нормальных напряжений (точка А), а затем к нему

приложено сдвигающее усилие до достижения пика прочности (максимальное

касательное напряжение, точка В) и далее до падения прочности при больших

деформациях сдвига (точка С). Пиковая прочность соответствует малым

деформациям (менее 1–5 %), а критическая прочность (

′

) – большим

деформациям. Критическое состояние обычно наступает при деформации

10–30 %,

когда грунт начинает сдвигаться (разрушаться) при постоянном

объеме (не изменяется коэффициент пористости,

conste =

) и постоянном

эффективном нормальном напряжении. Критическая прочность также

называется предельной прочностью (Atkinson and Bransby, 1978) или полной

прочностью разупрочнения (Skempton, 1970). Критическая прочность отлиA

Глава 2

чается от остаточной прочности (Skempton, 1964): последняя меньше и имеет

место при очень больших деформациях на поверхности скольжения.

Остаточная прочность соответствует такому состоянию грунта, в котором на

поверхности скольжения (сдвига) частицы грунта уже ориентированы по

направлению сдвига и не оказывают сопротивления движению. Подобное

состояние наступает после перемещений порядка нескольких метров (Crabb

and Atkinson, 1991).

Рис. 2.38. Типичное поведение элювиальных грунтов в течение дренированного сдвига и

использование метода касательной при выборе огибающей предельного состояния

(Chin and Sew, 2001)

Как показано на рис. 2.38, предельная прямая 1, соответствующая

прочности при критическом состоянии, проходит через начало координат,

т.е. прочность характеризуется только критическим углом внутреннего трения

′

, а сцепление близко к нулю. Стандартная интерпретация результатов

испытаний на сдвиг основана на использовании пиковой прочности (

max

τ ), а

предельная прямая определяется аппроксимацией ряда значений

max

τ в

выбранном диапазоне нормальных напряжений (кривая 2 на рис. 2.38). В

этом случае прочность грунта характеризуется двумя параметрами (c

′

Следует заметить, что значение

′

отлично от

′

, а c

′

соответствует

касательному напряжению, полученному при пересечении пиковой

предельной прямой с осью

. Необходимо помнить, что снижение

нормальных напряжений приводит к уменьшению сил сцепления. На рис.

2.38

пиковая предельная прямая 3 по сравнению с критической предельной

прямой 1 получена в диапазоне более низких нормальных напряжений.

Поэтому мы имеем разные значения сил сцепления, причем cc

′

, а угол