Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Прочность и деформируемость грунтов

внутреннего трения

′

. Отсюда следует, что использование в расчетах

параметров

′

, полученных при небольших нормальных напряжениях,

может привести к завышению прочности грунта. С другой стороны, если

применяются параметры, полученные при критической прочности, то прочA

ность грунта может быть недооценена.

В связи с имеющимися различиями в прочности, испытания в лабоA

ратории необходимо проводить при том уровне нормальных напряжений,

который имеет место в основании сооружений или массиве естественного

грунта.

Рис. 2.39. Применение метода секущих при выборе огибающей предельного состояния

(Chin and Sew, 2001)

На практике часто применяют другой метод определения параметров

прочности, называемый методом секущей (рис. 2.39). В этом методе

сцепление

получается равным нулю, так как секущая проводится через

начало координат и точку выбранного значения эффективного нормального

напряжения. Метод секущей дает более консервативное значение пиковой

прочности по сравнению с методом касательной при низком уровне

нормальных напряжений и такой же результат при высоком уровне норA

мальных напряжений. Поэтому, если значение действующего нормального

напряжения в основании неизвестно, при оценке прочности грунтов следует

использовать метод секущей вместо метода касательной.

Глава 2

2.8. Анизотропия прочности грунтов

Прочность и деформационные свойства большинства грунтов, в осоA

бенности песчаных, не изотропны, а различны в вертикальном и горизонA

тальном направлениях. Говорят, что грунты обладают анизотропными свойA

ствами. Наиболее ярким примером подобных грунтов являются ленточные

глины, сложенные прослоями песка и глины.

Различают физическую и механическую анизотропию. Физическая аниA

зотропия обусловлена условиями образования грунтов, а механическая возA

никает при их нагружении и зависит, в частности, от ориентации главных

напряжений при сдвиге. Обнаружено, что анизотропия, наведенная изменеA

нием напряженного состояния, накладывается на физическую анизотропию,

при этом она зависит не только от изменений в ориентации направления

главных напряжений, но и от их величины.

Казагранде (Casagrande, 1944), по всей видимости, первым ввел понятие о

физической анизотропии, которую он объяснял как следствие процесса

отложения и особенностей формы частиц грунтовой массы. Физическая

анизотропия присутствует в грунтах и полностью зависит от приложенных

напряжений и деформаций. С другой стороны, резко выраженная ориентация

частиц в отложениях способствует направленной ориентации частиц при

сдвиге. Напряжения и деформации наводят анизотропию, которая непоA

средственно связана с переориентацией частиц, в частности, имеющей место

при вращении главных напряжений (Jardine et al., 1986). В большинстве

случаев грунты в основаниях сооружений имеют некую историю, соотA

ветствующую условиям геологического образования или иным процессам, в

связи с чем в них присутствует как физическая, так и наведенная анизоA

тропия. В результате мы имеем «начальную анизотропию», которая является

важной особенностью многих природных грунтов (Klotz еt al., 2002). Это было

также обнаружено при испытании изначально изотропных образцов

песчаного грунта (Symes еt al., 1984) и в ряде других исследований.

Вращение направления главных напряжений в течение сдвига – особенA

ность, обусловленная траекториями напряжений и имеющая место в

основании многих зданий и сооружений. Прочность грунта и, в меньшей

степени, его деформируемость зависят от изменения напряженного состоA

яния в процессе нагружения грунтового основания. Надежная оценка

влияния вращения главных напряжений на поведение грунта может быть

получена только в том случае, если учтена физическая анизотропия.

При нагружении образца грунта с анизотропными свойствами величина и

направление приращения главных деформаций в образце зависят от

направления как текущего главного напряжения, так и приращения главного

напряжения. Выполнить опыты с непрерывным изменением направления

(

вращением) главных напряжений можно только в приборах, в которых

Прочность и деформируемость грунтов

одновременно с вертикальной нагрузкой прикладывается крутящий момент

на одном из торцов полого образца грунта (глава 9).

Опыты, проведенные F. Tatsuoka (1988), с полыми цилиндрическими

образцами показали, что механические свойства песка зависят от направA

ления плоскости его отложения

и угла наклона ω наибольшего главноA

го напряжения

σ к оси симметрии образца грунта (рис. 2.40 а).

(а) (б)

(

в)

Рис. 2.40. Напряженное состояние, обусловленное различными условиями нагружения

(b и ω) и природой песка ξ (Tatsuoka, 1988)

Глава 2

Здесь

– угол между плоскостью отложения частиц песка и плоскостью

′′

σ=σ

. Значение

изменяется от 0 до 1. На рис. 2.40, б,в сплошные линии со

стрелочками на обоих концах представляют ряд возможных напряженных

состояний в каждом методе испытаний. В испытаниях использовались полые

цилиндрические образцы, обозначенные как ТТ, TSI и TSD. Распределению

напряжений поперек сечения толщины стенки образца присуща неодноA

родность. В TSI неоднородность напряжений поперек толщины может быть

уменьшена, если принять стенку как можно более тонкой. Однако в TT и TSD

степень неоднородности напряжений поперек толщины стенки образца

получается очень большой, особенно когда давления, приложенные внутри и

вне цилиндра, существенно различны. В этом случае только средние значения

напряжений поперек толщины образца могут быть определены достоверно.

Рекомендуется проводить испытания полых образцов при равном давлении

вне и внутри цилиндра, когда неоднородность напряжений небольшая.

Опыты, выполненные F. Tatsuoka (1988), Hight et al. (1983), Wong and

Arthur (1985),

показали, что при определении значения угла внутреннего

трения песчаных грунтов в момент разрушения одновременно с параметрами

,,b

ω следует учитывать влияние истории нагружения.

Результаты (рис. 2.41) опытов, проведенных при дренированном нагруA

жении с контролем деформации (непрерывное нагружение) по траектории

трехосного расширения (TE) и в условиях плоской деформации (PSC), указыA

вают на зависимость угла внутреннего трения от параметров

, ξ и b.

Рис. 2.41. Зависимость угла внутреннего трения плотного песка

от параметров

,,b

(Tatsuoka, 1988)

Прочность и деформируемость грунтов

Вращение главных напряжений непрерывно можно выполнить, используя

прибор простого сдвига, в котором одновременно с нормальными напряA

жениями на образец грунта прикладываются касательные напряжения.

Изменяя соотношение между ними, можно провести испытания при

различных углах наклона наибольшего главного напряжения ω (рис. 2.42). На

рис. 2.42 представлены результаты, полученные в лаборатории университета

Кэмбриджа M.A. Stroud (1971).

Из рис. 2.42 видно, что угол ω изменяется очень медленно в начале

нагружения, остается практически неизменным в интервале 50–55 град, когда

деформация сдвига γ приближается к 10 %.

(а) (б)

Рис. 2.42. Вращение

′

в течение дренированного монотонного кинематического

нагружения (Stroud, 1971)

В работе (Symes, 1984) приведены результаты недренированных исA

пытаний песка с исследованием влияния вращения главных напряжений на

его прочность. Некоторые результаты испытаний с полыми цилиндриA

ческими образцами в условиях трехосного сжатия приведены на рис. 2.43,а, б

для угла отклонения наибольшего главного напряжения

σ от вертикали ω =

0; 24,5; 45°.

Как видно из рис. 2.43,б, прочность песка зависит от направления

наибольшего главного напряжения, причем, чем больше угол отклонения,

тем меньше прочность. Из рис. 2.43,а видно также, что в образцах,

Глава 2

нагруженных наибольшим главным напряжением вертикально, поровое

давление меньше, чем в других случаях (ω = 24,5 и 45°).

Другой особенностью грунтов, в частности плотных песчаных грунтов,

является то, что при больших деформациях в них возникает дилатансия,

которая приводит к их разрушению, и как следствие, деградации прочности,

которая сопровождается разупрочнением грунта. В результате уменьшаются

угол внутреннего трения и сцепление в процессе деформирования грунтов.

(а)

(б)

Рис. 2.43. Эффективные траектории

напряжений (а), зависимость осевой

деформации от девиатора напряжений

(б) и направление действия наиA

большего главного напряжения (в)

(Symes еt al., 1984)

(в)

Прочность и деформируемость грунтов

В работе (Klotz еt al., 2002) приведены результаты испытаний песка и

анизотропной глины на сдвиг кручением, выполненных в конструкции приA

бора, приведенного на рис. 2.44. Образец грунта диаметром 94,5 мм и высотой

мм первоначально нагружался в условиях компрессионного сжатия, а

затем подвергался сдвигу крутящей нагрузкой. Нижняя плита прибора враA

щалась относительно неподвижной верхней плиты, как показано на рис.

2.44,

а; поэтому касательное напряжение τ и вертикальное напряжение σ

измерялись только на кольцевой площади образца грунта. Использование

измерительного кольца, расположенного на некотором расстоянии от стенки

одометра, позволило снизить влияние сил трения на измеряемое касательное

напряжение. Дополнительно силы трения снижены нанесением на стенки

кольца одометра тефлонового покрытия. Полагалось, что образец грунта деA

формируется в условиях простого сдвига. Деформация сдвига

может быть

любой, в опытах она достигала 100 %. Прибор имеет то преимущество, что

испытания на компрессию и сдвиг могут быть выполнены с одним образцом

грунта.

(а) (б)

Рис. 2.44. Схема испытаний на кручение (Klotz еt al., 2002):

а – конструкция одометра; б – распределение напряжений и деформации сдвига;

1 – датчик вертикальной нагрузки; 2 – датчик крутящей нагрузки; 3 – режущее кольцо; 4 –

измерительное кольцо; 5 – образец грунта; 6 – вертикальная нагрузка; 7 – крутящая

нагрузка; 8 – пористые диски

Испытания в этом приборе были проведены с образцами песка и глиA

нистого грунта ненарушенной структуры.

Все образцы водонасыщались до 98 % и уплотнялись эффективным

вертикальным напряжением 50, 100 и 200 кПа. После консолидации образцы

подвергались сдвигу при постоянной осевой нагрузке. Испытания на сдвиг

проводились с постоянной скоростью деформации (0,009 %/мин), что гаранA

Глава 2

тировало дренированное поведение образцов грунта. Образцы глины вырезаA

лись из массива различным образом относительно плоскости отложения – гоA

ризонтально и вертикально.

(а)

Результаты испытаний показаны на рис. 2.46, 2.47, где видно, что образцы

с горизонтальным расположением слоев отложений показывают резко

выраженную пиковую прочность в отличие от образцов с вертикальной

плоскостью отложения. Для образцов с горизонтальной плоскостью отложеA

ния пиковое значение прочности дает эффективное сцепление

max

′

= 12 кПа

и эффективный угол внутреннего трения

max

′

= 31°. Остаточная прочность

достигалась при деформации 30 %. При этом сцепление уменьшалось до

max

′

= 2 кПа, а угол внутреннего трения оставался тем же (

max

′

= 31°). Угол

дилатансии определялся из соотношения

=ε

и изменялся при сдвиге.

Вначале, до завершения процесса контракции и начала дилатансии, он имел

отрицательную величину. Максимальное значение угла дилатансии равно 8°.

Образцы с вертикальной плоскостью отложения практически не покаA

зывают различий в пиковой прочности. Пиковые сцепление

max

′

= 4 кПа и

угол внутреннего трения

max

′

= 30°. При остаточной прочности сцепление

уменьшается с 4 до 2 кПа, а угол внутреннего трения – до 30

. В опытах данA

ной серии дилатансия отсутствует, наблюдается уплотнение (контракция)

при сдвиге.

Рис. 2.45. Внешний вид

торзионального одометра (а) и

образец грунта на нижней плите в

режущем кольце перед установкой в

прибор (Klotz еt al., 2002)

(б)

Прочность и деформируемость грунтов

(а) (б)

Рис. 2.46. Зависимость деформации сдвига от отношения касательных напряжений к

нормальным напряжениям, полученная из испытаний на кручение с горизонтальной (а) и

вертикальной (б) ориентацией отложения слоев (Klotz еt al., 2002)

(а) (б)

Рис. 2.47. Объемная деформация при сдвиге (Klotz еt al., 2002):

а – горизонтальная; б – вертикальная ориентация слоев отложения

Результаты испытаний с нагружением деформации сдвига кручением

сравнивались с результатами трехосных испытаний при тех же условиях.

Данные совпадают полностью как качественно, так и количественно. Эти

Глава 2

испытания показывают, что прочность и деформируемость зависят от

анизотропии грунта. Эта анизотропия вначале обусловлена процессом отлоA

жения и различием в структуре. Далее возникает дополнительная анизотроA

пия, зависящая от той или иной траектории напряжений, вращения главных

осей и уровня деформации, что приводит к изменению прочности.

На рис. 2.48 приведены зависимости, построенные по данным опытов,

которые были проведены с песком различными авторами – Tatsuoka et al.

(1986), Pradhan et al. (1988), Horii et al. (1987) –

при различных условиях

формирования образцов песка. Ранее Lam and Tatsuoka (1988) было высказано и

экспериментально подтверждено положение, согласно которому прочность

песка зависит от ориентации плоскости отложения его частиц, т.е. прочность

песка является анизотропной. Анизотропные свойства песка обусловлены

условиями его формирования. Для учета этого явления авторы использовали

угол

, который характеризует положение плоскости отложения частиц песка

относительно направления действия главного напряжения σ

Рис. 2.48. Сравнение различных углов трения Toyoura песка в воздушноAсухом состоянии.

Теоретические величины ϕ

tss

∗

получены из измеренных величин ϕ

psc

или ϕ

tss

и ψ при

(σ

/σ

)

max

; условные обозначения приведены в табл. 2.3 (Lam, 1988)