Прочность грунтов – это их способность сопротивляться разрушению. В инженерно-геологических целях важно знать механическую прочность грунтов, т.е. способность сопротивляться разрушению под воздействием механических напряжений. Если деформационные характеристики определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т.е. до критических), то параметры прочности грунтов определяются при нагрузках, приводящих к разрушению грунта (т.е. предельных).
Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между частицами, т.е. зависит от прочности структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между частицами грунта, тем выше его прочность в целом. Установлено, что разрушение грунта происходит при сдвиге одной его части по другой под действием касательных напряжений от внешней нагрузки. Грунт оказывает при этом сопротивление сдвигающим усилиям: в несвязных грунтах это сопротивление внутреннего трения, а для связных грунтов, кроме того, сопротивление сил сцепления.
Параметры прочности чаще определяют в лабораторных условиях на одноплоскостных приборах прямого среза и стабилометрах. Схема прибора прямого среза изображена на рис. 2.13. Он представляет собой обойму из двух металлических колец, между которыми оставлен зазор (около 1 мм). Нижнее кольцо укреплено неподвижно, верхнее может смещаться горизонтально.
Испытания проводят на нескольких образцах, предварительно уплотненных разными вертикальными давлениями р . Величина нормального напряжения σ от нагрузки уплотнения составит , где A – площадь образца. Затем ступенями прикладываем горизонтальные нагрузки Т , под действием которых в зоне ожидаемого сдвига развиваются касательные напряжения . При некотором значении наступает предельное равновесие и происходит перемещение верхней части образца по нижней. За предельное сопротивление грунта сдвигу принимают касательные напряжения от той ступени загружения, при которой развитие деформаций сдвига не прекращается.
При сдвиге (одноплоскостном срезе) прочность грунта зависит от соотношения нормального сжимающего и касательного сдвигающего напряжений, действующих на одной площадке: чем больше вертикальная сжимающая нагрузка на образец грунта, тем большее сдвигающее напряжение надо приложить к образцу для его среза. Взаимосвязь предельных касательных и нормальных напряжений описывается линейным уравнением, представляющим собой уравнение предельного равновесия (закон Кулона)
Tgj + c , (2.22)
где – угол внутреннего трения, град; tg – коэффициент внутреннего трения; с – сцепление, МПа. Здесь равен углу наклона прямой в координатах , а величина сцепления с равна отрезку, отсекаемому на оси , т.е. при (рис. 2.14). Для сыпучих грунтов, не обладающих сцеплением (с = 0), закон Кулона упрощается:
Tgj . (2.23)
Таким образом, и с являются параметрами прочности грунта на сдвиг.
С углом внутреннего трения в некоторых случаях отождествляется угол естественного откоса , определяемый у несвязных грунтов. Углом естественного откоса называется угол наклона поверхности свободно насыпанного грунта к горизонтальной плоскости. Он формируется за счет сил трения частиц.
При трехосном сжатии прочность грунта зависит от соотношения главных нормальных напряжений и . Испытания производят на приборе стабилометре (рис. 2.15). Образец грунта цилиндрической формы заключают в водонепроницаемую резиновую оболочку и вначале подвергают его всестороннему гидравлическому давлению, а затем к образцу ступенями прикладывают вертикальное давление, доводя образец до разрушения. Напряжения и получают из опыта.
Испытания на трехосное сжатие проводят по такой схеме соотношения главных напряжений, когда > . В этом случае зависимость строится с помощью кругов Мора, радиус которых 
(рис. 2.16). Проводя испытания на трехосное сжатие грунта не менее двух образцов и построив с помощью кругов Мора предельную огибающую к ним вида , согласно теории прочности Кулона-Мора определяют значения и с
, которые в условиях трехосного сжатия являются параметрами прочности грунта.
Давление связности (суммарно заменяющее действие сил сцепления и трения) определяется по формуле
ctgj
Для главных напряжений условие Кулона-Мора имеет вид
. (2.24)
2.6.1. Факторы, влияющие на сопротивление грунтов сдвигу
Главной особенностью сопротивления сдвигу несвязных грунтов является отсутствие сцепления. Поэтому сопротивление сдвигу таких грунтов характеризуется углом внутреннего трения или углом естественного откоса , а основными факторами, определяющими прочность несвязных грунтов при сдвиге, будут те, которые влияют на трение между частицами грунта.
Величина сил трения между частицами несвязных грунтов прежде всего зависит от формы частиц и характера их поверхности. Окатанные частицы обусловливают снижение угла внутреннего трения грунтов за счет уменьшения сил трения и зацепления частиц. Угловатые частицы с неровной шероховатой поверхностью увеличивают угол внутреннего трения грунта как за счет зацепления, так и за счет повышения сил трения частиц.
На величину угла внутреннего трения в несвязных грунтах влияет и дисперсность. С увеличением дисперсности таких грунтов снижается за счет уменьшения сил зацепления частиц.
Среди других факторов, влияющих на сопротивление сдвигу несвязных грунтов, отметим плотность их сложения (пористость). В рыхлом сложении пористость больше и угол внутреннего трения будет меньше, чем в том же грунте плотного сложения. Наличие воды в несвязном грунте снижает трение между частицами и угол внутреннего трения. Особенностью сопротивления сдвигу связных грунтов является присутствие у них сцепления, величина которого меняется в широких пределах.
На сопротивление сдвигу связных грунтов оказывают влияние структурно-текстурные особенности (тип структурных связей, дисперсность, пористость), влажность грунтов. Связные грунты с кристаллизационными структурными связями обладают более высокими значениями с и , чем грунты с коагуляционными связями. Влияние текстуры проявляется в анизотропии прочности по разным координатам (в грунтах с ориентированной текстурой сдвиг вдоль направления ориентации частиц происходит более легко, чем поперек их ориентации).
С ростом влажности связных грунтов сцепление с и угол внутреннего трения закономерно снижаются за счет ослабления структурных связей и смазывающего действия воды на контактах частиц.
2.6.2. Нормативные и расчетные деформационные и прочностные характеристики грунтов
Грунты в основании фундаментов неоднородны. Поэтому определение какой-либо его характеристики по исследованию одного образца дает только частное значение. Для определения нормативных характеристик грунта проводят серию определения каждого показателя. Нормативные значения модуля деформации грунтов определяются как среднеарифметические величины от общего числа определений:
где n – число определений; – частное значение характеристики.
Нормативные значения прочностных характеристик – угла внутреннего трения и сцепления – определяются после построения графиков сопротивления грунта сдвигу. Результаты серии опытов на сдвиг аппроксимируют прямой с использованием для обработки экспериментальных данных метода наименьших квадратов. При этом число определений сопртивлений сдвигу при одном уровне нормальных напряжений должно быть не менее шести.
Нормативные значения прямой и находим по формулам
; (2.26)
tg 
, (2.27)
Баллов: 1/1
Расчет оснований по несущей способности в случае, если его нельзя выполнить аналитически, допускается производить графоаналитическими методами с использованием круглоцилиндрических или ломаных поверхностей скольжения, если:
Выберите один ответ.
Баллов: 1/1
Зависят ли контрольные значения коэффициента уплотнения грунта от общей толщины отсыпки?
Выберите один ответ.
Баллов: 0.9/1
Необходимо ли производить расчет по деформациям оснований сооружений от внешних нагрузок и собственного веса грунта при оценке предельных состояний первой группы?
Выберите один ответ.
| a. нет | ||
| b. да |
Баллов: 0.9/1
Как осуществляется переход от одной отметки к другой для смежных плитных фундаментов, расположенных на разных отметках?
Выберите один ответ.
Баллов: 1/1
Необходимо ли производить расчет по прочности материалов конструкции фундаментов при оценке предельных состояний первой группы?
Выберите один ответ.
| a. да | ||
| b. нет |
Баллов: 1/1
На какое сочетание нагрузок должен производиться расчет основания по несущей способности?
Выберите один ответ.
| a. на основное сочетание нагрузок | ||
| b. на основное и особое сочетание нагрузок | ||
| c. на особое сочетание нагрузок |
Выше была рассмотрена деформация грунта, не обладающего структурной прочностью, т. е. уплотняющегося под действием даже небольшого давления. Такое явление обычно свойственно очень слабым грунтам.
В большинстве случаев грунты природного сложения уплотнены давлением вышележащих слоёв. В результате уплотнения частицы грунта сблизились и между ними образовались водно-коллоидные связи. В процессе длительного существования грунтов при определённых условиях в них дополнительно могли возникнуть хрупкие кристаллизационные связи. Суммарно эти связи придают грунту некоторую прочность, которую называют структурной прочностью грунта p str .
При давлении меньшем структурной прочности (p
), когда оно воспринимается водно-коллоидными и кристаллизационными связями, уплотнение практически не развивается. Лишь при p>p str происходит уплотнение грунта. Установить точно значение структурной прочности затруднительно, так как частичное нарушение структуры грунтов происходит уже при отборе образцов, кроме того, при сжатии образца разрушение структуры происходит вначале в отдельных наиболее напряжённых точках контактов частиц даже при незначительных давлениях. По мере увеличения давления разрушение в точках контактов быстро возрастает, и процесс переходит в стадию уплотнения грунта во всём объёме образца (рис. 3.4.а.).
Рис. 3.4. Компрессионные кривые грунта, обладающего структурной прочностью, в простой (а) и полулогарифмической (б) системе координат.
Более чётко выявляется начало первичного сжатия грунта при использовании компрессионной кривой, построенной в полулогарифмических координатах (рис. 3.4.б). В этом случае компрессионной кривой первичного сжатия будет прямая СД . Продолжение этой прямой вверх до пересечения с горизонтальной (пунктирной) линией ЕС" , соответствующей значению начального коэффициента пористости е о , позволяет найти величину р о , которую можно рассматривать как значение структурной прочности.
Структурную прочность грунта можно также определить по результатам изменения бокового давления грунта при испытании его в приборе трёхосного сжатия (по Е.И. Медкову) или по моменту возникновения давления в поровой воде.
Уравнение компрессионной кривой с определённым приближением может быть представлено, как показал К. Терцаги, в виде логарифмической зависимости:
, (3.11)
При необходимо учитывать множество факторов. Особое внимание следует уделять составу и Некоторые ее виды способны при повышении влажности в напряженном под собственной массой или от внешней нагрузки проседать. Отсюда и название таких грунтов - "просадочные ". Рассмотрим далее их особенности.
Виды
К рассматриваемой категории относят :
- Лессовые грунты (суспеси и лессы).
- Глины и суглинки.
- Отдельные виды покровных суспесей и суглинков.
- Насыпные производственные отходы. К ним, в частности, относят золу, колосниковую пыль.
- Пылевато-глинистые грунты с высокой структурной прочностью.
Специфика
На начальном этапе организации строительства необходимо провести исследование почвенного состава участка для выявления вероятных деформаций. Их возникновение обуславливается особенностями процесса формирования почвы. Слои находятся в недостаточно уплотненном состоянии. В лессовом грунте такое состояние может сохраняться в течение всего времени его существования.
Повышение нагрузки и влажности вызывает, как правило, дополнительное уплотнение в нижних слоях. Однако поскольку деформация будет зависеть от силы внешнего воздействия, недостаточная уплотненность толщи относительно внешнего давления, превышающего напряжения от собственной ее массы, сохранится.
Возможность закрепления слабых грунтов определяется при лабораторных испытаниях по соотношению снижения прочности при увлажнении к показателю действующего давления.
Свойства
Кроме недоуплотненности, для просадочных грунтов характерны низкая естественная влажность, пылеватый состав, высокая структурная прочность.
Насыщение почвы водой в южных районах, как правило, составляет 0,04-0,12. В районах Сибири, средней полосы показатель находится в пределах 0,12-0,20. Степень влажности в первом случае - 0,1-0,3, во втором - 0,3-0,6.
Структурная прочность
Она обуславливается преимущественно цементационным сцеплением. Чем больше влаги поступает в землю, тем ниже прочность.
Результаты исследований показали, что тонкие водяные пленки обладают расклинивающим воздействием на пласты. Они выступают в качестве смазки, облегчают скольжение частиц просадочного грунта. Пленки обеспечивают более плотную укладку слоев под внешним воздействием.
Сцепление насыщенного влагой просадочного грунта определяется влиянием силы молекулярного притяжения. Эта величина зависит от степени плотности и состава земли.
Характеристика процесса
Просадка является сложным физико-химическим процессом. Проявляется она в виде уплотнения грунта вследствие перемещения и более плотной (компактной) укладки частиц и агрегатов. За счет этого снижается общая пористость слоев до состояния, соответствующего уровню действующего давления.
Повышение плотности приводит к некоторому изменению отдельных характеристик. Впоследствии под воздействием давления уплотнение продолжается, соответственно, продолжает повышаться и прочность.
Условия
Для возникновения просадки необходимы:
- Нагрузка от фундамента или собственной массы, которая при увлажнении будет преодолевать силы сцепления частиц.
- Достаточный уровень влажности. Он способствует снижению прочности.
Эти факторы должны воздействовать совместно.
Влажность определяет продолжительность деформации просадочных грунтов . Как правило, она происходит в течение относительно короткого времени. Это обусловлено нахождением земли преимущественно в маловлажном состоянии.
Деформация в водонасыщенном состоянии продолжается дольше, поскольку происходит фильтрация воды сквозь толщу почвы.
Методы определения плотности грунта
Относительную просадочность определяют по образцам ненарушенной структуры. Для этого используется компрессионный прибор - плотномер для грунта . При исследовании применяются следующие методы:
- Одной кривой с анализом одного образца и его замачиванием на конечной ступени действующей нагрузки. С помощью этого метода можно определить сжимаемость почвы при заданной или естественной влажности, а также относительную склонность к деформации при определенном давлении.
- Двух кривых с испытанием 2 образцов с равной степенью плотности. Один исследуется при природной влажности, второй - в насыщенном состоянии. Данный метод позволяет определить сжимаемость при полном и природном увлажнении, относительную склонность к деформации при изменении нагрузки от нулевой до конечной.
- Комбинированный. Этот метод является модифицированным сочетанием двух предыдущих. Испытание проводится на одном образце. Его сначала исследуют в естественном состоянии до показателя давления в 0,1 Мпа. Использование комбинированного метода позволяет проанализировать те же свойства, что и метод 2 кривых.
Важные моменты
В ходе испытаний в плотномерах для грунта при использовании любого из вышеуказанных вариантов необходимо учесть, что результаты исследований отличаются значительной вариативностью. В этой связи некоторые показатели даже при испытании одного образца могут отличаться в 1,5-3, а в ряде случаев и в 5 раз.
Такие существенные колебания связаны с небольшим размером проб, неоднородностью материала из-за карбонатных и прочих включений либо наличием больших пор. Значение для результатов имеют и неизбежные ошибки при исследовании.
Факторы влияния
В ходе многочисленных исследований установлено, что показатель склонности почвы к проседанию зависит преимущественно от:
- Давления.
- Степени плотности почвы при природном увлажнении.
- Состава просадочного грунта .
- Уровня повышения влажности.
Зависимость от нагрузки отражается на кривой, по которой при повышении показателя величина относительной склонности к изменениям сначала тоже достигает своего максимального значения. При последующем усилении давления она начинает приближаться к нулевой отметке.
Как правило, для давление составляет 0,2-0,5 Мпа, а для лессовидных глин - 0,4-0,6 Мпа.
Зависимость вызвана тем, что в процессе нагрузки просадочного грунта при природном насыщении на определенном уровне начинается разрушение структуры. При этом отмечается резкое сжатие без изменения водонасыщенности. Деформация по ходу усиления давления будет продолжаться, пока слой не достигнет предельно плотного своего состояния.
Зависимость от состава почвы
Она выражается в том, что при повышении числа пластичности склонности к деформации снижается. Проще говоря, большая степень изменчивости структуры характерна для суспесей, меньшая - для глины. Естественно, для выполнения этого правила прочие условия должны быть равными.
Начальное давление
При проектировании фундаментов зданий и сооружений осуществляется расчет нагрузки конструкций на грунт. При этом определяется начальное (минимальное) давление, при котором начинается деформация при полном насыщении водой. Оно нарушает естественную структурную прочность почвы. Это приводит к тому, что процесс нормального уплотнения нарушается. Эти изменения, в свою очередь, сопровождаются перестройкой структуры и интенсивным уплотнением.
Учитывая вышесказанное, представляется, что на этапе проектирования при организации строительства величину начального давления следует принимать близкой к нулю. Однако на практике это не так. Указанный параметр следует использовать такой, при котором толща считается по общим правилам непросадочной.
Назначение показателя
Начальное давление используется при разработке проектов фундаментов на просадочных грунтах для определения:
- Расчетной нагрузки, при которой изменений не будет.
- Размера зоны, в границах которой будет происходить уплотнение от массы фундамента.
- Требуемой глубины деформации почвы или толщины почвенной подушки, полностью исключающих деформации.
- Глубины, от которой начинаются изменения от массы грунта.
Начальная влажность
Ею называют показатель, при котором грунты в напряженном состоянии начинают проседать. За нормальное значение при определении начальной влажности принимается составляющая 0,01.
Метод определения параметра базируется на компрессионных лабораторных испытаниях. Для исследования необходимо 4-6 образцов. Используется метод двух кривых.
Один образец испытывают при естественной влажности с загрузкой до максимального давления отдельными ступенями. При нем грунт замачивается до стабилизации просадки.
Второй образец сначала насыщают водой, а затем при непрерывном замачивании загружают до предельного давления теми же ступенями.
Увлажнение остальных образцов осуществляется до показателей, которые разделяют предел влажности от начального до полного водонасыщения на относительно равные промежутки. Затем их исследуют в компрессионных приборах.
Повышение достигается за счет заливки в образцы расчетного объема воды с дальнейшим выдерживанием на протяжении 1-3 суток до стабилизации уровня насыщения.
Деформационные характеристики
В качестве них выступают коэффициенты сжимаемости и ее изменчивости, модуль деформации, относительное сжатие.
Модуль деформации используют для расчета вероятных показателей осадок фундамента и их неравномерности. Как правило, его определяют в полевых условиях. Для этого образцы почвы испытывают статическими нагрузками. На значение модуля деформации влияют влажность, уровень плотности, структурная связность и прочность грунта.
При повышении массы почвы этот показатель повышается, при большем насыщении водой снижается.
Коэффициент изменчивости сжимаемости
Он определяется как отношение способности к сжатию при установившейся или естественной влажности и характеристик грунта в водонасыщенном состоянии.
Сопоставление коэффициентов, полученных при полевых и лабораторных исследованиях, показывает, что различие между ними несущественное. Оно находится в пределах 0,65-2 раза. Следовательно, для применения на практике достаточно определить показатели в лабораторных условиях.
Коэффициент изменчивости зависит преимущественно от давления, влажности, уровня ее повышения. При повышении давления показатель увеличивается, при увеличении естественной влажности - снижается. При полном насыщении водой коэффициент приближается к 1.
Прочностные характеристики
Ими являются угол внутреннего трения и удельное сцепление. Они зависят от структурной прочности, уровня насыщенности водой и (в меньшей степени) от плотности. При повышении влажности сцепление уменьшается в 2-10 раз, а угол - в 1,05-1,2. При увеличении структурной прочности сцепление усиливается.
Типы просадочных грунтов
Всего их существует 2:
- Просадка происходит преимущественно в пределах деформируемой зоны основания под действием нагрузки фундамента или иного внешнего фактора. При этом деформация от своего веса почти отсутствует или составляет не более 5 см.
- Возможна просадка почвы от своей массы. Она происходит преимущественно в нижнем слое толщи и превышает 5 см. Под действием внешней нагрузки может возникнуть просадка и в верхней части в границах деформируемой зоны.
Тип просадки используется при оценке условий строительства, разработке противопросадочных мероприятий, проектировании оснований, фундамента, самого здания.
Дополнительная информация
Просадка может возникнуть на любом этапе возведения или эксплуатации сооружения. Проявиться она может после повышения начальной просадочной влажности.
При аварийном замачивании грунт проседает в границах деформируемой зоны достаточно быстро - в пределах 1-5 см/сут. После прекращения поступления влаги спустя несколько суток просадка стабилизируется.
Если первичное замачивание имело место в границах части зоны деформации, при каждом последующем водонасыщении будет происходить просадка до полного увлажнения всей зоны. Соответственно, она будет увеличиваться при повышении нагрузки на почву.
При интенсивном и непрерывном замачивании просадка грунта зависит от продвижения вниз слоя увлажнения и формирования водонасыщенной зоны. В таком случае просадка начнется, как только фронт увлажнения достигнет глубины, на которой грунт проседает от собственного веса.
Величина структурной прочности грунтов является весьма важной характеристикой грунтов. Величину ее можно определить по компрессионной кривой ненарушенной структуры, испытывая грунты (до достижения структурной прочности) весьма малыми ступенями нагрузки (примерно 0.002-0.010 МПа), тогда резкий перелом компрессионной кривой и будет соответствовать структурной прочности сжатия грунта. Значение давления, соответствующее точке пересечения кривой с осью давления равно значению структурной прочности на сжатие .
Рисунок
а) относ-е сжатие водонасыщенного грунта в зависимости от давления р, б) относ-е сжатие глинистого грунта при частичном разуплотнении в зависимости от давления.
Закон уплотнения грунта: изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления.
13. Компрессионная зависимость при объёмном сжатии
Изменения коэффициента пористости е грунта при компрессионном сжатии в общем случае будут зависеть не только от величины вертикальных нормальных напряжений Но и от горизонтальных и
Определим суму главных напряжений в случае сжатия слоя грунта без возможности его бокового расширения, выделив элементарный паралепипед, который в условиях данной задачи будет испытывать лишь нормальнее (главные) напряжения
Так как горизонтальные деформации (расширение грунта в стороны) невозможны, то горизонтальные относительные деформации будут равны нулю т.е. , откуда вытекает, что . Кроме того, из условия равновесия имеем
Известно, что относительная деформация упругого тела в соответствии с законом Гука находится из выражения 
Где -модуль упругости материала, -коэффициент бокового расширения грунта (коэф. Пуассона). Подставив в это выражение , , , получим
Где -коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя, т.е. при отсутствии горизонтальных перемещений