Прочностные свойства грунтов

Прочность грунтов— это их способность сопротивляться разрушению.

При оценке прочности грунтов чаще всего используют теорию предельного состояния*, согласно которой определяют те или иные параметры критических (предельных) значений напряжений, которые может выдержать образец грунта без разрушения. Они соответствуют разным типам напряжен­ного состояния грунта, в котором может находиться грунт и которое может характеризоваться величинами главных напряжений σ₁σ₂ и σ₃ причем σ1 >σ ₂>σ3 В качестве таковых состояний чаще всего рассматриваются: одноосное сжатие (когда σ₁>0, σ₂ = σ₃ = 0), одноосное растяжение (σ₁,<0, σ₂ = σ₃ = 0), плоскостной сдвиг (σ₁, >0, τ>0) и трехосное сжатие (σ₁, /= σ₂/= σ₃> 0).

При одноосном сжатии прочность грунта оценивается величиной вре­менного сопротивления сжатию (R_сж), определяемого из соотноше­ния:

R= Р /S,

cж cж'

где Р_сж— предельная (минимальная разрушающая) нагрузка одноосного сжа­тия на образец, Н; S — площадь поперечного сечения образца, м². Величина Р_сжизмеряется в единицах напряжения, Па.

При сдвиге (одноплоскостном срезе) прочность грунта зависит от соотно­шения величин нормального сжимающего (σ) и касательного сдвигающего (т) напряжений, действующих на одной площадке: чем больше вертикальная сжимающая нагрузка на образец грунта, тем большее сдвигающее напряже­ние надо приложить к образцу для его среза.

τ = σtgφ+ с,

Таким образом, φ и с являются параметрами прочности грунта на сдвиг. Это важнейшие характеристики, используемые в инженерных расчетах проч­ности и устойчивости массивов грунтов.

С углом внутреннего трения ф в некоторых случаях отождествляют угол естественного откоса ср₀, определяемый у несвязных грунтов. Углом ес­тественного откоса называется угол наклона поверхности свободно насыпан­ного грунта к горизонтальной плоскости. Он формируется за счет сил трения частиц, уравновешивающих их гравитационную составляющую.

При трехосном сжатиипрочность грунта в общем зависит от соотношения главных нормальных напряжений σ₁ σ ₂ и σ ₃. Чаще всего испытания на трехос­ное сжатие проводят по такой схеме соотношения главных напряжений, ког­да σ₁>σ₂ = σ₃> 0. В этом случае зависимость τ = f (σ) строится с помощью кругов Мора¹⁰, радиус которых r = (σ1 — σ2)/2

Проведя испытания на трехосное сжатие грунта не менее чем при двух соотношениях σ₁и σ ₃ и построив с помощью кругов Мора предельную огиба­ющую к ним вида τ = f (σ), согласно теории прочности Кулона—Мора опре­деляют значения ф и с, которые в условиях трехосного сжатия и являются параметрами прочности грунта.

Более сложные виды напряженных состояний (при кручении, изгибе и др.) реже встречаются при инженерно-геологическом изучении прочности грунтов. Таким образом, в качестве основных технических параметров проч­ности грунтов в зависимости от вида испытаний и напряженного состояния грунта являются временное сопротивление сжатию (R_cx) и растяжению (R), угол внутреннего трения (ф) и сцепление (с). Выбор тех или иных параметров прочности при исследованиях определяется условиями работы грунта и его реальным напряженным состоянием.

Сопротивление одноосному сжатию скальных грунтов.У различных типов скальных грунтов прочность на одноосное сжатие меняется в широких преде­лах: наибольшая у магматических и метаморфических грунтов, а наименьшая у осадочных скальных грунтов и выветрелых разностей.

Структурно-текстурные особенности грунтов являются самым важным внут­ренним фактором, определяющим величину временного сопротивления сжа­тию. При испытаниях на одноосное сжатие наибольшие значения R_сж (при прочих одинаковых условиях) будут характерны для скальных грунтов с проч­ными фазовыми (цементационными и кристаллизационными) контактами, а наименьшие — для грунтов со смешанными или переходными (точечными) контактами. При этом характер диаграммы «нагрузка—деформация», а также тип деформирования будет различным для хрупких, хрупко-пластичных и пластичных грунтов

Относитепьнаядеформация, %

Рис. 14.48. Характер деформирования грунтов при одноосном сжатии (Грунтоведение, 1971):

а — внешний вид образца до (7) и после (2—4) сжатия; 2 — хрупкое разрушение; 3 — полухруп­кое разрушение; 4 — пластичное разрушение; б — диаграмма «давление — деформация»

Сопротивление разрыву скальных грунтов.При испытании скальных грун­тов на одноосное растяжение они упруго деформируются и имеют хрупкий тип разрушения. В образцах грунтов образуются характерные шероховатые плос­кости раскола (разрыва). На сопротивление разрыву скальных грунтов влияют те же факторы, которые определяют и их прочность на сжатие. Величина Rмаксимальна у магматических и метаморфических грунтов с прочными кристаллизационными связями, а минимальна — у осадочных скальных грунтов со слабыми цементационными структурными связями.

Структурно-текстурные особенности скальных грунтов в наибольшей мере влияют на сопротивление растяжению: у мелкокристаллических и мелкозер­нистых разностей более высокая прочность на растяжение, чем у крупнокри­сталлических. Величина R_pуменьшается с ростом пористости и трещиновато-сти скальных грунтов и снижением плотности. У грунтов с анизотропной тек­стурой величина R_pпри разрыве вдоль слоистости всегда выше, чем поперек слоистости, когда отрыв слоев друг от друга происходит намного легче.

Сопротивление одноосному ра­стяжению дисперсных грунтов.Спо­собностью сопротивляться растя­жению (или разрыву) среди дис­персных грунтов обладают лишь связные грунты — пылеватые и глинистые. Несвязные крупно- и мелкообломочные грунты, не об­ладающие структурным сцеплени­ем, имеют прочность на разрыв, близкую к нулю. Поэтому испы­таниям на растяжение в основном подвергают дисперсные связные грунты, которые при растяжении проявляют значительные пласти­ческие деформации. Их прочность на растяжение меняется в широ­ком диапазоне в зависимости от типа грунта и его состояния (кон­систенции). Наибольшая проч­ность на растяжение у пылевато-глинистых грунтов с прочными смешанными (кристаллизацион­ными и переходными) контакта­ми, а наименьшая — со слабыми коагуляционными контактами. При прочих одинаковых условиях Rбольше у высокодисперсных разностей, поэтому монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины имеют большую прочность на разрыв, чем каолини-товые.

Сопротивление сдвигу скальных грунтов. Косновным внутренним факто­рам, свойственным грунту и влияющим на его прочность при сдвиге, отно­сятся: комплекс структурно-текстурных особенностей (тип структурных свя­зей и их прочность, зернистость, однородность структуры, тип текстуры, пористость и трещиноватость, зависящие от выветрелости), а также наличие и состав поровой жидкости и ее количество.

Скальные грунты обладают высоким сцеплением, намного превышаю­щим сцепление связных дисперсных грунтов. Особенно велико сцепление у монолитных скальных грунтов (рис. 14.53) по сравнению с трещиноватыми и выветрелыми разностями. Величина сцепления скальных грунтов соизмерима с их прочностью на одноосное сжатие и у некоторых типов грунтов достигает сотен мегапаскалей. Как отмечалось выше, тип преобладающих структурных связей и их прочность, тип контакта между структурными элементами в пер­вую очередь влияют на прочность грунта при сдвиге. Соответственно при ис­пытаниях грунтов на сдвиг (по любой схеме) или трехосное сжатие величины угла внутреннего трения (ср) и сцепления (с) также будут зависеть от преоб­ладающего типа контактов: максимальные значения ср и с будут у скальных

Сопротивление сдвигу несвязных грунтов.Главной особенностью сопротив­ления сдвигу несвязных грунтов является отсутствие значимого сцепления Поэтому сопротивление сдвигу таких грунтов в полной мере характеризуется углом внутреннего трения (ф) или углом естественного отко­са (ф_о), 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, состояния и характера их поверхности. Окатанные частицы обусловливают снижение угла внутреннего трения ф грунтов за счет уменьшения при этом сил трения и зацепления частиц. Поэтому при одина­ковой дисперсности несвязный грунт, состоящий из окатанных частиц, име­ет меньший угол внутреннего трения, чем такой же грунт, состоящий из неокатанных частиц.

Сопротивление сдвигу связных грунтов.Особенностью сопротивления сдви­гу связных грунтов является наличие у них сцепления, величина которого намного меньше, чем в скальных грунтах, но играет все же ощутимую роль в обеспечении их прочности и меняется в широких пределах. Например, в илах сцепление может быть всего 0,001—0,0001 МПа, а в литифицированных гли­нах достигать 0,5—1,0 МПа и более.