Закон трения. Прочность и характеристики прочности грунта. Их определение.

Прочность грунтов

В настоящее время наиболее оправданной для грунтовых материалов является концепция, по которой разрушение грунта происходит по определенным площадкам скольжения. Эта концепция в развернутом виде состоит из 3-х положений:

Разрушение происходит по площадкам скольжения, определяемым в пространстве главных напряжений σ₁>σ₂>σ₃ нормалью ν с направляющими косинусами {l,m,n};

Положение площадки определяется некоторыми дополнительными условиями;

На площадке с нормалью ν разрушение происходит по закону сухого трения Кулона, т.е. |τν|= сν - tgφ*σν;

Основные критерии прочности

Критерий прочности Кулона-мора (для решения плоских задач);

Критерий прочности Хилла-Треска (для решения плоских задач);

Критерий прочности Мизеса-Шлейхера-Боткина (для решения пространственных задач)

Сопротивление грунтов сдвигу (Определяется в лаборатории опытным путем с использованием сдвигового прибора, для грунтов ненарушенной структуры.) Сдвиговой прибор представляет собой толстостенный цилиндр, состоящий из 2 частей, одна из которых неподвижна, а другая может смещаться на величину S от действия сдвигающей нагрузки Т. В прибор помещается образец грунта и нагружается давлением Р₁, затем прикладываем ступенями сдвигающую нагрузку (Т), происходит сдвиг (разрушение образца) при τ₁.Берём второй образец с Р₂ и получаем τ₂.

Результаты испытаний на сдвиговом приборе могут быть представлены следующей схемой:

Здесь:

φ – угол внутреннего трения грунта;

Р_е – давление связности;

С – сцепление глинистого грунта (начальный параметр прямой).

На представленном рисунке приведены результаты испытаний (доведение до разрушений) 3 образцов грунта, обжатого давлениями Р₁< Р₂< Р₃(левый график представленной схемы). В результате в момент разрушения образца грунта получаем максимальные значения касательных напряжений сдвига τ_max1,τ_max2,τ_max3,значения которых откладываем на графике τ_max=τ_max(Р) (средний и правый графики представленной схемы). Различие в очертании графиков на данных схемах обусловлено свойствами песка и глины (обладающей способностью сцепления).

Таким образом, математическая формулировка III закона механики грунтов, или сопротивления грунта сдвигу (закон Кулона), может быть представлена зависимостью τ = С + f(Р) или сформулирована в следующим определением:

Сопротивление грунта сдвигу есть функция первой степени от нормального давления (при консолидированном состоянии грунта).

Представленные зависимости отражают работу грунта при консолидировано-дренированных испытаниях, что чаще всего отвечает работе возводимых сооружений.

Однако в ряде случаев, необходимо получать характеристики грунтов при неконсолидированном-недренированном состоянии – быстрый сдвиг (устойчивость стен котлованов, насыпей и т.д.), что имеет первостепенное значение для глинистых водонасыщенных грунтов.

На приведенной ниже схеме показано, что сопротивление быстрому сдвигу связных водонасыщенных грунтов зависит в основном только от влажности W . Такие грунты будут обладать лишь параметром сцепления (С) при практическом значении угла внутреннего трения равного нулю φ≈0.

В современных условиях развития механики грунтов, для определения сопротивления грунта сдвигу существует довольно много приборов и способов:

-Односрезные сдвиговые приборы.

-2-срезные сдвиговые приборы.

-Приборы 3-осного сжатия (стабилометры).

-Зондирование.

-Искусственное обрушение откосов.

-Лопастные испытания (крыльчатка).

-Метод шарикового штампа.

Каковы пределы изменения φ?

Для сыпучих грунтов (песков)	Для глинистых грунтов; φи= f(W)
Мелкие пески	Крупные пески	Текучее состояние	Твёрдое состояние
φ от 24°	φ до 40°	φ = 0	φ до 45°

φ – основная прочностная характеристика грунта.

Таким образом, качество проводимых испытаний грунтов и точность определения величин φ имеют решающие значение при расчете сооружений по устойчивости, прочности.

Закон Кулона для несвязного грунта имеет следующий вид Предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению

где: φ – угол внутреннего трения грунта. Угол внутреннего трения следует рассматривать как параметр линейного графика среза образца песчаного грунта, который проведен через начало координат.

Однако в ряде случаев диаграмма может иметь начальный участок c₀, называемый зацеплением. Обычно величина этого зацепления очень невелика.