Прочностные свойства грунтов и определение их показателей

Прочностью грунтов называется их способность сопротивляться разрушению. В общем случае разрушение грунта может быть вызвано силами разной природы (механическими, термическими, электрическими и др.), поэтому выделяют соответствующие типы прочности грунтов по природе разрушающих воздействий. В инженерно-геологических целях в первую очередь важно знать механическую прочность грунтов, т. е. их способность сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Если деформационные характеристики грунтов определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т. е. докритических), то параметры прочности грунтов соответствуют критическим разрушающим напряжениям и определяются при предельных нагрузках, вызывающих либо разделение тела на части (для упругих грунтов), либо необратимое изменение формы тела в результате деформации пластического течения (для пластичных грунтов).

Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между их структурными элементами — кристаллами, зернами, обломками, агрегатами, частицами, т. е. зависит от типа и особенностей структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между структурными элементами грунта, тем выше его прочность в целом. Поэтому скальные грунты, среди которых преобладают прочные химические (кристаллизационные и цементационные) структурные связи, имеют большую прочность, чем дисперсные грунты со слабыми физическими и физико-химическими структурными связями.

Поскольку на испытываемый образец грунта могут действовать разные напряжения (нормальные, касательные, объемные или их совокупности), то в качестве меры его прочности могут быть выбраны разные виды критических напряжений или их соотношения, именно такие меры являются параметрами прочности.

К настоящему времени известно более двух десятков условий прочности, разработанных для описания поведения глинистых и песчаных грунтов. Согласно классификации, предложенной W.-F. Chen, все напряженные состояния грунтов можно подразделить на однои двупараметрические модели. К однопараметрическим моделям относятся условия прочности Треска, Мизеса, Lade, Duncan. К двупараметрическим моделям относятся условия, предложенные Мором-Кулоном, Drucker-Prager, Р. Lade, М. В. Малышевым и др. После публикации W.-F. Chen прошло много лет (1984 г.), и за это время были предложены условия прочности или модели грунта, которые можно назвать многопараметрическими. В наиболее сложные из них входят до 6 независимых параметров, определяемых из очень сложных и дорогостоящих опытов. Несмотря на многообразие условий прочности, на практике применяются лишь несколько из них. Это в первую очередь условие прочности Мора-Кулона, Кэп-модели и многоповерхностные модели (Prevost, 1977, 1985; Dafalias, 1985). Последние две фуппы моделей грунта более сложные и не позволяют получать решения в аналитическом виде, поэтому они используются в нелинейной механике и численном решении задач [5].

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. Пределами прочности называются такие пределы, при превышении которых происходит разрушение грунта и он не воспринимает прикладываемых к нему усилий. Критические значения параметров соответствуют разным типам напряженного состояния грунта, в которых он может находиться и которые могут харакгеризоваться величинами главных напряжений ?1, ?2 и ?3, причем ?1, ?2 и ?3 в качестве таковых состояний чаще всего рассматриваются (рис. 8.27):

• • плоскостной сдвиг (?1> 0, г > 0, рис. 8.27, а);
• • одноосное растяжение ?1< 0, ?2= ?3 = 0, рис. 8.27, б);
• • одноосное сжатие (когда ?1 > 0, ?2 = ?3 = 0, рис. 8.27, в)
• • трехосное сжатие (?2 = ?3? ?1> 0, рис. 8.27 (г, д, е).

Рис. 8.27. Схемы опытов: па сдвиг (а): на одноосное растяжение (б); на одноосное сжатие (в): на трехостное сжатие: на определение недренированной прочности грунтов (г): дренированной прочности песчаных (д) и глинистых (е) грунтов [5].

Прочностные характеристики дисперсных грунтов (угол внутреннего трения <�р и удельное сцепление с) могут быть получены путем испытания грунтов лабораторными методами: на срез или трехосное сжатие, растяжение, но углу естественного откоса, вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью, а в полевых условиях — испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах. Параметры прочностных свойств и лабораторные методы их определения, регламентируемые действующими нормативными документами, приведены в табл. 8.30.

Для водонасыщенных глинистых грунтов с показателем текучести //,>0,5, органоминеральных и органических грунтов, для которых подготовка целиков для полевых испытаний или отбор образцов для лабораторных испытаний затруднительны, прочностные характеристики (с") для расчета оснований из этих грунтов в нестабилизированном состоянии могут быть определены полевым методом вращательного среза в скважинах или массиве.

Значения (рис песков и глинистых грунтов для сооружений II и III уровней ответственности могут быть определены полевыми методами поступательного и кольцевого среза в скважинах. При этом для сооружений 11 уровня ответственности полученные значения <�р и с должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта лабораторными методами на срез или трехосное сжатие, а в полевых условиях — испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах.

Значения (р и с песков и глинистых грунтов могут быть определены методом статического зондирования. а песков (кроме пылеватых водонасыщенных) — методом динамического зондирования. Для сооружений I и II уровней ответственности полученные зондированием значения (рис должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта лабораторными методами на срез или трехосное сжатие, а в полевых условиях — испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах. В остальных случаях допускается определять значения (рис только по данным зондирования [ 114).

Испытания вращательным срезом крыльчаткой следует проводить для оценки максимальных значений сопротивления сдвигу с_и органо-минеральных и органических грунтов и глинистых грунтов мягкопластичной, текучей консистенции в недренированных условиях. Методику испытаний и интерпретацию полученных результатов следует выполнять в соответствии с ГОСТ 20 276–99 (или ASTM D2573, NEN 5106 при выполнении изысканий совместно с иностранными инвесторами или по их техническому заданию).

Определение прочностных характеристик грунтов в лабораторных условиях следует производить методом трехосного сжатия (ГОСТ 12 248), а их результаты использовать для корректировки данных испытаний одноплоскостного среза [109]. Другие виды напряженных состояний могут быть реализованы в приборах прямого и кольцевого сдвига (рис. 8.28, я), в установках с перекашиванием образца (рис. 8.28, б), при помощи лабораторных сдвигомеров-крыльчаток (рис. 8.28, в) и при испытаниях сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (рис. 8.28, г, д). Образцы грунта могут иметь форму: куба, параллелепипеда, сплошного или полого цилиндра, сплошной или полой катушки.

Таблица 8.30.

Методы определения прочностных характеристик немерзлых грунтов

Окончание табл. 8.30

Рис. 8.28. Схемы и фотографии приборов:

а — кольцевого сдвига: б — прямого сдвига с перекашиванием образца; в — лабораторный вариант крыльчатки и полевой тестер-крыльчатка; г, д — схемы испытаний сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (81. 92]

Приборы кольцевого сдвига применяются для определения прочности грунтов как при малых, так и при больших сдвиговых деформациях (в сотни процентов). У большинства грунтов наблюдается уменьшение прочности с ростом деформации сдвига после достижения пикового состояния. Этот процесс можно зафиксировать в приборе кольцевого сдвига, а также с помощью прибора прямого среза при кинематическом нагружении образца. В приборе кольцевого сдвига (рис. 8.29), кроме значений максимального и предельного угла внутреннего трения, замеряется параметр остаточной прочности (р_г, применяемый при расчетах устойчивости склонов, откосов котлованов, подпорных стен и при моделировании оползневых процессов или движения грунтов в зоне сброса по уже сформировавшейся плоскости скольжения. Главное преимущество испытаний на кольцевой сдвиг заключается в деформации сдвига с постоянной площадью образца в течение всего опыта, а также возможность выполнять испытания грунтов при деформации сдвига более 10…30%, чего не позволяют приборы прямого среза или простого сдвига. Кроме того, в условиях кольцевого среза не меняется ориентация частиц в послепиковом состоянии, что характеризуется почти нулевым сцеплением и минимальным трением.

При испытаниях в приборе кольцевого сдвига грунт находится в двух кольцах (верхнее или нижнее), одно из которых вращается, а другое (верхнее или нижнее) лежит неподвижно. Опыт проводится при постоянном нормальном давлении, которое определяется по зависимости:

где Р — нагрузка от веса грузов, штампа и штанги; г ₀ и г, — соответственно внутренний и наружный радиусы кольцевого штампа.

Касательное напряжение рассчитывается по величине крутящего момента М

Рис. 8.29. Срезные приборы, определяющие прямые и остаточные напряжения: а — схемы опыта с кольцевыми приборами; о — схема кольцевого прибора; в — фотография прибора кольцевого сдвига (производитель Wykeham Farrance).

Метод кольцевого сдвига дает возможность воссоздавать в лаборатории условия, аналогичные естественным, и получать очень точные значения остаточного сопротивления, которые зависят не только от величины нормального давления в плоскости сдвига, но и от скорости сдвига. Обычно при смещении склонов наблюдается скорость движения грунтовых масс от 5 см/год до 50 см/сут.

Устройства простого сдвига с перекашиванием образца (рис. 8.28, б) позволяют моделировать различные условия действия сдвигающих нагрузок. Результаты применяются при расчете устойчивости подводных склонов континентальных шельфов, характеризуемых слоистым залеганием глинистых грунтов; при прогнозе поведения грунтов под фундаментом морских платформ или рядом с боковой поверхностью свай. Установка предназначена для уплотнения образца дренирования и затем сдвига. Деформация сдвига вызывается горизонтальным смещением нижней части образца относительно верхней, кольца скользят друг по другу и при этом диаметр образца остается постоянным, поэтому любые изменения объема являются результатом вертикального движения верхнего прижимного устройства. На этапе сдвига во время испытания вертикальная высота образца поддерживается постоянной с помощью вертикального привода, соединенного обратной связью с датчиком смешения. Образцы грунта могут быть в форме цилиндра, прямоугольника или куба.

Преимущества данного прибора заключается в том, что если в условиях прямого среза разрушение образца грунта происходит вдоль заранее фиксированной горизонтальной плоскости, то в условиях простого сдвига разрушение будет проходить вдоль серии горизонтальных (или вертикальных) плоскостей сдвига по ослабленным участкам грунта с наименьшим сопротивлением. В отличие от испытаний на прямой срез (когда практически невозможно выдержать недренированные условия), при опытах в приборах прямого сдвига образец находится в резиновой оболочке, что позволяет проводить дренированные и недренированные испытания, сохраняя объем грунта, а также измерять поровое давление. Испытания в условиях простого сдвига позволяют определить не только параметры прочности, но и модуль сдвига G.

Испытания на прямой одноплоскостной или кольцевой сдвиг проводятся в основном для таких условий устойчивости грунтов, когда возникают явные плоскости разрыва или когда прочностные характеристики определяются на поверхности контакта іруитфундамент. Результаты этих испытаний хорошо совпадают. Напряжения в условиях кольцевого сдвига более однородны, при этом испытании легче получить большие деформации сдвига и определить остаточную прочность грунта, чем в приборе прямого сдвига. Подготовка образца для испытаний в условиях прямого сдвига менее трудоемка по сравнению с кольцевым сдвигом.

Сравнение результатов испытаний в условиях простого сдвига с результатами испытаний в условиях трехосного сжатия или прямого среза свидетельствует о том, что в условиях простого сдвига максимальная прочность получается ниже, а разница в значениях остаточной прочности менее существенна. Учитывая эти различия, рекомендуется принимать значения пиковой прочности при срезе с понижающими коэффициентами 0,77−0,85 [5].

Для полевых исследований прочности слабых грунтов (торфов, илов, текучих и текучепластичных глинистых грунтов) применяется сдвигомер-крыльчатка. Аналогичный миниприбор используется и в лабораторных условиях. Крыльчатка представляет собой две одинаковые прямоугольные взаимно перпендикулярные пластинки, насаженные на вертикальную ось (рис. 8.28, в), к которой прикладывается крутящий момент и измеряется его предельная величина, используемая для расчета сопротивления недренированному сдвигу с_и.

В установках, действующих по схемам торсионного сдвига (рис. 8.28, г) и кручения пустотелого цилиндра (рис. 8.28, <)), образцы фиксируются в основании, и вращение производится вокруг вертикальной оси в верхней части образца. Изначально для этих схем испытаний применялись стабилометры кручения, в 1957 г. W. Kirpatric предложил использовать полые цилиндры грунта, что позволило приводить во вращение верхний нагрузочный штамп, а также создавать давление внутри и с внешней стороны образца. За рубежом приборы для испытаний получили название НСА (Hollow Cylinder Apparatys). При испытании полых цилиндрических образцов (рис. 8.30, в) моделируется истинное трехосное сжатие с вращением направлений осей главных напряжений (рис. 8.30, а). В результате создается широкий диапазон возможных вариантов сложного напряженного состояния в образце грунта, что особенно важно для грунтов анизотропных: можно изменять вертикальное (v), боковое наружное (<�т_Л) и внутреннее давления (w). Приборы позволяют замерять деформации в сотни процентов, что наблюдается при потере устойчивости склонов и откосов. К недостаткам НСА относится сложность подготовки образцов и неоднородность напряженнодеформированного состояния после определенного уровня нагружения. Необходимо отметить, что такая схема испытаний очень сложна, и применяют ее в исследовательских целях в основном для образцов с нарушенной структурой.

Рис. 8.30. Испытания полых цилиндрических образцов: а — максимальные и минимальные напряжения в грунтах основания: б — прибор НСА (производитель Wykeham Farrance); в устройства для подготовки образцов; г — образец грунта перед установкой в камеру трехосного сжатия.

Как уже отмечалось, при проведении испытаний грунтов необходимо выбрать условия, которые наиболее полно соответствуют реальным условиям работы грунта в основании будущего сооружения. К основным внешним факторам, влияющим на прочность грунтов, относятся: вид напряженного состояния, условия проведения испытаний (закрытая или открытая система, влияние порового давления и т. п.), скорость нагружения, характер нагружения образца (статическое или динамическое) и др.

Влияние вида напряженного состояния в условиях чистого сдвига, одноосного растяжения и сжатия, а также трехосного сжатия (схемы опытов приведены на рис. 8.27) на прочность грунтов можно проанализировать с помощью кругов Мора паспорта прочности грунта (рис. 8.31). Паспортом прочности грунта является кривая, огибающая предельные круги напряжений Мора в координатах нормальных и касательных напряжений. Предельный круг Мора соответствует предельному напряженному состоянию, достигаемому при данном соотношении наибольшего и наименьшего главных нормальных напряжений, и имеет радиус R = /2с координатами центра ( / 2; 0). Для построения паспорта прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии, одноосном сжатии и растяжении по совокупности парных значений o_cv = ffmax и оъ = <7_Пип (полученных при объемном сжатии не менее чем при трех различных значениях бокового давления <7з) в координатах строят полуокружности радиусами /2 с координатами центров / 2; 0) К семейству полуокружностей добавляют полуокружности радиусами (т_р/2и<�т_с/2с координатами центров (-я_р / 2; 0) и (я_с / 2; 0), где <�т_р — предел прочности при одноосном растяжении; я_с — предел прочности при одноосном сжатии.

Рис. 8.31. Паспорт прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии, одноосном сжатии и растяжении [27].

Из диаграмм (рис. 8.31) следует, что один и гот же грунт, в зависимости от вида напряженного состояния, будет иметь различные величины предельных параметров прочности, наименьшее значение характерно для условий простого одноосного растяжения (разрыва), наибольшее — для условий объемного сжатия.

Характеристики прочности грунтов зависят от скорости нагружения образца, параметры сопротивления скальных и связных грунтов сдвигу (угол внутреннего трения (р и сцепление с) различны для одного и того же грунта, испытываемого в условиях быстрого или медленного сдвига. С уменьшением скорости нагружения (увеличением длительности испытания) величина удельного сцепления закономерно снижается, а угол внутреннего трения возрастает. С целью идентификации вида напряженного состояния, при котором касательные напряжения достигают предела прочности, применяют такие термины, как кратковременная и длительная устойчивость.

Кратковременная устойчивость предполагает возникновение ряда условий в массиве слабых водонасыщенных глинистых грунтов с низкой проницаемостью, как в ходе строительства, так и при эксплуатации сооружения. Эти условия включают быстрые темпы нагружения основания, отсутствие возможности дренирования, возникновение избыточного порового давления. В этом случае прочность глинистых грунтов оценивается в условиях недренироваиного нагружения.

Длительная устойчивость оценивается в условиях возможности дренирования и частичной (или полной) консолидации грунта с рассеиванием порового давления и стабилизацией деформаций. Эти условия возникают мгновенно при строительстве на крупнообломочных и песчаных грунтах, в глинистых грунтах стабилизация деформаций продолжается более длительное время. При возникновении данных условий прочность грунта оценивается в условиях дренированного нагружения.

В некоторых случаях необходимо определять и кратковременную, и длительную устойчивость основания. Например, в течение строительства насыпи в водонасыщенных грунтах основания дренирование будет практически отсутствовать, а после ее возведения в процессе дренирования и консолидации прочность будет изменяться. В первом случае нужно проводить неконсолидированно-недренированные испытания, во втором — консолидированно-дренированные или консолидированно-недренированные.

К условиям испытаний, влияющим на прочность грунтов, прежде всего относятся закрытая или открытая (недренированная или дренированная) схемы испытании.

Параметры дренированной прочности определяют в установках прямого среза и трехосного сжатия (испытания консолидированно-дренированные). При определении прочности в условиях открытой системы из грунта при нагружении может отжиматься вода. За счет этого возникающее при передаче на грунт нагрузки (о) поровое давление (и) постепенно рассеивается и при медленном нагружении может упасть до нуля. В неполностью водонасыщенных грунтах поровое давление не учитывают. При дренированном нагружении прочность грунтов зависит в значительной степени от того, испытывает ли грунт сжатие или расширение от действия внешней нагрузки. Если грунт расширяется (например, зона перед подпорной стенкой) или сжимается (за подпорной стенкой), то прочность грунта будет различной. Прочность грунтов при расширении меньше прочности при сжатии.

Параметры недренированной прочности с_и получают из результатов неконсолидированно-недренированных испытаний в установках прямого среза и трехосного сжатия, которые отражают поведение глинистого грунта с низкой проницаемостью при любой скорости нагружения, даже при очень медленной. Высокая скорость возведения сооружения и отсутствие возможности дренирования не дают грунту консолидироваться и влияют на его прочность. При определении прочности водонасыщенных грунтов в условиях закрытой системы грунт изолирован от внешней среды, он не может впитывать или отдавать воду при нагружении, его влажность остается постоянной. Возникающее при нагружении образца поровое (или нейтральное) давление (и) увеличивается пропорционально приложенной нагрузке (о) вплоть до момента разрушения образца или остается постоянным при данном постоянном напряжении о.

Сопротивление срезу с_ы в водонасыщенных органо-минеральных и органических грунтах допускается отождествлять с величиной удельного сцепления с (по методике (р = 0), что позволяет вести расчеты несущей способности и устойчивости оснований и откосов по имеющимся расчетным схемам с использованием стандартных программ. Полевые исследования органо-минеральных и органических грунтов с помощью четырехлопастной крыльчатки в ряде случаев являются единственно возможным способом определения их механических свойств. Недренированная прочность используется как классификационный показатель, например, в стандарте Великобритании BS. В табл. 8.31 приведена классификация грунтов по недренированной прочности.

Наличие или отсутствие норового давления в грунтах имеет немалое значение при исследовании их прочности. В большинстве случаев результаты испытаний обрабатываются с использованием условия прочности Кулона или Мора-Кулона. Прочность грунта по Кулону зависит от нормального давления, которое можно выразить через полные и эффективные напряжения. При определении параметров прочности в полных напряжениях поровое давление не учитывают, полагая, что в условиях полного дренирования оно рассеивается, поэтому испытания на стадии сдвига проводят по открытой схеме, допуская дренирование и нагружение образца ступенями с выдержкой до полной стабилизации деформации сдвига. Если поровое давление измеряется, что возможно только при полном водонасыщении образцов и отсутствии дренирования, то при проведении опытов по схеме неконсолидированно-недренированного или консолидированно-недренированного сдвига можно определить параметры прочности в эффективных напряжениях. Чем больше поровое давление и, тем меньшая часть внешнего давления передается на скелет грунта. Для учета влияния порового давления, согласно К. Терцаги, вводят эффективное давление, тогда уравнение Кулона с учетом норового давления принимает вид:

(8.11).

где о' — эффективное давление; и — поровое давление; с' - удельное сцепление (в терминах эффективных напряжений).

Таблица 8.31.

Сдвиговая прочность грунтов в недренированных испытаниях

Таким образом, если в расчетах устойчивости склонов или несущей способности оснований учитывается норовое давление, то параметры прочности принимают в эффективных напряжениях; если поровое давление не учитывается, то в полных.

Характер нагружения, также влияющий на параметры прочности грунтов, проявляется в разных способах передачи на грунт внешних напряжений. Они могут быть статическими (при действии постоянных или медленно меняющихся нагрузок) или динамическими (при действии переменных, циклических, периодических, импульсных нагрузок и др.). Особенности и закономерности разрушения одного и того же грунта в статических или динамических условиях различны, поэтому при динамических воздействиях прочность грунтов изучается специальными способами.