Вводная часть
Перед обсуждением реальных геотехнических задач, наиболее часто встречающихся в гражданском строительстве, необходимо поговорить о главном объекте изучения в геотехнике – о грунте. Полностью описать этот объект в рамках нескольких статей невозможно, поэтому остановимся только на принципиально значимых для строительства его свойствах – прочности, деформативности и некоторых особенностях, отличающих грунт от конструкционных материалов. В данной статье речь пойдет о прочности грунтов.
Основная часть
Грунт – природный материал. Это значит, что его свойства нельзя задать наперед, а приходится работать с тем, что есть. Именно поэтому свойства грунтов изучаются в рамках инженерно-геологических изысканий на каждом объекте. Природное происхождение грунта определяет необходимость расчета начального напряженного состояния, поскольку верхние слои давят на нижние силой собственного веса. В природном состоянии часто встречается так называемый переуплотненный грунт, то есть такой, который ранее уже испытывал нагрузку (например, от здания, снесенного перед новым строительством). Степень переуплотнения значительно влияет на начальное напряженное состояние массива и, как следствие, на осадки зданий.
Грунт, при действии на него нагрузки, разрушается под действием касательных напряжений. Поэтому для определения прочности грунта необходимо установить значение предельного касательного напряжения, при котором начинается разрушение. Предельное касательное напряжение для грунтов является аналогом расчетного сопротивления для металла или бетона.
Параметры прочности в большинстве случаев определяют в приборах одноплоскостного среза, схема прибора и графики результатов испытаний показаны на рисунке 1.
хема опыта заключается в следующем - на образец прикладывают фиксированную вертикальную нагрузку N, затем постепенно увеличивают сдвигающую силу T до того момента, пока не начнется свободное (без роста силы T) скольжение верхней части образца по нижней. При скольжении касательные напряжения по границе контакта достигают своего предельного значения τ*. Буквой δ на рисунке 1-а обозначено горизонтальное перемещение верхней каретки прибора. По результатам трех испытаний строят прямую предельной прочности, показанную на рисунке 1-б. Из графика видно, что с ростом сжимающей нагрузки растет и предельное касательное напряжение. Этот факт говорит о том, что прочность грунта увеличивается с ростом глубины его залегания, поскольку увеличиваются сжимающие напряжения в массиве. Данная зависимость математически выражается законом Кулона и для песков имеет вид:
В случае связных грунтов в правой части равенства добавляется слагаемое, учитывающее сцепление, для таких грунтов предельная прямая начинается не в начале координат, а сдвигается вверх на величину сцепления.
Два параметра прочности – угол внутреннего трения и удельное сцепление - позволяют достаточно точно описать прочность грунтов с помощью теории прочности Кулона-Мора, но они не описывают все физически происходящие при разрушении процессы в грунте и к ним стоит относится как к некоторым математическим константам.
На рисунке 1в показана зависимость смещения каретки срезного прибора от касательных напряжений на площадке среза. В случае рыхлого песка с ростом касательных напряжений прибор постепенно перемещается и при достижении касательными напряжениями своего предельного значения начинается неограниченный рост перемещений без дополнительной нагрузки. Плотный же песок имеет так называемую пиковую прочность, которая связана с тем, что за счет плотной упаковки частиц грунт лучше сопротивляется сдвигу при небольших смещениях. При значительных смещениях происходит разрыхление песка и прочность снижается до так называемого критического значения. Явления уплотнения и разрыхления грунтов при сдвиге называются соответственно контракцией и дилатансией. Механизм этих явлений показан на рисунке 2.
Явление дилатансии приводит к дополнительному упрочнению грунтов в основаниях сооружений. Механизм упрочнения следующий – при действии касательных напряжений первоначально плотный грунт начинается разрыхляться, но это разрыхление значительно затруднено, так как грунт окружен и обжат другим грунтом. Затруднение разрыхления приводит к тому, что в массиве возникает дополнительное нормальное напряжение, а оно, как уже известно, увеличивает общее сопротивление сдвигу τ*. В расчетах дилатансия учитывается с помощью специального параметра – угла дилатансии Ψ.
На прочность массивов грунтов значительное влияние оказывает также степень их водонасыщения и фильтрационные свойства. При приложении нагрузки к водонасыщенному грунту, нагрузка воспринимается одновременно и скелетом грунта, и водой, содержащейся в нем. Дополнительное давление в воде заставляет её перетекать в соседние области, и нагрузка постепенно переходит полностью на скелет грунта. Данное явление можно продемонстрировать с помощью простой модели, показанной на рисунке 3 – наполненного водой сосуда с пружиной, прикрепленной ко дну. Пружина в данной модели выступает в роли скелета грунта.
Будем прикладывать нагрузку через поршень с отверстиями для пропуска воды. В начальный момент времени вся нагрузка будет восприниматься только водой, а пружина будет не напряжена. Со временем под давлением вода будет протекать вверх через отверстия в поршне, а нагрузка передаваться и на пружину. Спустя время настанет момент, когда вся нагрузка будет восприниматься только пружиной. Состояние, при котором вся внешняя нагрузка воспринимается скелетом грунта, называется стабилизированным.
Рассмотрим влияние воды на прочность массива грунта в основании сооружения. Напряжения в воде могут быть только нормальными, поскольку вода не может воспринимать касательные напряжения. Данное явление приводит к тому, что в основании сооружений касательные напряжения сразу же передаются на скелет грунта, а нормальные распределяются между скелетом и поровой водой. А так как прочность грунта зависит от действующих нормальных напряжений, то в начальные моменты времени она значительно ниже, чем в стабилизированном состоянии.
Данное явление значительно влияет на процесс развития осадки сооружений и на устойчивость откосов в случае водонасыщенных и слабофильтрующих грунтов, поэтому при их наличии необходимо учитывать временной фактор.
Однако в большинстве случаев скорость роста нагрузки на основание небольшая, поэтому состояние массива грунта можно считать стабилизированным в каждый момент времени.
Заключительная часть
Итак, основными особенностями грунтов с точки зрения их прочности являются:
1) Зависимость прочности от действующих нормальных напряжений;
2) Зависимость параметров прочности от степени деформации. При различных значениях деформаций может проявляться как пиковая, так и остаточная прочность;
3) Возможность упрочнения грунтов за счет дилатансии;
4) Зависимость прочности от скорости приложения нагрузки и её изменение в процессе уплотнения.