Условие устойчивости откоса идеально связного грунта

Контекстная справка

Воздействие воды

В разрез откоса можно задавать грунтовую воду при помощи одной из пяти опций:

1) Уровень грунтовых вод

Уровень грунтовых вод задаём в виде полигона. Его можно любым образом изгибать, он может полностью находиться ниже поверхности или выходить над поверхность рельефа.

Влияние воды учитываем как поровое давление, действующее в грунте и понижающее сопротивление сдвигу. Поровое давление рассчитываем как гидростатическое давление, т.е. удельный вес воды умножаем на уменьшенную высоту уровня воды:

удельный вес воды

уменьшенная высота уровня воды

вертикальное расстояние точки, в которой рассчитываем поровое давление до точки на зеркале

наклон зеркала грунтовых вод

В расчет всегда входит равнодействующая порового давления в определенном отсеке блока:

поровое давление в точке

Ниже уровня грунтовых вод анализ учитывает удельный вес водонасыщенного грунта γ_sat и подъёмную силу воды; выше уровня грунтовых вод — заданное значение удельного веса грунта γ . Силы сдвига на поверхности скольжения рассчитываются по формуле:

сила сдвига на участке поверхности скольжения

нормальная сила на участке поверхности скольжения

равнодействующая порового давления на участке поверхности скольжения

угол внутреннего трения грунта

длина участка поверхности скольжения

В случае состояния полного напряжения (задаём в диалоговом окне «Грунты») используются полные параметры, а поровое давление всегда принимается равным 0.

2) Уровень грунтовых вод с воздействием абсорбции

Уровень абсорбции можно задать над заданным уровнем грунтовых вод. В пространстве между уровнем воды и уровнем абсорбции принимается отрицательное значение порового давления u . Абсорбция увеличивается как отрицательное гидростатическое давление в направлении от уровня грунтовых вод до уровня абсорбции.

3) Резкое падение УГВ

Над заданным уровнем воды можно задать исходный уровень воды, моделирующий состояние непосредственно перед резким падением УГВ.

Резкое падение воды

Сперва рассчитываем исходное поровое давление u₀ :

высота от исходного уровня воды к точке P

удельный вес воды

Высота h₀ — это расстояние от точки P (где определено значение порового давления) до исходного уровня воды — это в случае, когда исходный уровень воды находится ниже поверхности земли. Если исходный уровень воды расположен выше поверхности земли высота h₀ принимается от точки P до уровня земли (см. разрез 1 на рис.). Когда оба уровня воды находятся выше поверхности земли, то высота h₀ — будет расстоянием от точки P до пониженного уровня воды (см. разрез 2 на рис.).

Вторым шагом будет определение убыли порового давления в области между исходным и пониженным УГВ:

высота между исходным и пониженным уровнем воды

удельный вес воды

Как и в предыдущем расчёте давления, здесь тоже могут иметь место три опции положения уровней воды, т.е. три способа как получить высоту h_d . Когда оба уровня расположены под поверхностью земли, то h_d — это расстояние между исходным и пониженным уровнем воды. Когда исходный уровень воды находится над поверхностью земли, то высота h_d пониженного уровня воды принимается только до уровня поверхности земли (см. разрез 1 на рис.). В последнем случае оба уровня могут находиться над поверхностью земли, т.е. разность уровней h_d равна нулю (см. разрез 2 на рис.).

В третьем шагу определяем конечное значение порового давления u . Убыль давления Δu переумножаем на коэффициент редукции исходного порового давления X , который должен задаваться для каждого отдельного грунта в диалоговом окне в рамке «Грунты». В расчёт войдёт значение коэффициента X грунта на участке определения порового давления, т.е. в месте точки P (а не грунта, расположенного в области между исходным и пониженным УГВ). У водоприницаемого грунта равен X = 1, у практически неводопроницаемого X = 0. В расчёт принимается конечное значение порового давления:

исходное поровое давление

поправочный коэффициент исходного порового давления

убыль порового давления

4) Коэффициенты порового давления R_u

Коэффициент порового давления R_u показывает соотношение между поровым давлением и гидростатическим давлением в массиве грунта.

В области, где R_u имеет положительное значение, учитывается заданный удельный вес водонасыщенного грунта γ_sat , в обратном случае — удельный вес грунта γ .

Значения R_u задаём с помощью изолиний, соединяющих точки с одинаковым значениенм. Значения между изолиниямии подвергаем линейной интерполяции. Поровое давление рассчитываем как геостатическое напряжение, уменьшенное коэффициентом R_u :

коэффициент порового давления

высота i-ого слоя грунта

удельный вес i-ого слоя грунта

5) Значения порового давления

Грунтовые воды можно описать непосредственно с помощью значений порового давления в сечении массива грунта.

В области, где u имеет положительное значение, учитывается введенный удельный вес водонасыщенного грунта γ_sat , в обратном случае — удельный вес грунта γ .

Значения порового давления задаём с помощью изолиний, соединяющих точки с одинаковым значением порового давления. Значения между изолиниямии подвергаем линейной интерполяции. В расчёт вводим значения порового давления, считанные в конкретной точке сечения рельефа.

Устойчивость откосов

Устойчивость – частный случай прочности.

Главные причины нарушения устойчивости земляных масс:

1) эрозионные процессы;

2) нарушение равновесия.

Эрозионные процессы – медленно, незаметно зависят от внешних метеорологических и физико-геологических условий, от свойств поверхности массива грунта, в МГ не рассматриваются. Нарушение равновесия – прямая задача МГ. Может быть внезапным со сползанием значительных масс грунта – оползни.

Основные виды оползней:

1) оползни вращения (с возникающими криволинейными поверхностями обрушения);

2) оползни скольжения (по зафиксированным поверхностям);

3) оползни разжижения (грязевые потоки перенасыщенных водой грунтов по выработанным руслам и тальвегам.)

Задача 1. Устойчивость откоса идеально сыпучего грунта (песок, гравий, щебень, м.б. уголь, зерно и т.д.)

Вес частицы М на 2 составляющие:

N – нормальная к линии откоса ab

T¢ — сила трения, противодействующая сдвигающей Т

N – прижимающая сила

f – коэф-т трения

В положении равновесия:

делим на ( ) :

Предельный угол откоса сыпучих грунтов равен углу внутреннего трения грунта. Это угол естественного откоса.

— предельная высота откоса, нет разрушения

Массив связного грунта может иметь вертикальный откос h_lim определенной высоты. При h > h_lim – сползание призмы «авс». В природных условиях грунты обладают не только сцеплением, но и трением, задача усложняется. Для получения устойчивого откоса обычно снижают сцепление, принимая его расчетное значение с₁, учитывающее неоднородность грунта. Кроме того, вводят коэф-т надежности g_n в пределах 1,1…1,2. Тогда

Грунт откоса подвергается метеорологическим воздействиям, которые могут снижать сцепления. В связи с этим, не защищенный вертикальный откос может существовать лишь непродолжительное время.

Решение В.В. Соколовского (1942, 1954) для грунтов, обладающих и трением,

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Open Library — открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

• Главная

Категории

• Астрономия
• Биология
• Биотехнологии
• География
• Государство
• Демография
• Журналистика и СМИ
• История
• Лингвистика
• Литература
• Маркетинг
• Менеджмент
• Механика
• Науковедение
• Образование
• Охрана труда
• Педагогика
• Политика
• Право
• Психология
• Социология
• Физика
• Химия
• Экология
• Электроника
• Электротехника
• Энергетика
• Юриспруденция
• Этика и деловое общение

Строительство Укажите правильное определение коэффициента устойчивости откоса.

Укажите условие устойчивости свободного откоса для идеально связанного грунта.

Укажите условие устойчивости свободного откоса для идеально сыпучего грунта

α=φ угол заложения откоса не должен превышать угла внутреннего трения

, h-мах высота устойчивого откоса с вертикальной стенкой.

3. Какой метод определœения устойчивости откосов является наиболее универсальным?

4. Какое допущение из перечисленных ниже не относится к методу круглоцилиндрических поверхностей при определœении устойчивости откосов?

Поверхность скольжения при обрушении круглоцилиндрической поверхности, отдельные блоки не оказывают давления друг на друга

6.Какое уравнение для определœения коэффициента устойчивости откоса является правильным?

Лекция 11 Определœение давления грунта на подпорные сооружения.

1. Какой тип подпорной стенки назван не правильно?

Подпорные стены по конструктивному решению подразделяются на массивные, тонкостенные и парусноготипа.

Массивные подпорные стены имеют примерно одинаковые размеры по высоте и ширинœе.

Устойчивость тонкостенных подпорных стен обеспечивается собственным весом стены и фунта͵ вовлекаемого конструкцией стены в работу, либо защемлением стен в основание (гибкие подпорные стены и шпунтовые ограждения). Тонкостенные подпорные стены: а — консольные; б — с анкерными тягами; в — контрфорсные

Схема подпорных стен парусного типа: а — с опорами из пневматических свай; б — с опорами из свай-оболочек; 1 — парус — гибкое полотнище; 2 — свая (свая-оболочка); 3 — анкерная плита

Подпорные сооружения: 1) с 2 вертикалями; 2) с вертикальной лицевой и наклонной тыльной; 3) с наклонной лицевой и вертикальной тыльной; 4) с наклоном обеих сторон в сторону засыпки; 5) с вертикальной лицевой и ступенчатой тыльной (сборное подпорное сооружение); 6)тонкостенные подпорные стенки углового типа; 7) заанкеренные подпорные и шпунтовые стенки.

2. Какое давление грунта на подпорное сооружение принято называть активным?

Активное давление возникает при значительных перемещениях конструкции в направлении давления и с образованием плоскостей скольжения в грунте, соответствующих его предельному равновесию

Давление со стороны грунта͵ находящегося в предельном состоянии по направлению смещения сооружения .

3. Какое давление грунта на подпорное сооружение принято называть пассивным?

пассивное давление (Е_р), появляющееся при значительных перемещениях конструкции в направлении, противоположном направлению давления и сопровождающееся началом «выпора грунта».

Пассивное давлениевозникает при перемещении подпорной стенки в сторону грунта засыпки

4. Какое допущение при определœении давления грунта на подпорное сооружение практическими методами сформулировано не верно?

Активное и пассивное давление опред. исходя из предположения, что грунт находится в пред. напряженно-деформируемом сост. (ᴛ.ᴇ. в случае отсутствия подпорной стенки произойдёт обрушение откосов). По этой причине точные решения бывают получ. по теории ПНС.

1. Поверхность скольжения призмы обрушения принимается плоской

2. Задняя стенка подпорного сооружения вертикальная

3. Засыпка грунта горизонтальная

4. Трением грунта о подпорную стенку пренебрегаем

5. Какое из уравнений для определœения пассивного давления идеально сыпучего грунта на подпорное сооружение является верным?, где к-т пассивного давления

6. Какое из уравнений для определœения активного давления идеально сыпучего грунта на подпорное сооружение является верным? , где к-т активного давления:

Лекция 12 Деформации грунтов и расчет осадок фундаментов

Читайте также

Укажите условие устойчивости свободного откоса для идеально связанного грунта. Укажите условие устойчивости свободного откоса для идеально сыпучего грунта &. [читать подробенее]

Расчет осадок по методу эквивалентного слоя

Расчет осадок заключается в том, что приравниваются осадки, с одной стороны, штампа (гибкого или жесткого), находящегося на упругом однородном линейно-деформируемом полупространстве, а, с другой стороны, поверхности безграничного линейно-деформируемого слоя при тех же величинах внешней нагрузки, действующей одинаково по всей границе этого слоя, и модуля деформации. В результате этого приравнивания находится толщина такого слоя h_экв, названного эквивалентным. На рисунке 5.6.1 рассматривается схема способа:

Расчет осадки по способу эквивалентного слоя

♯ Виды нарушения откосов

Откосом называется искусственно созданная поверхность, ограничивающая природный грунтовый массив, выемку или насыпь.

Откосы нередко подвержены деформированию в виде обрушений (рис. 5.7.1,а), оползней (см. рис. 5.7.1 б,в,г), осыпаний и оплывании (см. рис. 5.7.1 ,д).

Обрушения имеют место при потере массивом грунта опоры у подножия откоса. Оползни и оползания характеризуются перемещением некоторого объема грунта. Осыпание происходит при превышении силами сдвига сопротивления несвязного грунта на незакрепленной поверхности. Оплыванием (сплывом) называется постепенная деформация нижней части обводненного откоса или склона без образования четких поверхностей скольжения.

Основными причинами потери устойчивости откосов являются:

– устройство недопустимо крутого откоса;

– устранение естественной опоры массива грунта из-за разработки траншей, котлованов, подмыва откосов и т.д.;

– увеличение внешней нагрузки на откос, например, возведение сооружений или складирование материалов на откосе или вблизи него;

– снижение сцепления и трения грунта при его увлажнении, что возможно при повышении уровня подземных вод;

– неправильное назначение расчетных характеристик прочности грунта;

– влияние взвешивающего действия воды на грунты в основании;

– динамические воздействия (движение транспорта, забивка свай и т.п.), проявление гидродинамического давления и сейсмических сил.

Нарушение устойчивости откосов часто является результатом нескольких причин, поэтому при изысканиях и проектировании необходимо оценивать вероятные изменения условий существования грунтов в откосах в течение всего периода их эксплуатации.

Рисунок 5.7.1. Характерные виды деформаций откосов:
а — обрушение; б — сползание; в — оползень; г — оползень с выпором; д — оплывание;
1 — плоскость обрушения; 2 — плоскость скольжения; 3 — трещина растяжения; 4 — выпор грунта;
5 — слабая прослойка; б, 7 — установившийся и первоначальный уровни воды;
8 — поверхность оплывания; 9 — кривые депрессии.

Различают три типа разрушения откоса:

– разрушение передней части откоса. Для крутых склонов (а > 60°) характерно сползание с разрушением передней части откоса. Такое разрушение чаше всего возникает в вязких грунтах, обладающих адгезионной способностью и углом внутреннего трения;

– разрушение нижней части откоса. На сравнительно пологих откосах разрушение происходит таким образом: поверхность скольжения соприкасается с глубоко расположенным твердым слоем. Такой тип разрушения чаще всего возникает в слабых глинистых грунтах, когда твердый слой расположен глубоко;

– разрушение внутреннего участка откоса. Разрушение происходит таким образом, что край поверхности скольжения проходит выше передней части откоса. Такое разрушение также возникает в глинистых грунтах, когда твердый слой находится сравнительно неглубоко

♯ Методы расчета устойчивости откосов

Основными элементами открытой разработки карьера, котлована или траншей без крепления откосов является высота Н и ширина l уступа, его форма, крутизна и угол естественного откоса α (рис.5.8.1). Обрушение уступа происходит чаще всего по линии ВС, расположенной под углом θ к горизонту. Объем АВС называется призмой обрушения. Призма обрушения удерживается в равновесии силами трения, приложенными в плоскости сдвига.

Схема откоса грунта:
1 — откос; 2 — линия скольжения; 3 — линия, соответствующая углу внутреннего трения;
4 — возможное очертание откоса при обрушении; 5 — призма обрушения массива грунта.

Устойчивость откосов анализируется с помощью теории предельного равновесия или путем рассмотрения призмы обрушения или сползания по потенциальной поверхности скольжения как твердого тела.

Устойчивость откоса в основном зависит от его высоты и вида грунта. Для установления некоторых понятий рассмотрим две элементарные задачи:

– устойчивость откоса идеально сыпучего грунта;

– устойчивость откоса идеально связного массива грунта.

Рассмотрим в первом случае устойчивость частиц идеально сыпучего грунта, слагающего откос( рисунок 5.8.2.а). Для этого составим уравнение равновесия твердой частицы М, которая лежит на поверхности откоса. Разложим вес этой частицы F на две составляющие: нормальную N к поверхности откоса АВ и касательную Т к ней. При этом сила Т стремится сдвинуть частицу М к подножию откоса, но ей будет препятствовать противодействующая сила Т ‘, которая пропорциональна нормальному давлению.

Схема сил, действующих на частицу откоса: а — сыпучий грунт; б — связный грунт

где f – коэффициент трения частицы грунта по грунту, равный тангенсу угла внутреннего трения.

Уравнение проекции всех сил на наклонную грань откоса в условиях предельного равновесия

где tgα=tgφ, от сюда α=φ.

Таким образом, предельный угол откоса сыпучего грунта равен углу внутреннего трения. Этот угол носит название угол естественного откоса.

Рассмотрим устойчивость откоса АД высотой Н_к для связного грунта (рис. 5.8.2б). Нарушение равновесия при некоторой предельной высоте произойдет по плоской поверхности скольжения ВД, наклоненной под углом θ к горизонту, так как наименьшей площадью такой поверхности между точками В и Д будет обладать плоскость ВД. По всей этой плоскости будут действовать силы удельного сцепления С.

Уравнение равновесия всех сил, действующих на оползневую призму АВД.

Согласно рис. 5.8.2б сторона призмы обрушения АВ = Н_кctg θ, получим

где γ – удельный вес грунта.

Силами, сопротивляющимися скольжению, будут лишь силы удельного сцепления, которые распределяются по плоскости скольжения

В верхней точке В призмы AВД давление будет равно нулю, а в нижней точке Д максимальное, тогда по середине — половине удельного сцепления.

Составим уравнение проекции всех сил на плоскость скольжения и приравняем ее к нулю:

откуда

Полагая sin2θ=1 при θ = 45°, получим

Из последнего выражения видно, что при высоте котлована (откоса) Н_к > 2с/γ произойдет обрушение массива грунта по некоторой плоскости скольжения под углом θ к горизонту.

Грунты обладают не только сцеплением, но и трением. В связи с этим проблема устойчивости откосов становится значительно сложнее, чем в рассмотренных случаях.

Поэтому на практике для решения задач в строгой постановке, большое распространение получил метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

♯ Метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения

Большое распространение на практике получил метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Сущность этого метода заключается в отыскании круглоцилиндрической поверхности скольжения с центром в некоторой точке О, проходящей через подошву откоса, для которой коэффициент устойчивости будет минимальным (рис ).

Рис. 5.9.1. Схема к расчету устойчивости откоса методом круглоцилиндрической поверхности скольжения

Расчет ведется для отсека, для чего оползающий клин ABC разбивается на п вертикальных отсеков. Делается предположение, что нормальные и касательные напряжения, действующие по поверхности скольжения, в пределах каждого из отсеков оползающего клина определяются весом данного отсека Q_t и равны соответственно:

где А_i – площадь поверхности скольжения в пределах 1-го вертикального отсека, А_i = 1l_i ;

l – длина дуги скольжения в плоскости чертежа (см. рис. 5.6.1).

Препятствующее оползанию откоса сопротивление сдвигу по рассматриваемой поверхности в предельном состоянии τ_u=σ·tgφ+c

Устойчивость откоса можно оценить отношением моментов удерживающих М_s,l и сдвигающих M_s,a сил. Соответственно коэффициент запаса устойчивости определим по формуле

Момент удерживающих сил относительно О представляет собой момент сил Q_i.

Момент сдвигающих сил относительно точки О

♯ Давление грунта на ограждающую поверхность

Давление грунта на ограждающую поверхность зависит от многих факторов: способа и последовательности засыпки грунта; естественного и искусственного трамбования; физико-механических свойств грунта; случайных или систематических сотрясений грунта; осадок и перемещений стенки под действием собственного веса, давления грунта; типа сопряженных сооружений. Все это значительно осложняет задачу определения давления грунта. Существуют теории определения давления грунта, использующие предпосылки, позволяющие с разной степенью точности выполнять решения задачи. Отметим, что решение этой задачи выполняется в плоской постановке.

Различают следующие виды бокового давления грунта:

— давление покоя (E₀), называемое также естественным (натуральным), действующее в том случае, когда стена (ограждающая поверхность) неподвижна или относительные перемещения грунта и конструкции малы (рис.;

Схема давления покоя

— активное давление (E_а), возникающее при значительных перемещениях конструкции в направлении давления и образования плоскостей скольжения в грунте, соответствующих его предельному равновесию (рис. 5.10.2). ABC — основание призмы обрушения, высота призмы 1 м;

Рис. 5.10.2 Схема активного давления

— пассивное давление (Е_р), появляющееся при значительных перемещениях конструкции в направлении, противоположном направлению давления и сопровождающееся началом «выпора грунта» (рис. 5.10.3). ABC— основание призмы выпирания, высота призмы 1 м;

Схема пассивного давления

— дополнительное реактивное давление (Е_r), которое образуется при движении конструкции в сторону грунта (в направлении, противоположном давлению), но не вызывает «выпора грунта».

Наибольшей из этих нагрузок (для одного и того же сооружения) является пассивное давление, наименьшей — активное. Соотношение между рассмотренными силами выглядит так: Е_а верх +σ_zp ниж )/2

6. Рассчитывается осадка каждого элементарного слоя: S_i=βσ_zpih_i/E_i

7. Вычисляется конечная осадка основания фундамента, как сумма осадок
всех элементарных слоев, входящих в границу сжимаемой толщи.

45. Понятие о расчете осадок во времени

При наблюдении за осадками оснований фундаментов был получен график развития осадок во времени.

Вводиться понятие степени консолидации: U=S_t/S_KOH

Конечная осадка рассчитывается методом СНиП.

Степень консолидации определяется решением дифференциального уравнения одномерной фильтрации:

U=1-16(1-2/π)e — N /π 2 +(1+2/(3π))e -9 N /9+…

Физический смысл степени консолидации выражает величина показателя N:

коэффициент фильтрации, [см/год]

m₀ – коэффициент относительной сжимаемости слоя; [см 2 /кг]

h — толщина сжимаемого слоя; [см]

γ_ω — удельный вес воды

Определить осадку основания фундамента через 1, 2 года и 5 лет. Давление под подошвой фундамента р = 2 кгс/см 2 ; грунт — суглинок; толщина сжимаемого слоя 5м; коэффициент фильтрации k_Ф = 10 — 8 см/сек; Коэффициент относительной сжимаемости суглинка m₀=0,01 см 2 /кг.

1. Определяем величину коэффициента консолидации: ^Перевод из секунд в год

2. Определяем величину N:

3. Определяем величину степени консолидации:

Сайт инженера-проектировщика

• > Главная

• > Расчеты

• > Несущие конструкции

• > Изоляционные материалы

• > Чертежи в формате dwg

• > Проекты повт. применения

• > Справочник материалов

• > Метизы

• > Здания и сооружения

• > RAL, текстуры, цвета

• > Программы для проектирования

Свежие записи

Сопротивление грунтов сдвигу. закон Кулона

Сопротивление грунтов сдвигу. закон Кулона

Под действием собственного веса или приложенной внешней нагрузки в отдельных точках (областях) массива грунта внешние эффективные давления могут вызвать касательные напряжения, превышающих внутренние связи в точках контактов структурных агрегатов и самых твердых частиц. В результате возникают оползни (скольжения) одних частиц и их агрегатов относительно других, что может нарушить целостность грунта в некоторой области, то есть прочность грунта будет исчерпана.

Характерными проявлениями сдвига является выпирание массивов грунта из-под подошвы фундаментов, сползания грунтовых массивов в откосах и склонах и тому подобное.

Внутреннее сопротивление, препятствует смещению частиц в сыпучих (несвязные) грунтах, т.к. объясняется возникающим в точках их контакта внутренним межчастичным трением, которое связанно с шероховатостью поверхности твердых частиц. В связных грунтах смещения частиц, кроме трения, оказывают силы внутреннего сцепления, обусловлены рядом факторов:

— наличием жестких кристаллизационных и цементационных структурных связей (природных цементов — коллоидных гелей и солей, как растворимых, так и не растворимых в воде) в точках контакта твердых частиц и по поверхностям оболочек связанной воды;

— наличием вязкопластических водно-коллоидных структурных связей, вызванных электро-молекулярными силами взаимодействия между твердыми частицами, с одной стороны, и пленками связанной воды, и коллоидными оболочками, прочно связанными с твердыми частицами — с другой;

— капиллярным давлением в зоне капиллярного увлажнения;

— взаимным заклиниванием и зацепленем частиц и тому подобное.

Вместе с тем, процесс деформирования грунта при сдвиге является очень сложным, и разграничивать сопротивление грунтов оползня на внутреннее трение и сцепление имеет в значительной степени условный характер. Так, невозможно выделить в чистом виде элементы, связанные с преодолением сил цементации структурных агрегатов, молекулярной связности, сопротивления деформированию водных пленок, взаимного заклинивания и зацепления частиц и т.д.

Количественные показатели сопротивления сдвигу — это основные характеристики прочности грунта. Они не постоянны и зависят от многих взаимосвязанных факторов: крупности и формы частиц грунта, его минералогического состава, степени водонасыщения и плотности строения, скорости приложения и продолжительности действия нагрузки и тому подобное. Правильный выбор показателей сопротивления сдвигу имеет важное значение для практики, ведь он вызывает точность расчетов большого перечня инженерных задач — предельного давления на грунт основания, устойчивости грунтовых массивов, давления грунтов на ограждающие сооружения и др.

В зависимости от физических свойств грунтов, обусловливающие их напряженно-деформированное состояние под зданием или сооружением, прочностные характеристики можно определять по результатам испытания грунтов методами консолидированного или неконсолидированного смещения.

Опытное определение показателей сопротивления грунтов сдвигу можно выполнять различными методами: по результатам прямого плоскостного сдвига, одноосного и трехосной сжатия, сдвига по цилиндрических поверхностях и др. Наиболее распространенными и простыми являются испытания при прямом плоскостном сдвиге.

Рисунок 1 — Схема одноплоскостного оползневого прибора:1 — образец грунта; 2 — разрезное кольцо (гильза) 3 -нижняя неподвижная обойма; 4 — верхняя подвижная обойма; 5 — фильтр; 6 — фильтр-штамп; 7 — поддон;8 — станина; 9 — плоскость сдвига; 10 — индикатор

Цилиндрический образец грунта 1 после предварительного уплотнения размещают в разрезном кольце (гильзе) 2 оползневого прибора так, чтобы одна его половина оставалась неподвижной, а вторая могла перемещаться горизонтально под действием приложенной к ней оползневой нагрузки T, причем должна быть обеспечена возможность увеличения или уменьшения объема грунта при сдвиге.

К образцу прикладывают нормальную к поверхности сдвига 9 сжимающую нагрузку N. После полной стабилизации деформаций от ее действия, половинки гильзы раздвигают до образования небольшого зазора для устранения трения между ними.

Касательное к поверхности смещения нагрузки T прикладывают к верхней обойме оползневого прибора 4 ступенями до тех пор, пока не произойдет сдвиг и скольжение одной части грунта по второй. Одновременно с приложением оползневой нагрузки выполняют измерения горизонтальных деформаций грунта Δl индикатором 10. Происходит свободный отвод воды, которая выжимается из пор грунта при его сжатии, что осуществляется через фильтры 5 и 6. Сдвигающие силы T_i, отнесенные к площади поперечного сечения образца A в плоскости сдвига, дают касательные сдвигающие напряжения t_i, а силы N_i, отнесены к той же самой площади, дают нормальные плоскости сдвига сжимающие напряжения в образце s_i:

Выполняют смещение нескольких (не менее трех) образцов, обжимаемых различными вертикальными нормальными напряжениямиσ₁ … σ₃, которые в течение одного испытания оставляют неизменными, и определяют соответствующие им значения предельных касательных напряжений (предельных сопротивлений смещения)t_u,1… t_u,3.

Результаты исследования сопротивления грунта сдвигу оформляют в виде графиков зависимостей горизонтальных деформаций грунта Δl_i от касательных напряжений t_i (2, а) и предельных сопротивлений смещения t_u,i от вертикальных нормальных сжимающих напряжений s_i (2, б).

Рисунок 2 — Графики сопротивлений смещению сыпучего грунта при различных вертикальных нормальных сжимающих напряжениях:а — горизонтальных перемещений Δl; б — предельных сопротивлений смещенииt_u

Как показывают многочисленные результаты исследований, для сыпучих грунтов (сухие пески и крупнообломочные грунты) в пределах обычных изменений вертикальных нормальных давлений, в большинстве случаев имеет место (от 0,05 до 0,5 … 0,7 МПа), зависимость между предельными опорами сдвига t_{u, i} и вертикальными нормальными сжимающими напряжениями s_i можно принять линейной из начала координат (рис. 2, б) в виде

где tgφ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трением между частицами; φ — угол наклона прямой к горизонтальной оси нормальных сжимающих напряжений, который называют углом внутреннего трения.

Эта зависимость установлена ​​еще в 1773 г.. Французским ученым Ш. Кулоном. Она выражает закон сопротивления сыпучих (несвязных) грунтов смещению, формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально внешнему нормальному к плоскости сдвига давлению. Этот закон в механике грунтов называется закона Кулона для сыпучих грунтов.

В сопротивлении сдвига связных грунтов (глинистые грунты, сапропели и др.) решающую роль играет сцепление — составляющая, которая не зависит от величины вертикального нормального сжимающего напряжения.

Если по аналогичной методике в таком же приборе провести несколько (не менее трех) испытаний на сдвиг одного и того же связного грунта, подвергая образцы действию различных вертикальных нормальных сжимающих напряжений σ_i, то в общем случае можно получить криволинейную зависимость предельных сопротивлений грунта сдвигу (рис. 3).

Рисунок 3 — График предельных сопротивлений смещения связного грунта при различных вертикальных нормальных сжимающих напряжениях.

Криволинейность зависимости наиболее ощутима при небольших значениях уплотнительных давлений (в пределах от 0 до σ₀=0,05 МПа). При нормальных сжимающих напряжениях в диапазоне σ_i = 0,05 … 0,5 МПа зависимость можно представить прямой линией, описываемой уравнением

где c — удельное сцепление грунта (величина отрезка, отсеченного прямой на вертикальной оси предельных сопротивлений смещения), МПа. Эта зависимость получила название закона Кулона для связных грунтов, формулируют так: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу, при завершенной их консолидации, можно рассматривать как сумму сопротивления трения, прямо пропорционального внешнему нормальному к плоскости сдвига давлению, и сопротивления сцепления, независимого от этого давления.

Если линию зависимости t_{u, i}= ƒ(s_i) довести до пересечения с осью вертикальных нормальных к плоскости сдвига сжимающих напряжений, можно получить величину p_e, которую называют фиктивным давлением связности или условным эквивалентным давлением, создаваемым распределенными по объему грунта внутренними силами связности. Она может быть представлена как давление, необходимое для уплотнения, в условиях компрессионного испытания грунта, с влажностью на границе текучести (то есть такого, что практически не имеет сопротивления сдвигу) до состояния, в котором образец грунта находится при закладке в прибор для испытания на сдвиг.

Используя эквивалентное давление, параметр сцепления можно записать

Таким образом, угол внутреннего трения j_і и удельное сцепление c следует рассматривать как математические параметры прямолинейных диаграмм сопротивления грунтов сдвигу.