ПРОЧНОСТЬ ГРУНТОВ
Под прочностью грунтов понимают их сопротивление сдвигу. Это основ ная характеристика грунтов, правильная оценка которой необходима для рационального конструирования и расчета многих инженерных сооружений и в особенности грунтовых плотин. Самым простым и наиболее распространенным является условие прочности Кулона, предложенное в 1773 г.:
Уравнение (11.22) двучленный закон трения, оно показывает, что сопротивление обеспечивается силами трения и сцепления между частицами скелета грунта. Если в грунте имеется вода, воспринимающая часть внешней нагрузки, что при статическом внешнем воздействии в глинистых грунтах может иметь место длительное время, а при динамическом практически в любом грунте, то необходимо учитывать только нормальное напряжение в скелете грунта. Нормальное напряжение в скелете называют эффективным стф, а давление в воде поровым давлением Рш или нейтральным а„. Более подробно о поровом давлении в п. 12.3. С учетом порового давления условие Кулона имеет вид:
Разрушение грунта согласно условию прочности Мора происходит, когда угол отклонения равнодействующей от нормали к площадке сдвига достигнет угла ф. Согласно этому условию прочность грунта определяется только максимальным и минимальным главными напряжениями. Если на диаграмме напряжений (ст, т) построить графическое выражение условия прочности Кулона (рис. 11.10, а), а затем для этой же площадки сдвига построить круг Мора, то найдем, что условия Кулона и Мора совпадают. В силу указанного условие (11.24) часто называют условием МораКулона.
Экспериментальные исследования различных грунтов в широком диапазоне напряжений а3 (от 0 до 4,0 МПа), проведенные различными исследователями, показали:
1) промежуточное главное напряжение <3г значительно влияет на сопротивляемость сдвигу (влияние на ф может достигать 10°);2) огибающая кругов Мора в подавляющем числе случаев криволинейна, при этом увеличение а может снизить ср на 15°, как это имеет место в крупнозернистых грунтах;
3) кроме параметра Лоде-Надаи, и другие элементы пути нагружения влияют на прочность грунта, снижая или повышая угол внутреннего трения до 24°. Перечисленные недостатки существенны, но тем не менее условие прочности МораКулона остается основным при оценке устойчивости (прочности) сооружения, так как оно просто и его применение обычно отвечает уровню расчетных методов, используемых при проектировании сооружений.
При необходимости это условие поправляют, вводя pconst и cconst. В этом случае (р и с задаются чаще всего в виде таблицы в зависимости от cti, оп или Стз, чтобы отобразить криволинейность огибающей кругов Мора.
Влияние промежуточного главного напряжения и других элементов пути нагружения на ф в большинстве случаев не учитывается.
Недостатки условия прочности МораКулона определили два направления в исследованиях:
1) найти поправки или видоизменить условие прочности МораКулона таким образом, чтобы учитывались отмеченные выше факторы. Большую работу в этом направлении проделали М.М. ФилоненкоБородич, М.В. Малышев и др.;2) создать новое условие прочности, которое было бы лишено недостатков условия Мора-Кулона. В этом отношении интересно условие прочности
Выше уже отмечалось, что с точностью до постоянного множителя пропорционально Т. Эго условие прочности включает в себя влияние, но по прежнему не учитывает пути нагружения. Кроме того» инвариантная запись условия прочности имеет и свои недостатки (наряду с достоинствами)» так как одно и то же значение может быть достигнуто при самых разнообразных сочетаниях компонент главных напряжений, в том числе таких, которые в грунте существовать не могут. Для сыпучего грунта (отсутствует сцепление) существование одной из компонент, к примеру невозможно, а условие (11.25) дает некоторое (и даже значительное) значение прочности.
В настоящее время имеется много предложений по определению условия прочности фунтов: к примеру, энергетическое условие прочности. Очень многочисленные и интересные исследования в этом направлении были проделаны профессором Г.М. Ломизе и его учениками.
Условие Мора-Кулона наиболее распространено в практике проектирования, поэтому необходимо знать характеристики некоторых фунтов. В табл. 7.1 приведены основные характеристики фунтов в зависимости от плотности сложения и влажности, а песчаных от фанулометрического состава и плотности. Характерным является наличие сцепления для плотно уложенных песчаных фунтов. Некоторые исследователи считают, что природа этого сцепления лежит в необходимости предварительного расширения фунта перед сдвигом, т. е. в необходимости выхода частиц из зацепления одна с другой перед сдвигом, и называют его зацеплением. Другие считают р и с в песчаных фунтах не физическими константами материала, а математическими коэффициентами, характеризующими огибающую кругов Мора, которая при малых значениях напряжений нелинейна Вторая трактовка, видимо, более правомерна, так как расширение фунта при сдвиге (дклагация) ведет к увеличению ф и не связано с понятием сцепления.
Сопротивление сдвигу крупнозернистых (крупнообломочных) фунтов стало детально изучаться сравнительно недавно (практически с 1960 г.) в связи со строительством высоких и сверхвысоких каменноземляных плотин Ну рекской, Чарвакской, Инфернильо, Оровил и др. При этом прежде всего отмечается большое влияние [см. формулу (7.12)] на изменение угла внутреннего трения, которое может достигать 15° и более, и влияние ст, увеличение которого может понижать значение ф на 1520°. Понижение ф с ростом а вызвано разрушением частиц под нафузкой. Выше уже отмечалось, что в контактах частиц между собой сжимающие напряжения достигают больших значений и пропорциональны Рш, где Р усилие в контакте (см. решение Герца о напряжениях в шарах). При а=1,0 МПа в контактах может достигать 250 МПа и более. Уменьшение а в 10 раз снижает в контактах между частицами ош в 2,16 раза, т. е. практически при всех реальных нафузках на грунт будем иметь некоторое количество разрушенных частиц, так как напряжения в контактах практически при всех реальных нафузках близки пределу прочности частиц. Рост а может привести к массовому разрушению частиц. В этом случае будем иметь cpmm.
Гравийно-галечниковые грунты состоят из обломков горных пород, которые под воздействием внешней среды приобрели окатанную форму.
Каждая частица в отдельности обычно не имеет трещин. Частицы гравийногапечникового грунта состоят на 20-30% из обломков глубинных горных пород и на 7080% осадочных. Осадочные породы представлены в меньшей степени песчаниками и в большей степени известняками, которые и придают им часто серый цвет. Высокая прочность отдельных частиц гра вийногалечникового грунта предопределяет границу массового разрушения 2,0±0,5 МПа (значения [ст] получены экспериментально).
Горная масса, полученная в результате взрывов скального грунта и используемая в практике плотиностроения, отличается угловатой формой и меньшей прочностью большинства отдельных частиц, слагающих грунт. Эти частицы содержат микротрещины, образованные взрывом или другими причинами, поэтому средние напряжения, соответствующие началу массового разрушения частиц, ниже: 1,2±0,5 МПа. Но при малых напряжениях (ст<0,1 МПа) угол сдвига горной массы по сравнению с углом сдвига галечников выше на 24°. Эта разница и есть влияние состояния поверхности частиц на угол внутреннего трения. Для оценки прочности крупнообломочного грунта при криволинейной огибающей часто используют не <р и с, а угол сдвига \р, который определяют из формулы (11.24) при условии, что с= 0. Каждому значению ц/ ставят в соответствие ati стп или стз. Значения vj/ для русловых галечников плотины Инфернильо при /о>0,9 и горной массы андезитов приведены на рис. 11.11.
Формулы (11.26) и (11.27) можно использовать при 0,2 МПа. Характерной особенностью гравийногалечникового грунта является стабильность их свойств, что объясняется сравнительной близостью гранулометрических и минералогических составов. Гравийногалечниковые грунты в Мексике, Иркутске, с о. Тайвань и в Средней Азии обладают близкими значениями и характеристиками деформируемости, если D у них равны. Правда, и в этом правиле встречаются исключения террасовые выветрелые галечники, у которых [СУ] 0,5-0,7 МПа; зависимость (11.26) в этом случае неприменима.
Как следует из выражения (11.27), при высоких а горная масса имеет меньшую прочность, чем гравийногалечниковый грунт.
Плотность укладки крупнозернистых грунтов можно оценивать по зависимости (7.12), а угол сдвига при а>0 согласно
По данным лабораторных и полевых экспериментов, значения параметров в формуле (11.28) зависят от вида грунта и могут для предварительных оценок выбираться по табл. 11.1.
Максимальные значения обычно не превосходят для горной массы 53° и для травийногалечниковых грунтов 51°. В целом очень приближенно влияние плотности укладки крупнозернистых грунтов можно оценивать по правилу, согласно которому увеличение пористости грунта на 1% приводит к уменьшению у/на 1°.
Особое место в классе грунтовых материалов занимают мерзлые грунты, прочность которых во многом определяется прочностными свойствами льда. Лёд под нагрузкой сильно деформируется во времени и теряет прочность. Поэтому для мёрзлых грунтов выделяют мгновенное и длительное сцепление. В зависимости от температуры у глин (PF=30-40 %) мгновенное сцепление меняется от 0,6 (при Т212,6 К) до 1,6 МПа (Т269 К). Соответственно длительная прочность равна 0,18 и 0,42 МПа, т. е. уменьшается в 4 раза. Пылеватые пески (FF=23%) имеют мгновенное сцепление 1,1 (Т212,6 К) и 2,0 МПа (74269 К), а длительное 0,21 и 0,45 МПа.
