книги / Механика грунтов

Представим себе сосуд, наполненный водой и закрытый поршнем ((рис. 31), имеющим несколько отверстий. Поршень поддерживается металлической пружиной, причем пружина мо­ жет быть упругой (например, стальной) или упруго-вязкой (на­ пример, свинцовой). Вода, находящаяся в сосуде-, будет изобра­ жать грунтовую воду, пружина—скелет грунта (упругий или уп­ руго-вязкий) и отверстия ;в поршне —•капилляры грунта. Понят­ но, что такая модель не будет полностью отображать сложней­

Если к поршню приложить внешнюю нагрузку интенсив­ ностью р кг!см2, то в первый момент нагрузка будет переда­ ваться полностью на воду, так как для того чтобы пружина могла сжаться и воспринять некоторое давление, вода должна вытечь из сосуда. Если отверстия в поршне крупные, то вода вытечет быстро, а давление быстро передастся на пружину. Если же отверстия очень мелкие, то выдавливание воды будет чрезвычайно медленным, и полная деформация пружины прои­ зойдет лишь спустя длительное время. Чем меньше отверстия, тем медленнее будет происходить сжатие пружины. Через неко­ торый промежуток времени, который зависит от скорости выте­ кания воды, пружина полностью воспримет внешнюю нагрузку, что будет соответствовать состоянию равновесия в грунтовой массе. Описанная модель дает ясное представление о процессе сжатия грунтовой массы. Если снять внешнюю нагрузку с пор­ шня, то последний будет стремиться занять первоначальное по­ ложение, при этом соответствующее количество воды всасывает­ ся сосудом. Если пружина обладает не полной упругостью, то поршень не придет в первоначальное положение, и будет на-

ной нагрузке происходит под действием гидростатического на­

Рие. 32. Кривые протекания осадок во времени для грунтов различной водопроницаемости

1— песок: 2 — суглинок; 3— глина

пей нагрузкой интенсивностью р кг/см2 равен

Н = —

К

где Тв — объемный вес воды ( = 0,001 к г1 см 3).

Давление, например, в 2 " к г /с м 2 будет соответствовать напору

Н= — = 2000 см = 2 0 м ,

0,001

т . е. 20 м. во д . ст.

Поэтому это давление и называется н е й т р а л ь н ы м д а в л е ­ н и е м / ^ *

Если нейтральное давление положительно, то оно называется н о р о в ы м д а в л е н и е м воды.

•Можно показать, что на любой глубине г, отсчитываемой от

(т — Т.) = Т'.

то эффективное давление равно объемному весу грунта с учетом взвешивающего действия воды

Рг = Т'2- ( а з)

Таким образом, в рассматриваемом случае эффективное дав­ ление в скелете водонасыщенного грунта равно давлению от ве­ са столба взвешенного в воде грунта.

Установленные понятия об эффективном и нейтральном дав­ лениях можно распространить и на любые нормальные напря­ жения, действующие в водонасыщенном грунте.

В общем случаебудем иметь

т. е. полное напряжение о (иногда его называют тотальным на­ пряжением) в любой точке водонасыщенного грунта равно эф­ фективному напряжению а', передающемуся на скелет грунта, и нейтральному напряжению (поровому давлению) в воде и. Отсюда получаем, что эффективное напряжение равно разности между полным и нейтральным напряжениями, т. е.

§ 4. ТРЕНИЕ В ГРУНТАХ. ПРЕДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СДВИГУ. ЗАКОН КУЛОНА

Значение вопроса

Под действием внешних сил возникающие в грунтах напря­ жения, как было рассмотрено в предыдущем параграфе, скла­ дываются из эффективных напряжений в скелете грунта и из: нейтральных напряжений (гидростатического давления) в поровой воде. При некоторой величине нагрузки эффективные на­ пряжения могут оказаться такими, что преодолеют внутренние связи в грунте и трение между его частицами, и произойдет на­ рушение сплошности грунта в некоторой его области по воз­ можным поверхностям скольжения, а это в свою очередь мо­ жет явиться причиной нарушения прочности и устойчивости все­ го массива грунта.

Согласно существующим теориям прочности, которые обосно­ вываются соответствующими испытаниями, основным прочност­ ным показателем любых материалов, в том числе и грунтов, является их сопротивление сдвигу, зависящее от физического и напряженного состояний материалов. Если грунт в геологиче­ ском прошлом был подвергнут некоторым воздействиям, на­ пример внешнему давлению, то, будучи изъят из пласта, он почти не потеряет своей связности, так как поровая вода перей­ дет в состояние растяжения, и возникнет капиллярное давление в известной части (но, по-видимому, неполностью), эквивалент­ ное прежним воздействиям, или будет наблюдаться остаточная связность грунта как результат всех предыдущих на него влия­ ний. Сопротивление сдвигу грунтов и будет складываться из со­ противления трению твердых частиц по поверхностям скольже­ ния, что является характерной особенностью именно для грун­ тов как рыхлых горных пород, и из сопротивления связности,, причем для сыпучих грунтов только из сопротивления трению.

Вопрос о сопротивлении сдвигу грунтов и характеризующих его закономерностях является координальным в механике грунтов; ему посвящено значительное число исследовательских работ как в прежние годы, так и в настоящее время1, что вызы­ вает необходимость подробно остановиться на результатах изу­ чения этого вопроса, отметив его чрезвычайную важность для практики строительства.

Оценка сопротивления сдвигу грунтов имеет огромное прак­ тическое значение, так как без знания характеристик сопротив­ ления сдвигу невозможны расчеты прочности и устойчивости грунтов и давления их на ограждения. Определение предельных нагрузок в основаниях сооружений, прогноз устойчивости отко­ сов при оползнях природных склонов и устойчивости земляных сооружений; определение давления грунтов на ограждения (в том числе на подпорные стенки и в горных выработках) — все это базируется на экспериментально устанавливаемой зави­ симости между давлением и сопротивлением грунтов сдвигу.

Сопротивление грунтов сдвигу изучается в условиях предель­ ного напряженного состояния, соответствующего незатухающим скольжениям (сдвигам) одной части грунта по другой. Сопро­ тивление сдвигу в несвязных (сыпучих) грунтах возможно толь­ ко как сопротивление внутреннему трению их частиц между собой. В связных же грунтах, частицы которых связаны между собой адсорбированными пленками воды, коллоидами, цементи­ рующими веществами и пр. так, что они способны сопротив­ ляться всестороннему растяжению, сопротивление сдвигу скла­ дывается из трения частиц грунта и сил сцепления, только при преодолении которых и может возникать скольжение (сдвиг) одной части грунта по другой.

В сопротивление грунтов сдвигу всегда входит сопротивле­ ние их трению, что вообще присуще только дисперсным мате­ риалам в отличие от массивных горных пород и других оплош­ ных твердых тел, сопротивление сдвигу которых определяется (особенно в момент начала скольжения) лишь аилами сцепле­ ния. Таким образом, сопротивление грунтов сдвигу следует рас­ сматривать как более сложное явление, чем сопротивление сдвигу оплошных твердых тел.

Трение грунта представляет собой сопротивление взаимному сдвижению частиц и является функцией нормального давления, передаваемого на твердый • скелет грунта. Трение между твер­ дыми частицами грунта, насыщенного водой, будет возникать лишь от эффективных давлений, передающихся на скелет грун­ та. Для крупнозернистых грунтов с жестким скелетом, процесс сжатия которых протекает весьма быстро, практически сейчас же после загрузки образца давление полностью передастся на скелет грунта. При испытании такого образца на сдвиг в нем полностью проявляется внутреннее трение.

Для глинистых грунтов величина трения зависит от того, ка­ кая часть внешней нагрузки передалась на скелет грунта. Если на скелет грунта передается не вся нагрузка, а часть ее воспринимается водой, заполняющей поры грунта, то в грунте будет наблюдаться уменьшенное сопротивление трению. Так, на­

пример, если разжиженную глину нагрузить и сейчас же под­ вергнуть образец сдвигу, то он даст незначительное сопротив­ ление; если же выждать до полного затухания осадки грунта под нагрузкой, то тот же образец даст значительно большее со­ противление сдвигу.

Насколько важен вопрос о правильном выборе величины расчетных характеристик сопротивления сдвигу, показывают следующие примеры.

Устойчивость канала в выемке глубиной 5 ж при коэффи­ циенте запаса 1,3, как показал соответствующий расчет1, потре­ бовала заложения откосов 1 : 4. Если же учесть сцепление грун­ та, равное всего лишь 0,05 кг/см2, то по условию устойчивости с тем же коэффициентом запаса будет достаточен откос с зало­ жением 1 : 1,5, что позволяет сократить объем земляных работ на 61 500 ж3 на каждый километр канала.

Наряду с этим введение в расчет преувеличенного значения угла внутреннего трения (например, при определении давления грунтов на подпорные стенки) идет в ущерб запаса прочности и может привести к нежелательным деформациям сооружений. Так, например, известен случай при возведении набережной Об­ водного канала в Ленишпраде, ко1дда в .расчете был принят не­ сколько завышенный (примерно на 30%) угол трения грунта, что вызвало оползание участка набережной длиной 100 ж.

Из указанных примеров ясно, что установление правильной величины расчетных характеристик сопротивления грунтов сдви­ гу имеет первостепенное значение для практики.

Понятие о трении и скольжении в грунтах

Рассмотрим элементарную задачу. Допустим на некоторой площадке, наклоненной под углом 6 к горизонту, покоится те­ ло М весом Р (рис. 34). Разложим силу Р на две составляю­ щие: Рп>перпендикулярную к площадке, и Р(, параллельную ей Составляющая Р ( будет стре­ миться сдвинуть тело М вниз по наклонной площадке, а со­ ставляющая Р п будет прижи­ мать тело М, вызывая противоположныё движению силы трения, которые, как известно