книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

жин. Особое внимание уделяется тому, чтобы образцы грунта по физическому состоянию соответствовали условиям естественного залегания. В этом случае они называются образцами ненарушен­ ной структуры. При проектировании грунтовых сооружений ис­ пытываются специально изготовленные образцы, состояние кото­ рых должно соответствовать тому, которое грунты будут иметь в теле сооружения. Они называются образцами нарушенной стру­ ктуры.

Полевые испытания характеристик механических свойств грун­ тов обычно значительно более трудоемки и дорогостоящи. В то же время полевые испытания обеспечивают наиболее полное соответ­ ствие грунта условиям его естественного залегания. В ряде случаев (при невозможности отбора образцов без существенного нарушения природного состояния, например для водонасыщенных песков, гли­ нистых грунтов текучей консистенции; при испытаниях трещинова­ тых скальных пород в массиве и т. п.) они являются единственным способом определения характеристик механических свойств.

Необходимым требованием является также соответствие напря­ женно-деформированного состояния и условий деформирования ис­ пытываемого грунта тем, которые будут иметь место в основании или сооружении. Это достигается выбором соответствующих схем испытаний и режимов проведения опытов. При проектировании ответственных сооружений проведение полевых испытаний наряду с лабораторными является обязательным.

Основные схемы лабораторных испытаний. Наиболее распрост­ раненные схемы испытаний представлены на рис. 4.1. Нормальные силы Fx, Fy, Fz, прикладываемые определенным образом к торцевым и боковым поверхностям образцов, вызывают в них нормальные напряжения ах, <ту, az, а сдвигающая сила Т — касательные напряже­ ния т в плоскости сдвига (пунктирная линия на рис. 4.1, в).

Простейшая схема — одноосное сжатие образца (рис. 4.1, а) — применяется только для испытания прочных связных грунтов (скальные, мерзлые грунты, плотные маловлажные глины и т. п.). В опытах используются образцы цилиндрической или призматичес­ кой формы. Особенностями схемы являются отсутствие боковых напряжений ((тх=ау= 0) и возможность неограниченного развития боковых деформаций (ех= е,-» оо). Эта схема в наименьшей степени соответствует действительным условиям деформирования некото­ рого объема грунта в массиве, так как не учитывает реакции окру­ жающего его грунта, ограничивающие боковые перемещения. Если заменить сжимающие силы Fz на растягивающие, получим схему одноосного растяжения образца. Все указанные ограничения для нее также будут действительными.

Одноосное сжатие или растяжение используется для определения как деформационных, так и прочностных характеристик.

81

дартном компрессионном приборе не представляется возможным. Кроме того, в контактах между торцами образца,, штампом и дни­ щем прибора и между боковыми поверхностями образца и метал­ лическим кольцом возникают также неопределенные касательные напряжения.

Непосредственно схема компрессионных испытаний близка лишь ограниченному кругу инженерных задач, которые можно рас­ сматривать как одномерные (уплотнение грунта при горизонталь­ ном напластовании под действием собственного веса; осадка огра­ ниченной толщи грунта в основании развитого в плане плитного фундамента и т. п.). Однако результаты компрессионных испытаний с определенными допущениями широко используются в расчетах и более сложных задач.

Наиболее простой схемой определения прочностных характери­ стик является схема одн оплоскостного сдви га (рис. 4.1, в). Образец грунта помешается в жесткое металлическое кольцо, раз-

82

резанное на две части (верхнюю и нижнюю), между которыми имеется зазор. Прикладывая к образцу через штамп нормальную силу Fz, добиваются уплотнения грунта в условиях компрессии до требуемого состояния. Затем с помощью горизонтальной силы Т производится разрушение образца путем сдвига одной его части по другой. Характеристики прочности грунта определяются как параметры функции сдвигающих напряжений х=Т/Л от нормаль­ ных напряжений <J =FZ/A , где А — площадь сечения образца.

Основными недостатками сдвиговых испытаний, так же как и компрессионных, являются неполная определенность напряжен­ ного состояния образца и изменчивость значений о и т в процессе сдвига. Кроме того, эта схема предусматривает разрушение образца по заранее заданной, фиксированной зазором поверхности сдвига. Наличие в пределах этой поверхности более прочных включений или, наоборот, ослаблений, не характерных для всего образца, может привести к случайным результатам.

Вприродных условиях схема одноплоскостного сдвига в наи­ большей степени соответствует сдвигу фундамента или сооружения

сприлегающим к нему грунтом по основанию под действием горизонтальных сил или сдвигу одной части грунта по другой при наличии фиксированной поверхности разрушения, например слабой прослойки; Тем не менее эта схема широко используется в произ­ водственной практике.

Внаибольшей степени напряженно-деформированному состоя­ нию образца в массиве соответствуют испытания по схеме трехос­

ного нагруж ения. Различаются схемы стабилометрического на­ гружения цилиндрического образца при аг>ау=ахфЬ (рис. 4.1, г) и нагружения кубического образца независимыми нормальными напряжениями az^ a y^ a x^ 0 (рис. 4.1, д). Конструкции приборов для трехосных испытаний грунта предусматривают передачу усилий на боковую поверхность образца через гибкие резиновые оболочки, что препятствует развитию касательных напряжений по поверх­ ности образца. Следовательно, указанные выше компоненты напря­ жений соответствуют главным напряжениям, т. е. ог=ах\ <ту=<г2; (тх=ет3. Разрушение образца за счет сдвига происходит не по какойто фиксированной поверхности, как в приборе одноплоскостного сдвига, а по некоторым наклоненным к оси z площадкам, где устанавливается предельное соотношение между напряжениями т и с .

Схема трехосных испытаний позволяет с наибольшей точностью определить как деформационные, так и прочностные характеристи­ ки грунтов, используемые для различных, включая самые сложные, моделей. Однако конструкции приборов и методики экспериментов при этом существенно усложняются по сравнению с компресси­ онными и сдвиговыми испытаниями. Схема стабилометрического

83

нагружения в промышленном н гражданском строительстве исполь­ зуется при проектировании ответственных сооружений. Схема на­ гружения независимыми главными напряжениями применяется для исследовательских целей или в особо сложных случаях. При мас­ совом строительстве для определения характеристик деформацион­ ных и прочностных свойств пользуются, как правило, компрессион­ ными и сдвиговыми испытаниями грунтов.

Режимы испытания образцов. Для определения характеристик механических свойств грунтов важное значение имеет режим ис­ пытаний, прежде всего характер нагружения образцов. В большин­ стве случаев испытания проводятся при стати ческ ом нагружении, заключающемся в медленном изменении прикладываемых к образ­ цу отдельными ступенями нагрузок, имитирующем процесс стро­ ительства. При этом каждая следующая ступень нагрузки прикла­ дывается после стабилизации деформаций от предыдущей ступени. При необходимости (фундаменты под машины, сооружения с дина­ мическими нагрузками и т. п.) к этому добавляется динам ическое нагружение, имитирующее соответствующее импульсное или виб­ рационное воздействие. В последующих главах учебника рассмат­ риваются в основном характеристики механических свойств грунтов при статическом нагружении. Способы определения динамических характеристик грунтов подробно изложены в учебнике П. Л. Ивано­ ва (1991), работах А. К. Бугрова, Н. Д. Красникова, Г. М. Ляхова и др.

При проведении испытаний образцов грунта необходимо учиты­ вать физические процессы, которые будут происходить в основа­ нии в результате строительства. К ним прежде всего относятся обеспечение возможности оттока воды при испытаниях образцов водонасыщенных грунтов, дополнительного увлажнения лёссовых просадочных или глинистых набухающих грунтов, изменения тем­ пературы вплоть до оттаивания мерзлых грунтов и некоторые другие особенности проведения экспериментов.

Важно всегда помнить, что от того, насколько состояние ис­ пытываемых образцов грунта соответствует его состоянию в усло­ виях натуры, насколько правильно выбраны схема и режим прове­ дения испытания, будут во многом зависеть достоверность получен­ ных характеристик механических свойств и в конечном счете соот­ ветствие действительности сделанных при проектировании прогно­ зов.

В настоящей главе изучаются механические свойства наиболее распространенных типов грунтов. Дополнительные особенности ме­ ханических свойств структурно-неустойчивых грунтов будут рас­ смотрены в гл. 15.

84

4.2.Деформируемость грунтов

Физические представлении. Под действием нагрузок, передава­ емых сооружениями, грунты основания могут испытывать большие объемные и сдвиговые деформации. Это приводит к развитию значительных вертикальных и горизонтальных перемещений повер­ хности оснований (осадки и сдвиги) и установленных на них соору­ жений.

Деформации грунтов имеют упругий и пластический характер. Упругие деформации возникают при условии сохранения структур­ ного каркаса и связей в грунте, происходят без относительного смещения твердых частиц и обусловливаются лишь упругим сжати­ ем скелета грунта, самих частиц и норовой воды. Они развиваются под действием статических нагрузок, не превышающих структурной прочности грунта, или кратковременных динамических нагрузок. При снятии нагрузок (разгрузка дна котлована при его разработке) восстановление деформаций (подъем дна котлована) происходит по закону упругого деформирования.

При нагрузках, превышающих структурную прочность грунта, связи между частицами, образующими скелет, начинают разру­ шаться. Возникают пластические деформации, вызванные отно­ сительным пёремещением частиц. Пластические деформации, как правило, развиваются во времени: чем больше в грунте содержится глинистых частиц, тем медленнее в нем протекает процесс развития пластических деформаций. Это связано с резким уменьшением скорости отжатия воды по тонким капиллярам пор глинистого грунта, с особыми свойствами связанной воды, с вязким сопро­ тивлением относительному перемещению самих глинистых частиц. В песках средней крупности и крупных, крупнообломочных и тре­ щиноватых скальных грунтах скорость развития пластических де­ формаций на несколько порядков больше, чем в глинистых грунтах. Пластические деформации значительно превышают упругие и то­ лько в малотрещиноватых скальных грунтах могут быть отно­ сительно невелики.

Пластические деформации в грунтах можно разделить на объем­ ные и сдвиговые. Объемные деформации приводят к изменению объема пор в грунте, т. е. к его уплотнению, сдвиговые — к измене­ нию его первоначальной формы и могут вызвать разрушение грун­ та. В водонасыщенных грунтах объемные деформации сопровожда­ ются отжатием воды из пор грунта и имеют очень сложный харак­ тер.

В ряде случаев (динамическое воздействие на грунты, отрывка глубоких котлованов и т. п.) производится раздельное изучение упругих и пластических деформаций. Однако в большинстве случаев оказывается возможным ограничиться изучением лишь общих

85

(суммарных) деформаций и вызываемых ими общих перемещений в массиве грунта.

Одноосные испытания. В опытах используются образцы цилинд­ рической или призматической формы с диаметром или стороной поперечного сечения 40...45 мм (рис. 4.2, а). Торцы образца, через которые с помощью пресса передается нагружение, должны быть строго параллельны и гладко отшлифованы. Чтобы в наибольшей степени исключить влияние трения на торцах и обеспечить равно­ мерное напряженное состояние в средней части образца, его высота должна быть в 2...3 раза больше ширины или диаметра.

Для определения продольных и поперечных деформаций в сред­ ней части боковой поверхности образца наклеиваются тензодат­ чики. Нагружение производится ступенями в зависимости от про­ чности грунта.

Образец нагружается до величины, соответствующей (0,3...0,5) Л» где Rс — предел прочности образца грунта на одноосное сжатие (см. § 4.4). После этого также ступенями образец полностью раз­ гружается. Характерные кривые деформируемости образца скаль­ ного грунта представлены на рис. 4.2, б.

В качестве деформационных характеристик используются следу­ ющие показатели: Е — модуль деформации, Е' — модуль упруго­ сти, v — коэффициент Пуассона. Величины Е л Е' определяются по одной и той же формуле в требуемом интервале изменения напря­ жений £=А<г/Аех. При этом модуль деформации определяется по ветви нагружения и характеризует общие (упругие и пластические) деформации образца ex= ^ + ef, а модуль упругости — по ветви разгрузки и характеризует лишь восстанавливающиеся деформации

Для малотрещиноватых скальных грунтов эти величины близки между собой и различаются

86

для большинства образцов скальных грунтов мало меняется при нагружении и разгрузке и составляет порядка ОД...0,3.

Компрессионные испытания. Схема одометра компрессионно­ го прибора показана на рис. 4.3. Образец грунта 7, помещенный в металлическое кольцо 2, устанавливается на днище 3. Сверху на образец через штамп 5 с помощью нагрузочного устройства отдельными ступенями передается сила F, вызывающая в образце сжимающие напряжения a=FjA, где А — площадь поперечного сечения образца. В днище и штампе имеются тонкие отверстия 4, обеспечивающие отток поровой воды при сжатии образца грун­ та или, наоборот, поступление воды в грунт при необходимых условиях испытания. Под действием силы / происходит вертикаль­ ное перемещение штампа, вызывающее осадку образца. Величина этих перемещений измеряется индикаторами часового типа 6, уста­ навливаемыми на штампе одометра. Чтобы уменьшить влия­ ние силы трения деформирующегося образца грунта о стенки коль­ ца, диаметр образца должен в три раза и более превышать его высоту.

Увеличивая ступенями сжимающее напряжение а и дожидаясь стабилизации деформаций от каждой ступени нагружения, можно определить конечную осадку образца грунта s, соответствующую данной ступени нагружения. Тогда мерой количественной оценки деформируемости грунта в условиях компрессионного сжатия будет служить относительная деформация сжатия e=sfht где h — первона­ чальная высота образца.

Аналогичным образом, производя ступенями разгрузку образца, можно получить зависимость относительной деформации удлине­ ния (разуплотнения) образца при уменьшении напряжения. Харак­ тер графиков соответствующих испытаний представлен в нижней части рис. 4.4.

Компрессионная кривая. Поскольку уплотнение и разуплотнение грунта непосредственно связаны с изменением его пористости в проектно-изыскательской практике результаты компрессионных

87

компрессионного прибора происходит только за счет уменьшения объема пор. Следовательно, объем твердых частиц в образце грунта К] в процессе его уплотнения остается постоянным, а объем пор Уг+ Уз уменьшается. Тогда в соответствии с определением умень­ шение коэффициента пористости при изменении объема образца грунта в связи с его уплотнением будет иметь вид

где е0— начальное значение коэффициента пористости образца, вычисленное по формуле (2.10); е, — коэффициент пористости об­ разца при действии сжимающего напряжения а,.

С другой стороны, поскольку образец деформируется без воз­ можности бокового расширения, общее уменьшение объема пор (пористости) А (К2+ К3) будет численно равно произведению осадки образца s-, на его площадь А, т. е. А п,=М . Объем твердых частиц в образце в соответствии с формулой (2.11) определится как

Ah.

1+ео

Тогда выражение (4.1) можно представить в виде

Формулой (4.2) пользуются для вычисления коэффициентов пористости грунта при каждой данной ступени нагрузки и пост­ роения по резульатам опытов компрессионной кривой. Естествен­ но, что эти же рассуждения соответствуют и случаю разгрузки образца, тогда в формулах (4.1) и (4.2) знак минус надо заменить на плюс.

Структурная прочность грунта. Приведенная на рис. 4.4 компрес­ сионная кривая соответствует результатам испытаний образцов песчаных грунтов или глинистых грунтов нарушенной структуры. Во многих случаях глинистые грунты ненарушенной структуры обладают структурн ой прочностью , обусловленной связями между частицами и придающей скелету грунта способность выдер­ живать некоторую нагрузку до начала разрушения его каркаса. Выше отмечалось, что при нагрузках, не превышающих структур­ ной прочности грунта, в нем развиваются только упругие дефор­ мации.

Это наглядно проявляется при компрессионных испытаниях. Постепенное нагружение образца грунта, обладающего структур-

88

е

Рис. 4.4. Компрессионные кривые в за­ висимости изменения относительной деформации от напряжения:

1 — нагружение; 2 — разгрузка

ной прочностью, при малых ступенях нагрузки вызовет липп. матп.ц» по величине упругие деформации. Коэффициент пористости грунта при этом практически не меняется (начальный участок кривой 1 на рис. 4.5). По достижении нагрузкой структурной прочности начина­ ется разрушение скелета, сопровождающееся перекомпоновкой ча­ стиц, уплотнением грунта и приводящее к уменьшению коэффици­ ента пористости. Таким образом, структурная прочность грунта а3,г может быть определена опытным путем по характерному изме­ нению компрессионной кривой.

Структурная прочность различных типов грунтов может изме­ няться в широких пределах: от 0,01...0,05 МПа для слабых водона­ сыщенных глинистых грунтов до 0,15...0,20 МПа для Маловлажных лёссовых грунтов. Понятие структурной прочности грунта иногда используют для ограничения мощности сжимаемой толщи под подошвой фундамента, полагая, что при напряжениях в основании, не превышающих этой величины, уплотнение грунта не происходит.

При нарушении природной структуры грунта происходит раз­ рушение связей между частицами скелета. Если даже начальная плотность грунта нарушенной структуры будет такая же, как и грунта естественной структуры, то его уплотнение все равно начнет­ ся при самых малых нагрузках и сжимаемость будет значительно больше (кривая 2 на рис. 4.5). Поэтому, в частности, и осадки сооружений на насыпных грунтах обычно превышают осадки соору­ жений на естественных основаниях. -

Коэффициент сжимаемости. Компрессионная кривая грунта нару­ шенной или ненарушенной структуры за пределами нагрузок, соот­ ветствующих структурной прочности, может быть описана уравне­ нием, впервые предложенным К. Терцаги:

89

где а, ст0, &— параметры, определяемые по трем точкам опытной

кривой при различных значениях а.

Однако использование этого уравнения для инженерных целей неудобно, поэтому в практических расчетах обычно исходят из того, что при небольших изменениях сжимающих напряжений (порядка 0,1...0,3 МПа для различных грунтов) участок компрессионной кри­ вой за пределами структурной прочности с достаточной точностью можно заменить отрезком прямой (рис. 4.6, а).

В этом случае вводится понятие коэф ф и ц иента сж им аем о ­ сти тс, кПа-1, определяемого как отношение изменения коэффици­ ента пористости грунта к изменению сжимающего напряжения и чи­ сленно равного tga:

Коэффициент сжимаемости характеризует способность грунта уплотняться при увеличении сжимающего напряжения. Важно от­ метить, что из-за криволинейного характера графика компрессион­ ных испытаний коэффициент сжимаемости будет зависеть от ин­ тервала выбранных напряжений. При одинаковых значениях & и о" более сжимаемым будет тот грунт, у которого тщ будет больше, а следовательно, и осадка сооружения, возведенного на этих грун­ тах, при прочих равных условиях превысит осадку сооружения на грунтах с меньшим коэффициентом сжимаемости.

Если в уравнении (4.4) записать А е=е'—е" и Ао = о "—о', т. е. перейти к приращениям, то получим

Это соотношение имеет важное зна­

кчение для расчета осадок оснований сооружений. Его часто называют за ­

хпористости грун та п р оп орц и он а ­

90