Угол внутреннего трения грунта физический смысл – Тема 5. Понятие об основных закономерностях механики грунтов. Определение в лабораторных и в полевых условиях механических характеристик грунтов, оценка по ним свойств грунтов

33. Предельное сопротивление фунтов сдвигу при прямом плоскостном срезе.

1- подвижная обойма

2 - неподвижная обойма

3 - образец грунта в мет кольце

4 - линия среза или сдвига

5 – перфорированная нагрузка

6 - сдвигающая нагрузка, приклад возраст ступенями

7 – сжимающая уплотняющая нагрузка P

8 – индикатор замеряющий горизонтальные деформации

9 - индикатор замеряющий вертикальные деформации

Порядок испытаний:

1. Образец грунта помещается в сдвиговый прибор

2. На него с помощью штампа ступенями передается сжимающее усилие Р, под действием которого происходит осадка образца S (индикатор 9). Под действием ступеней возрастают сжимающие напряжения σ=P/A (индикаторы), А – площадь образца.

3. Затем при σ =const к верхней обойме также ступенями прикладывается горизонтальное усилие. Под действием касательных напряжений τ=Т/А развиваются горизонтальные перемещения в верхней части образца

, измеряемые индикатором. По мере увеличения горизонтальные перемещения возрастают и при некотором предельном значении τ = τ пр дальнейшее перемещение образца происходит без увеличения сдвигающего напряжения. Это свидетельствует о разрушении образца

τ пр – предельное сопротивление сдвигу. По результатам строятся графики.

τ пр = σ*tgφ= σ*f - Закон Кулона для песчаного гр.

φ – угол внутреннего трения

f – коэффициент внутреннего трения

τ пр = σ*tgφ+C - Закон Кулона для глинистого грунта

С – удельное сопротивление грунта.

Прямая на графике это линия предельного равновесия. И комбинация нагрузок характеризуется точками лежащими ниже этой линии.

34. Графики испытания грунта на сдвиг. По результатам строятся графики.

τ пр = σ*tgφ= σ*f - Закон Кулона для песчаного гр.

φ – угол внутреннего трения

f – коэффициент внутреннего трения

τ пр = σ*tgφ+C - Закон Кулона для глинистого грунта

С – удельное сопротивление грунта.

Прямая на графике это линия предельного равновесия. И комбинация нагрузок характеризуется точками лежащими ниже этой линии.

35. Закон Кулона для несвязных и связных фунтов.

Закон сопротивления пылевато-глинистых грунтов сдвигу формулируется так: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершенной их консолидации есть функция первой степени нормального напряжения.

Для определения истинных значений сцепления и угла внут­реннего трения необходимо испытывать образцы, находящиеся в одном и том же состоянии по плотности. С этой целью об­разцы грунта иногда испытывают на сдвиг сразу же после приложения нагрузки, не дожидаясь их консолидации. Однако такое испытание не позволяет учитывать упрочнение грунтов в связи с их уплотнением в основании под действием приложен­ной нагрузки. По результатам строятся графики.

τ пр = σ*tgφ= σ*f - Закон Кулона для песчаного грунта

τ пр – предельное сопротивление сдвигу

φ – угол внутреннего трения

f – коэффициент внутреннего трения

τ пр = σ*tgφ+C - Закон Кулона для глинистого грунта

С – удельное сопротивление грунта.

Прямая на графике это линия предельного равновесия. И комбинация нагрузок характеризуется точками лежащими ниже этой линии.

Глина: до 250 ; С до 1 кгс/см2

Песок: до 300 ; С до 0,1 кгс/см2

39. Что такое открытая и закрытая системы испытаний глинистого грунта?

При открытой системе вода имеет возможность под действием передающегося на нее давления выходить из пор грунта наружу, то есть отфильтровываться. При закрытой системе вода не имеет возможности выходить из грунта, то есть вода полностью остается в порах грунта и не перемещается.

40. Что такое полное, эффективное и нейтральное давления? Что называется гидростатическим и поровым давлениями?

Полное давление - это все давление, приходящееся на данную площадку. Эффективное давление - это часть полного давления, воспринимаемая минеральным скелетом грунта.

Нейтральное давление - давление, воспринимаемое водой. Таким образом, эффективное и нейтральное давления составляют полное давление. Гидростатическое и поровое давления составляют в сумме давление в воде, то есть нейтральное давление. Гидростатическое давление - это давление, которое установится в воде, когда полностью исчезнет избыточное по отношению к нему давление, то есть поровое давление.

Эффективным давление на скелет грунта называется потому, что оно повышает сопротивление грунта срезу.

41. Каково минимальное число опытов для определения угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с?

Поскольку неизвестных две величины, то и минимальное число опытов - два (потом решаются два уравнения с двумя неизвест­ными). Для несвязного грунта, у которого с = 0, минимально воз­можен один опыт, с помощью которого устанавливается величина угла внутреннего трения φ. Это и есть минимальное количество опытов, но исключающее возможность статистической обработки результатов.

42. Какие методы определения характеристик прочности грунтов в полевых условиях вы знаете?

В полевых условиях в основном распространены следующие методы испытаний: 1) сдвиг штампа, прибетонированного к грунту; 2) срез целика, помещенного в обойму и нагруженного сверху нагрузкой; 3) испытание крыльчаткой; 4) зондирование с помощью конуса.

При сдвиге штампа он обычно прибетонируется к основанию и часть цементного раствора затекает в грунт, обеспечивая контактное сцепление. Сдвиг целика по существу воспроизводит срезной прибор. Нагрузка сверху и сдвигающие усилия создаются домкратами, упирающимися в вертикальный портал и в упорный массив. Об испытании крыльчаткой и зондированием см.вопрос 43.

43. Что такое крыльчатка и какую характеристику прочности можно получить с ее помощью?

Крыльчатка представляет собой две одинаковые прямоугольные взаимно перпендикулярные, расположенные в вертикальной плоскости пластинки, насаженные на вертикальную ось (см. рис.). К этой оси прикла- дывается крутящий момент М и измеряется его предельная величина. По крутящему моменту вычисляется сопротивление сдвигу глинистого грунта τs, имея в виду, что τs определяется сцеплением грунта (трение не учитывается, поэтому результаты более надежны для грунтов с относительно малым углом внутреннего трения и при малых глубинах испытаний, где давление от собственного веса грунта невелико).

При расчетах принимают обычно, что получаемое по лопастным испытаниям сопротивление сдвигу τs приближенно равно общему сцеплению грунта, т.е. τs≈ с.

44. Принцип линейной деформируемости? Какова зависимость между общими деформациями и напряжениями?

При не очень больших изменениях внешних давлений (1-3кгс/см2), а для плотных и твердых (5-7кгс/см2) с достаточной для практических целей точностью зависимость между деформациями ε и напряжениями σ может приниматься линейной. Это значительно упрощает расчеты и не вносит в них недопустимых погрешностей.Как показано проф. Н.М.Герсевановым (1931), если зависимость между общими деформациями и напряжениями линейна, то для определения напряжений в грунтах полностью будут применимы решения теории упругости.

Изложенное позволяет сформулировать принцип линейной деформируемости:

-при небольших изменениях давлений, грунты можно рассматривать как линейно деформируемые тела.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ.

22. Механические свойства грунтов.

Механические свойства грунта отражают его способность сопротивляться механическим воздействиям. Такие свойства разделяют на деформационные и прочностные.

Все механические характеристики грунта делятся на 3 группы:

1-для оценки деформативных свойств грунта:

mv- коэф относительной сжимаемости основания

m0-коэф сжимаемости основания (см2/кг; МПа-1)

Е0-модуль общей линейной деформации (кг/см2, МПа)

2-для оценки фильтрационных свойств грунта

Кф-коэф фильтрации (см/с; м/сут)

l-гидравлический градиент

3-для оценки прочностных свойств грунтов

ⱷ- угол внутреннего грунта (град)

с-удельное сцепление (кг/см2, МПа)

23. Деформационные свойства грунтов. Их изучение в компрессионном приборе.

Деформативностью грунта называется его способность деформироваться под нагрузкой без разрушений (без образования в нем поверхности скольжения)

Зависимость деформаций от напряжений в грунте криволинейная, но при небольших напряжениях ее можно считать линейной.

Герсеванов в 1930г рассмотрел работу грунта в условиях возрастающей нагрузки, выделяя три фазы:

  1. Начальный участок - практически прямая линия, деформация на этом участке называется фазой уплотнения.

  2. Зависимость нарушается. Темп нарастания деформаций опережает темп нарастания нагрузок. Деформация называется фазой сдвига.

  3. Последний участок – момент нарушения равновесия грунта и вытирания его из фундамента. Деформация называется фазой вытирания.

При возрастании нагрузки на грунт различают 2 характерные ее величины при достижении которых резко меняется поведение грунта:

-первую, соответствующую началу перехода фазы уплотнения в фазу сдвига

-и вторую, когда исчерпывается несущая способность грунтового основания и наблюдается потеря прочности и устойчивости.

24. Деформационные характеристики грунтов.

Расчеты деформаций оснований выполняются как правило только для первой фазы(фазы уплотнения). В 1-ой фазе деформативность грунта оценивается характеристиками аналогичными параметрам упругого полупространства, которые используются в теории упругости: модуль деформации Е и коэффициент поперечных деформаций (Пуассона) µ, характеризующий отношение поперечных деформаций к продольным.

Е определяется в лабораторных условиях (одометр, стабилометр), в полевых – штамп, прессиометр, статическое зондирование.

25. Компрессионные испытания грунтов. Основной закон уплотнения.

Компрессия – это сжатие грунта без возможного бокового расширения.

Компрессионные испытания образца основаны на сжатии образца грунта цилиндрической формы вертикальной нагрузкой с замером вертикальных перемещений.

Т.к. твердые частицы грунта практически несжимаемы, уменьшение объема происходит только за счет уменьшения объема пор при этом объем образца уменьшается за счет оседания грунта под «штампиком» за счет вертикальной деформации. Это позволяет выражать изменение коэффициента пористости через осадки «штампика»

ei=e0 –(1+e0)*s/h.

ei-коэф пористости грунта на каждой ступени давления

e0-начальный коэф пористости (до начала испытаний)

s-осадка штампика (уменьшение высоты образца грунта), мм

h-высота образца грунта, мм

Результаты испытаний грунта в компрессионном приборе получаем в виде компрессионной кривой –зависимость коэф пористости еот давления Р:

Δе=-tgα*ΔP; Δе=m0*ΔP

е12=-m012)= m021)

m0-коэф сжимаемости (см2/кг; кПа-1)

Для расчета осадок удобнее пользоваться коэффициентом относительной сжимаемости mv=m0/(1+e0).

Закон компрессии грунта формулируется так: изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально изменению давления.

36.37. Испытание грунта по схеме трехосного сжатия в стабилометре.

Сдвиговые характеристики грунта можно определить в стабилометре.

Порядок: Цилиндрический образец грунта 1 помещается в рабочую камеру прибора 2, заполненный водой. Нормальное напряжениесоздается в образце через штамп 5 с помощью нагрузочного устройства. Боковое напряжение создается в водяной рабочей камере гидростатическим давлением. Изменение давления в камере производится манометром 4, а вертикальных перемещений индикаторами 3,

Прочностные характеристики в стабилометре определяются использованием нескольких образцов близнецов в каждом испытании при возрастающем вертикальном давлении и фиксированном боковом произойдет разрушение образца . Величины напряжений, соответствующие этим давлениям и откладываются на горизонтальной оси графика и строится круг Мора.

Теория прочности Кулона-Мора: Среднее главное напряжение не влияет на сопротивление грунта срезу или сдвигу.

Для песчаного грунта основное уравнение предельного равновесия :

Касательная из начала координат – линия предельного равновесия . Угол внутреннего трения определяется по графику.

Для глинистого грунта:

38. Полевые методы испытания на сдвиг

1, Основным методом является метод «крыльчатки». Применяется для пластичных слабых глинистых и илистых грунтов, а также водонасыщенных супесей, пробы которые взять трудно, не нарушив их структуры.

τs= 2Мкр/( π*d2*h*(1+d/3h))

В забой скважины в грунт вдавливается полостная крыльчатка ( крестовина), после чего вращение рукоятки производится полный поворот на 3600 и грунт срезается по цилиндрической поверхности, высотой h и d. При этом замеряется max скручивающий момент. По этому моменту и площади среза определяется предельное сопротивление срезу.

2. Сдвиг «целика»

39.40 Водопроницаемость грунтов. Законы движения воды в грунте.

Грунт представляет собой 3х фазную систему: он состоит из твердой, жидкой и газообразной составляющих. Жидкая составляющая, т.е. вода находится в порах грунта. Поры грунта могут представлять собой каналы различной формы и длины. Можно сделать предположение , что при движении воды по порам грунта потоки не будут пересекаться. Из курса гидравлики известно, что в этом случай движение будет ламинарным. Турбулентное движение возможно в скальных породах при наличии больших трещин.

Это подтвердили экспериментальные исследования ученых Дарси и Павловского. Дарси в 1886г. установил закон ламинарной фильтрации воды в грунте, который звучит таким образом: скорость фильтрации воды(расход воды через ед. площади сечения в ед.времени) прямопропорционален действующему напору и обратно пропорционален длине фильтрации, или по-другому прямопропорционален гидравлическому градиенту: Vф=КI, где

I= (Н1-Н2)/L – гидравлический градиент. Кф- коэффициент фильтрации [см/с, см/год

Возникновение фильтрации возможно не только при разности напоров столбов жидкости, но и при действии внешней нагрузки, при которой создается поровое давление.

Напор, возникающий в этом случае, можно подсчитать по формуле: Н=Р/γ, где γ- удельный вес воды(0,001 кг с/см3)

Для глинистых грунтов характерен начальный градиент напора, т.е. фильтрация начинается только после определенного значения гидравлического градиента. Это связано с тем, что в глинистых грунтах очень развиты коллоидные своиства, и связанная вода препятствует движению воды по порам грунта. это можноувидеть на графике

2.3. Определение нормативных механических характеристик грунтов.

По таблицам 14 и 15 (Приложение1 СНиП 2.02.01-83*) для исследованного грунта определить нормативные значения прочностных (сцепление – с, кПа, угол внутреннего трения φ, град) и деформационных (модуль общей деформации Е, МПа) показателей.

Показатели механических свойств пород рыхлых отложений.

Таблица 13

Таблица Обозначение

Показатель по СНиП 2.02.01-83

Единица измерения, СИ

Физический смысл

Расчетная формула или методика определения по стандартам

С

Сцепление

МПа, кПа

Сопротивление сдвигу при отсутствии внешней нагрузки

ГОСТ 12248-96

φ

Угол внутреннего трения

Град.

Отношение сопротивления сдвигу к приложенной нагрузке

ГОСТ 12248-96

Е

Модуль общей деформации

МПа

Коэффициент пропорциональности между давлением и относительной линейной деформацией грунта

ГОСТ 12248-96

Е1-2=β·(1+е)/α

α – коэффициент сжимаемости:

β – поправка, учитывающая отсутствие бокового расширения грунта

Нормативные значения удельного сцепления сn, кПа (кгс/см2), угла внутреннего трения n, град. и модуля деформации Е, МПа (кгс/см2), пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений

Таблица 14

Наименование грунтов и пределы нормативных значений их

Обозна- чения характе- ристик

Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е, равном

Показателя текучести

грунтов

0,45

0,55

0,65

0,75

0,85

0,95

1,05

Супеси

0  IL  0,25

cn

n

21 (0,21)

30

17 (0,17)

29

15 (0,15)

27

13 (0,13)

24

-

-

-

-

-

-

0,25 IL 0,75

cn

n

19 (0,19)

28

15 (0,15)

26

13 (0,13)

24

11(0,11)

21

9 (0,9)

18

-

-

-

-

0  IL  0,25

cn

n

47 (0,47)

26

37 (0,37)

25

31 (0,31)

24

25 (0,25)

23

22 (0,22)

22

19 (0,19)

20

-

-

Суглинки

0,25  IL  0,5

cn

n

39 (0,39)

24

34 (0,34)

23

28 (0,28)

22

23 (0,23)

21

18 (0,18)

19

15 (0,15)

17

-

-

0,5  IL  0,75

cn

n

-

-

-

-

25 (0,25)

19

20 (0,20)

18

16 (0,16)

16

14 (0,14)

14

12 (0,12)

12

0  IL  0,25

cn

n

-

-

81 (0,81)

21

68 (0,68)

20

54 (0,54)

19

47 (0,47)

18

41 (0,41)

16

36 (0,36)

14

Глины

0,25  IL  0,5

cn

n

-

-

-

-

57 (0,57)

18

50 (0,50)

17

43 (0,43)

16

37 (0,37)

14

32 (0,32)

11

0,5  IL  0,75

cn

n

-

-

-

-

45 (0,45)

15

41 (0,41)

14

36 (0,36)

12

33 (0,33)

10

29 (0,29)

7

Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых грунтов

Таблица 15

Происхождение и

Наименование грунтов

Модуль деформации грунтов Е, МПа (кг/см2), при коэффициенте пористости е, равным

возраст грунтов

и пределы нормативных значений их показателя текучести

0,35

0,45

0,55

0,65

0,75

0,85

0,95

1,05

1,2

1,4

1,6

Аллювиальные,

Супеси

0  IL  0,75

-

32 (320)

24 (240)

16 (160)

10 (100)

7 (70)

-

-

-

-

-

Четвертичные

отложения

Делювиальные,

Суглинки

0  IL  0,75

0,25 IL 0,5

0,5 IL 0,75

-

-

-

34 (340)

32 (320)

-

27 (270)

25 (250)

-

22 (220)

19 (190)

17 (170)

17 (170)

14 (140)

12 (120)

14 (140)

11 (110)

8 (80)

11 (110)

8 (80)

6 (60)

-

-

5 (50)

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Озерные,

Озерно-

аллювиальные

Глины

0  IL  0,75

0,25 IL 0,5

0,5 IL 0,75

-

-

-

-

-

-

28 (280)

-

-

24 (240)

21 (210)

-

21 (210)

18 (180)

15 (150)

18 (180)

15 (150)

12 (120)

15 (150)

12 (120)

9 (90)

12 (120)

9 (90)

7 (70)

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Флювиогляциальные

Супеси

0  IL  0,75

-

33 (330)

24 (240)

17 (170)

11 (110)

7 (70)

-

-

-

-

-

Продолжение таблицы 15.

Флювио

глянциальные

Суглинки

0  IL  0,75

0,25 IL 0,5

0,5 IL 0,75

-

-

-

40 (400)

35 (350)

-

33 (330)

28 (280)

-

27 (270)

22 (220)

17 (170)

21 (210)

17 (170)

13 (130)

-

14 (140)

10 (100)

-

-

7 (70)

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Морен- ные

Супеси

Суглинки

IL 0,5

75 (750)

55 (550)

45 (450)

-

-

-

-

-

-

-

-

Юрские отложе- ния оксфордского яруса

Глины

-0,25 IL  0

0 IL  0,25

0,25 IL 0,5

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

27 (270)

24 (240)

-

25 (250)

22 (220)

-

22 (220)

19 (190)

16 (160)

-

15 (150)

12 (120)

-

-

10 (100)

Сделать заключение о каждом образце исследованного грунте, охарактеризовав и обобщив особенности его физического состояния, водных и механических свойств.

Результаты определений занести в таблицу 16:

Данные лабораторных исследований образцов грунтов.

Таблица 16

Номер образца

Номер скважины

Глубина отбора образца, м

Характеристика грунта

S,

г/см3

,

г/см3

d,

г/см3

W,

д.ед.

Sr, д.ед.

n, %

е, д.ед.

WL,

д.ед

WP,

д.ед

Ip

д.ед

IL

д.ед

C, кПа

φ˚

Е. МПа

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………..…..4

1. Классификация грунтов………………………

  1. Определение физико-механических свойств грунтов…………………………………………………5

    1. 2.1.Порядок определения физических свойств связных (глинистых) грунтов………………………………………….5

2.2.Порядок определения физических свойств несвязных (песчаных и крупнообломочных) грунтов……..11

2.3.Определение нормативных механических характеристик грунтов……………………………………….15

Учебное издание

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ

Методические указания

к практической работе по инженерной геологии

для студентов направления 270100 «строительство»

Составитель Репина Ирина Ивановна

Корректор Е. С. Денисов

Подписано в печать 30.10.09. Формат 60 × 84/16. Усл. печ. л. 1,62.

Тираж 50 экз. Заказ 110

Издательство Ижевского государственного технического университета

Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ

Механика грунтов. Лекция №7

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Содержание

Раздел 1. Механика грунтов

Лекция №7.

Несущая способность и устойчивость грунтовых оснований. Коэффициент

устойчивости. Устойчивость склонов и откосов.

Давление грунтов на ограждающие конструкции. Определение активного и пассивного давления. Устойчивость подпорных стенок.

Деформации грунтов. Характеристики деформаций оснований. Решение Н.М. Герсеванова.

Методы расчета осадки. Метод расчета осадки. Метод эквивалентного слоя Н.А. Цитовича. Метод К.Е. Егорова. Расчет осадки грунтовых оснований с использованием расчетной схемы в виде линейно-дефрмируемого полупространства (метод послойного суммирования)

Расчет оснований по несущей способности

Согласно СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений» расчет оснований по несущей способности производится исходя из условия

F – расчетная нагрузка на основание Fu – сила предельного сопротивления с – коэффициент условий работы

n – коэффициент надежности

В общем случае вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания Nu, сложенного нескальными грунтами в стабилизированном состоянии определяют по формуле:

b’ и l’ – приведенная ширина и длина подошвы фундамента

eb и el – эксцентриситеты приложения равнодействующей всех нагрузок в уровне подошвы фундамента.

Коэффициенты N , Nq, Nc – принимаются в зависимости от угла внутреннего трения .

Коэффициенты вносят поправку на соотношение сторон фундамента

Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания сложенного скальными грунтами, определяется по формуле:

Rc – расчетная прочность образца грунта на одноосное сжатие.

Во многих случаях при инженерных расчетах оказывается удобно использовать понятие коэффициента устойчивости k.

Коэффициент устойчивости определяется как отношение величины предельных воздействий на сооружение или основание к их расчетным, реально действующим величинам.

В этом случае при k=1 рассматриваемый объект находится в состоянии предельного равновесия, при k>1 обладает некоторым запасом устойчивости. Значение k<1 показывает что прочность объекта не обеспечена, т.е. неизбежно его разрушение.

При расчете на опрокидывание коэффициент устойчивости определяется как отношение моментов

Устойчивость откосов и склонов

Откос – искусственно созданная поверхность, ограничивающая природный грунтовый массив (дорожное полотно, дамбы, земляные плотины).

Склон – поверхность образованная природным путем и ограничивающий массив грунта естественного сложения.

При неблагоприятных сочетаниях различных факторов массив грунта ограниченный откосом или склоном, может перейти в неравновесное состояние и потерять устойчивость.

Основными причинами потери устойчивости откосов и склонов являются:

•Устройство недопустимо крутого откоса или подрезка склона, находящегося в состоянии, близком к предельному

•Увеличение внешней нагрузки на бровке откоса или склона

•Изменение внутренних сил (увеличение удельного веса грунта при возрастании влажности)

•Неправильное назначение расчетных характеристик прочности грунта или снижение его сопротивление сдвигу за счет повышения влажности и других причин

•Проявление гидродинамического давления, сейсмических сил, различного рода динамических воздействий (движение транспорта, забивка свай)

Важнейшую роль при расчете устойчивости играет тщательный анализ инженерно-геологической обстановки объекта. Только на этой основе могут быть разработаны оптимальные расчетные схемы и выбраны соответствующие методы расчета

В проектной практике используется большое количество различных методов оценки устойчивости откосов и склонов, детально изложенных в работах К.Терцаги, Г.Крея, Д.Тейлора, Р.Р. Маслова, М.Н. Гольдштейна и др.

При этом обычно анализируется два типа задач:

1)Оценка устойчивости откоса или склона заданной крутизны

2)Определение оптимальной крутизны при заданном нормативном коэффициенте устойчивости

Коэффициент устойчивости часто принимается в виде:

(1)

- характеристики прочности принятые в проекте

- соответствующие предельному состоянию Устойчивость откоса или склона считается обеспеченной если выполняется

условие: как правило его значение находится в пределах

1,1…1,3

Устойчивость откоса в идеально сыпучих грунтах (

0, с=0)

 

 

 

 

Имеется откос с углом заложения

при заданном

значении угла внутреннего трения

грунта,

слагающего откос.

 

 

Поскольку грунт обладает только внутренним трением, то устойчивость частицы обеспечена если сдвигающая сила T будет равна или меньше удерживающей силы трения T’.

Задавшись весом частицы Р и учитывая что коэффициент внутреннего трения грунта f=tg , это условие можно записать в виде

В предельном состоянии т.е. предельное значение угла заложения откоса в сыпучих грунтах равно углу внутреннего трения грунта. Такое значение

часто называют углом естественного откоса.

Учитывая ф. (1)

Учет фильтрационных сил

Если уровень подземных вод выше подошвы откоса, возникает фильтрационный поток, выходящий на его поверхность, что приводит к снижению устойчивости откоса.

Тогда рассматривая равновесие частицы на поверхности откоса, к сдвигающей силе необходимо добавить гидродинамическую составляющую D. Полагая, что кривая депрессии выходит на откос по касательной к поверхности, т.е. под углом , гидравлический градиент в точке выхода потока можно записать в виде i=sin .

Гидравлическая составляющая в единице объѐма будет иметь вид

- удельный вес воды

- пористость грунта

 

- вес единицы объема грунта

Уравнение предельного равновесия частицы с учетом фильтрационных сил

- удельный вес грунта во взвешенном водой состоянии

- формула для определения коэффициента устойчивости откоса, сложенного идеально сыпучим грунтом с учетом действия фильтрационного потока

Отсюда угол заложения откоса при заданном нормативном коэффициенте устойчивости определяется:

Устойчивость вертикального откоса в идеально связных грунтах ( =0, c 0)

В отличии от сыпучих грунтов угол заложения откоса не является постоянным и меняется с увеличением высоты откоса.

Если величина не превышает предельного значения h0, то связный грунт может держать вертикальный откос.

Многократно подтвержденные практикой расчеты, показывают что наиболее неблагоприятное напряженное состояние возникает у подошвы откоса в точке А.

Именно здесь, с увеличением высоты откоса, начинают формироваться области предельного равновесия которые увеличиваясь приводят к обрушению массива по некоторой поверхности АВ.

Тогда при высоте h0 в точке А выполняется условие предельного равновесия.

- максимальное главное напряжение

- минимальное главное напряжение, т.к. откос ограничен свободной вертикальной поверхностью

Условие предельного равновесия

При коэффициент устойчивости можно получить:

Тогда при заданном коэффициенте устойчивости высота вертикального откоса будет равна

Устойчивость вертикального откоса в грунтах обладающих трением и сцеплением ( 0, c 0).

Сохраняя рассуждения приведенные выше, используем для определения величины h0 и используя полное выражение условия предельного равновесия при

Выражения полученные выше полностью совпадают с результатами строгого решения таких задач методами теории предельного равновесия

Механика грунтов. Лекция №4

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

Содержание

Раздел 1. Механика грунтов

Лекция №2:

Физико-механические свойства грунтов основания. Методы их исследования.

Основные и производные характеристики Строительная классификация грунтов

Лекция №3.

Механические свойства грунта Деформируемость грунтов.

Понятие об упругих и пластических деформациях.

Лабораторные и полевые методы исследований сжимаемости грунтов.

 Лекция №4

Прочность грунтов. Предельное сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона. Теория прочности Кулона-Мора. Характеристики прочности грунтов. Исследование прочности грунтов в приборах прямого одноплоскостного среза и в приборах трехосного сжатия.

Водопроницаемость грунтов. Закон ламинарной фильтрации Дарси. Характеристики водопроницаемости: коэффициент фильтрации

и начальный градиент напора и методы их определения. Исследование фильтрационных свойств грунтов в трубке Каменского и в компрессионно-фильтрационных приборах.

Прочность грунтов

Прочность – такое предельное значение напряжения сжатия или растяжения, после достижения которого материал теряет свою сплошность, образуются трещины отрыва или сдвига и он распадается на части.

Процесс называют хрупким разрушением.

Некоторые материалы (битум, лед) теряют прочность без видимого нарушения сплошности (неограниченные пластические деформации переходящие в течение)

Особенности разрушения материалов (хрупкое или пластическое) зависят не только от преобладающих в них структурных связях но и от скорости нагружения.

Под прочностью в широком смысле понимают способность сопротивляться разрушению или развитию больших пластических деформаций приводящих к большим искажениям формы

Применительно к песчаным грунтам в 1773 г. французским ученым Ш.Кулоном было установлено что их разрушение происходит за счет сдвига одной части грунта по другую. Сопротивление растяжению в этих грунтах практически отсутствует.

Эта концепция распространилась и на пылевато-глинистые грунты. Однако процесс разрушения в них значительно сложнее, за счет водно-коллойдных и цементационных связей, которые обеспечивают некоторое сопротивление растяжению.

Сопротивление грунтов сдвигу зависит от плотности сложения, влажности, гранулометрического и минерального состава, напряженного состояния.

Характеристики сопротивления сдвигу грунтов рассматриваются как

прочностные показатели и всегда определяются экспериментально.

Одноосные испытания (сжатие)

Восновном проводятся для скальных грунтов. Образцы цилиндрической формы диаметром 40…45 мм. Условия аналогичные определению деформационных характеристик, только нагрузка доводится до полного разрушения образца.

Врезультате определяют ПРОЧНОСТЬ ОБРАЗЦА ГРУНТА НА ОДНООСНОЕ

СЖАТИЕ

Fпр – предельное разрушающее усилие

А – площадь поперечного сечения образца

Для различных скальных грунтов может изменятся в широких пределах: Мел, слабые известняки и песчанники – 1…5 МПа Базальты, габбро, мрамор – 250…300 МПа и более

Сопротивление растяжению (Rp – прочность образца грунта на одноосное растяжение) – определяется непосредственными испытаниями прямыми или косвенными методами. Но с достаточной для инженерных целей точностью можно принять как

Одноплоскостной сдвиг

Используется сдвиговой прибор

Верхняя, подвижная часть

Плоскость среза

Нижняя, неподвижная часть

Образец грунта

Индикатор горизонтальных перемещений

Прикладывается вертикальное усилие F которое вызывает напряжение Затем при постоянном значении =const к верхней части прибора

ступенями (5% от ) прикладывается горизонтальное усилие T. В плоскости среза возникает касательное напряжение

Обычно образец выдерживается до полной стабилизации горизонтальных перемещений от этой нагрузки, после чего прикладывают новую ступень нагрузки.

По мере увеличения увеличивается интенсивность горизонтальных перемещений и при некотором предельном значении дальнейшее перемещение образца происходит без увеличения сдвигающего напряжения

Предельное значение , называется сопротивлением сдвигу.

Испытания проводятся для разных значений 3> 2> 1=const

Закон Кулона

График зависимости сопротивления сдвигу песчаного грунта от нормального напряжения может быть представлен отрезком прямой и зависимость

выражена уравнением (1)

(1)

- угол внутреннего трения

f – коэффициент внутреннего трения

При испытании пылевато-глинистых грунтов получают более сложную криволинейную зависимость.

Сопротивление сдвигу обуславливается не только силами трения, но и связностью грунта, т.е. сложными процессами нарушения связей между частицами.

Зависимость сопротивления сдвигу от нормального напряжения представляется уравнением (2)

(2)

С – удельное сцепление пылевато-глинистого грунта, характеризующее его связность.

Параметры и с лишь условно могут быть названы углом внутреннего трения и удельным сцеплением, т.к. физика процесса разрушения сложнее. А уравнения (1) и (2) называют законом Кулона

Сопротивление сдвигу при сложном нагружении. Теория прочности Кулона-Мора

Схема одноплоскостного сдвига, это частный случай разрушения грунта в основании сооружений. Рассмотрим более сложное нагружение:

К граням элементарного объема приложены главные напряжения

Если увеличивать 1 оставляя постоянной 3 в определенный момент произойдет сдвиг по некоторой площадке, наклоненной к горизонтальной плоскости, промежуточное главное напряжение 2 будет действовать параллельно этой площадке и никак не влияя на сопротивление грунта сдвигу.

Положение площадки скольжения неизвестно в отличии от одноплоскостного сдвига (зазор между подвижной и неподвижной частями прибора)

Принимают что на площадке скольжения выполняется условие (1) и (2)

Для касательного и нормального напряжения на наклонной площадке известны выражения

(3)Эти напряжения в предельном состоянии будут связаны выражением (2)

(4)

Положение площадок скольжения можно определить из условия

(5)

В предельном состоянии в каждой точке грунта имеются две сопряженные площадки скольжения, наклоненной под углом (45 - /2) к линии действия максимального и (45 + /2) – минимального главного напряжения

Приведенные выше положения наглядно иллюстрируются с помощью графического построения кругов напряжений Мора для предельного состояния.

Образец испытывается при постоянном значении минимального главного напряжения 3 = const и при некотором значении максимального главного напряжения1 наступает его разрушение (формируются площадки скольжения)

Прямая ОА, построенная как касательная к кругу Мора, и проходящая через точку Е (отрезок ОЕ = С) будет соответствовать зависимости (4)

(4)

Для любой точки на круге напряжений и площадки не находящейся в предельном состоянии угол отклонения будет всегда меньше максимального угла отклонения max= Прямая ОА не может пересекать круг напряжений.

About Author


alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *