Закон сопротивления сдвигу для различных грунтов, характерные зависимости. Угол внутреннего трения и угол естественного откоса, трение и сцепление

Сдвиг – процесс изменения расположения частиц грунта под действием внешних сил.

Грунты в основании сооружений, а также при неодинаковых отметках их поверхности испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.

Невозможно определить прочностные характеристики грунта в опыте на компрессионное сжатие. По этой причине используют схемы испытаний, в которых нагружение сопровождается развитием сдвиговых напряжений и деформаций.

Сопротивление грунта сдвигу (предельное) может быть установлено испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез) путем трехосного сжатия, вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью, по результатам среза грунта крыльчаткой по цилиндрической поверхности и другими способами.

Если понятие прочности связного грунта не выходит за рамки традиционных представлений о прочности строительных материалов, то понятие прочности несвязных (сыпучих) грунтов требует дополнительных пояснений.

Механизм прочности несвязных грунтов заключается в следующем. Под действием сжимающих напряжений в грунте, в том числе вызванных его собственным весом, на контактных поверхностях минеральных частиц возникают силы трения, препятствующие взаимным перемещениям частиц. Кроме этого, между минеральными частицами, пересекающими условную плоскость, имеются зоны зацепления (взаимного проникновения), создающие нагельный эффект.

Таким образом, при сдвиге грунта по фиксированной плоскости возникает реакция, равная сумме сил трения по контактным поверхностям минеральных частиц. После преодоления сил трения происходит сдвиг грунта по фиксированной плоскости. При наличии зацепления между частицами сдвиг сопровождается переупаковкой минеральных частиц скелета грунта (рис. 3.6). Переупаковка скелета вызывает вначале доуплотнение грунта (дилатация), а при дальнейшем сдвиге – разуплотнение грунта (контракция).
В предельном состоянии сдвиг грунта по фиксированной плоскости происходит без увеличения сдвигающей нагрузки.

 

Рис. 3.6. Схемы дилатансионных явлений в песчаных и крупнообломочных грунтах:
а – исходное состояние; б – дилатация – доуплотнение от действия сдвиговых напряжений t;
в – контракция – разуплотнение под действием сдвиговых напряжений t; h – исходная высота образца; Δhd – уменьшение высоты образца за счет дилатации; Δhk – увеличение высоты образца за счет контракции

 

Таким образом, прочность несвязного грунта определяется уровнем действующих в нем сжимающих напряжений. Совершенно очевидно, что такой грунт не имеет прочности при одноосном напряженном состоянии, однако может обладать достаточно высокой прочностью при других видах напряженного состояния, которые возникают в грунтовом массиве при передаче на него нагрузок от фундаментов.

Сдвиг можно определить в лаборатории опытным путем с использованием сдвигового прибора для грунтов ненарушенной структуры (рис. 3.7).

Прикладываем Р₁, затем прикладываем ступенями сдвигающую нагрузку (Т), происходит сдвиг (разрушение образца) при τ₁. Берем второй образец с Р₂ и получаем τ₂.

Если мы проведем несколько таких опытов при различном вертикальном напряжении
σ = N /А, где А – площадь образца в плоскости среза, то получим, что чем больше σ, тем больше предельное сопротивление грунта сдвигу τ.

После проведения испытаний грунтов полученные зависимости подчиняются универсальному закону сдвига.