Если в связном грунте вырезать цилиндр и поставить его под действие нормального давления P (рис. 1), в цилиндре возникнут новые напряжения, а именно вертикальное напряжение сжатия σ и горизонтальное напряжение сдвига. Если давление P постепенно увеличивать, через некоторое время на цилиндре появятся косые трещины, а сразу после этого произойдет разрушение цилиндра. В момент разрушения цилиндр будет срезан под действием давления P по плоскости сдвига наименьшего сопротивления N-N.
Рис. 1. Действие давления на цилиндр, извлеченный из связного грунта
Сопротивление грунта, которое валик оказал против действия силы P в момент разрушения, называется сопротивлением сдвигу грунта, а угол α наклона плоскости наименьшего сопротивления к горизонтали называется углом плоскости наименьшего сопротивления сдвигу грунта.
Сопротивление сдвигу связного грунта состоит из двух элементарных сопротивлений: внутреннего трения между твердыми частицами и сцепления, связывающего твердые частицы. Прочность грунта на сдвиг принимается равной наибольшему напряжению сдвига в момент разрушения и выражается уравнением
τf = c + σ tg_φ_
где: τf — прочность грунта на сдвиг [kp/cm2],
c сцепление грунта [kp/cm3],
σ нормальное напряжение грунта [kp/cm3],
φ — угол внутреннего трения грунта.
Вышеприведенную формулу предложил француз Кулон 1785. г. Согласно этой формуле, для данного грунта сцепление c является постоянным и не зависит от нормального давления, тогда как сопротивление трению σ tg_ϕ_ прямо пропорционально напряжению σ. На самом деле сцепление e не является постоянным для данного грунта, а также в некоторой степени зависит от нормального напряжения σ, поскольку под действием этого давления уменьшается толщина водной пленки, обволакивающей твердые частицы, и тем самым сцепление увеличивается. Формула Кулона справедлива для проницаемых грунтов, в которых под действием нормального давления вода из пор выжимается без сопротивления, что имеет место для гравелистых и песчаных грунтов, но не для связных грунтов, которые мало проницаемы, вследствие чего вода из пор выжимается с трудом и остается в виде напряженной поровой воды под действием нагрузки P.
Эффективные и нейтральные напряжения в грунте
Рис. 2. Эффективное и нейтральное напряжение в грунте
Если на дно сосуда поместить образец грунта, например сухого песка, и нагружать его какой-либо массой, например свинцовой дробью весом W, всю нагрузку от этого веса воспримут твердые частицы грунта. Удельное давление на поверхность образца p0 = W/A в kp/cm3, где A — площадь поперечного сечения образца, вызовет осадку образца, то есть уменьшение его пористости, но также вызовет изменения и других физических свойств образца, таких как увеличение прочности на сдвиг, увеличение модуля сжимаемости и другие. Давление, действующее на контактных поверхностях между частицами, называется эффективным или межзерновым давлением σ’. Когда достигнута консолидация, то есть когда образец перестал оседать под нагрузкой p0, эффективное давление равно общему удельному давлению, действующему на глубине, на которой рассматривается грунт. В этом случае на глубине, ниже поверхности образца на рис. 2 σ’ = W/A + hzγ где γ — объемный вес образца.
Однако если образец в сосуде вместо свинцовой дроби нагрузить водой до высоты h, так что она заполнила все поры образца, давление водяного столба над образцом hγw, где γw — объемный вес воды, не вызовет осадки образца и уменьшения его пористости, а также не увеличит его прочность на сдвиг и модуль сжимаемости. По этой причине гидростатическое давление hγw называется нейтральным давлением. Нейтральное давление, обозначаемое u, передается через образец во всех направлениях с одинаковой интенсивностью. Это давление не вызовет увеличения прочности на сдвиг, поскольку сама вода не обладает никакой прочностью на сдвиг.
Следовательно, эффективное давление σ’ передается через поверхности контакта между твердыми частицами грунта, а нейтральное давление u передается через воду в порах. Если нижняя часть сосуда заполнена насыщенным образцом грунта, объемная масса которого γz, а выше поверхности образца до уровня N сосуд заполнен водой, объемная масса которой γw, то полное давление σ в любой точке образца будет σ = σ’ + u.
На глубине hz, под поверхностью образца, эффективное давление будет σ = σ’ - u
где σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Следовательно, будет σ’ = hz γ’
γ’ — это объемный вес погруженной в воду почвы.
Общее уравнение прочности грунта на сдвиг
Если связанный грунт нагружаем нагрузкой P, эта нагрузка вызовет осадку грунта, и прежде всего под её действием будет вытеснен воздух из пор, так что вскоре в порах останется только вода. Поскольку из-за малой водопроницаемости связанного грунта вода не может быть вытеснена сразу, она остаётся как напряжённая вода в порах и вначале воспринимает всю внешнюю нагрузку P. В дальнейшем, под действием нагрузки P, из пор начинает вытесняться вода и происходит сближение твёрдых частиц, которые теперь воспринимают часть нагрузки P. Тогда имеем τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ где σ — полное давление от нагрузки P, u — давление поровой воды.
Поровое давление воды u зависит от нескольких факторов, таких как временной ход консолидации, проницаемость грунта, величина нагрузки на грунт и т. д. Прочность грунта на сдвиг зависит от порового давления воды и она наибольшая при u=0, когда происходит консолидация грунта.
Колоидная активность грунта
Элементы внутреннего сопротивления грунта сцепление и трение могут быть различными и в значительной степени зависят от крупности твёрдых частиц грунта и его пластических свойств. С целью определения влияния сцепления по отношению к сопротивлению внутреннему трению связного грунта Скемптон ввёл понятие коллоидной активности грунта _K_P, которое представлено отношением индекса пластичности IP к количеству частиц меньше 0,002 mm в % от веса всей массы. При этом был принят следующий критерий (рис. 3):
Рис. 3. Коллоидная активность грунта
Для KP < 0,75 неактивны глины,
при KP = 0,75 – 1,25 нормальные глины,
для Kp > 1,25 активной глины.
С увеличением KP возрастает влияние сцепления по отношению к внутреннему трению когерентного грунта.
Восприимчивость почвы
Если в связном грунте извлечь цилиндр диаметром 3—3,4 cm высотой ~ 5 cm и нагрузить его нормальной нагрузкой, то в момент разрушения цилиндра получим прочность грунта на сжатие в ненарушенном состоянии σ__ₙ:
σn = P/A в kp/cm2,
где A — поперечное сечение цилиндра.
По завершении испытания сломанный образец перемещаем и вновь изготавливаем цилиндр тех же размеров, с помощью того же цилиндра-формы, при этом его влажность должна остаться такой же, как и при предыдущем испытании. Затем сразу после изготовления повторно уплотненного цилиндра проводят с ним испытание, чтобы получить прочность грунта на сжатие в нарушенном состоянии σ__ₚ.
Чувствительность (сенситивитет) S__ₜ — это отношение прочности на сжатие в ненарушенном состоянии к прочности на сжатие в нарушенном состоянии: St = σn/σp,
По одному критерию чувствительность S__ₜ оценивается следующим образом:
- для S__ₜ = 1 — 2 чувствительность глины мала,
- для S__ₜ = 2 — 4 средняя чувствительность глины,
- для S__ₜ = 4 — 8 характерна высокая чувствительность глины,
- за S__ₜ > 8 — это чрезмерно чувствительная глина.
В природе бывает, что вследствие механического воздействия, например землетрясения, глинистый грунт внезапно теряет свою прочность, которую затем в состоянии покоя вновь приобретает. Это свойство называется тиксотропией грунта. Многие глины в определенной степени обладают тиксотропными свойствами. Известны случаи оползания откосов выемок вследствие вытекания тиксотропной глины в Норвегии, Швеции и Финляндии, где испытаниями было установлено, что в ходе этого процесса не было изменения влажности глины, то есть влажность глины оставалась постоянной до и после вытекания.