книги / Механика грунтов

или, что практикуется чаще, фильтрующими) и закладывается в герметически закрытую испытательную камеру. Камера напол­ нена жидкостью 4 и соединена с источником давления (балло­ ном сжатого воздуха с редуктором, поддерживающим постоян­ ное давление заданной величины). Сверху на поршень по оси испытываемого образца грунта передается внешняя нагрузка Р, давление от которой принимается распределенным равномерно по опорным поверхностям образца. Прибор трехосного сжатия снабжен манометрами для измерения порового давления по тор­ цам образца 5 и всестороннего давления в испытательной ка­ мере прибора 6, а также мессурой для измерения осевых дефор­ маций и волюмометром (трубкой) для определения объемных изменений образца грунта в процессе испытания.

Испытание водонасыщенных образцов грунта всегда произ­ водится с учетом порового давления, измеряемого в процессе испытания соответствующими манометрами, величина которого необходима для вычисления э ф ф е к т и в н ы х напряжений, пе­ редающихся на скелет грунта и обусловливающих сопротивле­ ние грунта сдвигу в процессе разрушения.

Обозначим:

а! — максимальное главное напряжение;

с1—эффективное максимальное главное напряжение; о2 и с3 — среднее и минимальное главные напряжения;

и а3— среднее и минимальное эффективные напряжения; и — поровое (нейтральное) давление в воде (всесторон­

нее) .

Эффективные напряжения, как указывалось ранее, равны полным напряжениям за вычетом порового давления, т. е.

По величине эффективных напряжений и строятся круги пре­ дельных напряжений и их огибающие линии, устанавливающие величину предельного сопротивления сдвигу, как функции нор­ мальных напряжений.

Испытание грунтов на трехосное сжатие по стандартной ме­ тодике производится следующим образом. Образец грунта, по­ мешенный в камеру прибора, подвергается всестороннему дав­ лению з2= а 3, при этом испытание может происходить как по открытой системе (дренированные испытания), так и по закры­ той (недренированные испытания).

После загасания объемных деформаций грунта, обусловлен­ ных действием всестороннего давления, дается добавочное осе-

ляется по выражению

где V — первоначальный объем образца;

АV — изменение объема образца.

Изменение объема образца грунта вычисляется по замерам абсолютного значения вертикальной продольной деформации образца 5 и замерам приращений высоты Ажидкос т и в валюмометре (измерительной трубке) при известной площади по­ перечного сечения трубки и валюмометра /, т. е.

Д К — — /А Л .. (в *)

Согласно формуле (44), имеем

откуда непосредственно и вычисляется один из параметров пре­ дельного сопротивления сдвигу, т. е. угол внутреннего трения

Тогда параметры сопротивления сдвигу проще всего определить графически по диаграмме предельных напряжений, построив касательную к двум кругам эффективных напряжений (рис. 55), которая и определит параметры с и /=1§<р.

Результаты испытания образцов грунта на трехосное сжа­ тие позволяют определить: коэффициент бокового давления, мо­

Как известно из теории сопротивления материалов и легко выводится из уравнений деформаций при действии сил по трем взаимно-перпендикулярным направлениям, между модулем объ­ емной деформации Еоб и модулем линейной деформации Е су­ ществует взаимосвязь

Е

^ об

1 — 2ц

откуда коэффициент бокового расширения грунта (аналогичный коэффициенту Пуассона) равен

Октаэдрическая теория прочности

Трехосные испытания дают возможность получить данные для оценки прочности и устойчивости грунтов по теориям проч­ ности, учитывающим пространственное напряженное состояние грунтов и возможность возникновения скольжений по площад­ кам, самым невыгодным образом расположенным в простран­

от выбора координатных осей1. Этот инвариант напряжений является линейным.

Нормальное и касательное напряжения на октаэдрическую площадку, по данным механики сплошной среды, будут равны:

сплошных твердых тел 2, октаэдрическое касательное напряже­ ние при разрушении является прямой функцией Р от нормаль­ ного октаэдрического напряжения3,

т. е.

Теорию П1РОЧ1НЮСТ1И ДЛЯ СЫПуЧИХ И СВЯЗНЫХ грунтов и других материалов с использованием октаэдрических напряжений, повидимому, впервые применил сотрудник ВНИИГ А. И. Бот­ кин *.

Согласно теории А. И. 'Боткина, в любой точке грунта может быть достигнуто предельное состояние, если будет удовлетво­ ряться следующее соотношение:

где ът —октаэдрическое сдвигающее напряжение; п —всестороннее давление, заменяющее сцепление;

(В частном случае, если испытание образца производится в приборе трехосного сжатия12, то при равенстве двух главных напряжений с2= аз> учитывая выражения (н) и (г2), получим

циент прямой, соединяющей экспериментальные точки и отрезок, отсекаемый продолжением этой прямой с осью о0Кт.

Уравнение (54) может служить основанием для дальнейшего развития теории предельного напряженного состояния грунтов на более общей основе, чем условие предельного равновесия (уравнение 45), базирующееся на уравнении Кулона.

ском институте гидротехники (Ленинград) А. И. Боткиным была произве­ дена целая серия испытаний грунтов на приборе трехосного сжатия, конст­ рукция которого представляет усовершенствованный прибор Давиденкова— Яппу (1931 г.). Известия НИИГ, т. XXVI, 1940.

В т о р ы м и и н в а р и а н т а м и сложного напряженно-дефор- мативно1го состояния грунта (квадратичными) являются интен­ сивность напряжения сдвига Т и интенсивность деформаций

сдвига Эти величины определяются следующими выражениями1:

Вторые инварианты используются для определения деформа­ ций грунта, происходящих в процессе его течения при сдвиге, так называемых деформаций ползучести.

Здесь лишь отметим, как показано нроф. С. С. Вяловым2 и экспериментально подтверждено исследованиями Инстатута мерзлотоведения Академии наук СССР, зависимость между интенсивностью напряжений сдвига и интенсивностью деформа­ ций сдвига для мерзлых грунтов хорошо описывается степенным законом

шариковой пробы (Н. А. Цытовича), а также косвенные методы определения сил сцепления грунтов.

Л о п а с т н ы е и с п ы т а н и я на сдвиг, которые проводятся в полевых ус­ ловиях при помощи специальных лопас­ тей ( к р ыл ь ч а т о к ) , были предложены в Швеции (так называемое испытание уапе^ез!)1 и в настоящее время широко применяются (особенно в зарубежной практике) при испытании пластичных глинистых и илистых грунтов.

При этих испытаниях в забой сква­ жины вдавливается лопастная крыльчат­ ка (рис. 57, а), после чего при помощи вращения штанги грунт срезается по ци­ линдрической поверхности высотой Н и диаметром й. Рычаг вращающего меха­ низма, прикрепленного на верху обсад­ ной трубы, соединен с динамометром (рис. 57, б), по которому и определяется максимальное усилие среза. Зная плечо

Рис. 57. Схема прибора для лопастного испыта­ ния связных грунтов на сдвиг в полевых усло­ виях

а — разрез по лопастной крыльчатке; б — разрез по об­ садной трубе и механизму вращательного среза

вращающей пары, легко вычислить скручивающий момент М ю обусловливающий срез грунта по цилиндрической поверхности.

Приняв треугольное распределение сдвигающих напряжений по площади поперечного сечения цилиндра и равномерное рас­ пределение по его боковой поверхности, можно написать сле­ дующее выражение для определения скручивающего момента:

Некоторые научные итоги работы IV Международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению. Изд-во НТО строительной промышленности, М , 1958.

По приведенной формуле и определяется полное (разрушающее) сопротивление .грунта сдвигу.

Этот метод прост и весьма удобен при определении сопротив­ ления сдвигу глинистых грунтов в природных условиях (ш зки) без взятия монолитов грунта. В расчетах обычно принимают,

ирассматривают грунт как идеально связное тело (т. е. не учи­ тывают внутреннего трения грунта), что идет в запас прочности

иочень упрощает расчеты.

Метод лопастного испытания на сдвиг значительно усовер­ шенствован в НИИ оснований и Фундаментопроекте (Москва) и позволяет определять не только сопротивление грунта сдви­ гу, но и модуль деформации грунтов !. Однако и в этом случае необходимо устанавливать пределы применимости указанного метода.

Сопротивление сдвигу пластичных грунтов можно оценивать и по данным вдавливания в грунт штампа, например, как эго предложено еще в 1947 г. автором настоящей книги и несколько

Брииелля).

В настоящее время метод шарового штампа, позволяющий учитывать и реологические свойства связных грунтов, благодаря простоте и удобству стал широко применяться на практике как для пластичных слабых связных грунтов (например, илов, тор­ фов и пр.), так и для весьма твердых глин и вечномерзлых грун­ тов, а также морских и континентальных льдов (арктических и и антарктических).

Шаровые штампы применяются размером от 1 мм (в микро­ скопах для микротвердости) и полые до 1 м при полевых испы­ таниях, причем, чем больше размеры применяемого шара, тем' более мощный слой грунта он будет испытывать (на глубину, примерно равную пятикратному диаметру отпечатка). Размеры шарового штампа, как показывают специальные исследования,

Установка для определения сжимаемости грунтов в стенках буровых скважин.

ления мерзлых грунтов. Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов. Сб. № 2. Изд-во АН СССР, 1954. Е г о ж е. Об определении сил сцепления связных грунтов по методу шариковой пробы. Доклады АН СССР,

111, № 5, 1956.

отпечатка (осадки шарового штампа) 5 к диаметру шарового штампа О не превышает 0,1, т. е.

Испытания грунта шаровым штампом заключаются в изме­ рении осадки штампа 5 при действии на него постоянной на­ грузки Р.

В настоящее время применяются как однаштаковые шаро­ вые штампы (рис. 58), так и трехштоковые (рис. 59), а также специальные, легко изготовляемые в натуре установки для по­ левых испытаний шаровым штампом (рис. 60). Необходимо лишь, чтобы отношение глубины отпечатка 5 к диаметру шаро­

Рис. 58. Схема одноштюкового шарового штампа—прибора для определения сцепле­ ния связных грунтов по методу проф. Цы-

товича