8.4.4. Сопротивление грунтов изгибу

Сопротивление грунта изгибу соответствует критерию его прочности, когда изгибающие усилия достигают предельного значения. Сущность метода заключается в определении разрушающей силы при изгибе образца породы, опирающегося на металлическое кольцо, при воздействии на него вертикальной нагрузки, передаваемой через кольцевой пуансон. Метод определения предела прочности при изгибе, распространяется на твердые горные породы (исключая разрушенные и мерзлые) с коэффициентом крепости по Протодьяконову f не менее 0,5 (прочность при одноосном сжатии не менее 0,50–0,80 МПа) и его результаты используются в технической документации при расчетах и проектировании горных работ, горного оборудования, а также при проведении научно-исследовательских работ [25].

Для определения пределов прочности грунтов на изгиб применяют установку колонкового бурения, или станок вертикально-сверлильный или радиально-сверлильный для выбуривания образцов; машину камнерезную, снабженную отрезными алмазными кругами диаметром не менее 250 мм; стойку с индикатором часового для контроля параллельности поверхностей образцов горных пород; пресс с гидравлическим приводом или универсальную испытательную машину мощностью на 20–30 % превышающей разрушающую силу – для испытания образцов; устройство испытательное (рис. 8.48), состоящее из стального опорного кольца 1 кольцевого штампа 2.

Рис. 8.48. Устройство испытательное: 1 – опорное кольцо, 2 – кольцевой штамп [25]

Заготовки для образцов получают выбуриванием из проб керна диаметром 90–100 мм. От полученных заготовок на камнерезной машине отрезают дискообразные образцы толщиной 10±1 мм. Плоские поверхности образцов должны быть параллельны. Отклонения не должны превышать 0,1 мм по диаметру образца.

Образец горной породы кладут на опорное кольцо, а сверху на него ставят кольцевой пуансон. Отцентрировав испытательное устройство с образцом по вертикальной оси, помещают его между плитами пресса так, чтобы вертикальная ось устройства совмещалась с продольной осью пресса. Отклонения между осями при установке допускается не более 1–2 мм.

Скорость нагружения образца при испытаниях выбирают в пределах 1–30 кг/см²×с в зависимости от прочности породы. Выбранную скорость нагружения сохраняют до разрушения образца, записывают максимальную величину разрушающей образец силы, зафиксированную силоизмерителем пресса.

Предел прочности горной породы при изгибе (R_из) в кг/см² вычисляют для каждого испытанного образца по формуле:

-

где Р – максимальная разрушающая сила, кг; h – толщина образца, см.

Для практических расчетов с погрешностью не более 10 % с учетом, что h=1 см, предел прочности при изгибе вычисляют по формуле: R_из=0,75P [25].

8.5. Определение показателей прочности и деформируемости грунтов методом одноосного сжатия

Пределом прочности грунта при одноосном сжатии R_с называется предельное сжимающее напряжение, при котором происходит разрушение грунта находящегося в условиях одноосного напряженного состояния. Прочность на одноосное сжатие соответствует критерию прочности, предложенному Галилеем (первая теория прочности), согласно которому разрушение тела наступает в момент, когда сжимающее нормальное напря­жение σ достигнет критического (предельного) значения. Предел прочности на одноосное сжатие R_с определяют как отношение приложенной к образцу вертикальной нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения. Результаты испытаний грунта используются при определении несущей способности и устойчивости грунтов, при определении показателя консистенции глинистых грунтов, для определения недренированной прочности связных грунтов, расчета свай стоек.

По характеру поведения пробы в процессе деформации и разрушения выявляют пять типов деформаций грунтов [84]: хрупкий, хрупковязкий, хрупкопластичный, вязкопластичный, пластичный.

При хрупком типе разрушения деформация носит упругий характер до величины предела упругости, затем быстро наступает разрушение. В этом случае прочность на одноосное сжатие равна пределу упругости (рис. 8.49, а).

При хрупковязком типе деформирования после упругих деформаций начинается вязкое течение с постоянной скоростью, которое заканчивается хрупким разрушением.

При хрупкопластичном типе деформирования пластическое течение заканчивается хрупким разрушением (рис. 8.49, б).

При вязкопластичном типе деформирования вязкое деформирование переходит в пластичное течение.

При вязкопластичном и пластичном типах деформирования величину R_с определяют при достижении относительной деформации в 20 % (рис. 8.49, в).

При одноосном сжатии грунтов начинается вначале резкое нарастание деформации, затем по мере более плотной упаковки частиц, сопровождающейся увеличением числа контактов между ними и возрастанием (в глинистых грунтах) сил отталкивания, между молекулами связанной воды сближаемых частиц, интенсивность нарастания деформации постпенно уменьшается.

Рис. 8.49. Типы деформационного поведения глинистых пород при одноосном сжатии: а – хрупкий; б – хрупкопластичный; в – пластичный

После снятия нагрузки не все вновь образовавшиеся контакты исчезают. Кроме того, процессы разрушения цементационных связей между твердыми частицами и нарушения структуры скелета грунта являются необратимыми, т. е. при разгрузке нарушенные цементационные связи и структура грунтов не восстанавливаются. Опыты по многократному циклическому нагружению и разгружению грунтов в условиях последовательного возрастания с каждым новым циклом величины максимального давления показывают, что ветвь нагрузки при давлениях, не превышающих их максимального значения, достигнутого в процессе предшествующего нагружения, проходит близко к ветви предыдущей нагрузки, а при более высоких давлениях выходит на продолжение исходной кривой (как при однократной нагрузке).

При малом количестве циклов нагрузки-разгрузки деформации грунтов являются, в основном, остаточными. По мере увеличения числа циклов количество контаков между твердыми частицами возрастает, а его деформации в основном остаточные, уменьшаются. При этом ветви нагружения и разгрузки при постоянном максимальном давлении с каждым циклом сближаются и все более совпадают. При достаточно большом количестве циклов деформации грунта становятся практически полностью упругими и объясняются только выжиманием связанной воды из контактов и упругим сжатием скелета грунта и в меньшей степени объемным деформациями материала твердых частиц.

Для некоторых грунтов, например, для мергелей, разрушение может произойти по плоскостям, параллельным оси образца. Это происходит вследствие неоднородности напряженного состояния образца. В некоторых случаях поверхность смещения формируется в виде комбинации вертикальных и наклонных поверхностей скола. В подобных случаях определение сопротивления сдвигу методом одноосного сжатия производить не следует.

Для вычисления деформационных характеристик грунтов по измеренным значениям вертикальных и поперечных деформаций образца, соответствующим различным вертикальным напряжениям s, строят графики зависимости ε₁ = f(s) и ε₂ = f(s), где ε₁ и ε₂ – продольные и поперечные относительные деформации образца.

Модуль деформации Е₀ и коэффициент поперечной деформации n вычисляют с использованием выражений 8.4 и 8.5 по нагрузочным ветвям зависимостей σ от ε: для полускальных грунтов при уровне нагрузки составляющей 50–60 % и для скальных грунтов в диапазоне напряжений от 5 до 50 % от предела прочности при одноосном сжатии R_c. Модуль упругости Е и коэффициент Пуассона μ вычисляют в этом же диапазоне напряжений по тем же формулам (8.4 и 8.5), в которых значения Δε₁ и Δε₂ принимают по разгрузочным ветвям зависимостей ε₁ = f(s) и ε₂ = f(s).

Определение коэффициента структурной прочности S_t. Дисперсные грунты природного сложения имеют более высокую прочность на сжатие, чем те же грунты нарушенного сложения. Для оценки этого эффекта используют показатель, называемый чувствительностью (по Скемптону), или коэффициентом структурной прочности S_t. Подсчитать S_t можно, как отношение сопротивления грунта сжатию в естественном (R_c) и в нарушенном состоянии (R_cн): S_t= R_c /R_cн; и оценить прочность структуры связей по величине показателя структурной прочности L = 1/ S_t. Величина S_t меняется от 1,2–1,5 для нелитифицированных глинистых грунтов до 10–16 и более для литифицированных.

Сопротивление недренированному сдвигу c_u, МПа, водонасыщенного глинистого грунта, соответствующее сцеплению грунта при неконсолидированно-недренированном испытании, определяют по значению предела прочности (рис. 8.50) по формуле:

(8.24)

Рис. 8.50. Зависимость нагрузки σ от относительной вертикальной деформации образца ε

Рис. 8.51. Определение сцепления и угла внутреннего трения при одноосном сжатии грунта: а) схема разрушения образца породы при одноосном сжатии, б) диаграмма Мора при одноосном сжатии

Определение сцепления и угла внутреннего трения. В тех случаях, когда при разрушении четко выявляется плоская площадка скольжения, метод одноосного сжатия позволяет определять величину сцепления с и угла внутреннего трения φ. С этой целью замеряют угол наклона поверхности площадки α к горизонту (рис. 8.51).

По определенным величинам R_c и α находятся параметры прямолинейной огибающей диаграммы Мора:

сR_c/2tgα, φ = 2α – 90°.

Рис. 8.52. Кривая длительной прочности

При малых углах внутреннего трения (φ→0, α = 45°) сцепление определяется по формуле 8.24.

Определение коэффициента размягчаемости k_sof. Различают пределы прочности при сжатии образцов: в воздушно-сухом состоянии, в водонасыщенном состоянии и при естественной влажности. У некоторых полускальных грунтов (мертели, аргиллиты и др.) под влиянием увлажнения происходит уменьшение прочности. Это свойство называют размягчаемостью породы и характеризуют коэффициентом размягчаемости, который представляет собой отношение пределов прочности на сжатие после и до насыщения водой. Согласно [34], подразделе­ние грунтов по прочности на одноосное сжатие проводится для водонасыщенного состояния грунта и по коэффициенту размягчаемости.

Коэффициент размягчаемости k_sof, определяется при испытаниях на одноосное сжатие как отношение прочности водонасышенного грунта (R_cw) к прочности того же воздушно-сухого грунта (R_c):

Величина коэффициента размягчаемости k_sof меняется от 0 до 1: если k_sof > 0,75, то грунт считается неразмягчаемым; если k_sof < 0,75, то грунт относится к категории размягчаемых. Чем ниже коэффициент размягчаемости, тем больше снижается прочность породы при насыщении водой. Среди скальных грунтов наибольшая размягчаемость характерна для грунтов с неводостойкими структурными связями; например, глинистые сланцы, песчаники с глинистым цементом, алевролиты, аргиллиты, мергель и др. Для изверженных пород коэффициент размягчаемости практически равен единице. Осадочные породы, породы с глинистым или легко растворимым в воде цементом обладают низким коэффициентом размягчаемости (меньше 0,5). Определение коэффициента размягчаемости, как правило, производят только для полускальных грунтов с глинистым или другим слабым цементом.

Определение длительной прочности. Различают мгновенную прочность, когда время нагрузки стремиться к нулю, и длительную прочность, когда время нагрузки стремиться к бесконечности. Длительная прочность имеет важное значение при проектировании сооружений, так как определяет размеры фундамента. Кривая длительной прочности, т. е. зависимости времени  до разрушения образца от величины приложенного напряжения σ представлена на рис. 8.52, где σ_ст=σ_R – условно-мгновенная или «стандартная» прочность, σ_∞ – предел длительной прочности, строится по данным ряда испытаний с фиксированными напряжениями, составляющими определенную долю от величины R_с. Рекомендуется ряд напряжений 0,9R_с; 0,8R_с; 0,7R_с; 0,6R_с; 0,5R_с. За величину σ_∞ принимается такое напряжение, при котором в течение суток относительная продольная деформация увеличивается менее чем на 0,1 %.