Сопротивление грунтов сдвигу. Закон Кулона

Предельным сопротивлением сдвигу (растяжению) называется способность грунта противостоять перемещению частей грунта относительно друг друга под воздействием касательных и прямых напряжений. Этот показатель характеризуется прочностными свойствами грунтов и используется в расчетах оснований зданий и сооружений. Способность грунта воспринимать нагрузки не разрушаясь, называют прочностью. В песчаных и крупнообломочных несвязных грунтах сопротивление достигается в основном за счет силы трения отдельных частиц, такие грунты называют сыпучими. Глинистые грунты обладают более высоким сопротивлением к растяжению (сдвигу), т.к. наряду с силой трения сдвигу противостоят силы сцепления: водно-коллоидные и цементационные связи (связные грунты). В строительстве этот показатель важен при расчете оснований фундаментов и изготовлении земляных сооружений с откосами.

Под действием вертикальной сжимающей силы (Р) на грунт в любой точке массива грунта возникают также горизонтальные (сдвигающие) силы (Т). Под действием внешней нагрузки в отдельных точках (областях) грунта эффективные напряжения могут превзойти внутренние связи между частицами грунта, при этом возникнут скольжения (сдвиги) одних частиц или агрегатов их по другим и может нарушиться сплошность грунта, т.е. прочность грунта будет превзойдена.

Внутренним сопротивлением, препятствующим перемещению (сдвигу) частиц в идеально сыпучих телах (чистые пески) будет лишь трение, возникающее в точках контакта частиц. В связных же грунтах перемещению частиц будут сопротивляться внутренние структурные связи и вязкость вводно-коллоидных оболочек частиц. Пока эффективными напряжениями внутренние связи не преодолены, связный грунт будет вести себя как квазитвердое тело, обладающее лишь упругими силами сцепления. Под силами сцепления подразумевается сопротивление структурных связей всякому перемещению связываемых ими частиц независимо от величины внешнего давления.

Определение показателей сопротивления сдвигу грунтов имеет первостепенное значение для практики, так как они обуславливают точность инженерных расчетов по определению предельной нагрузки на грунт.

Определить сопротивление грунта сдвигу можно несколькими способами: прямого плоскостного среза; простого одноосного сжатия; трехосного сжатия на приборе стабилометре; вдавливания шарового штампа; лопастные испытания.

Рис

σ– нормальное напряжение;

τ – касательное напряжение;

Смещение грунтовых частиц становиться возможным, когда касательные напряжения преодолевают удерживающие связи в точках контакта.

Графики зависимости касательного напряжения от нормального.

Рис

φ – угол наклона прямой к оси абсцисс, характеризующий угол внутреннего трения грунта;

С – отрезок от пересечения прямой и оси ординат, характеризующий удельное сцепление между частицами;

ψ – угол сдвига.

Сопротивление грунта сдвигу характеризуется коэффициентом сдвига.

Для различных грунтов значения С и φ находятся в различных соотношениях, по этому признаку грунты делятся на 3 группы:

1.Грунты, в которых внутреннее трение значительно превосходит сцепление и последним можно пренебречь (пески всех типов при любой влажности) С=0, - закон Кулона для сыпучих грунтов: «Предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу, есть сопротивление трению, прямопропорционально нормальному давлению».

2.Грунты, обладающие как трением, так и сцеплением. Причём каждый член уравнения имеет существенное значение. Закон Кулона для связных грунтов: «Предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершённой их консолидации есть функция 1-ой степени от сжимающего напряжения (супеси, скрыто-пластичные глины, пылеватые пески)».

3.Грунты, имеющие преимущественно сцепление (пластичные глины, суглинки, мёрзлые грунты) φ=0, τ.= С.