Сопротивление связных грунтов сдвигу

В сопротивлении сдвигу связных глинистых грунтов заметную, а иногда и основную роль играет сцепление — составляющая, не зависящая от нормального давления. Силы сцепления вызываются рядом факторов: 1) наличием естественных цементов — коллоид­ных гелей и солей, как растворимых, так и нерастворимых в воде (жесткие цементационные связи); 2) водно-коллоидными связями, образующимися под влиянием сил молекулярного притяжения в ре­зультате «склеивающей» способности коллоидных оболочек по по­верхности грунтовых частиц (значительную роль в образовании водно-коллоидных связей играют «вязкопластичные связи»);

3) капиллярным давлением в зоне капиллярного увлажнения.

К сцеплению могут быть отнесены также связи между отдель­ными грунтовыми частицами, возникающие в результате взаимного зацепления, при котором выступы одних частиц входят во впадины других. В этом случае частицы оказывают сопротивление взаим­ному смещению даже при отсутствии внешнего давления. Влияние перечисленных факторов на сцепление в различных грунтах не­одинаково.

Возникновение цементационного сцепления бывает связано с геологической историей образования грунтов. Это сцепление по­степенно возрастает в результате взаимодействия частиц и накоп­ления и упрочнения цемента. В связи с этим проф. Н. Я. Денисов называл его сцеплением упрочнения.

В зависимости от природы сил сцепления изменение влажности грунтов отражается на величине сцепления по-разному. Сцепление, вызываемое цементацией, является наиболее устойчивым, если только оно не связано с содержанием в грунте водорастворимых солей, как, например, у лёссов. Капиллярное сцепление исчезает при влажности грунта, превышающей полную капиллярную влагоемкость. В глинистых грунтах его роль весьма мала по срав­нению со сцеплением, вызываемым междучастичным давлением.

Сцепление связных грунтов, вызываемое молекулярными сила­ми, снижается с ростом влажности в связи с разъединяющим грун­товые частицы действием проникающих в грунт пленок воды и уменьшением междучастичных сил при увеличении толщины слоев связанной воды, покрывающей грунтовые частицы. Скорости умень­шения сцепления при увеличении влажности зависит от степени уплотнения грунта, его дисперсности и состава жидкой фазы. Для трехфазных грунтов сцепление зависит не только от влажности, но и от уплотнения. Последнее характеризуется степенью заполнения пор влагой, содержащейся в грунте (рис:'-7.6).

После окончания деформации сдвига сцепление между взаимно сместившимися объемами грунта восстанавливается лишь частично. В наименьшей степени и через наиболее длительное время вос­станавливается сцепление, обусловливаемое действием естествен­ных цементов и нерастворимых солей и нарушаемое при сдвиге вследствие разрушения структуры грунта. Сцепление, связанное с взаимодействием твердых частиц грунта и жидкой фазы, восста­навливается через некоторое время после уплотнения грунта в зоне сдвига.

Рис 6.6. Зависимость сцепления легкого пылеватого суглинка от влажности в до­лях полной влагоемкости wполн при разной степени уплотнения по опытам В. Д. Ка­зарновского.

В связи с этим по предложению проф. Н. Н. Маслова разли­чают так называемое истинное, или структурное, сцепление Сс, создаваемое цементационными связями, и восстанавливающее­ся сцепление (связность) с_вводно-коллоидных связей, вели­чина которого связана преиму­щественно со степенью увлаж­нения и уплотнения грунта и может изменяться в широких пределах.

В грунтах с ненарушенной структурой и прочными свя­зями между грунтовыми части­цами истинное сцепление дости­гает нескольких десятых мега-паскалей. Истинное сцепление водонасыщенных грунтов с нарушенной структурой не превышает 1...15 Па. При разделении сцепления на со­ставляющие уравнению со­противления грунтов сдвигу придают вид

, (6.8)

где j_w — угол внутреннего трения при влажности W.

Внутреннее трение в грунтах проявляется при деформациях сдвига вследствие заклинивания и зацепления отдельных грунто­вых частиц друг за друга. Коэффициент внутреннего трения зависит от крупности и формы частиц грунта, от его минералогического состава, влажности и степени уплотнения.

В связных грунтах с большим содержанием тонкодисперсных и коллоидных частиц толщина оболочек воды может приближаться к размеру самих грунтовых частиц. В этих условиях степень ровно­сти минеральных ча­стиц и шероховатость их поверхности играют второстепенную роль, так как их сглаживают оболочки воды. При сдвиге грунтовые части­цы скользят друг по другу, причем связан­ная вода играет роль смазки, поэтому угол внутреннего трения глинистых грунтов бы­стро уменьшается при повышении влажности грунта (рис. 6.7).

Рис 6.7. Зависимость сцепления и угла внутреннего трения водонасыщенного плотного суглинка от влажности w (по данным А. П. Фадеевой)

Таблица 6.1. Значения угла внутреннего трения j (в град) и сцепления с (в МПа) для связных грунтов в условиях естественного залегания

В табл. 6.1приведены примерные значения углов внутреннего трения и сцепления связных грунтов (без разделения на струк­турное и восстанавливающееся) в условиях, естественного залега­ния (по Н. Н. Маслову).

Сопротивление сдвигу водонасыщенных связных грунтов зависит от условий воздействия на них нагрузки. При быстром приложении к водонасыщенному грунту сдвигающего давления часть его пере­дается на воду, возникает поровое давление, действующее гидро­статически во все стороны и снижающее, поэтому нормальные напряжения по поверхности сдвига. В этот период давление, вос­принимаемое скелетом грунта, невелико, и сопротивление сдвигу за счет сил внутреннего трения играет малую роль по сравнению с начальным сцеплением грунта.

Поскольку давление, передающееся на грунтовый скелет, равно , где - поровое давление — часть давления, восприни­маемая водой в порах грунта, то сопротивление сдвигу водонасыщенных грунтов прини­мает, вид

(6.9)

Здесь значения j и С соответствуют полной консолидации образцов.

В ряде случаев явление пониженного сопротивления водонасы­щенных грунтов сдвигу необходимо учитывать при строительных работах, например при отсыпке насыпей на медленно уплотняю­щиеся илистые и глинистые отложения. При проверке устойчиво­сти возводимых насыпей и планировании темпов производства работ следует учитывать изменение сопротивления сдвигу грунтов в осно­ваниях в результате возникновения порового давления, соразмеряя величину возникающих при отсыпке грунта сдвигающих напряже­ний в основании с сопротивлением грунтов сдвигу.

В большинстве случаев в процессе уплотнения водонасыщенного грунта нарастание сопротивления сдвигу опережает его сжатие. Из рис. 6.8 следует, что сопротивление сдвигу грунта стабилизи­ровалось после трех часов уплотнения образцов, в то время как их сжатие продолжалось 24 ч. Это объясняется тем, что при взаимном сближении грунтовых частиц при уплотнении между ними быстро возникают и развиваются водно-коллоидные связи, что при­водит к возрастанию сцепления и угла внутреннего трения по сравнению с их значениями сразу после приложения нагрузки.

Рис 6.8. Более быстрое нарастание сопротивления сдвигу ґ по сравнению со сжатием образца s (по опытам Н. Н. Маслова): 1 — сопротивление сдвигу; 2 — относительное сжатие

Чтобы учесть это обстоятельство, приводящее к повышению устойчивости грунтов, проф. Н. Н. Маслов предложил относить значения сопротивления сдвигу уплотняемых водонасыщенных грунтов к определенным влажностям грунта, учитывая при расчетах изменения последних в процессе консолидации:

, (6.10)

где j_w и С_w — угол внутреннего трения и сцепление грунта, соответствующие влажности w, характерной для работы грунта в основании сооружения. Значения j_w и С_w определяют эксперимен­тально в лаборатории.