Сопротивление сдвигу сыпучих грунтов

Если образец песка 1 поместить в сдвиговой прибор в виде кольца, разрезанного по горизонтальной плоскости, (рис. 2.9, а), то, приложив силу N и постепенно увеличивая силу Т, можно достигнуть среза (сдвига) одной части образца по другой приблизительно по линии, обозначенной пунктиром. Прибор имеет нижнюю неподвижную обойму 4; верхнюю подвижную обойму 3 и зубчатые фильтрующие пластины сверху и снизу 2.

Рис. 2.9. Схема прибора для испытания грунта на сдвиг (о) и графики со­противления сдвигу сыпучего (б) и связного (в) грунта

Если мы проведем несколько таких опытов при различном вертикальном напряжении σ = N/A (где А — площадь образца в плоскости среза), то получим, что чем больше σ, тем больше предельное сопротивление грунта сдвигу τ _u. По данным экспериментов построим зависимость предельного сопротивления сыпучего грунта сдвигу τ _u от давления (рис. 2.9, б). На основе многочисленных опытов установлено следующее: для несвязных (идеально сыпучих) грунтов экспериментальные точки в пределах обычных изменений напряжений (до 0, 5 МПа) оказываются на прямой, выходящей из начала координат. В таком случае для любого нормального напряжения
τ _ui = σ _i tg φ
где tg φ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трение грунта о грунт: tg φ = f; φ — угол внутреннего трения.
Зависимость (2.20) установлена Ш. Кулоном еще в 1773 г. Она выражает закон сопротивления сыпучих грунтов сдвигу, который формулируется так: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется законом Кулона.

Глины, суглинки и супеси обладают связностью, интенсивность которой зависит от влажности грунта и степени его уплотненности. Как установлено в п. 2.3, приложенная к образцу водонасыщенного пылевато-глинистого грунта вертикальная нагрузка в первый момент времени передается на поровую воду. Лишь по мере выдавливания ее из пор это давление будет воздействовать на скелет грунта. В связи с этим Образец испытывают на сдвиг после консолидации грунта, когда все возникающее нормальное напряжение уже передано на скелет грунта.

Для сохранения природной структуры пылевато-глинистого грунта фильтрующий поршень и днище обычно делают плоскими — без зубцов, показанных на рис. 2.9, а. Если в таком приборе провести несколько испытаний на сдвиг одного и того же грунта, подвергая образцы воздействию различных напряжений σ, то получим в общем случае криволинейную зависимость предельного сопротивления грунта сдвигу τ _u от σ (рис. 2.9, б). Криволинейность зависимости наиболее ощутима при малых значениях σ. При напряжениях в диапазоне 0, 05...0, 5 МПа практически имеем прямую, описываемую уравнением

(2.21)
где с и φ — параметры прямой.
Закон сопротивления пылевато-глинистых грунтов сдвигу формулируется так: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершенной их консолидации есть функция первой степени нормального напряжения.
Следует обратить внимание на то, что уравнение (2.21) получено для образцов грунта, находящихся в различном состоянии по плотности, так как перед сдвигом они подвергались уплотнению разным по величине давлением. Очевидно, что каждый образец при этом будет обладать своим значением сцепления, т. е. сцепление образцов одного и того же грунта, уплотненных неодинаковым давлением, различно. По этой причине угол наклона прямой АВ на рис. 2.9, в, строго говоря, не является углом внутреннего трения. Однако в механике грунтов параметр с принято называть удельным сцеплением, а φ — углом внутреннего трения.

Для определения истинных значений сцепления и угла внутреннего трения необходимо испытывать образцы, находящиеся в одном и том же состоянии по плотности. С этой целью образцы грунта иногда испытывают на сдвиг сразу же после приложения нагрузки, не дожидаясь их консолидации. Однако такое испытание не позволяет учитывать упрочнение грунтов в связи с их уплотнением в основании под действием приложенной нагрузки.

Если прямую АВ продлить влево до пересечения с осью абсцисс, то она отсечет на ней отрезок р_e (рис. 2.9, в). Величину р_e часто называют давлением связности. Используя это давление, параметр сцепления (связности) грунта можно представить в виде
с = р_e tg φ, (2.22)
откуда
р_e = c/tg φ = с · ctg φ. (2.23)