Сопротивление мерзлых грунтов сдвигу

Сопротивление грунта действию местной нагрузки характеризуется условиями предельного равновесия и зависит от сопротивления сдвигу.

На сопротивление мерзлых грунтов сдвигу влияют род грунта, его температура, внешнее давление и продолжительность действия нагрузки. Мерзлые грунты, как показывают соответствующие эксперименты, можно рассматривать как переуплотненные в процессе промерзания породы, и для них зависимость между сопротивлением сдвига τ (кгс/см²) и нормальным напряжением p (кгс/см²) в общем случае нелинейна, но для практических целей с небольшой погрешностью эта зависимость может приниматься по уравнению Кулона:

τ = c + tg φ p,

где c – сцепление, кгс/см²; φ - угол внутреннего трения, град. Эти характеристики для мерзлых грунтов непостоянны и могут сильно изменяться в зависимости от их текстурных особенностей, температуры охлаждения, продолжительности испытания и других факторов.

Природа сил трения и сцепления в грунтах и методы определения этих характеристик различными авторами трактуются по-разному. Н. А. Цитович считает, что обычное принимаемое в механике грунтовое разделение общей величины сопротивления сдвигу на внутреннее трение и сцепление является условным, так как природа этих сил принципиально одинакова и обусловлена силами молекулярного взаимодействия. Однако в случае трения эти силы проявляются в сближении агрегатов и частиц грунта, происходящем только в процессе действия нормального давления, что и выражается в увеличении сопротивления сдвигу.

Вторая составляющая сопротивлению сдвигу (сцепление) обусловлена молекулярными связями, присущими грунту в данном его состоянии, и не зависит от нормального давления. Если же действие нормального давления на грунт изменяет его физическое состояние, обуславливая его уплотнение и упрочнение, то при этом необратимо изменяется и сцепление.

Согласно изложенному под трениемпонимается та часть сопротивления сдвигу, которая непосредственно зависит от нормального давления, а под сцеплением – часть сопротивления сдвигу, которая не зависит непосредственно от нормального давления и изменяется только в связи с изменением физического состояния грунта при его обжатии.

В настоящее время имеют распространение три основные методики определения сопротивления сдвигу с последующим разделением на сцепление и трение. Применение той или иной из них обуславливается физическим состоянием испытываемого грунта*.

*Под состоянием немерзлого грунта понимается главным образом состояние его плотности и влажности; состояние же мерзлого грунта обуславливается в основном плотностью и соотношением твердой и жидкой фаз воды, которое зависит от величины отрицательной температуры и суммарной влажности мерзлого грунта.

Первый метод применяется для определения сопротивления сдвигу переуплотненных грунтов. Сдвиг производится при различных нормальных нагрузках p₁, p₂,..., p_n, но не превышающих p_n, при которой предварительно были уплотнены образцы до полной стабилизации, т. е. p_n p₂ p₁. В этом случае состояние грунта в известном диапазоне нормальных нагрузок не изменяется, а следовательно, остается неизменным и сцепление (c = const). Поэтому если с возрастанием нормального давления имеет место изменение величины сопротивления сдвигу, то оно может быть обусловлено только изменением трения, и разделение на трение и сцепление в данном случае не представляет трудности.

Второй метод предназначается для определения сопротивления сдвигу уплотненных грунтов. Срез производится при тех же нормальных нагрузках (p₁, p₂,., p_n), при которых полностью уплотнялись образцы до среза.

Третий метод служит для определения сопротивления сдвигу неуплотненных грунтов с учетом плотности и влажности в зоне сдвига.

В последних двух случаях плотность грунта, а следовательно, и сцепление являются переменными, т. е. сопротивление сдвигу меняется как за счет изменения трения, так и за счет изменения сцепления, что осложняет оценку c и φ, особенно для грунтов с незавершенным уплотнением.

Исследования Н. К. Пекарской и Н. А. Цитовича показали, что суглинистые грунты при температуре – 1⁰С и ниже находятся в переуплотненном состоянии, т. е. имеют постоянное и практически не зависящее от давления сцепление. Обжатие перед опытом на срез мерзлых грунтов с температурой ниже – 1⁰С не вызывает увеличения сцепления.

В серии опытов на сдвиг мерзлых грунтов с температурой от – 0,7 до – 1,2⁰С при нормальных давлениях p₁=4, p₂=8 и p₃=12 кгс/см² средние значения сопротивления сдвигу соответственно оказались τ₁=6,3, τ₂=7,3 и τ₃=8,5 кгс/см², в то время как сцепление изменялось мало: c₁=5,5, c₂=4,55 и c₃=5,8 кгс/см². Сопротивление мерзлых грунтов быстрому сдвигу зависит от нормальной нагрузки и, следовательно, обусловливается не только сцеплением, но и трением.

При температуре грунта выше – 1⁰С, т. е. в зоне интенсивных фазовых превращений воды, где при весьма малом изменении температуры грунта заметно увеличивается или уменьшается относительное содержание льда, обжатие грунта сопровождается увеличением сцепления по некоторой аналогии с немерзлыми грунтами (c ≠ const).

Рассмотрим важнейшие факторы, влияющие на величину сопротивления сдвигу.

Состояние грунта при испытании и конкретные условия его работы следует учитывать при определении сопротивления сдвигу, выборе методики (переуплотненных, уплотненных и недоуплотненных образцов), оценке экспериментальных данных, разделении сопротивления сдвигу на трение и сцепление.

В связи с тем, что большинство мерзлых грунтов при температуре – 1⁰С и ниже могут рассматриваться как переуплотненные (c = const), зависимость сопротивления сдвигу от нормального давления в данном случае может быть связана только с изменением внутреннего трения – с обратимым сближением частиц, что облегчает разделение на сцепление и трение.

Песчаные грунты можно отнести к категории переуплотненных при температуре ниже – 0,3 ⁰С.

Дисперсные мерзлые грунты, преимущественно глины, при температуре от – 1⁰С и выше следует относить к группе грунтов с переменным сцеплением.

Строение мерзлых грунтов. Сопротивление мерзлых грунтов сдвигу зависит от их текстуры. Мерзлые грунты массивной текстуры характеризуются, при прочих равных условиях, меньшей величиной трения и сцепления, чем те же грунты сетчатой текстуры. Так, например, глинистый грунт массивной текстуры с температурой –2⁰С при мгновенном сдвиге имел φ =19⁰, c_граф=5,8 кгс/см²; для того же грунта толстосетчатой текстуры получено φ=38⁰, c_граф=8,2 кгс/см², (c_граф – начальное сцепление, полученное по графику сдвига). При этом прослежено, что сопротивление сдвигу, а также трение и сцепление мерзлых грунтов сетчатой текстуры тем больше, чем больше содержится в нем льда-прослоек.

Режим температуры при испытаниях. Сопротивляемость мерзлых грунтов нагрузке чрезвычайно чувствительна к изменениям температуры, особенно в области температур интенсивных фазовых изменений воды. Так, для суглинистого грунта при температуре – 1⁰С и нормальном давлении p=4 кгс/см² сопротивление сдвигу равнялось в среднем τ =6,3 кгс/см², а при температуре – 2⁰С и том же нормальном давлении τ =9,2 кгс/см². Если же температура будет выше – 1⁰С, то различия в значении τ могут быть еще более значительными.

Продолжительность испытаний. Из экспериментальных исследований известно, что при длительном действии нагрузки в мерзлых грунтах развиваются реологические процессы, сопровождающиеся снижением прочности. Значения сцепления и угла внутреннего трения изменяются от мгновенных (с_мгн и φ _мгн) до предельно – длительных (с_дл и φ _дл). При этом τ _мгн может быть в 5 – 6 раз более τ _дл. Закономерность снижения прочности мерзлого грунта во времени показана на рис. 2.

При длительном сдвиге выясняется влияние времени действия нагрузки на величину сопротивления. Н. К. Пекарская рекомендует это осуществлять путем проведения определений с серией однотипных образцов при различных по продолжительности для каждого образца сдвигающих усилиях τ₁ , τ ₂, …,τ _n , соответствующих продолжительности t₁, t₂, …, t_n, но при одном и том же нормальном давлении p. По результатам этих исследований строится график изменения сопротивления сдвигу во времени.

Проводя подобное испытание при различных нормальных нагрузках p₁, p₂, …, p_n, можно получить изменение во времени как величины сопротивления сдвигу, так и его составляющих. При этом для каждой нормальной нагрузки будет своя зависимость сопротивления сдвигу от времени. Если по полученным значениям τ₁ , τ ₂, …,τ _n при соответствующих нормальных нагрузках p₁, p₂, …, p_n построить диаграммы сдвигов, то можно определить и соответствующие им значения с₁, с₂, ...с_n, а также φ₁, …, φ_n (см. табл. 14, 15, 16)

Таблица 14

Нормативные сопротивления мерзлых грунтов сдвигу по бетонным и деревянным поверхностям фундаментов, кгс/см²

Таблица 15

Нормативное сопротивление сдвигу грунта по грунту, кгс/см²

Таблица 16

Нормативное сопротивление сдвигу мерзлых засоленных грунтов по поверхностям смерзания с железобетонными фундаментами, в кгс/см²