+7 (8412) 999-189
8 800 200 1605
(звонок по России бесплатный)

Нормально уплотненная глина

Процесс роста деформации сдвига характеризуется постепенным возрастанием сопротивления сдвигу образца грунта. Если нагружение является недренированным, то поровое давление возрастает с ростом нагрузки (рис. 1 а) и наоборот если нагружение дренированное, то объем образца грунта уменьшается (рис. 1 с). На некоторой ступени напряжения сдвига (девиатор напряжений ) достигают максимального значения и не

Рис. 1. Сопротивление грунта сдвигу: а, с – нормально уплотненная глина; в, д – переуплотненная глина; u – поровое давление; v – объем; - осевая деформация; () – девиатор напряжения

изменяются. Это состояние называется предельным (иногда говорят критическим) и характеризуется отсутствием изменения объема образца, постоянством напряжений сдвига и порового давления.

Переуплотненная глина

Сопротивление сдвигу образцов возрастает быстро и сопровождается вначале или возникновением положительного порового давления (рис. 1 в) или уменьшением объема (рис. 1 д). Далее поровое давление начинает уменьшаться, достигая даже отрицательного значения и в условиях дренированного нагружения наблюдается увеличение объема образца грунта. Максимум прочности (пиковое значение) достигается при небольшом уровне деформации, что характеризуется также максимальной скоростью возрастания порового давления и увеличением объема образца. В дальнейшем, с ростом деформации сдвига сопротивление сдвигу постепенно уменьшается с падением порового давления. При больших деформациях сопротивление сдвигу уменьшается до постоянного критического значения с отсутствием изменения объема и порового давления в образце грунта.

Если построить круги Мора используя значения пиковой прочности сильно переуплотненных глин и построить к ним огибающую прямую, то получим большие значения f' и c' так как пиковая прочность больше остаточной прочности. Эти параметры прочности не могут в общем использоваться при других условиях, в отличие от параметров определенных при критическом значении прочности. Пиковые значения прочности могут быть использованы только в том случае, если инженер уверен в том, что в решаемой им задачи уровень напряжений и деформаций будет ниже критических значений. Грунт, разрушающийся при пиковой прочности показывает локализованный характер деформации, причем степень локализации возрастает с ростом деформации, напротив, в критическом состоянии грунт деформируется однородно при постоянном объеме.

Рис. 2. Форма разрушения образцов грунта: а – однородная деформация; б – локализация деформаций в узкой зоне; б – локализация деформаций на плоскости

 

Физическая интерпретация плоскости разрушения , qf, зависит от формы разрушения. Нормально уплотненные глины деформируются в предельном состоянии при постоянном объеме. Если это недренированные испытания, то объем образца никогда не изменяется, поэтому эффективная прочность остается постоянной. В случае дренированных испытаний образец будет сжиматься и упрочняться с ростом деформации. В состоянии упрочнения и даже в критическом состоянии деформации распределяются однородно в образце. Для переуплотненных глин деформации однородны только до пикового значения прочности, в состоянии разупрочнения грунта деформации резко неоднородны, причем неоднородность возрастает, а сопротивление сдвигу уменьшается.

Геотехники обычно предпочитают определять прочность глинистых грунтов из условий недренированных испытаний, cu, а не эффективную прочность, которая характеризуется параметрами c' и f'. Полагают, что глинистые грунты обладают низкой проницаемостью и поэтому условия недренированных испытаний отражают поведение грунта в массиве даже при очень медленной скорости нагружения. Параметр, cu, характеризующий недренированную прочность определяется как радиус круга эффективных напряжений Мора. Круги Мора в эффективных и полных напряжениях имеют один и тот же размер, но смещены горизонтально на величину порового давления.

Skempton (1957) предложил простое эмпирическое выражение связывающее недренированную прочность и индекс пластичности нормально уплотненных глин в виде

Ladd et al. (1977) предложили подобное выражение, но для переуплотненных глин

где Ro – коэффициент переуплотнения выраженный в эффективных напряжениях.

Недренированная прочность используется как классификационный показатель, например, в стандарте Великобритании.

Консолидировано дренированные испытания

Испытания проводятся в два этапа. На первом этапе водонасыщенные образцы грунта подвергаются всестороннему сжатию боковым давлением в рабочей камере прибора трехосного сжатия. Возникающее поровое давление рассеивается, так как испытания проводятся по открытой схеме, с возможностью дренирования. В процессе девиаторного нагружения вертикальное напряжение прикладывается небольшими ступенями с выдержкой до стабилизации деформации во времени полагая, что за этот период возникшее поровое давление исчезнет.

Рис. 3. Консолидировано-дренированные испытания глины: а – гидростатическое обжатие; б – девиаторное нагружение

На рис. 3 показаны зависимости, характеризующие процесс деформации нормально уплотненной и переуплотненной глины. Опыты показывают на то, что при девиаторном нагружении объем образца грунта уменьшается вплоть до состояния разрушения. В переуплотненных глинах вначале девиаторного нагружения объем образца уменьшается, а затем расширяется. Процесс расширения грунта при сдвиге называют дилатанцией. Говорят, что образец дилатирует.

В консолидировано дренированных испытаниях полное напряжение равно эффективному, так как поровое давление равно нулю. Эффективные напряжения принято обозначать с индексом т.е., , а полные без индекса, как . Поэтому можно записать для консолидировано дренированных испытаний условие равенства и . Если испытания проводятся по траектории сжатия то , отсюда является наибольшим главным напряжением, а наименьшим главным напряжением.

Используя результаты нескольких испытаний при различном всестороннем давлении можно построить круги Мора, касательная к которым является огибающей предельного равновесия Мора-Кулона. Результаты построений

Рис. 4. Предельные огибающие: а – нормально уплотненная глина; б – переуплотненная глина

показывают, что у нормально уплотненных глин сцепление равно нулю (рис. 4 а). Наклон предельной прямой определяет угол внутреннего трения из условия прочности

.

Рис. 5. Плоскость разрушения (а) и предельная прямая Мора-Кулона (б)

 

Плоскость разрушения (сдвига) наклонена под углом 45о+к наибольшему главному напряжению (рис. 5).

Для переуплотненных глин сцепление не равно нулю (рис. 4 б). Наклон предельной прямой определяет не только угол внутреннего трения, но и силы сцепления.

Как показано на рис. 4 а, б действительная предельная огибающая к кругам Мора не является прямой линией, в некоторых случаях она аппроксимируется параболой (В.В.Соколовский) или гиперболой (программа ABAQUS). Криволинейность огибающей более резко выражена при небольших всесторонних давлениях.

Рис. 6. Пиковая и остаточная прочность грунта

 

На рис. 6 показаны результаты испытаний при больших деформациях, возникающие при потере устойчивости склонов. Для переуплотненной глины при остаточной прочности сцепление практически равно нулю, что объясняется полным разрушением структурных связей. Сопротивление сдвигу определяется только трением, причем остаточный угол внутреннего трения является минимальным из всех возможных значений. Остаточный угол внутреннего трения используется при оценке длительной прочности склонов грунта

Консолидировано недренированные испытания

Испытания проводятся также в два этапа. На первом этапе, условия нагружения, подобны схеме консолидировано дренированных испытаний. Образец грунта уплотняется всесторонним давлением при условии полного дренирования поровой воды из образца грунта. После рассеивания порового давления, возникающего при обжатии образца грунта переходят к девиаторному нагружению. На этом втором этапе испытаний осевая нагрузка прикладывается ступенями вплоть до разрушения образца грунта. В течение всего второго этапа нагружения кран дренирования закрыт и поэтому в образце грунта возникает поровое давление. На рис. 7 показаны зависимости характеризующие процесс деформирования образца грунта при нагружении.

Рис. 7. Консолидировано недренированные испытания: а – гидростатическое обжатие; б – девиаторное нагружение

 

Поровое давление изменяется различным образом при испытании нормально уплотненных и переуплотненных глин. В течение девиаторного нагружения образца нормально уплотненной глины поровое давление возрастает постепенно до максимального значения (рис. 7 в) при постоянном уменьшении объема. Испытания переуплотненных глин показывают на изменение порового давления при девиаторном нагружении. На начальных ступенях девиаторного нагружения поровое давление возрастает при одновременном уменьшении объема образца грунта (рис. 7 в), далее после достижения максимального положительного значения поровое давление уменьшается и может получить даже отрицательное значение при этом образец грунта увеличивается в объеме. Диапазон изменения отрицательного порового давления зависит от степени переуплотнения глинистого грунта о возрастает с ростом коэффициента переуплотнения (рис. 8).

Рис. 8. Изменение параметра порового давления в зависимости от значения коэффициента переуплотнения ОСR

Значение коэффициента переуплотнения для условий трехосных испытаний определяется следующим образом

,

где - максимальное всестороннее давление в рабочей камере, при котором образец грунта был обжат, а - всестороннее давление при котором проводится испытание образца грунта. Значение у нормально уплотненных глин при разрушении обычно близко к единице, а для переуплотненных глин изменяется от 1 до – 0,4.

Рис. 9. Влияние переуплотнения на значение параметра порового давления при разрушении образцов: а – вельдская глина; б – лондонская глина (А.Бишоп)

 

Используя результаты испытаний нескольких образцов нормально уплотненной глины (OCR =1) глины можно построить круги Мора (рис. 10) и проведя к ним касательную определить параметры прочности для условий консолидировано недренированного нагружения.

Рис. 10. Консолидировано-недренированные испытания нормально уплотненной глины

Круги Мора А и В для полных напряжений показана на рис. пунктирными линиями. Эффективные круги напряжений Мора С и Д получены смещением влево кругов А и В на величину порового давления , где - предельное значение девиатора напряжений. Касательные к кругам Мора позволяют найти параметры прочности и в эффективных и полных напряжениях, соответственно. Силы сцепления равны нулю.

Для образцов нормально уплотненных глин сцепление равно нулю, а угол внутреннего трения зависит от типа грунта, увеличиваясь с уменьшением числа пластичности.

Рис. 11. Консолидировано-недренированные испытания переуплотненной глины (А.Бишоп)

На рис. 11 приведены результаты испытаний образов переуплотненной глины в условиях консолидировано-недренированного нагружения. Результаты опытов представлены в эффективных и полных напряжениях. Как и для нормально уплотненной глины угол внутреннего трения в эффективных напряжениях оказывается больше, чем в полных напряжениях. Силы сцепления для переуплотненной глины практичеление. РќР° СЂРёСЃ. 7 показаны зависимости характеризующие процесс деформирования образца грунта РїСЂРё нагружении.

Р РёСЃ. 7. Консолидировано недренированные испытания: Р° – гидростатическое обжатие; Р± – девиаторное нагружение

 

РџРѕСЂРѕРІРѕРµ давление изменяется различным образом РїСЂРё испытании нормально уплотненных Рё переуплотненных глин. Р’ течение девиаторного нагружения образца нормально уплотненной глины РїРѕСЂРѕРІРѕРµ давление возрастает постепенно РґРѕ максимального значения (СЂРёСЃ. 7 РІ) РїСЂРё постоянном уменьшении объема. Р