Сопротивление грунтов сдвигу (прочность на сдвиг)

Прочность на сдвиг – это соотношение сжимающего вертикального (σ) и сдвигающего горизонтального, или касательного (τ) напряжений. Их воздействие на грунт в двух плоскостях ведет к тому, что частицы перемещаются относительно друг друга. Возникают деформации, которые в определенный момент ведут к разрушению грунта. Чем больше нагрузка сжатия, тем сильнее должен быть сдвиг, чтобы грунт потерял свою целостность.

Сдвиг бывает поверхностным и глубоким. В первом случае деформации затрагивают лишь верхние слои грунта, не влияют на общую устойчивость массива. Глубокий сдвиг проходит по криволинейной плоскости, в нем задействовано несколько грунтовых слоев. Такая деформация ведет к существенному повреждению и даже разрушению массива.

Сдвигающие силы действуют практически на все грунты при ведении строительных работ. Показатель влияет на несущую способность материала, устойчивость насыпей, откосов и зданий.

Его определяют:

• Перед возведением зданий любого уровня
• При прокладке дорог всех классов
• При возведении насыпей
• При строительстве дамб и плотин
• При разработке карьеров (для расчета крутизны стенок)
• При разработке способов крепления шахт и подземных выработок
• Для прогнозирования оползней в горной местности и укрепления склонов
• При разработке плана укрепления речных берегов

Дальше мы опишем, как определяется сопротивление грунта сдвигу.

Определение показателей сопротивления сдвигу

Грунт при сдвиге разрушается за счет того, что на него действует сжимающая сила от вертикальной нагрузки и сдвигающая от касательной (горизонтальной). Чем интенсивнее сжатие, тем больше нужно приложить усилий, чтобы срезать или сдвинуть материал. Прочность в этом случае определяется соотношением нагрузок, а не критическим напряжением.

Она выражается уравнением Кулона (предельного равновесия):

Детальнее об этих величинах вы можете прочитать в продолжении текста и других статьях нашего сайта.

Для определения прочности грунта при сдвиге используют такие методы:

• Одноплоскостной срез
• Трехосное сжатие

Методики описаны в ГОСТ 12248-2010. Информацию о них вы найдете в следующей части текста.

Одноплоскостной срез

Этим методом определяется угол внутреннего трения всех грунтов, сцепления глинистых, органических и скальных типов. По формуле вычисляют прочность при сдвиге.

Материал испытывают в специальных приборах, которые обеспечивают касательную и вертикальную нагрузку. Для получения точных данных проводят три опыта с одним и тем же образцом, но разными напряжениями.

Метод одноплоскостного среза имеет две схемы:

• Медленного среза (консолидировано-дренированного) – не учитывает водонасыщение
• Быстрого среза (неконсолидированного) – для глинистых грунтов и плодородных почв с текучестью (Il) менее 0,5 и для просадочных разновидностей, полностью насыщенных водой

В опытах используют образцы с природным сложением либо заданной плотностью и пористостью (при изъятии из предварительно уплотненных массивов). Глинистые грунты и песок берут в состоянии естественной влажности, а просадочные – полностью насыщенные влагой.

Пробы должны иметь форму цилиндра со следующими параметрами:

• Диаметр – от 70 мм
• Высота – 1/3 либо 1/2 диаметра
• Наибольший размер частиц – до 1/5 высоты

Для проведения опыта используется срезной прибор и уплотнитель.

Составные части срезного прибора:

• Коробка для срезов (срезная), которая состоит из движущейся и неподвижной части, рабочего кольца, сплошных и переформированных жестких штампов
• Устройство для сжатия материала – его вес подбирают так, чтобы стартовое давление на пробу не превышало 0,025 МПа
• Устройство для передачи срезающей касательной (горизонтальной) нагрузки

Уплотнители используются, если нужно проверять прочность грунта с определенными параметрами влажности и плотности.

Составные части уплотнителя:

• Обойма в форме цилиндра, куда помещают кольцо с грунтом
• Жесткий штамп с перфорациями
• Приспособление для создания вертикального давления на пробу
• Емкость для насыщения исследуемого материала водой
• Гидроизоляция
• Измерительный прибор для снятия данных о вертикальных деформациях

Готовый образец ставят на весы. При необходимости его уплотняют перфорированным штампом. Во время процедуры фиксируют показатели вертикальной деформации. Если нужно испытывать водонасыщенный грунт, его помещают в ванну и наливают воду, пока она не появится на поверхности образца. Просадочные грунты увлажняют до достижения максимальной плотности. Набухающие глины после стабилизации объема (прекращения набухания) нагружают, чтобы отжать лишнюю жидкость.

Дальнейшие действия зависят от метода, которым проводятся испытания.

Метод медленного среза

Перед началом испытания грунт уплотняют, при этом выбирают такое максимальное давление, которое на массив будет оказывать фундамент или другая конструкция. Минимальное и среднее давление в процессе опыта определяют как 0,25 и 0,5 от максимального. Если данных о нагрузках на массив нет, выбирают стандартные из таблицы.

Ступени уплотнения держат 15-25 минут, лишь последнюю – до момента 100% фильтрационной консолидации t100 (плотности, при которой отжимается вся вода, а поровое давление практически равно 0). После прекращения воздействия ступени записывают данные вертикальной деформации грунта. На основе этих данных строят график. По нему определяют t100, которое будет использоваться в дальнейших расчетах.

После уплотнения грунта его следует перенести в срезной прибор и предпринять следующие шаги:

1. Удалить жидкость из емкости, если опыт проводился на предварительно насыщенном водой грунте
2. Закрепить кольцо с грунтом в срезной коробке
3. Установить штамп с перфорациями
4. Отрегулировать прибор нагрузки
5. Установить подвижную и неподвижную часть так, чтобы зазор между ними был 0,5 мм для глинистых и органических грунтов и 1 мм – для песка
6. Установить измерительный прибор для фиксации вертикальных деформаций

Нагружают пробу тем же давлением, которое применялось при уплотнении. Нагрузку передают в одну ступень.

Она длится:

• Для песка – 5 мин
• Для супеси – 15 мин
• Для глины и суглинка – 30 мин

После завершения испытания с вертикальными нагрузками переходят к горизонтальному срезу и фиксации соответствующих деформаций. Сначала в журнал вносят стартовые данные о состоянии образца (вертикальные размеры), далее выбирают режим: статический (ступенчатый) или непрерывный (кинематический).

При непрерывном режиме скорость деформирования грунта высчитывают следующим образом:

Скорость деформирования при срезании у глинистых грунтов коррелирует с числом пластичности. Данные приведены ниже.

Ступенчатое увеличение давления должно быть на уровне 5%. Этап завершают, когда величина деформации приближается к значениям, приведенным в таблице.

Ниже приведено приблизительное время воздействия ступени для распространенных разновидностей грунтов.

Деформация становится стабильной, если за данный выше отрезок времени она не увеличивается более чем на 0,05%.

Статическое испытание считается завершенным, если на очередном этапе часть грунта отделяется от остальной или если его деформирование превышает 10%.

При кинетическом режиме скорость деформации стабильная. Ее данные для разных типов грунтов приведены в таблице.

Деформацию и величину касательной нагрузки фиксируют каждый раз, когда режущий прибор продвигается на 0,25-0,5 мм. Обычно фиксируют около 20 таких показателей. Испытание считается завершенным, если грунт деформируется больше, чем на 10% от изначального значения, или если нагрузка достигает максимума, после чего не увеличивается либо снижается.

Метод быстрого среза

Образец готовят и устанавливают также, как и в предыдущем случае. Вместо перфорированного штампа берут сплошной. Пробу нагружают одной ступенью, величину которой определяют по предлагаемому давлению на массив или берут из таблицы.

Не более, чем через 2 минуты после приложения давления, делают срез грунта. При кинематическом испытании скорость срезания должна быть 2-3 мм/мин. При ступенчатом методе касательная сила на каждой ступени должна быть не больше 10% от сжимающей. Ступени сменяются с перерывами в 10-15 с. Момент окончания испытания определяют так же, как в предыдущей методике.

После завершения опыта вычисляют горизонтальную (τ) и вертикальную (σ) нагрузку, при которых происходит сдвиг грунта.

Для этого используют формулы:

Показатель горизонтальной нагрузки определяют минимум в трех разных опытах. Из полученных цифр выстраивают график. Наибольшее значение τ – это предельное сопротивление грунта сдвигу.

Трехосное сжатие

Трехосным сжатием определяют:

• Устойчивость грунта к сдвигу
• Угол внутреннего трения
• Сцепление
• Коэффициент фильтрационной консолидации

Последние три характеристики напрямую зависят от устойчивости грунта к сдвигу.

Испытание проводится в камере, где материал имеет возможность расширяться в стороны. Его сдавливают в горизонтальной и вертикальной плоскости, по соотношению разнонаправленных нагрузок определяют прочность.

Сложение грунта может быть нарушенным или естественным, в зависимости от поставленной задачи. Образцам придают цилиндрическую форму с диаметром среза 35 мм. Соотношение между высотой и диаметром – 1,85:2,25. Отдельные зерна не должны превышать 1/6 диаметра.

Прибор для трехосного состоит из таких деталей:

• Камеры с уплотнителем и двумя штампами (сплошным и перфорированным), которые обеспечивают боковое расширение материала, отжимание жидкости из пор и измерение ее объема; все детали в ней герметичные, с минимальным трением между отдельными частями
• Прибор для измерения, создания и поддержания заданного давления в камере
• Приспособление для вертикального сжатия грунта
• Измеритель деформаций
• Измеритель давления в грунтовых порах
• Система противодавления

Этапы подготовки к испытаниям:

1. Грунт извлекают из массива цилиндром с заостренной и скошенной внутрь нижней частью. Диаметр приспособления на 0,5-1 мм больше, чем диаметр острого края.
2. Аккуратно достают пробу из цилиндра, делают замеры диаметра и высоты. До 50% площади глинистого грунта обклеивают фильтровальной бумагой для удаления влаги и ускорения консолидации (уменьшения давления жидкости в порах).
3. Систему противодавления заполняют дистиллированной водой.
4. Пробу оборачивают увлажненной фильтровальной бумагой, ставят ее на диск с порами, насыщенным водой, который располагается в основании камеры. Далее на образец надевают резиновую оболочку (используют расширитель). Связный грунт подготавливают еще перед размещением в камере, несвязный – непосредственно на ее основании. Песок закладывают послойно из водной взвеси.
5. На подготовленный грунт устанавливают верхний штамп и крепят его резиновым либо металлическим уплотнителем.
6. Камеру устанавливают на основание и проводят отцентровку грунтовой пробы.
7. Корпус крепят к основанию.
8. В корпус наливают воду, из которой предварительно удалены воздушные пузырьки.
9. Подключают все измерительные приборы и записывают их стартовые показания.

Дальнейшие испытания проводятся тремя методами:

• Неконсолидировано-недренированным
• Консолидировано-недренированным
• Консолидировано-дренированым

Детально о них читайте в продолжении статьи.

Неконсолидировано-недренированный метод

Образец сначала доводят до естественной плотности всесторонним обжатием без дренажа. Нагружают грунт непрерывно либо ступенями. В первом случае скорость наращивают на 0,5-2% за минуту, во втором – увеличивают давление на каждой ступени на 2-10% (перерыв между ступенями – от 15 с до 1 мин).

Испытание заканчивается, когда грунт начинает разрушаться. Его разгружают и берут образец для определения влажности.

Во время опыта записывают значения вертикальной деформации. При непрерывном методе это делают, когда деформация достигает 1% от изначального либо предыдущего значения. При ступенчатой технике фиксируют деформацию после каждой ступени.

Консолидировано-недренированный метод

Перед началом испытания грунт полностью насыщают водой и проводят его реконсолидацию (разуплотнение). Затем давление в камере повышают, чтобы дополнительно уплотнить материал и удалить через дренаж излишнюю влагу. Давление при консолидации должно соответствовать нагрузке, которую будет испытывать грунт в естественных условиях. Если таких данных нет, их берут из таблицы.

Одна ступень выдерживается 5 минут при исследовании песков и 15 минут при опытах с глинистыми и органическими грунтами. После завершения фиксируют деформацию и вносят данные в журнал. Материал уплотняют до момента, когда поровое давление упадет до нуля. В конце определяют высоту пробы, объем вытесненной жидкости и самого грунта. Когда высота изменится на 1%, цифры вписывают в журнал. Это промежуточные значения вертикальной деформации.

Консолидировано-дренированный метод

Испытание проводится после предварительной реконсолидации и водонасыщения образца. Затем его уплотняют, отводя влагу в дренажную систему. На следующем этапе грунт сжимают со всех сторон.

Далее обеспечивают ступенчатую либо непрерывную нагрузку. В первом случае на каждой ступени увеличивают давление на определенный процент от заданного в камере перед началом испытания. В таблице ниже мы разместили эти значения.

При кинематическом (беспрерывном) режиме фиксируют стартовую высоту. Когда она изменяется на 0,05%, записывают полученную цифру. Это будет значением деформирования грунта в вертикальном направлении.

При ступенчатом режиме данные о деформации снимают через определенные промежутки времени.

Для каждого типа грунта они будут своими:

• Для песков – спустя 1 мин, потом через 5 и 15 мин, потом каждые полчаса
• Для глинистых грунтов – спустя 1 и 5 мин, потом через 15 и 30 мин, дальше через 1 и 2 ч, потом еще три раза каждые два часа; завершают фиксацию показателей в самом начале и в конце следующего рабочего дня

Испытание заканчивают, когда грунт начнет разрушаться, после чего переходят к вычислениям.

Прочность грунта при трехосном сжатии определяется на основе нескольких показателей:

• Относительной вертикальной деформации
• Девиатора напряжения

Относительная вертикальная деформация высчитывается по формуле:

Для определения девиатора напряжения используется формула:

Прочность на сдвиг при трехосном сжатии — это зависимость относительной вертикальной деформации от девиации напряжения. Значения двух величин при разных нагрузках заносят в график. На нем отмечают точки с давлением, при котором грунт разрушается. Затем рисуют круги Мора-Кулона, радиус которых ровен (σ1-σ3)/2, а координаты центров (σ1+σ3)/2.

После завершения построения графика рассчитывают угол внутреннего трения и сцепление. О них вы можете прочитать в соответствующих статьях на нашем сайте.

Недренировано-неконсолидированным методом изучают сопротивление грунта недренированному сдвигу (Cu).

Его вычисляют по формуле:

Особенности сопротивления сдвигу у разных грунтов

Сопротивление сдвигу, как и другие виды прочности, зависят от строения грунтов и некоторых внешних факторов. Характеристика зависит, в первую очередь, от типа связей и дисперсности грунтов.

В продолжении текста вы узнаете о прочности на сдвиг таких видов грунтов:

• Скальных
• Несвязных дисперсных
• Связных глинистых
• Мерзлых

Сопротивление сдвигу у скальных грунтов

Прочность на сдвиг у скальных грунтов намного выше, чем у дисперсных. Это связано с высоким показателем сцепления. Сопротивление сдвигу особенно высокое у монолитных пород с минимальными признаками выветривания.

На сцепление и сопротивление сдвигу скальных грунтов влияют такие факторы:

• Тип и прочность структурных связей
  Грунты с кристаллическими решетками (магматические и метаморфические) намного прочнее, чем осадочные. В последних преобладают цементационные связи, образованные глинистыми минералами (слюдой, каолином), кремнистыми и железистыми соединениями, известняком.
• Зернистость
  Грунты, состоящие из мелких зерен (граниты, диориты), лучше сопротивляются сдвигу, чем крупнозернистые и крупнокристаллические (габбро). Это связано с большим количеством связей между отдельными элементами.
• Однородность структуры
  В скальных грунтах встречаются включения более слабых пород. Если их много, структура становится неоднородной, и прочность на сдвиг падает.
• Текстура
  Эта характеристика влияет на сопротивляемость сдвигу слоистых грунтов. Прочность на сдвиг повышается, если напряжение направлено поперек слоев, и, наоборот, резко падает при направлении давления параллельно слоям.
• Пористость и трещиноватость
  Эти признаки в грунте появляются вследствие выветривания и ведут к снижению всех видов прочности.
• Количество и состав поровой жидкости
  Сопротивление сдвигу снижается при повышении влажности, насыщении воды солями двухвалентных металлов (магния или кальция). Наиболее ярко эта тенденция выражена в частично растворимых осадочных грунтах (гипсе, доломите, меле).

Сопротивление сдвигу несвязных дисперсных грунтов

Прочность при сдвиге несвязных грунтов довольно низкая. Их зерна контактируют между собой только посредством трения. Такая физическая связь быстро разрывается под воздействием касательных напряжений. Сопротивление горизонтальным нагрузкам будет зависеть от угла откоса и угла внутреннего трения, без учета связности.

На устойчивость к сдвигу дисперсных несвязных грунтов влияют:

• Текстура зерен
  Трение между шероховатыми поверхностями зерен намного выше, чем между гладкими. Поэтому у карьерного песка или гравия прочность на сдвиг всегда выше, чем у гальки или речного песка. В первом случае зерна не окатанные, во втором – окатанные и гладкие. Показатель повышается в грунтах с частицами неправильной формы (например, угловатыми или заостренными).
• Дисперсность и гранулометрический состав
  Показатель снижается в грунтах с высоким содержанием мелких зерен. Они легче смещаются под воздействием горизонтальных нагрузок, чем крупные. Похожая ситуация наблюдается, когда гранулометрический состав неоднороден. Мелкие и пылеватые частицы становятся своеобразной смазкой, уменьшают сцепление между крупными зернами.
• Плотность и пористость
  Уплотненный грунт с незначительным содержанием пор устойчивее к сдвигу, чем рыхлый. Это связано с более прочными контактами между отдельными зернами.
  Для несвязных грунтов характерно такое явление, как дилатансия – увеличение объема (разрыхление) при воздействии касательного напряжения. Сначала грунт уплотняется и консолидируется. Перед разрушением плотность становится максимальной и постепенно снижается, происходят дилатансия и падение прочности.
• Влажность
  Лучше всего сопротивляется сдвигу сухой грунт. Влага снижает силу трения между зернами, и они легче смещаются. Если влажность увеличивается, и вода заполняет мелкие капилляры, увеличивается связность между частицами. Это ведет к временному увеличению прочности. Под давлением жидкость выходит из грунта. Он сначала уплотняется, но потом в процесс включается дилатансия, и массив разрушается.

Сопротивление сдвигу связных глинистых грунтов

Связные грунты по своей структуре немного напоминают скальные. Они состоят из отдельных частиц, связанных между собой цементирующим веществом и кристаллическими решетками. При повышении влажности часть контактов разрушается или ослабевает, в материале преобладают слабые коагуляционные связи между отдельными молекулами, которые разрушаются при повышении влажности. Отдельные зерна также контактируют между собой за счет силы трения.

Способность сопротивляться сдвигу у связных грунтов обусловлена сцеплением, но оно намного слабее, чем у скальных. Этот показатель варьируется в широких пределах. Например, в иле он составляет всего 0,001-0,0001 МПа, а в твердой глине – 0,5-1 МПа.

Прочность на сдвиг в первую очередь зависит от типа связей в грунте. Они могут быть кристаллизационными (молекулы прочно связаны в кристаллические решетки), цементационными (элементы скрепляются между собой), коагуляционные (молекулы слабо связаны химическими контактами).

Грунты с кристаллизационными и цементационными связями (твердые литифицированные глины и суглинки) достаточно устойчивы к сдвигу. Показатель снижается в илах и органических почвах, так как в них преобладают коагуляционные связи. В супесях многие частицы удерживаются вместе лишь силой трения, в них сцепление на сопротивление сдвигу почти не действует. Устойчивость зависит от величины угла внутреннего трения.

На прочность во многом влияет структура. Она всегда выше в массиве, чем в отобранном образце.

Некоторые авторы классифицируют глинистые грунты по чувствительности к сдвигу в зависимости от показателя структурной прочности (St):

• Нечувствительные – St меньше 1
• Чувствительные – St от 1 до 4
• Очень чувствительные – St от 4 до 8
• Слабо плывунные – St от 8 до 16
• Плывунные – St от 16 до 64
• Чрезвычайно плывунные – St больше 64

Плывунные грунты могут сдвигаться под собственным весом, при воздействии вибрации или минимальной нагрузки.

Глинистые грунты нередко имеют слоистую структуру и разную направленность частиц. Как и в скальных, их прочность на сдвиг повышается, если прикладывать горизонтальное напряжение перпендикулярно слоям.

Большое влияние на устойчивость к сдвигу оказывает его влажность. Самый прочный связный грунт – совершенно сухой. В нем компактно расположены частицы, между ними существуют прочные связи. При увлажнении расстояние между отдельными зернами увеличивается, так как на их поверхности образуется водная пленка. При воздействии горизонтальных нагрузок возникают пластические деформации.

При переходе в текучее состояние грунт приобретает плывунные свойства. При малейшей вибрации или под незначительным давлением он начинает перемещаться, как жидкость. Это делает основания чрезвычайно неустойчивыми.

Значение имеет и состав поровой жидкости. Если в ней много растворенных солей и электролитов, возникает явление коагуляции. Оно ярко выраженно в мелкодисперсных грунтах. Отдельные частицы грунта слипаются в агрегаты, увеличивается пористость и рыхлость. В результате материал становится более чувствительным к сдвигу даже при низкой влажности.

Сопротивление сдвигу мерзлых грунтов

В мерзлых грунтах лед обеспечивает дополнительные цементационные связи, что повышает их прочность на сдвиг. Но этот показатель может отличаться в разных типах грунтов. На него существенно влияет дисперсность. Самое высокое сопротивление сдвигу – у среднего и мелкого песков. Практически весь лед, который находится в порах такого грунта, замерзает и прочно скрепляет частицы между собой.

У глинистых грунтов льдистое сцепление слабее. Капиллярная и связанная вода часто не замерзает, что способствует ослаблению связей. Самая низкая прочность в этой группе будет у глины, немного выше она у суглинка и еще выше – у супеси.

Прочность на сдвиг у крупнообломочных грунтов, крупного и гравелистого песка при замерзании увеличивается. Но лед не может связать крупные частицы так прочно, как мелкие. При горизонтальных нагрузках контакты быстро разрушаются. Поэтому прочность таких мерзлых грунтов будет всегда меньше, чем у мелкозернистых.

На сопротивление сдвигу мерзлых грунтов влияет засоленность. Электролиты вызывают коагуляцию и изменение структуры грунта. В нем увеличивается количество пор, рыхлость, что ведет к падению прочности. Кроме того, соли снижают температуру замерзания, в грунте появляется большее количество свободной воды.

При таянии сцепляющее действие льда на грунт сглаживается, повышается его влажность. При повышении температуры прочность на сдвиг мерзлого грунта резко снижается. Она может быть гораздо меньше, чем у такой же не замерзшей разновидности.

Прочность на сдвиг проверяется при всех видах строительных работ. Показатель часто зависит от способа определения. Поэтому специалисты применяют разные методы, чтобы иметь лучшее представление об этой характеристике грунта. Самостоятельно определить прочность невозможно, необходимо заказывать лабораторные исследования. Это поможет правильно спланировать строительство здания или дороги, избежать лишних трат на ремонт, коррекцию дефектов фундамента или стен.