Влияние бокового давления на несущую способность грунта



Работа посвящена изучению напряженно-деформированного состояния грунтов в условиях компрессии и среза. Приведены результаты сравнительных исследований напряженно-деформированного состояния грунтов в условиях невозможности бокового расширения с измерением бокового давления и одноплоскостного сдвига на песчаных и лессовых грунтах ненарушенной структуры. Установлено, что в условиях компрессионного сжатия реализуется условие предельного равновесия Кулона, обусловленное процессом развития необратимых деформаций при уплотнении из-за микросдвигов частиц грунта. Сформулированное Кулоном условие предельного равновесия как состояние устойчивости определяет напряженное состояние в покое, для сохранения которого необходима максимальное горизонтальное усилие. В случае сжатия без возможности бокового расширения таковой является компрессионный распор. Принятая в механике грунтов концепция о равенстве условий Кулона и Мора позволяет распространить их для сравнения параметров напряженного состояния при сдвиге и компрессии. Разработанная методика с измерением бокового давления позволяет применить решение Мора для оценки параметров прочности. Данный вывод подтверждается 850 экспериментами, проведенными авторами данных испытаний, дают близкую сходимость в пределах 1.8- 2.9 %.

1. Введение

Грунты в процессе своего формирования под действием внешних и внутренних сил приобретают состояние устойчивого равновесия, которое является функцией его собственного напряженного состояния. Впервые состояние равновесия для грунтов было сформулировано в 1773 году Ш. Кулоном [1]. Исходя из схемы Кулона, нарушение состояния равновесия клина обрушения, удерживающегося своим сцеплением и трением, возможно при приложении максимального сдвигающего усилия, при этом жесткость приложения этой нагрузки должна быть намного выше жесткости грунта. При срезе реакцией на внешнее силовое воздействие, которое моделируется вертикальным давлением ơв, является предельное сопротивление сдвигу τпред, обусловленное «связностью и трением». Состояние предельного равновесия в этом случае описывается законом Кулона :

τ = ơ tgφ+ c (1)

В условияхкомпрессионного сжатия реакцией на внешнее уплотняющее давление является максимальное горизонтальное усилие, которое в случае малейшей податливости системы будет уменьшаться. В этом случае, оценку напряженно-деформированного состояния грунта в условиях компрессии, можно оценить графо-аналитическим решением Мора [2], что обусловлено:

1. Условие предельного равновесия Кулона или состояние устойчивости массива в покое, для сохранения которого необходима максимальная горизонтальная сила. В случае сжатия без возможности бокового расширения таковой является компрессионный распор.

В таком случае, принятая в механике грунтов концепция о равенстве условий Кулона и Мора, позволяет применить их для сравнения параметров напряженных состояний при сдвиге и компрессии.

2. В процесс уплотнения грунта при невозможности бокового расширения происходят микросдвиги частиц грунта, которые зависят от показателей физических свойств. При этом грунт самоупрочняется под действием вертикальной уплотняющей нагрузки. Решение Мора, устанавливающее связь бокового и вертикального давлений, позволяет сравнить параметры прочности Кулона с показателями напряженного состояния при самоупрочнении грунта в условиях компрессии.

2. Методы и материалы

Экспериментальные исследования данной работы выполнялись на усовершенствованных компрессионном и сдвиговым приборах, оснащенных тензометрическими датчиками [3]. Проведено тщательное метрологическое обследование оборудования, определены факторы, влияющие на величины измеряемых показателей [4]. Создана система «плавающей обоймы», обеспечивающая условие соосности геометрической оси образца и измерительной оси прибора. Основные критерии оценки напряженного состояния в условиях компрессии: это вертикальное Ϭв и боковое Ϭб давления грунта, которые должны измеряться непосредственно на контакте с грунтом. Для измерений этих величин использовались тензометрические датчики напряжений с гидравлическим усилителем (месдозы). Для проведения сравнительных испытаний по определению параметров прочности грунтов использовался модифицированный сдвиговой прибор [5, 6], как общепризнанный метод определения прочностных характеристик грунта. Ранее подобные испытания проводились на различных модификациях компрессионных приборов с измерением бокового давления грунта Brooker and Ireland [7], (Лазебник Г. Е., [8], Dyvik et al [9], Gareau et al. [10], Smith, R. E., and Wahls, H. E. [11], Colmenares [12], подтверждающие возможность определения механических характеристик грунтов (не только деформируемости, но и прочности) в одометре с измерением боковых напряжений.

Установлено влияние жесткости приложения вертикальной нагрузки и необходимость постоянного контроля за ее величиной [13]. Так, прочность песчаного грунта характеризуется постоянным соотношением касательных и нормальных напряжений, явления пиковой и остаточной прочностей связаны с методическими погрешностями при определении предельных величин касательного τпред и вертикального давления Ơпред. [14]. Результаты компрессионных испытаний с измерением бокового давления сравнивались с параметрами, полученными графо-аналитическим решением Мора, что позволяет оценить характер изменения напряженного состояния грунтового образца в процессе сжатия с определением среднего напряжения и интенсивности касательных напряжений; коэффициенты бокового давления ξ и поперечного расширения ν; параметры предельного состояния, сцепление с и угол внутреннего трения φ; модуль общей деформации Е с уточнением коэффициента β.

3. Результаты

В компрессионном приборе разработанной конструкции применены жесткие датчики давления, что практически исключает податливость самих датчиков и измеряет боковое давление при отсутствии смещения вертикальной границы. В исследованиях использовался модифицированный сдвиговой прибор, оснащенный тензометрическими датчиками напряжений для регистрации вертикальных и сдвигающих усилий. Серии испытаний проводились на песчаных грунтах разной плотности, гранулометрического состава и влажности. Так, испытания рыхлого (e = 0.82) и средней плотности песков (рис. 1) показывают близкое совпадение результатов, полученных в одометре и в срезном приборе. Зависимость Ϭ₃= f (Ϭ₁) для рыхлого песка линейная, без изменения угла наклона. Угол внутреннего трения φ близок по значению: 17.3⁰ (компрессионные испытания) и 18⁰ (сдвиговые испытания).

Рис. 1. Предельные прямые для рыхлого песка

Результатами испытаний плотного мелкого песка (е=0.5), плотностью 1.75 г/мᶟ установлено существенное влияние напряженного состояния, созданного в процессе формирования плотных песчаных грунтов. Создание требуемой плотности потребовало приложения значительных силовых воздействий, были зафиксированы вертикальное уплотняющее давление Ϭв и остаточное боковое давление Ϭб, зарегистрированные по окончании процесса формирования. В отличие от исследованных ранее песков зависимости Ϭ₃= f(Ϭ₁) характеризуются двумя линейными участками и соответственно двумя коэффициентами бокового давления ξ и углами внутреннего трения φ. (рис. 2).

Рис. 2. Предельные прямые для плотного песка

Точка перелома или пересечения огибающих кругов Мора, соответствует вертикальным напряжениям, приложенным в процессе формирования образцов. По результатам сдвиговых испытаний получено сцепление, близкое по значению остаточному боковому давлению с, равное 0.01 Мпа при сдвиге и 0.012 при компрессионном сжатии и угол внутреннего трения 22.8⁰ и 25⁰, что указывает о выполнении предположения о реализации условия предельного равновесия Ш. Кулона в условиях компрессии. Для плотных песчаных грунтов траектория нагружения характеризует два напряженных состояния, первое из которых — предельное равновесие, второе равновесное напряженное состояние, обеспеченное условием чистой компрессии.

В результате испытаний, было установлено, что с увеличением податливости (возможность боковых перемещений стенки прибора) уменьшается интенсивность приращения бокового давления при сжатии образца грунта.

Отмечено влияние гранулометрического состава песчаного грунта и влажности на параметры прочности и деформативности, при этом идентичность полученных результатов, угла внутреннего трения показала соответствие в пределах одного, двух градусов. Для уплотненных песков зависимость главных напряжений имеет два участка разной интенсивности, которая отражает влияние начального напряженного состояния, сформированного уплотнением песчаного грунта рис. 3). Выполненные исследования свидетельствуют о том, что рассмотренная методика определения механических свойств грунтов в компрессионном приборе с измерением боковых напряжений позволяет определять не только деформационные, но и прочностные характеристики грунтов

Рис. 3 Результаты компресстонных испытаний плотного песка с измерением бокового давления

4. Выводы

1. Установлено, что с увеличением податливости (возможность боковых перемещений стенки прибора) уменьшается интенсивность приращения бокового давления при сжатии образца грунта.
2. Также установлено влияние гранулометрического состава песчаного грунта и влажности на параметры прочности и деформативности, при этом идентичность полученных результатов, угла внутреннего трения показала соответствие в пределах одного градуса.
3. В результате испытаний плотного мелкого песка (е=0.5), плотностью 1.75 г/мᶟ установлено существенное влияние напряженного состояния, созданного в процессе формирования плотных песчаных грунтов. При создании требуемой плотности, были зафиксированы вертикальное уплотняющее давление Ϭв и остаточное боковое давление Ϭб, зарегистрированные по окончании процесса формирования.
4. В результате сдвиговых испытаний получено сцепление близкое по значению остаточному боковому давлению с, равное 0.01 Мпа при сдвиге и 0.012 при компрессионном сжатии и угол внутреннего трения 22.8⁰ и 25⁰, что указывает о выполнении предположения о реализации компрессии я условие равновесного состояния Ш. Кулона.

Литература:

1. Duncan J. M., Wright S. G., Brandon T.L: Soil Strength and Slope Stability: 2nded. New York: John Wiley and Sons, р. 317 (2014).
2. Brinkgreve R. B. J.: Selection of soil models and parameters for geo technical engineering application American Society of Civil Engineers, V. 128.р. 69–98 (2005).
3. Boldyrev G. G., Sidorchuk V. F.: Determination of the mechanical properties of soils in a compression device with measurement of lateral stresses. Automated Survey Technologies and Design. N 9–10. р. 69–71 (2003.).
4. 4 Zhambakina Z., Kozyukova N.:.Determination of the durability parameters of sand soils under compression. N e w s of the national academy of sciences of the republic of Кazakhstan. Volume 3, Number 441, р.133–141 (2020)
5. ASTM D4186: D4186M — 12. Standard Test Method for One-Dimensional Consolidation Properties of Saturated Cohesive Soils Using Controlled-Strain Loading.(2012).
6. ASTM D2435: D2435M — 11. Standard Test Methods for One-Dimensional Consolidation Properties of Soils Using Incremental Loading. (2011).
7. Baki Bağrıaçık,,Mustafa Laman: Balkans Conference on Challenges of Civil Engineering, BCCCE, р.р.1–7.(2011)
8. G. E. Guslistogo: Calculation of bezankernoi shpuntovoy wall with the help of finite element simulation in the software complex. Construction, materials science, mechanical engineering.№ 50.р.162–166. (2009)
9. Dyvik R., Laclasse S., Martin R.: Coefficient of Lateral Stress from Oedometer Cell. Proceedings of the Eleventh International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, San Francisco, Vol. 2, pp. 1003–1006.(2005)
10. Per Schjønning, Jan J. H. van den Akker, Thomas Keller: JRS technical reports. Soil threats in Europe. status, methods, drivers and effects on ecosystem services A review report, deliverable 2.1 of the RECARE. p.69–77(2015)
11. Abderrahmane Henniche, Smain Belkacemi.: Numerical Simulation to Select Proper Strain Rates during CRS Consolidation Test. Periodica Polytechnica Civil Engineering. 62(2), pp. 404–412 (2018)
12. Сolmenares, J.E:. Suction and Volume Change of Compacted Sand Bentonite Mixtures. PhD thesis, University of London, Imperial College,р.112 141.(2011)
13. Boldyrev G. G., Arefiev D. V., Gordeev A. V.: LLC «NPP Geotek».https://npp-geotek.ru/upload/iblock/a89/a8952438334fbd753194fed916404d38.pdf
14. Sidorchuk V. F., Dzagov A. M.: On the structural strength of clayey soils Tr. NIIOSPa.. Issue. 100 р. 335–345. (2011)