Как найти угол внутреннего трения грунта

Угол внутреннего трения грунта

Угол внутреннего трения (ϕ) – это отношение вертикального или нормального напряжения к горизонтальному (касательному). Их совместное действие провоцирует смещение частиц грунта относительно друг друга. На показатель влияет сила трения. Его определяют при испытаниях связных и несвязных дисперсных грунтов на устойчивость к сдвигу.

От чего зависит и на что влияет угол внутреннего трения

Для понимания сути этого параметра нужно представить себе откос, на который действует гравитация. Чем больше крутизна стенок, тем сильнее напряжение, которое возникает из-за силы тяжести. В какой-то момент сцепление между частицами разрушается, и они смещаются.

Наклон стенки по отношению к основанию, при котором она остается стабильной, называют углом естественного откоса. У дисперсных несвязных грунтов он совпадает с углом внутреннего трения. Зерна в них скрепляются только за счет трения между собой. В связных и скальных грунтах устойчивость к сдвигу обеспечивается еще и сцеплением, которое обеспечивается более прочными связями – коллоидными, цементационными и кристаллическими. Детальнее о них вы можете прочитать в статье Прочность грунта.

В таблице даны значения углов естественного откоса для разных типов грунтов.

Угол естественного откоса в природном сложении, утрамбованном и разрыхленном состоянии отличается. В следующей таблице мы разместили значения показателя для некоторых грунтов и пород после их разрыхления.

При испытаниях на сопротивляемость сдвигу на грунт воздействуют две силы – одна направлена сверху вниз (нормальная, или вертикальная нагрузка), другая горизонтально (касательная). Угол внутреннего трения напрямую зависит от вертикального давления. По вектору своего действия она похожа на гравитацию – сила направлена сверху вниз.

Как видно из приведенных выше описаний, показатель находится в прямой зависимости от силы трения.

На нее, в свою очередь, влияют:

• Текстура поверхности
  Зерна с гладкой поверхностью легче смещаются относительно друг друга.
• Форма
  Контакты между частицами неправильной формы более прочные, чем между круглыми.
• Гранулометрический состав
  В мелкозернистых грунтах больше суммарная площадь поверхности элементов. Это значит, что количество контактов между ними тоже больше.
• Пористость
  В материале с большим количеством пор частицы находятся на большем расстоянии и слабее контактируют между собой. В результате они легче сдвигаются.

Прочность на сдвиг во многом зависит от угла внутреннего трения. Чем большее вертикальное давление может выдержать массив без деформации, перемещения частиц и потери целостности, тем выше его несущая способность.

Дальше мы рассмотрим, как определяется показатель.

Как определить угол внутреннего трения

Испытания грунта на определение исключительно угла внутреннего трения не проводят. Показатель вычисляют опытным путем, во время которого определяется прочность грунтов на сдвиг. Испытания проводятся в лабораторных или полевых условиях.

Лабораторные испытания

Лабораторные методики испытания грунтов описывает ГОСТ 12248-2010.

Они включают:

• Одноплоскостной срез
• Трехосное сжатие

Каждый из них также в свою очередь делится на несколько методов.

Одноплоскостной срез может быть:

• Быстрым неконсолидированным – для водонасыщенных просадочных, глинистых и плодородных грунтов с текучестью менее 0,5
• Медленным консолидировано-дренированным – для всех остальных грунтов без учета влаги в порах

Трехосное сжатие включает в себя методы:

• Неконсолидировано-недренированный – для материалов с природным сложением, без отведения влаги в дренаж
• Консолидировано-недренированный – с насыщенным влагой и разуплотненным грунтом
• Консолидировано-дренированный – грунт сначала насыщают влагой и разуплотняют, затем отводят воду через дренаж и повторно уплотняют

Детальнее об этих методиках вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг.

При использовании метода одноплоскостного среза сначала вычисляют вертикальное (σ) и касательное (τ) напряжение по формулам:

Испытания проводятся минимум 3 раза. Полученные цифры отмечают на графике.

Угол внутреннего трения зависит от τ и σ. Он выражается уравнением:

При наличии более прочных связей в грунтах добавляют еще показатель сцепления (с).

Уравнение выглядит так:

Чтобы точно вычислить угол внутреннего трения, обрабатывают экспериментальные данные τ, отмеченные точками на графике.

Затем проводят расчеты по формуле:

При трехосном сжатии вычисляют эффективный угол внутреннего трения (ϕ’).
Используют формулу:

Методы полевых испытаний

Для определения показателя непосредственно в массиве используется метод среза целиков грунта – небольших образцов, только частично отделенных от массива. Грунт испытывают в строительных котлованах, карьерах, шахтах. Его срезают в заданной фиксированной плоскости, одновременно сжимая сверху вниз. Описание методики можно найти в ГОСТ 20276-2012.

Испытывать можно грунты со следующими параметрами:

• Естественным сложением и влажностью
• Насыпные и намывные с любой влажностью
• Крупнообломочные, с нарушенным сложением, определенными параметрами влажности и плотности

Чтобы найти угол внутреннего трения, опыт повторяют трижды. Срезают грунт в одном месте и на одинаковой глубине.

Оборудование

В исследовании используются такие приборы:

• Кольцо, диаметр которого по внутреннему ободку 200 мм, а высота составляет его половину
• Штампы жесткие, которые свободно помещаются в кольце, но плотно прилегают к его стенкам
• Приспособления для создания давления на грунт
• Срезающий механизм с анкером; он обеспечивает касательную нагрузку в строго определенной плоскости, с разрешенными колебаниями не более 30 мм
• Прибор, измеряющий деформации и давление

Испытания проводятся со ступенчатой или непрерывной нагрузкой.

Подготовка к испытаниям

С помощью кольца из массива вырезают образец грунта.

Порядок работы:

1. Стенки кольца изнутри покрывают жиром.
2. Грунт разравнивают и ставят на него кольцо, при этом внимательно следят, чтобы оно не перекосилось.
3. На кольцо надавливают руками или домкратом, чтобы оно вошло в массив. Грунт вокруг обрезают и удаляют.
4. Когда над ободком появится грунт, его выравнивают. Сверху насыпают слой песка с низкой влажностью, толщиной 1-2 см для глинистого и 3 см для крупнообломочного грунта. Это необходимо для лучшего выравнивания поверхности и контакта со штампом, чтобы нагрузка равномерно распределялась на весь объем грунта.
5. Под кольцом, между его краем и массивом, оставляют зазор 1-2 см (но не менее половины от наибольшего диаметра зерен и включений грунта). В этом месте будет проходить срез. Крупнообломочные грунты отделяют от массива на 1-2 см ниже кольца, закрывают его и переносят образец к испытательному механизму.
6. Когда все готово, штамп припасовывают к кольцу и готовят срезной механизм.
7. Далее измерительный прибор, которым будут фиксировать смещение грунта и уменьшение его высоты, приводят в готовность.

Для проведения опыта выбирают один из трех методов:

• Медленный консолидированно-дренированный
• Быстрый неконсолидированный
• Метод «плашек» на специально подготовленной поверхности

Детальнее о них читайте в продолжении текста.

Медленный консолидировано-дренированный срез

Образец уплотняют штампом. Нужно создать давление (р), при котором грунт будут срезать для определения его сопротивления (τ). Давление увеличивают ступенями, их показатели мы разместили в таблице.

Стабильное давление на каждой ступени выдерживают:

• Пески и грунты из крупных обломков – 5 мин
• Глинистые грунты – 30 мин
• Органические почвы – 60 мин

Последняя ступень выдерживается до момента, когда частицы перестают смещаться, а объем пробы остается одинаковым (наступает стабилизация деформаций). Этот момент наступает приблизительно за одинаковое время у однотипных грунтов.

В таблице показаны цифры давления, при котором происходит стабилизация деформаций при сжатии и срезе.

Когда образец уплотняют, фиксируют его сжатие (изменение высоты, деформацию):

• У крупнообломочных грунтов данные отмечают в начале и конце промежуточных ступеней. На последней порядок фиксации следующий: первые 30 мин – записывают изменения каждые 10 мин, вторые 30 мин – каждые 15 мин. Дальше фиксацию проводят каждые полчаса, пока высота пробы не перестанет изменяться.
• При испытании глинистых грунтов на промежуточных ступенях изменения высоты отмечают каждые 10 мин. Порядок фиксации деформаций на последней ступени: первый час – каждые 15 мин, второй час – каждые 30 мин, после этого ежечасно до момента стабилизации высоты.

Когда грунт уплотнен и зазор установлен, переходят к следующему этапу – плавному или ступенчатому срезанию.

При ступенчатом срезе нагрузка по касательной на каждой ступени не должна превосходить вертикальное давление больше, чем на 10%. Деформации замеряют каждые 2 минуты, пока они не стабилизируются.

Стабилизацией считают момент, когда за определенный отрезок времени кольцо перемещается не более, чем на 1 мм. Значения времени для разных типов грунтов даны в таблице выше.

Опыт заканчивается, если после очередного увеличения нагрузки грунтовые пласты резко смещаются по отношению друг к другу (срываются) либо если образец деформирован больше, чем на 10%.

Если грунт срезают непрерывно, деформации также фиксируются каждые 2 минуты. Скорость среза для некоторых разновидностей грунтов подана в таблице.

Непрерывное срезание заканчивают тогда, когда скорость повышается до максимума и начинает снижаться либо возникает деформация, превосходящая 10%.

После окончания опыта с применением любого из описанных способов отбирают часть грунта, чтобы определить влажность.

Неконсолидированный быстрый срез

Быстрым неконсолидированным срезом проводят испытания глинистых грунтов. Вертикальное давление передается в одну ступень. В таблице поданы его значения. Именно при таком давлении будет проводиться срез.

Если грунт под давлением выдавливается из кольца, опыт повторяют со сниженной нагрузкой. В этом случае она может не соответствовать приведенным в таблице данным.

Когда давление достигает нужных цифр, грунт срезают. Сделать это нужно не позднее, чем через 5 минут после начала подачи нагрузки.

При ступенчатом способе среза давление по горизонтали не должно превышать нагрузку по вертикали больше, чем на 10%. Перерывы между ступенями делают в 10-30 с. При непрерывном методе грунт срезают со скоростью 5-20 мм/мин.

Метод «плашек»

Метод применяется на глинистых грунтах, если к объекту предъявляются особые требования. Опыт проводят после завершения испытаний образцов с природной влажностью и естественным сложением. Перед его началом поверхность подготавливают.

Порядок проведения работ:

1. Все механизмы (кроме анкера), которые остались в земле после предыдущего опыта, извлекают.
2. Кольцо с его содержимым переворачивают вверх той поверхностью, на которой срезался грунт.
3. Выемку зачищают и разравнивают. Участок округляют, его диаметр должен на 20-30 см превосходить диаметр кольца.
4. Кольцо опять переворачивают и ставят его на выравненный участок.
5. Кольцо поднимают на 5-10 мм, чтобы между его нижним ободком и массивом получился зазор.
6. Монтируют оборудование.
7. Грунт срезают до тех пор, пока его сопротивление сдвигу не достигнет стабильных цифр.

После завершения среза часть оборудования убирают, давление домкрата снижают до ноля. Фиксируют изменение высоты грунтовой пробы. Данные горизонтальных сдвигов берут из предыдущих опытов.

Гидродомкратом, закрепленным на стенке, грунт передвигают на место, которое он занимал до срезания. В этот момент приборы зафиксируют нулевую отметку. Домкрат убирают и проводят опыт методом медленного сдвига.

Обработка результатов

Вычисление результатов после завершения испытаний любым из описанных методов будет одинаковым.

На основании трех проведенных опытов строят график. На оси абсцисс отмечают вертикальное или нормальное напряжение, на оси ординат – касательное. Точки соединяют линией. Затем перпендикулярно оси ординат проводят условную линию. Угол между этой прямой и графиком и будет углом внутреннего трения.

На практике часто пользуются готовыми значениями угла внутреннего трения для разных грунтов. Они фиксируются при стандартных нагрузках – 1 кг/м2.

Данные угла внутреннего трения разных типов грунтов вы можете найти в таблицах. Они соответствуют требованиям СП 22.13330.2016.

Угол внутреннего трения для песков

Угол внутреннего трения для глинистых грунтов

Практическое применение показателя

Угол внутреннего трения и еще один показатель – сцепление – используются для расчета сопротивления грунтов сдвигу.

Сопротивление сдвигу, или прочность на сдвиг важно знать в таких ситуациях:

• При постройке зданий
• При строительстве автомобильных и железных дорог
• При возведении дамб и плотин
• При разработке закрытых шахт и открытых карьеров
• Для прогноза риска оползней в горной местности
• Для укрепления крутых склонов и берегов рек

Детальнее об этом вы можете узнать в статье Прочность грунта на сдвиг.

Угол внутреннего трения – это один из параметром, определяющий устойчивость грунтов к сдвигу. Вычисляют его после лабораторных или полевых испытаний. На практике часто пользуются готовыми показателями. Для проведения исследований необходима профессиональная техника и опыт. Услугу оказывают геодезические компании. Заказать ее стоит перед началом любого строительства, ведь от качества грунтового основания зависит прочность и долговечность всего здания или дороги.

Удельное
сцепление С₀

и угол внутреннего трения φ
являются характеристиками сопротивления
образцов к сдвиговым деформациям.

Сдвигом
называется процесс деформации и
разрушения породы вследствие смещения
одной ее части относительно другой.
Сдвиг по данной площадке вызывается
касательными напряжениями к ней.
Сопротивлением сдвигу называется
минимальная величиеа касательных
напряжений, вызывающая сдвиг. Сопротивление
сдвигу зависит от величины вертикальной
(нормальной) нагрузки σ, приложенной к
образцу.

Для
определения данных характеристик
прочности проводят испытание грунта
методом одноплоскостного среза.

Сущность
метода

• Эти
  характеристики определяют по результатам
  испытаний образцов грунта в одноплоскостных
  срезных приборах с фиксированной
  плоскостью среза путем сдвига одной
  части образца относительно другой его
  части касательной нагрузкой при
  одновременном нагружении образца
  нагрузкой, нормальной к плоскости
  среза.

• Сопротивление
  грунта срезу определяют как предельное
  среднее касательное напряжение, при
  котором образец грунта срезается по
  фиксированной плоскости при заданном
  нормальном напряжении. Для определения
  с
  и φ необходимо провести не менее трех
  испытаний при различных значениях
  нормального напряжения.

• Для
  испытаний используют образцы грунта
  ненарушенного сложения с природной
  влажностью или в водонасыщенном
  состоянии или образцы нарушенного
  сложения с заданными значениями
  плотности и влажности (в том числе при
  полном водонасыщении), или образцы,
  отобранные из уплотненного массива,
  для искусственно уплотненных грунтов.

• Образцы
  должны иметь форму цилиндра диаметром
  не менее 70 мм и высотой от 1/3 до 1/2
  диаметра.

Оборудование
и приборы

В
состав установки для испытания грунта
методом одноплоскостного среза должны
входить:

—
срезная коробка, состоящая из подвижной
и неподвижной частей и включающая
рабочее кольцо, жестких сплошного и
перфорированного штампов;

—
механизм для вертикального нагружения
образца;

—
механизм создания касательной нагрузки;

—
устройства для измерения деформаций
образца и прикладываемой нагрузки.

При
необходимости предварительного
уплотнения образца могут применяться
уплотнители, позволяющие производить
уплотнение при заданном давлении и
сохранении природной или заданной
влажности, а также в условиях полного
водонасыщения.

В
состав уплотнителя должны входить
следующие основные узлы:

—
цилиндрическая обойма, в которую
помещается рабочее кольцо с образцом;

—
жесткий перфорированный штамп;

—
механизм для вертикального нагружения
образца;

—
ванна для водонасыщения образца;

—
гидроизолирующие элементы;

—
устройство для измерения вертикальных
деформаций образца.

Подготовка
к испытанию

• Изготовленный
  образец взвешивают и в зависимости от
  схемы испытания и вида грунта приступают
  или к его предварительному уплотнению,
  или сразу к испытанию на срез.

• При
  предварительном уплотнении в уплотнителе
  рабочее кольцо с подготовленным образцом
  грунта следует поместить в обойму
  уплотнителя, а затем собранную обойму
  установить в ванну уплотнителя на
  перфорированный вкладыш (предварительно
  торцы образца необходимо покрыть
  влажным бумажным фильтром). Далее
  необходимо установить на образец
  перфорированный штамп, произвести
  регулировку механизма нагрузки,
  установить приборы для измерения
  вертикальных деформаций грунта и
  записать их начальные показания.

• Для
  испытаний образцов грунта в условиях
  полного водонасыщения необходимо
  предварительно замочить образцы,
  заполнив ванну уплотнителя водой.

Проведение
испытания

• Предварительное
  уплотнение образца, за исключением
  образцов просадочных грунтов, испытываемых
  в водонасыщенном состоянии, производят
  при нормальных давлениях р,
  при которых определяют сопротивление
  срезу t.
  Нормальные давления передают на образец
  грунта ступенями Dр.

• После
  предварительного уплотнения, если оно
  проводилось в уплотнителе, следует
  быстро разгрузить образец и перенести
  рабочее кольцо с образцом в срезную
  коробку. Далее закрепляют рабочее
  кольцо в срезной коробке, устанавливают
  перфорированный штамп, производят
  регулировку механизма нагрузки,
  устанавливают зазор 0,5 — 1 мм между
  подвижной и неподвижной частями срезной
  коробки, устанавливают измерительную
  аппаратуру для регистрации вертикальных
  деформаций образца и записывают ее
  начальное показание в журнале испытания.

• В
  случае предварительного уплотнения
  образцов грунта в условиях полного
  водонасыщения перед разгрузкой образца
  удаляют воду из ванны уплотнителя.

• На
  образец грунта передают то же нормальное
  давление, при котором происходило
  предварительное уплотнение грунта, за
  исключением образцов просадочного
  грунта, испытываемых в водонасыщенном
  состоянии. В этом случае нормальное
  давление при срезе должно составлять
  0,1; 0,2; 0,3 МПа.

• После
  передачи на образец грунта нормальной
  нагрузки приводят в рабочее состояние
  механизм создания касательной нагрузки
  и прибор для измерения деформаций среза
  грунта и записывают его начальное
  показание.

• При
  передаче касательной нагрузки ступенями
  их значения должны составлять 5 % значения
  нормальной нагрузки, при которой
  производят срез. На каждой ступени
  нагружения записывают показания
  приборов для измерения деформаций
  среза через каждые 2 мин, уменьшая
  интервал между измерениями до 1 мин в
  период затухания деформации до ее
  условной стабилизации.

• За
  критерий условной стабилизации
  деформации среза принимают скорость
  деформации, не превышающую 0,01 мм/мин.

• Испытание
  следует считать законченным, если при
  приложении очередной ступени касательной
  нагрузки происходит мгновенный срез
  (срыв) одной части образца по отношению
  к другой или общая деформация среза
  превысит 5 мм.

• При
  проведении среза с постоянной скоростью
  за окончание испытаний принимают
  момент, когда срезающая нагрузка
  достигнет максимального значения,
  после чего наблюдается некоторое ее
  снижение, или установление постоянного
  значения, или общая деформация среза
  превысит 5 мм.

• После
  окончания испытания следует разрушить
  образец, извлечь рабочее кольцо с
  образцом из прибора и отобрать пробы
  для определения влажности из зоны среза
  образца.

• В
  процессе испытания ведут журнал.

Обработка
результатов

• По
  измеренным в процессе испытания
  значениям касательной и нормальной
  нагрузок вычисляют касательные и
  нормальные напряжения τ и σ, МПа, по
  формулам :

где
Q
и F
— соответственно касательная и нормальная
силы к плоскости среза, кН;

А
— площадь среза, см².

Определение
τ необходимо проводить не менее чем при
трех различных значениях р.

Из
каждого значения τ вычитают поправку
за счет трения в приборе по заранее
построенной тарировочной кривой. При
фиксации хода испытаний автоматическими
приборами в полученную диаграмму среза
также вносят поправку за счет трения в
приборе.

По
измеренным в процессе испытания значениям
деформаций среза Dl,
соответствующим различным напряжениям
t,
строят график зависимости Dl
= f(τ).

За
сопротивление грунта срезу принимают
максимальное значение τ, полученное по
графику Dl
= f(τ)
или диаграмме среза на отрезке Dl,
не превышающем 5 мм.

Если
τ возрастает монотонно, то за сопротивление
грунта срезу следует принимать τ при
Dl
= 5 мм.

• Угол
  внутреннего трения φ и удельное сцепление
  с
  определяют как параметры линейной
  зависимости

τ
= σtgφ
+ c,

При
проведении повторных срезов эту
зависимость записывают в виде

τ
= σtgφ
+ (Σ_w
+ с_c),

где
S_w
— удельное сцепление, определяемое по
испытанию на повторный срез;

с_с
— часть общего удельного сцепления с
за вычетом S_w.

• Угол
  внутреннего трения j
  и удельное сцепление с,
  МПа, вычисляют по формулам:

где
τ_i
— опытные значения сопротивления срезу,
определенные при различных значениях
σ_i
и относящиеся к одному инженерно-геологическому
элементу или отдельному монолиту грунта
(при n
³
3);

n
— число испытаний.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Сопротивление грунта срезу характеризуется касательными напряжениями в предельном состоянии, когда наступает разрушение грунта [4]. Соотношение между предельными касательными τ и нормальными к площадкам сдвига σ напряжениями выражается условием прочности Кулона-Мора

τ = σ tgφ + c,

(1.5)

где φ — угол внутреннего трения; с — удельное сцепление.

Характеристики прочности φ и с определяют в лабораторных и полевых условиях. Для предварительных, а также окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III класса допускается принимать значения φ и с по табл. 1.17 и 1.18.

ТАБЛИЦА 1.17. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИИ c, кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ, град, ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

Примечание. Приведенные в таблице значения относятся к кварцевым пескам (см. табл. 1.12).

ТАБЛИЦА 1.18. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СЦЕПЛЕНИЯ c, кПа, И УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ, град, ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Примечание. Значения с и φ не распространяются на лёссовые грунты.

1.5.1. Определение прочностных характеристик в лабораторных условиях

В практике исследований грунтов применяют метод среза грунта по фиксированной плоскости в приборах одноплоскостного среза. Для получения φ и с необходимо провести срез не менее трех образцов грунта при различных значениях вертикальной нагрузки. По полученным в опытах значениям сопротивления срезу τ строят график линейной зависимости τ = f(σ) и находят угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Зависимость сопротивления срезу грунта τ от нормального напряжения σ

Различают две основные схемы опыта: медленный срез предварительно уплотненного до полной консолидации образца грунта (консолидировано-дренированное испытание) и быстрый срез без предварительного уплотнения (неконсолидировано-недренированное испытание).

Значения φ и с, полученные по методике медленного консолидированного среза, используются для определения расчетного сопротивления грунта, а также для оценки несущей способности основания, находящегося в стабилизированном состоянии (все напряжения от внешней нагрузки восприняты скелетом грунта). Значения φ и с, полученные по методике быстрого неконсолидированного среза, используются для определения несущей способности медленно уплотняющихся водонасыщенных суглинков и глин, илов, сапропелей, заторфованных грунтов и торфов. В таких грунтах возможно возникновение нестабилизированного состояния (наличие избыточного давления в поровой воде) вследствие их медленной консолидации или быстрой передачи нагрузки от сооружения (силосы, резервуары, склады сырья и т.п.).

Метод определения характеристик прочности φ и с в условиях трехосного сжатия в большей степени соответствует напряженному состоянию грунта в основании сооружения. Испытание проводится на приборе, в котором образец грунта подвергается всестороннему гидростатическому давлению и добавочному вертикальному (осевому). Для определения прочностных характеристик грунтов проводят серию испытаний при различных соотношениях давлений, доводя образец до разрушения, в результате каждого опыта получают значения наибольшего σ₁ и наименьшего σ₃ главных нормальных напряжений в момент разрушения. Графически зависимость между главными касательными и нормальными напряжениями представляют с помощью кругов Мора, каждый из которых строится на разности напряжений σ₁ и σ₃(рис. 1.6).

Рис. 1.6. Круги Мора по результатам испытания грунта в приборе трехосного сжатия

Общая касательная к этим кругам удовлетворяет условию прочности (1.5) и позволяет определить характеристики φ и с.

В приборах трехосного сжатия проводят следующие испытания:

• – недренированное — дренирование воды из образца грунта отсутствует в течение всего опыта;
• – консолидировано-недренированное — дренирование обеспечивается в процессе приложения гидростатического давления и образец полностью уплотняется, в процессе приложения осевых нагрузок дренирование отсутствует;
• – дренированное — дренирование обеспечивается в течение всего испытания.

Недренированные испытания водонасыщенных грунтов проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через общие (тотальные) напряжения. Дренированные испытания проводят для определения прочностных характеристик, выражаемых через эффективные напряжения. При этом в процессе опыта должно быть достигнуто полностью консолидированное состояние грунта. Прочностные характеристики грунтов, выражаемые через эффективные напряжения, могут быть определены также для образцов грунта, испытанных в неполностью консолидированном состоянии, при условии измерения в процессе опыта давления в поровой воде.

Количественной характеристикой прочности скальных грунтов является предел прочности на одноосное сжатие R_c, определяемый раздавливанием образца грунта и вычисляемый по формуле

R_с = P/F,

(1.6)

где Р — нагрузка в момент разрушения образца грунта; F — площадь поперечного сечения образца грунта.

1.5.2. Определение прочностных характеристик в полевых условиях

Полевое испытание на срез в заданной плоскости целика грунта, заключенного в кольцевую обойму, аналогично лабораторному испытанию на срез в одноплоскостных срезных приборах. Испытания проводятся в шурфах, котлованах, штреках и т.д. Для получения характеристик φ и с определяют сопротивление срезу не менее чем трех целиков при различных вертикальных нагрузках. Схемы испытаний принимаются те же, что и в лабораторных условиях. Значения φ и с находят на основе построения зависимости (1.5), как это показано на рис. 1.5.

Полевое определение характеристик φ и с в стенах буровой скважины проводится методами кольцевого и поступательного среза. Схемы испытаний приведены на рис. 1.7. Эти методы применяются для испытаний грунтов на глубинах до 10 м (кольцевой срез) и до 20 м (поступательный срез). В методе кольцевого среза используется распорный штамп с продольными лопастями, в методе поступательного среза — с поперечными лопастями. С помощью распорного штампа лопасти вдавливаются в стенки скважины и создастся нормальное давление на стенки. В методе кольцевого среза грунт срезается вследствие приложения крутящего момента, а в методе поступательного среза — выдергивающей силы. Для получения φ и с необходимо провести не менее трех срезов при различных нормальных давлениях на стенки скважины и построить зависимость τ = f (σ) (см. рис. 1.5).

Рис. 1.7. Схемы испытаний грунта в скважинах на срез

а — кольцевой; б — поступательный; в — вращательный крыльчаткой: 1 — лопасти; 2 — распорные штампы; 3 — скважины; 4 — штанги; 5 — устройства для создания и измерения усилия

Метод вращательного среза с помощью крыльчатки, вдавливаемой в массив грунта или в забой буровой скважины (см. рис. 1.7), позволяет определить сопротивление срезу τ, поэтому его рекомендуется применять при слабых пылевато-глинистых грунтах, илах, сапропелях, заторфованных грунтах и торфах, так как для них угол внутреннего трения практически равен нулю и можно принять с = τ. Испытания крыльчаткой проводят на глубинах до 20 м.

Для определения характеристик прочности в полевых условиях применяют методы выпирания и обрушения грунта в горных выработках. Значения φ и с вычисляют из условий предельного равновесия выпираемого и обрушаемого массива грунта.

Угол внутреннего трения песчаных грунтов может быть определен с помощью статического и динамического зондирования. По данным статического зондирования угол φ имеет следующие значения:

Значения φ по данным динамического зондирования приведены в табл. 1.19. Для сооружений I и II класса является обязательным сопоставление данных зондирования с результатами испытаний тех же грунтов на срез. Для сооружений III класса допускается определять φ только по результатам зондирования.

ТАБЛИЦА 1.19. ЗНАЧЕНИЯ УГЛОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ φ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Угол внутреннего трения глинистого грунта — это параметр прямой зависимости сопротивления глинистого грунта срезу от вертикального давления, определяемый как отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат. (ГОСТ Р 54477-2011).

Таблица нормативных значения угла внутреннего трения глинистых (супесчаных, суглинистых) грунтов, согласно СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений:

Для промежуточных значений коэффициентов пористости (е) глинистого грунта, значения угла внутреннего трения определяются интерполяцией (Онлайн-Интерполятор)

Удельное сцепление (с) глинистых грунтов

Модуль деформации глинистых грунтов