что такое угол внутреннего трения для грунтов

Удельное сцепление грунта

Сцепление грунта (с) – это один из параметров, от которого зависит прочность грунта при сдвиге. Его вычисляют по формуле соотношением вертикального и касательного напряжений или определяют на графике. Измеряется сцепление в килопаскалях (кПа).

От чего зависит сцепление грунта и на что оно влияет

Сцепление обеспечивают химические связи между молекулами минеральных компонентов грунтов.

Основные разновидности связей:

Наименьшей силой обладают коллоидные или водно-коллоидные связи. Больше всего на них влияет влажность. Но это единственный тип структурных связей, способный восстанавливаться после разрушения. Встречаются они в глинистых грунтах.

Цементационные связи достаточно прочные. Они характерны для литифицированных (окаменевших) глин и некоторых скальных грунтов. После разрушения такие связи не восстанавливаются. Но они могут опять возникать в массивах через несколько десятилетий или столетий.

Прочные контакты между элементами обеспечивают упругость грунта – способность после уменьшения нагрузки восстанавливать свой объем и форму. Коллоидные контакты даже после смещения частично возобновляются. Это увеличивает способность грунтов сопротивляться сдвигу.

На сцепление влияют и другие характеристики:

Сцепление бывает:

Сцепление обеспечивает устойчивость грунта при воздействии касательных сдвигающих сил, влияет на прочность и несущую способность. При высоком показателе грунтовый массив становится надежным основанием под фундаментом или дорожным полотном.

Методы определения удельного сцепления

Показатель определяют в ходе испытаний грунтов на устойчивость к сдвигу, в лаборатории или полевых условиях.

Лабораторные методы испытания

В лаборатории пользуются несколькими методами:

Подробнее о лабораторных методиках вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг. Здесь же мы расскажем, как вычисляется удельное сцепление.

Одноплоскостный срез

Этим методом определяют два типа напряжения – нормальное, или вертикальное (σ) и горизонтальное, или касательное (τ). Их максимальные значения соответствуют силе давления, при которой происходит сдвиг или смещение частиц относительно друг друга. Для определения сцепления нужно провести несколько опытов. Полученные данные отмечают на графике. Участок, который находится между нулевой точкой (местом пересечения осей) и местом начала кривой на оси ординат, соответствует силе сцепления.

Показатель вычисляют и по формуле:

Udelnoe sczeplenie grunta (1)

Когда обрабатывают экспериментальные точки графика, проводят более сложные вычисления:

Udelnoe sczeplenie grunta (2)

Трехосное сжатие

По этой методике вычисляют эффективное значение удельного сцепления (с’).
Используется уравнение:

Udelnoe sczeplenie grunta (3)

Полевые методики испытаний

Испытание грунтов в массиве дает более приближенные к естественным условиям результаты. Чаще всего это делают в карьерах, подземных выработках, строительных котлованах перед закладкой фундамента.

Сцепление в полевых условиях определяют методом среза образцов. Прямо в выработке с помощью кольца от массива отделяют определенный объем грунта. Затем с помощью установки с анкерным устройством делают срез. Деформации фиксируют измерительными приборами. Детальнее о способе проведения опыта вы можете прочитать в статье Угол внутреннего трения грунта.

Готовые показатели

На практике часто пользуются уже готовыми данными для разных типов грунтов. Они прописаны в СП 22.13330.2016. Показатели сцепления представлены в таблицах.

Таблица удельного сцепления песков разной крупности

Udelnoe sczeplenie grunta (4)

Таблица удельного сцепления глинистых грунтов

Udelnoe sczeplenie grunta (5)

Как мы видим из приведенных таблиц, у песков сцепление очень слабое. В глинистых грунтах показатель намного выше, но он уменьшается с увеличением пористости и текучести.

Практическое значение показателя

Удельное и структурное сцепление больше всего влияет на прочность скальных и глинистых грунтов при сдвиге. У песков этот параметр больше зависит от угла внутреннего трения. Сцепление лишь незначительно влияет на прочность пылеватых и мелких песков.

Сцепление можно определить в ходе опытов или взять готовую цифру из нормативных документов. Показатель используется для расчета напряжений при испытаниях на сдвиг.

Информация о сцеплении грунтов необходима при:

Подробно о всех перечисленных пунктах, а также о расчете напряжений при испытаниях на сдвиг вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг.

Определение удельного сцепления и других прочностных характеристик грунта требует опыта и специального оборудования. Поэтому услугу по определению этого показателя нужно заказывать у специалистов.

Источник

Механические свойства грунтов

К механическим свойствам относятся:

Подробнее о каждом из них мы расскажем ниже

Сжимаемость

Определяют сжимаемость, чтобы рассчитать усадку под давлением фундамента, дорожного полотна, транспорта и т.д. Испытания проводят в лаборатории с помощью одометра. В прибор помещают образец грунта, а затем уплотняют его. Результаты фиксируют в виде компрессионной кривой; она показывает, насколько изменилась пористость материала, по сравнению с исходным состоянием.

Подробнее об этом читайте в статье Сжимаемость грунта.

Просадочность

Способность грунта сжиматься при замачивании под собственным весом или минимальной внешней нагрузкой и возможности бокового расширения. Свойство характерно для грунтов с высоким содержанием пылевидных частиц (лессов и лессовидных суглинков). Оно ярко проявляется при увлажнении грунта. На просадочных грунтах трудно возводить фундаменты, они требуют уплотнения или укрепления.

Измеряется просадочность все так же – с помощью одометра. В зависимости от результатов принимают решение о необходимости укрепления материала. Если проигнорировать это свойство, в дальнейшем грунт может просесть, что приведет к разрушению построек, деформации дорожного полотна и другим неприятным последствиям.

Подробнее об этом читайте в статье Просадочность грунта.

Набухание

Все грунты разделяются на несколько групп – от ненабухающих до сильнонабухающих. На последних, например, нельзя строить здания. Они требуют замены на более устойчивый к увлажнению материал.

Подробнее об этом читайте в статье Набухание грунта.

Морозное пучение

Увеличение объема при замерзании. Свойство выражено в пористых грунтах с высокой влагоемкостью. Они содержат много воды, которая после замерзания увеличивается в объеме. Морозное пучение более характерно глинам и суглинкам, чем пескам и супесям. Последние не задерживают воду, а пропускают ее в нижние горизонты грунтового массива.

Читайте также:  что такое тобико в роллах и суши

Набухание и морозное пучение – негативные явления, которые ведут к разрушению построек. Увеличивающийся в объеме грунт оказывает давление на конструкцию, равное нескольким десяткам тонн. В результате фундамент может выдавливаться из земли и разрушаться, на асфальтовом полотне появляются бугры и трещины.

Подробнее об этом читайте в статье Морозное пучение грунта.

Прочность

Высокой прочностью обладают скальные грунты, состоящие из пород магматического или метаморфического происхождения, сухие пластичные глины. Обретают прочность грунты, которые длительное время находились в воде (галька, речной и морской песок). Вода вымывает слабые породы из этих материалов. Показатель падает в процессе выветривания, при появлении трещин и расколов. Например, гравий, образовавшийся в результате разрушения плотных горных пород, имеет настолько низкую прочность, что некоторые зерна можно спокойно раскрошить голыми руками.

Подробнее об этом читайте в статье Прочность грунта.

Упругость, или модуль упругости

Соотношение между вертикальным давлением и степенью деформации грунта. Для определения показателя образец сначала сжимают, а потом снимают давление. Характеристика важна для расчета предполагаемой усадки фундамента.

Подробнее об этом читайте в статье Упругость грунта.

Угол внутреннего трения

Характеризует сопротивление грунта вертикальному срезу. Он зависит от силы воздействия и трения между отдельными частицами. У разных грунтов показатель колеблется от 1 5° до 43°. Показывает устойчивость материалов к сдвигу и динамическим нагрузкам.

Подробнее об этом читайте в статье Угол внутреннего трения грунта.

Сцепление

Под сцеплением понимают степень взаимодействия частиц грунта между собой. Определяется при вертикальном срезе и напрямую зависит от силы давления, которое прилагается в ходе исследования. На сцепление влияет тип связи между отдельными частицами. Оно высокое у скальных грунтов (кристаллические связи), глины (коллоидные связи). Также на него влияет степень трения, сцепление выше между зернами с шероховатой поверхностью.

Сцепление уменьшается в грунтах с большим содержанием мелких частиц, которые обволакивают более крупные, делая их поверхность гладкой. Плохо сцепляются между собой окатанные зерна речного и морского песка, гальки.

Подробнее об этом читайте в статье Сцепление грунта.

Сопротивление грунтов сдвигу

Сопротивление грунтов сдвигу – это способность выдерживать горизонтальные нагрузки без нарушения структуры. Она зависит от прочности молекулярных связей и трения частиц между собой. Показатель всегда выше у скальных, связных дисперсных и мерзлых грунтов.

Подробнее об этом читайте в статье Сопротивление грунта сдвигу.

Угол естественного откоса

Это угол между горизонтальной площадкой и конусом, который образовался при свободной засыпке грунта. Зависит от угла внутреннего трения и сцепления. Показатель важен для расчета высоты насыпей, откосов, глубины выемок.

Подробнее об этом читайте в статье Угол естественного откоса грунта.

Граница текучести и раската

Показатель влажности при потере пластичности, определяется для глинистых грунтов. Граница текучести – это влажность при переходе грунта из пластичного состояния в текучее. Граница раската – это минимальная влажность, при которой грунт сохраняет пластические свойства (раскатывается и сохраняет свою форму).

Подробнее об этом читайте в статье Граница текучести и раската грунта.

Липкость

Способность влажного грунта прилипать к поверхности. Свойство характерно для глины, суглинка, частично для почвы с высоким содержанием гумуса. Зависит от пластичности и текучести. Липкий грунт цепляется к инструментам и технике, шинам автомобилей, гусеницам тракторов. Поэтому его не рекомендуют использовать для грунтовых и временных дорог.

Подробнее об этом читайте в статье Липкость грунта.

Определение механических свойств грунта – важный этап подготовки ст р оительства зданий или дорог. От качества его проведения зависит сам проект и особенности его реализации. Детальнее об этих характеристиках вы можете прочитать в соответствующих статьях нашего сайта.

Источник

1.5. ПРОЧНОСТЬ ГРУНТОВ

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

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.

Песок Характеристика Значения с и φ при коэффициенте пористости e
0,45 0,55 0,65 0,75
Гравелистый и крупный с
φ
2
43
1
40

38

Средней крупности с
φ
3
40
2
38
1
35

Мелкий с
φ
6
38
4
36
2
32

28
Пылеватый с
φ
8
36
6
34
4
30
2
26

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

Грунт Показатель текучести Характеристика Значения с и φ при коэффициенте пористости е
0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 1,05
Супесь 0 IL ≤ 0,25 с
φ
21
30
17
29
15
27
13
24



0,25 IL ≤ 0,75 с
φ
19
28
15
26
13
24
11
21
9
18


Суглинок 0 IL ≤ 0,25 с
φ
47
26
37
25
31
24
25
23
22
22
19
20

0,25 IL ≤ 0,5 с
φ
39
24
34
23
28
22
23
21
18
19
15
17

0,5 IL ≤ 0,75 с
φ


25
19
20
18
16
16
14
14
12
12
Глина 0 IL ≤ 0,25 с
φ

81
21
68
20
54
19
47
18
41
16
36
14
0,25 IL ≤ 0,5 с
φ


57
18
50
17
43
16
37
14
32
11
0,5 IL ≤ 0,75 с
φ


45
15
41
14
36
12
33
10
29
7
Читайте также:  комиссар кто такой простыми словами

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).

r1 5

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).

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).

r1 6

В приборах трехосного сжатия проводят следующие 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.

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).

r1 7

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

Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения

Источник

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

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.

Ugol vnutrennego treniya grunta (1)

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.

Ugol vnutrennego treniya grunta (2)

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.

Читайте также:  родила двойню что делать

На нее, в свою очередь, влияют:

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:

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

Одноплоскостной срез может быть:

Трехосное сжатие включает в себя методы:

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:

Ugol vnutrennego treniya grunta (3)

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

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

Ugol vnutrennego treniya grunta (4)

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:

Ugol vnutrennego treniya grunta (5)

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

Ugol vnutrennego treniya grunta (6)

Методы полевых испытаний

Испытывать можно грунты со следующими параметрами:

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

Оборудование

В исследовании используются такие приборы:

Испытания проводятся со ступенчатой или непрерывной нагрузкой.

Подготовка к испытаниям

С помощью кольца из массива вырезают образец грунта.

Порядок работы:

Для проведения опыта выбирают один из трех методов:

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.

Ugol vnutrennego treniya grunta (7)

Стабильное давление на каждой ступени выдерживают:

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.

Ugol vnutrennego treniya grunta (8)

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

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.

Ugol vnutrennego treniya grunta (9)

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.

Ugol vnutrennego treniya grunta (10)

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:

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 польз у ются 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

Ugol vnutrennego treniya grunta (11)

Угол внутреннего трения для глинистых грунтов

Ugol vnutrennego treniya grunta (12)

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:

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

Источник

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Праздники по дням и их значения
Adblock
detector