Как найти сцепление грунта - Avtoru.top - решение различных проблем

Удельное сцепление грунта

От чего зависит сцепление грунта и на что оно влияет

Методы определения удельного сцепления

Практическое значение показателя

Удельное сцепление грунта

Основные характеристики параметра

Удельное сцепление грунта

От чего зависит сцепление грунта и на что оно влияет

Лабораторные методы испытания

Полевые методики испытаний

Готовые показатели

Одноплоскостный срез

Трехосное сжатие

1.5.1. Определение прочностных характеристик в лабораторных условиях

1.5.2. Определение прочностных характеристик в полевых условиях

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).

Удельное сцепление грунта
От чего зависит сцепление грунта и на что оно влияет
Методы определения удельного сцепления
Лабораторные методы испытания
Одноплоскостный срез
Трехосное сжатие
Полевые методики испытаний
Готовые показатели
Практическое значение показателя

На показатель влияет тип химических связей в породе. Свойство характерно для глинистых и скальных грунтов. Устойчивость к сдвигу несвязных дисперсных грунтов обеспечивает трение между отдельными зернами, поэтому сцепление в этом случае играет минимальную роль.

Сцепление обеспечивают химические связи между молекулами минеральных компонентов грунтов.

Основные разновидности связей:

Коллоидные – это электрохимические контакты между молекулами минералов и воды
Цементационные – связи между частицами и минералами, которые играют роль цемента
Кристаллизационные – связи между отдельными молекулами, образующими кристаллические решетки

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.

Кристаллизационные связи присутствуют в скальных грунтах и некоторых глинистых. Они прочные, но необратимо разрушаются при нагрузках. Кристаллические решетки в обычных условиях не восстанавливаются, так как для их образования нужны высокие температуры и давление.

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:

Пористость и плотность
Сцепление рыхлого грунта с большим количеством пор всегда слабее.
Влажность
При высокой влажности вокруг мелких глинистых частиц образуются пленки воды. Чем больше их толщина, тем слабее связи между зернами и агрегатами, а значит – и сцепление. Влажность влияет в основном на показатели глинистого грунта.
Минеральный состав
Минералы грунта определяют тип связей между его химическими элементами. Самые прочные они у магматических и метаморфических пород, образованных в недрах земли при высоких температурах и давлении. Несколько ниже сцепление у осадочных скальных и глинистых связных грунтов.

Сцепление бывает:

Структурным – оно обеспечивается химическими контактами между отдельными элементами грунта; присутствует в нем изначально
Удельным – оно определяется во время испытаний на сдвиг и напрямую зависит от вертикальных нагрузок

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.

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

В лаборатории пользуются несколькими методами:

Одноплоскостным срезом – быстрым неконсолидированным и медленным консолидировано-дренированным
Трехосным сжатием – неконсолидировано-недренированным, консолидировано-недренированным, консолидировано-дренированым

При использовании консолидированных методик грунт дополнительно уплотняют. При дренированном испытании влагу отводят через систему дренажей, при недренированном берут водонасыщенный материал или с естественной влажностью.

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

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:

Когда обрабатывают экспериментальные точки графика, проводят более сложные вычисления:

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

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.

Удельное сцепление определяется после построения графика. На нем отмечают данные касательных и вертикальных напряжений, полученные на одном и том же массиве не менее, чем в трех опытах. Величиной сцепления будет отрезок на оси ординат от нулевой точки до начала линии графика.

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

Таблица удельного сцепления глинистых грунтов

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.

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:

Закладке фундаментов и возведении домов любого типа
Строительстве промышленных объектов
Прокладке автомобильных трасс, железных дорог, взлетных полос аэродромов
Прокладке грунтовых дорог, обустройстве пешеходных зон
Строительстве дамб, плотин, трубопроводов, путепроводов
Разработке карьеров и подземных шахт
Укреплении речных берегов и горных склонов
Прогнозировании горных обвалов, размыва берегов во время наводнений

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

Удельное сцепление грунта — прочностная характеристика, определяемая как сопротивление структурных связей нескальных грунтов любому перемещению связываемых ими частиц.

За нормативное значение удельного сцепления грунта принимают величину прямолинейной зависимости сопротивления срезу от давления, рассчитанное методом наименьших квадратов.

Обозначается сn или просто с, измеряется в кПа (кгс/см2). Определяется по формуле:

c = τ – р tg(φ),

где τ – сопротивление сдвигу, р – вертикальное давление, tg(φ) – коэффициент внутреннего трения.

Величина зависит от структурной прочности просадочного грунта (песчаные и пылевато-глинистые почвы), его вида, степени влажности и в некоторой мере от плотности.

Нормативные значения удельного сцепления сn для песчаных и пылевато-глинистых нелёссовых грунтов четвертичных отложений приведены в таблицах на сайте elima.ru

Применение показателя

По удельному сцеплению определяется прочность нескальных грунтов для строительства и эксплуатации зданий и сооружений, построенных на них.

Для вычисления несущей способности основания удельное сцепление грунта желательно рассчитывать экспериментально, но можно применять табличные данные, приведенные в ссылке выше.

Более подробно об удельном сцеплении грунта читайте в методическом пособии «Механика грунтов».

Источник

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

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	0 38	– –
Средней крупности	с φ	3 40	2 38	1 35	– –
Мелкий	с φ	6 38	4 36	2 32	0 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).

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

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 < I_L ≤ 0,25	с φ	21 30	17 29	15 27	13 24	– –	– –	– –
0,25 < I_L ≤ 0,75	с φ	19 28	15 26	13 24	11 21	9 18	– –	– –
Суглинок	0 < I_L ≤ 0,25	с φ	47 26	37 25	31 24	25 23	22 22	19 20	– –
0,25 < I_L ≤ 0,5	с φ	39 24	34 23	28 22	23 21	18 19	15 17	– –
0,5 < I_L ≤ 0,75	с φ	– –	– –	25 19	20 18	16 16	14 14	12 12
Глина	0 < I_L ≤ 0,25	с φ	– –	81 21	68 20	54 19	47 18	41 16	36 14
0,25 < I_L ≤ 0,5	с φ	– –	– –	57 18	50 17	43 16	37 14	32 11
0,5 < I_L ≤ 0,75	с φ	– –	– –	45 15	41 14	36 12	33 10	29 7

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

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.

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:

q_c, МПа	1	2	4	7	12	20	30
φ, град	26	28	30	32	34	36	38

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

Источник

На показатель влияет тип химических связей в породе. Свойство характерно для глинистых и скальных грунтов. Устойчивость к сдвигу несвязных дисперсных грунтов обеспечивает трение между отдельными зернами , поэтому сцепление в этом случае играет минимальную роль.

Значения φ, град, МПа при q_d, МПа

Крупный и средней крупности

Сцепление обеспечивают химические связи между молекулами минеральных компонентов грунтов.

Основные разновидности связей:

Коллоидные – это электрохимические контакты между молекулами минералов и воды
Цементационные – связи между частицами и минералами, которые играют роль цемента
Кристаллизационные – связи между отдельными молекулами, образующими кристаллические решетки

Кристаллизационные связи присутствуют в скальных грунтах и некоторых глинистых. Они прочные , но необратимо разрушаются при нагрузках. Кристаллические решетки в обычных условиях не восстанавливаются, так как для их образования нужны высокие температуры и давление.

На сцепление влияют и другие характеристики:

Пористость и плотность
Сцепление рыхлого грунта с большим количеством пор всегда слабее.
Влажность
При высокой влажности вокруг мелких глинистых частиц образуются пленки воды. Чем больше их толщина, тем слабее связи между зернами и агрегатами, а значит – и сцепление. Влажность влияет в основном на показатели глинистого грунта.
Минеральный состав
Минералы грунта определяют тип связей между его химическими элементами. Самые прочные они у магматических и метаморфических пород , образованных в недрах земли при высоких температурах и давлении. Несколько ниже сцепление у осадочных скальных и глинистых связных грунтов.

Сцепление бывает:

Структурным – оно обеспечивается химическими контактами между отдельными элементами грунта; присутствует в нем изначально
Удельным – оно определяется во время испытаний на сдвиг и напрямую зависит от вертикальных нагрузок