ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 3, с. 252-261
ГРУНТОВЕДЕНИЕ
УДК 624.131
К ВОПРОСУ О ПРОЧНОСТИ ГРУНТА В МАССИВЕ
© 2014 г. Г. П. Постоев
Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Уланский пер., д. 13, стр.2, Москва, 101000 Россия. E-mail: opolzen@geoenv.ru
Поступила в редакцию 25.10.2012 г. После исправления 1.07.2013 г.
Рассмотрено определение прочности глинистого грунта в образце по Кулону-Мору. Показано, что прочность грунта в массиве регламентируется его напряженным состоянием. Гравитационное давление на грунт, превышающее его структурную прочность, вызывает в грунте активное горизонтальное давление (распор или напор), формируя активное предельное равновесие в исходном состоянии массива.
Силовое возмущение массива в виде уменьшения вертикальных напряжений в локальной зоне вследствие техногенного воздействия (карьер, котлован), развития оползня на склоне или формирования карстового провала над полостью в карстующихся породах приводит к трансформации исходного напряженного состояния, возникновению деформаций грунта, изменению его прочности. Предложены новые критерии, определяющие предельное состояние грунтового массива во взаимодействии с локальным силовым возмущением.
Ключевые слова: прочность грунта в образце, структурная прочность, коэффициент бокового давления, активное предельное равновесие, силовое возмущение, напряженно-деформированное состояние (НДС), переуплотненные глины, образование оползня, формирование карстового провала.
ВВЕДЕНИЕ
Основные задачи исследований грунтов заключаются в выявлении закономерностей их поведения в массиве в различных природных и техногенных условиях. Однако большинство испытаний грунтов, в частности определение их деформационных и прочностных характеристик, проводятся в лабораторных условиях на образцах грунтов с нарушенной и ненарушенной структурой. И теория прочности материалов Мора, получившая наибольшее распространение в механике грунтов, также основана целиком на опытных данных [12].
Грунт в массиве находится в сложном напряженном состоянии, нередко не совсем ясном. В связи с этим несущая способность и деформационное поведение грунта в массиве могут значительно отличаться от соответствующих данных и закономерностей, полученных при лабораторных испытаниях образцов грунта.
С одной стороны, в массиве могут находиться слабые прослои и линзы грунтов с чрезвычайно
низкой прочностью, но при этом его общая устойчивость, благодаря "защемленности" слабого прослоя в более прочных грунтах, может быть достаточно высокой.
С другой стороны, известно, что грунтовым массивам присуща естественная трещиноватость [16, 19], степень влияния которой на прочность и устойчивость массива трудно оценить по данным лабораторных исследований грунтов.
При исследовании грунтов существует проблема "масштабного эффекта", определяющего особенности перехода от "образца" к "массиву". Эти особенности связаны с проявлением в массиве микро- и макронеоднородностей разных уровней и соответственно с построением структурных моделей, адекватно отражающих их геологическое строение, а также с природными и техногенными условиями, определяющими прочность грунтов в массиве, используемую в расчетах для решения инженерных задач [15].
К настоящему времени известны сотни расчетных моделей для оценки несущей способности грунтового основания, устойчивости массивов, деформаций строящихся сооружений и урбанизированных территорий при развитии опасных деформационных процессов.
Несмотря на обилие геомеханических моделей, совершенствование методов исследования свойств грунтов, развитие механико-математического аппарата расчета системы "инженерное сооружение - основание", в том числе с использованием современной вычислительной техники и программных комплексов, по-прежнему актуальна проблема достоверной оценки реального напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового массива, условий и критериев возможного формирования предельных значений параметров массива по прочности слагающих его грунтов и действующим напряжениям [5, 18].
Одна из основных проблем механики грунтов и инженерной геологии - определение реальной прочности грунта в массиве в условиях его естественного залегания, значение которой можно использовать в расчетах устойчивости и деформирования массивов при их взаимодействии с сооружениями и для оценки состояния массива как среды проявления опасных геологических процессов.
Опыт применения разнообразных численных и аналитических моделей для геотехнических расчетов, как показывают дискуссии на совещаниях по геотехнике, свидетельствует о необходимости совершенствования применяемых моделей не столько в части используемого математического аппарата, сколько в учете реальных процессов, происходящих в грунтовом массиве в результате силового воздействия на него.
В данной статье рассматриваются основные условия и механизм проявления прочности грунта в массиве.
ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЧНОСТИ ГРУНТА В ОБРАЗЦЕ ПО КУЛОНУ-МОРУ
Условие прочности грунта. Прочность грунтов определяют как свойство сопротивляться разрушению [7] или сопротивляться воздействию внешних сил без полного разрушения [9].
Условием прочности грунта по Кулону-Мору является выражение
в1 - в3
где в1 и в3 - соответственно наибольшее и наименьшее главные напряжения, в1 >в2 > в3 (в2 -среднее главное напряжение, не учитываемое в данном условии), { и с - эффективные значения угла внутреннего трения и сцепления грунта.
Выражение (1) нередко называют условием прочности грунта в образце или в точке. Оно определяет, что предельные наибольшие сжимающие напряжения б1, действующие на замкнутый элементарный объем грунта (образец), вызывают горизонтальные напряжения распора в3 = в2 на боковые границы элементарного объема. Предельное соотношение между в1 и в3 зависит от { и с в соответствии с выражением (1).
По существу полагается, что сжатие грунта происходит при отсутствии поперечных деформаций (компрессионные испытания), т.е. в жесткой обойме с боковым давлением (распора) в3.
Структурная прочность. Выражение (1) может быть записано также следующим образом:
^3
V, -
^2(45- {/2),
(2)
где азГ - структурная прочность грунта.
в1 + в3 +2с ■ ^ {
вш {,
(1)
Физически структурная прочность грунта на сжатие соответствует предельному давлению, которое может выдержать структурный каркас грунта без разрушительных деформаций. Графически структурная прочность отсекается на оси абсцисс диаграммы Мора предельным кругом Мора, проходящим через начало координат, т.е., как и следует из выражения (2), при в3 = 0, в1 = взГ При в1 < взГ прочность структурных связей сохраняется, а при в1 = в^ она полностью отмобилизована.
Аналитически структурная прочность определяется через значения { и с:
в^ = 2с • 1е(45 + {/2). (3)
Экспериментально значение может быть получено при испытаниях грунта на одноосное сжатие как предельное давление на образец грунта.
Структурная прочность может быть определена в стабилометре М-2 по диаграмме бокового распора (рис. 1) в соответствии с методикой, разработанной проф. Е.И. Медковым [10], который выделил три характерные фазы НДС глинистого грунта при его сжатии. Фаза I - вертикальные (осевые) напряжения в1 ниже предела упругости; наблюдаются упругие вертикальные деформации грунта, боковой распор в3 отсутствует. Фаза II -
Рис. 1. Диаграмма бокового распора и фазы НДС глинистого грунта в компрессионных условиях (по Е.И. Медкову).
может появиться плавный рост бокового распора (для пластичных грунтов). В грунтах с жесткими связями v3 практически отсутствует. Кроме упругих деформаций возникают также локальные упруго-пластические сдвиги, особенно при приближении к предельным давлениям в этой фазе. Фаза III характеризуется линейной зависимостью между приращениями вертикального давления и бокового распора.
В сыпучих грунтах структурная прочность практически отсутствует. Соотношение между v1 и v3 соответствует фазе III, что следует также из
(3) при Vstr = 0.
Понятие структурной прочности пока не нашло широкого применения в механике грунтов и в нормативных документах. А.К. Аликонис [1] определяет структурную прочность при сжатии по формуле (1). Р.Э. Дашко и А.А. Каган [3] сопоставили формулу (3) с определениями структурной прочности при испытаниях грунта в компрессионном приборе, стабилометре, одноосном сжатии и штамповых испытаниях и пришли к выводу, что "величина структурной прочности отвечает началу разрушения природных связей". К этому же заключению пришли Б.И. Далматов и В.М. Чикишев [2], отметив влияние структурной прочности на увеличение модуля деформации грунта по глубине в штамповых испытаниях.
Согласно исследованиям П.А. Ляшенко [8], при компрессионном испытании при v1 > vstr грунт дробится на множество клиньев, при штам-повых испытаниях тоже образуются плотно прилегающие друг к другу клинья. По его мнению, резкое увеличение сжимаемости есть результат появления "первой тотальной поверхности скольжения".
Таким образом, структурная прочность - это важнейшая характеристика грунта, определяющая сопротивление его структурного каркаса (структурных связей между частицами грунта) внешнему давлению. Имея это в виду, можно го-
ворить о некой связи между связными и скальными грунтами:
в^Яе, (4)
где Яе - предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов [17].
Коэффициент бокового давления. В предельном состоянии грунта коэффициент бокового давления т как отношение приращения бокового давления Ав3 к приращению осевого давления Ав1 равен
т = tg2(45 - {/2). (5)
Под осевым давлением в1, превышающим структурную прочность, грунт (в образце) раздавливается, в результате возникает боковое распорное давление, которое в жесткой оболочке, препятствующей развитию поперечных деформаций, вызывает реактивное боковое давление в3. Жесткая оболочка играет роль пассивного отпора. Следует подчеркнуть, что если бы реактивное давление отпора отсутствовало или было бы меньше давления распора, то последовало бы развитие поперечных и соответственно осевых деформаций образца грунта и последующее его разрушение.
При давле
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.