Закон Кулона для связных и несвязных грунтов

Грунты оснований зданий и сооружений испытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, то происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.

Сопротивление грунта сдвигу характеризуется прочностными свойствами грунта и используется в расчетах оснований по первому предельному состоянию (по прочности).

Прочностью грунта называют способность его воспринимать силы внешнего воздействия не разрушаясь. Разрушение грунта, служащего основанием сооружения, слагающего берег (склон) водохранилища или же откос канала, происходит в виде перемещения-сдвига одной его части относительно другой тогда, когда силы внешнего воздействия превысят силы внутреннего сопротивления. Прочность грунта определяется его сопротивляемостью сдвигу и оценивается показателем, который называется предельным сопротивлением сдвигу τ.

В лабораторных условиях сопротивление грунта сдвигу устанавливается испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез) в сдвиговых приборах и приборах трехосного сжатия, в полевых — путем испытания крыльчаткой, методами раздавливания призмы грунта, сдвигом целика грунта в заданной плоскости и другими способами. На рис. 5.11 показан общий вид установки для испытания грунтов на одноплоскостной сдвиг.

Если образец грунта поместить в сдвиговой прибор (в виде двух компрессионных колец), то приложив вертикальную силу F и постепенно увеличивая горизонтальную силу Т, происходит срез (сдвиг) одной части образца относительно другой по линии, показанной пунктиром (см. рис. 5.12).

Опыты на сдвиг проводят при нескольких сжимающих напряжениях (о) для образцов грунта, находящихся в одинаковом состоянии и результаты оформляют в виде графиков (рис. 5.13). При этом, чем больше а, тем больше предельное сопротивление сдвигу τ_и.

Под действием возникающих в плоскости среза касательных напряжений τ=Т/А развиваются горизонтальные перемещения верхней части образца а (см. рис. 5.13). По мере увеличения интенсивность горизонтальных перемещений а возрастает, и при некотором предельном значении τ = τ_и дальнейшее перемещение части образца происходит без увеличения сдвигающего напряжения. Это свидетельствует о разрушении образца грунта.

Рис. 5.13. Кривые горизонтальных смещений части образца при различных значениях нормальных напряжений (а) и график сопротивления сдвигу образца песчаного грунта (б)

Многочисленными экспериментами различных авторов установлено, что график зависимости сопротивления сдвигу от нормального напряжения для песчаных и крупнообломочных грунтов с достаточной точностью может быть представлен отрезком прямой, выходящей из начала координат (см. рис. 5.13, б). Тогда эта зависимость может быть выражена уравнением

(5.27)

где tgφ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трение грунта о грунт, tgφ = ƒ; φ — угол внутреннего трения.

Зависимость (5.27) установлена французским ученым Ш. Кулоном еще в 1773 г. и формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется законом Кулона для несвязных фунтов.

Как известно, глинистые фунты (супесь, суглинок, глина) обладают связностью, интенсивность которой зависит от влажности и степени уплотненности грунта.
Испытание глинистых грунтов производится в таких же приборах, что и несвязных грунтов (см. рис. 5.12), только фильтрующая пластина — без зубцов.
Так же проводятся несколько испытаний и строится график (рис. 5.14). Тогда зависимость τ = ƒ (σ) для связных грунтов может быть представлена следующим образом:

(5.28)

где с — отрезок, отсекаемый от оси τ_и прямой АВ (рис. 5.14), называется удельным сцеплением и характеризует связность грунта.

Параметры φ и с лишь условно можно назвать углом внутреннего трения и удельным сцеплением, так как физика процесса разрушения грунта намного сложнее.

Рис. 5.14. График сопротивления сдвигу образцов глинистого грунта

На полученные величины параметров сопротивления грунта сдвигу (φ и с) оказывает влияние методика проведения опытов (табл. 5.3).
Уравнение (5.28) называют законом Кулона для связных грунтов и формулируют следующим образом: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершении их консолидации есть функция первой степени нормального напряжения.