И устойчивостта на почвата към срязване

Връзка между нормалното налягане

На практика стойностите на показателите за устойчивост на срязване на почвата се използват за изчисляване на якостта и стабилността на почвите.

Деформация на срязване е изместването на една част от почвата по друга, причинено от действието на напрежения на срязване от външно натоварване. Под действието на силите на срязване отделните почвени зърна се движат и структурата на почвата в зоната на срязване се нарушава. В същото време почвата се противопоставя на срязващите сили: за насипни почви това е устойчивостта на вътрешно триене, а за кохезионни почви, освен това, устойчивостта на кохезионни сили. Кохезията в почвата, както беше посочено по-рано, може да бъде капилярна, молекулярна и структурна.

Устойчивостта на срязване на почвите се изследва експериментално в условия на крайно напрегнато състояние.

Крайното напрегнато състояние на почвата се нарича състояние, при което най-малкото нарастване на външното влияние причинява дисбаланс; в този случай устойчивостта на срязване е равна на граничната стойност за дадената почва.

Следователно срязването е пластична деформация - непрекъснато плъзгане на една част от почвата по друга, съответстваща на преодоляване на крайното напрегнато състояние.

Устойчивостта на почвите на срязване се определя в лабораторията най-често от срязването на почвата в срязващи устройства по предварително фиксирани равнини или от срязването на почвата по равнините на максимални тангенциални напрежения по време на смачкване.

Първият метод е най-широко използван в практиката.

Схема на ножичното устройство е показана на фигура 2.19. Това е щипка от два метални пръстена с малка междина (около 0,5 мм), останала между тях. Единият пръстен е неподвижен, а другият пръстен може да бъде изместен хоризонтално. Компресията на почвата, поставена в клетката, се извършва по същия начин като компресията по време на тестовете за компресия. След стабилизиране на разстройството, хоризонтална сила се прилага на малки стъпки към подвижния държач на устройството до настъпване на устойчива деформация на срязване по процепа между пръстените на устройството.

Изпитванията се извършват върху няколко (3 - 5) почвени проби, за да се получат редица експериментални точки за нанасяне на графична връзка между стойността на налягането, нормална към повърхността на срязване, и устойчивостта на срязване на почвата.

Фигура 2.19. Схема на устройството за срязване:

1 - проба от почвата;

3 - порести печати;

4 - фиксиран държач;

6 - подвижен държач

Компресионно налягане P (в Па) се дефинира като коефициент на разделяне на общото нормално налягане P на проба площ F, и напрежението на срязване t (в Pa) - като коефициент на разделяне на срязващата сила Въпрос: на изрязана площ F.

За насипни почви графика, базирана на резултатите от няколко експеримента, е показана на фигура 2.20.

Фигура 2.20. Връзка между нормалното налягане и устойчивостта на срязване на почвата за насипни почви

Зависимост между P и t се изразява с права линия, простираща се от началото. Наклонът на правата линия е тангенсът на ъгъла на вътрешно триене j между почвените частици, а самата зависимост има вид

където tgj е коефициентът на вътрешно триене, tgj = е. Тази зависимост е законът на Кулон (1773) за насипни твърди вещества, който гласи: устойчивостта на насипните твърди частици на срязване е съпротивлението на вътрешното триене, което е право пропорционално на нормалното налягане.

За кохезионни почви графиката е по-сложна. Експерименталните точки образуват криволинейна зависимост с максимална стръмност (кривина) при ниски налягания. Експериментите показват, че при натиск P повече от 0,05 ... 0,1 МРа, криволинейността на графика на изместването става незначителна, поради което за практически цели можете да замените кривата с права линия, която не преминава през началото, но отрязва сегмент от ординатата ос ° С0. Стойността ° С0 представлява устойчивост на срязване на кохезивна почва при нормално налягане P= 0, т.е. характеризира адхезията на частиците (Фигура 2.21).

Фигура 2.21. Връзка между нормалното налягане и устойчивостта на срязване на почвата за кохезионни почви

Уравнението на права линия, изградена от експериментални точки, може да бъде написано в следната форма:

. (2,37)

Това уравнение е математически израз на закона на Кулон за кохезионни тела, който може да бъде формулиран по следния начин: устойчивостта на кохезионните почви на срязване е функция от първата степен на нормалното налягане, състояща се от два термина - съпротивлението на вътрешното триене, което е пряко пропорционален на нормалното налягане и съпротивлението на кохезионните сили, не в зависимост от нормалното налягане.

По този начин в закона на Кулон се приема, че коефициентът на вътрешно триене е и адхезивна сила ° С0 - постоянни стойности. Въпреки това, като се има предвид, че външното натоварване уплътнява почвата, допринасяйки за сближаването на почвените частици, увеличаването на броя на контактите между тях, следва да се счита за очевидно, че с увеличаване на външното налягане, силата на сцепление на почвата трябва да се увеличи . Съответно ъгълът j0 на графиката ще представлява надценена стойност на ъгъла на вътрешно триене, тъй като всъщност стойността на ъгъла на наклона на правата линия към хоризонта също включва известна част от нарастващата адхезия.

Характеристиките на устойчивостта на срязване на почвата са от голямо значение за практиката на проектиране, поради което методът за отделно определяне на силите на триене и сцепление представлява практически интерес.

По метода, предложен по това време от VNIIG (Всесоюзен научно-изследователски институт по хидротехника), се тестват две серии почвени проби с постоянна плътност. В този случай пробите от 1-ва серия се уплътняват с нормалното налягане, при което се извършва срязването, а пробите от 2-ра серия се уплътняват с максималното налягане за този експеримент, след което срязването се извършва при натоварване се премахва на различни стъпки за всяка проба. Обикновено се смята, че разрезите на пробите от 2-ра серия се извършват при постоянна плътност на почвата, съответстваща на уплътняването на пробата с максималното налягане за този експеримент. Това предположение се основава на характеристиките на поведението на почвата по време на разтоварване. Както е показано по-горе, обратният клон на кривата на компресия (при разтоварване до 0,5 - 1 kg/cm 2) има много малък наклон към оста на налягане, което показва незначителни промени в плътността на почвата.

Въз основа на резултатите от тестовете за срязване на почвата, ние изграждаме графика и в резултат получаваме праволинейна зависимост за почва с дадена плътност, която напълно съответства на закона на Кулон за кохезионни тела (фиг. 2.22). На графиката от изпитвания на почвени проби без предварително уплътняване (права линия 1) на ординатата се отрязва сегмент, който изразява силата на сцепление на неуплътнената почва, а на графиката на предварително уплътнената почва (линия 2), на ordinate получаваме стойността ° Сmax е адхезионната сила на най-уплътнената почва за даден експеримент. Ако приемем, че силите на сцепление на почвата се променят в зависимост от налягането съгласно линеен закон, ние откриваме чрез линейна интерполация променливите стойности на силите на сцепление ° Седин, ° С2, ° С3, съответстващи на нормалното налягане Pедин, P2, P3, P4. В този случай ъгълът j, който е по-малък от ъгъла j0, е ъгълът на вътрешно триене (фиг. 2.22).

Фигура 2.22. Зависимост на променливите сили на сцепление от величината на уплътнителното налягане (метод VNIIG):

1 - резултати от изпитване без предварително уплътняване;

2 - същото, с предварително уплътняване Pмакс

Техниката VNIIG се основава на предположението, че ъгълът на вътрешно триене е постоянен при различна плътност на почвата, докато в действителност, когато почвата се уплътнява, частиците се приближават една до друга, увеличаване на броя на контактите и стойността на ъгъла на триенето може леко да се увеличи. Това обстоятелство може да се пренебрегне, тъй като компонентът на вътрешните сили на триене в общата устойчивост на срязване на кохезионни почви има относително малка фракция.

Математически уравнението на смяната може да бъде записано по следния начин:

, (2,38)

Където ci - сила на сцепление, съответстваща на дадена плътност на почвата.

Формулировката на закона за устойчивост на срязване на кохезионни почви може да бъде следната: устойчивостта на кохезионните почви на срязване е функция на първата степен на нормалното налягане, състояща се от два термина - устойчивост на вътрешно триене и устойчивост на кохезионни сили; и двата термина се увеличават пропорционално на нарастването на нормалното налягане.

2.6.1. Устойчивост на срязване на несвързани почви

По-горе разгледахме устойчивостта на срязване на почвата в случай на уплътняване от външен товар в отворена система (консолидирана-дренирана).

Също така е важно да се вземе предвид устойчивостта на глинестите почви на срязване по затворена система (неконсолидирана-недренирана) и в случаите, когато почвата от това натоварване все още не е уплътнена напълно, т.е.

Фигура 2.23 показва резултатите от изпитване на срязване на глинести почви в затворена система.

Фигура 2.23. Криви на ограничителни съпротивления на срязване на кохезионни глинести почви в затворена система (неконсолидирана-дренирана): а) зависимост на устойчивостта на срязване от влага; б) бързо нарязани криви на срязване

За неконсолидираното състояние на напълно наситени с вода кохезионни почви, когато все още не е постигнато пълно уплътняване от дадено натоварване, частта от устойчивостта на срязване на почвата, в зависимост от величината на нормалното налягане, ще бъде по-малка, тъй като само ефективното налягането се предава върху скелета на почвата, равно на разликата между общото налягане s и неутралното u. В този случай стойността на устойчивостта на срязване на напълно водонаситена кохезивна почва с непълна консолидация ще бъде междинна между устойчивостта на срязване, съответстваща на първоначалната влажност на почвата и съпротивлението, съответстващо на нейното стабилизирано състояние:

(2,39)

, (2,40)

Където u - неутрално (порно) налягане, съответстващо на дадена степен на консолидация; ° С - ефективно сцепление.

Н. Н. Маслов предложи метод за отчитане на непълно консолидиране на глинесто-глинести почви, който се свежда до тестване на почвени проби за неконсолидирани срязвания през различни интервали от време след прилагане на налягания със същия интензитет. След смяната се вземат проби от почвата от срезаната зона, за да се определи съдържанието на влага в нея. Въз основа на тези данни може да се построи графика на зависимостта на крайната устойчивост на срязване на почвата от влагата. Поредица от такива тестове при различни налягания Pn прави възможно нанасянето на кривите на крайното съпротивление на срязване като функция на влагата (Фигура 2.24, а). Използвайки тези данни, можете да изградите графика на зависимостта на крайното съпротивление на срязване от налягане за която и да е влага (Фигура 2.24, b) и според получените характеристики, графика на зависимостта на специфичната адхезия и ъгъла на вътрешното триене върху влагата (Фигура 2.25).