Сопротивление грунтов сдвигу

При вертикальной нагрузке в толще нескальных грунтов появляются площадки сдвига. В земляных плотинах и их основаниях эти площадки в совокупности образуют поверхности сдвига. Если реактивные силы на поверхности сдвига будут меньше внешних сил, сооружение теряет устойчивость. Потеря устойчивости сопровождается недопустимыми деформациями, в результате чего сооружение выходит из строя.

Характер деформаций в зависимости от внешней нагрузки можно проследить по графику, приведенному на рисунке 11.

Исследованиями установлено, что грунт под давлением внешней силы последовательно испытывает три стадии деформаций.

Первая стадия (на графике прямая ОМ1) характеризуется линейной зависимостью между нагрузкой и деформацией. Здесь происходит только      уплотнение      грунта

Рис. 11  Стадии   деформации грунта:
р -внешняя   нагрузка;    S - деформация   грунта.

за счет вертикального перемещения твердых частиц и, как следствие этого - уменьшение пористости. Такая деформация считается допустимой и приводит к осадке сооружения, учитываемой расчетом.

Вторая стадия (на графике кривая М1М2) характеризуется наличием площадок сдвига за счет горизонтального смещения частиц, вертикальные же перемещения на этой стадии имеют незначительную величину. Линейная деформация здесь исчезает. Увеличение деформации нарастает быстрее нагрузки.

Третья стадия (на графике линия М2М3) соответствует выпиранию грунта, причем деформация наступает внезапно и имеет катастрофические последствия.

Совершенно очевидно, что любое сооружение, возведенное на нескальном основании, а тем более земляная плотина, может нормально работать только в первой стадии, когда происходит уплотнение грунта.

Параметрами, определяющими устойчивость плотины в первой стадии деформации, являются внутреннее трение и сцепление грунта.
Внутреннее трение в грунте создает реактивную силу, определяемую по формуле:

(22)

где  Т - сила внутреннего трения;
N - нормальная составляющая внешней нагрузки;
- угол внутреннего трения.
Сила Т характерна для сыпучих (несвязных) грунтов и складывается из:

а)  сопротивления трению при перемещении одних частиц по другим;

б)   сопротивления перекатыванию одних частиц по другим;

в)   сопротивления раздроблению частиц и скалыванию углов.

Расчетные значения углов внутреннего трения для сыпучих (несвязных) и глинистых (связных) грунтов в зависимости от коэффициента пористости приведены в таблице 12.

Таблица  12

Силы сцепления проявляются в связных грунтах и обусловлены наличием естественных цементов (коллоидальных гелей и солей), молекулярными явлениями и капиллярным давлением. На сцепление также оказывает влияние влажность, с увеличением последней сцепление уменьшается.

Реактивная сила в связных грунтах определится  по формуле:


(23)


где  S -  сопротивление сдвигу; С -  сцепление.

Графически зависимость (23) может быть изображена в виде прямой линии с наклоном к оси абсцисс, с начальной ординатой, равной С (рис. 12). Угол

Рис.   12.   Зависимость   между нормальным давлением и сдвигающей силой (для глинистого грунта)

наклона прямой определяется углом внутреннего трения.

Ориентировочные расчетные значения удельного сцепления для связных грунтов приведены в таблице 12.