Сопротивление грунтов сдвигу. Сопротивляемость горных пород и грунтов сдвигу. Показатели и методы их определения

Раздел 3. Сопротивление грунтов сдвигу

Лекция 5

СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ  ГОРНЫХ  ПОРОД  И   ГРУНТОВ  СДВИГУ. ПОКАЗАТЕЛИ  И  МЕТОДЫ   ИХ  ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Прочность горных пород и грунтов

О прочности горной породы судят по ее сопротивляемости сдвигу.  Сопротивляемость сдвигу, обозначаемая s_pw, как величина удельного сопротивления сдвигу свидетельствует о сопротивлении породы сдвигу по единичной площадке и имеет размерность напряжений кг/см² (Па).    Необходимо отметить различия в понятиях сопротивления и сопротивляемости грунта сдвигу. Очевидно, что сопротивление S сдвигу некоторого объема грунта со сдвигом его по некоторой поверхности с площадью  F определится по формуле                 S = s_pw F.                                                       (1)

Сопротивляемость грунтов сдвигу в общем виде можно представить зависимостью Н. Н. Маслова

s_pw = p·tgφ _w + Σ _w + с_с ,                                      (2)

где р — действующее в породе по данной площадке нормальное напряжение р_п, обозначаемое для краткости без индекса п; φ _w— угол внутреннего трения при влажности w, Σ _w — связанность породы водно-коллоидной природы; с_с —структурное сцепление.

Соответствующие индексы у s, φ и Σуказывают на зависимость всех этих показателей в определенных условиях от влажности w, а сопротивляемость породы сдвигу s_pw— в общем случае  и  от  величины  нормального  напряжения  р.

Таким образом, сопротивляемость породы сдвигу и, следовательно, ее прочность в общем случае определяются: 1) силами внутреннего трения в породе, зависящими от величины нормального напряжения  р; 2) связностью Σ породы; 3) величиной свойственного ей структурного сцепления с_с.

Внутреннее  трение в  грунтах

В рыхлых сыпучих  грунтах: поверхность частиц сыпучих пород обладает той или иной шероховатостью. При воздействии на грунт сжимающих нормальных напряжений между  частицами   возникают силы  трения, которые до некоторых пределов нормального напряжения связаны с ним прямолинейной зависимостью:

s_тр = p·f                                                (3)

s_тр – удельная сила трения (кг/см², МПа), f - коэффициент внутреннего трения, характеризующий в данном случае шероховатость зерен грунта.         

Коэффициент трения, как известно, можно выразить через угол внутреннего трения φ. Тогда выражение (3) можно представить в виде 

s_тр = p·tgφ                                              (4)

Для песчаных и вообще зернистых грунтов (гравий, галька, дресва, щебень) угол внутреннего трения зависит от плотности их сложения. Наиболее очевидным показателем плотности грунта является его пористость n, выражаемая в процентах или долях единицы. В этом случае выражение (4) приобретет вид                                           

s_тр = p·tgφ_n                                             (5)

Для глинистых грунтов, коэффициент f и угол внутреннего трения φ могут зависеть от степени увлажнения породы, характеризуемой ее влажностью w. Учитывая это выражение (4) запишем в виде               

s_тр = p·tgφ_w                                          (6)   

Последнее выражение в точности соответствует первому члену  нашей основной зависимости (2). Однако применительно к глинистым грунтам вопрос о внутреннем трении оказывается много сложнее, и его требуется рассматривать с учетом связности Σ _w.

Структурное сцепление

Структурное сцепление с_с придает породе определенную жесткость, твердость. Этот вид сцепления объясняется наличием в породе некоторых жестких связей, действующих между слагающими ее частицами. 

Структурное сцепление особенно характерно для скалистых пород, и оно практически полностью определяет прочность таких пород.

В глинистых грунтах структурное сцепление выражено значительно менее ясно.

В сыпучих грунтах, подобных рыхлому песку и щебню, структурное сцепление, естественно, отсутствует. В плотных песках, песчано-гравелистых и галечниковых грунтах во многих случаях возникает некоторое взаимное зацепление зерен. Этот фактор можно рассматривать в данном случае как проявление структурного сцепления с_с. В сыпучих грунтах этот вид связей называют зацеплением. Последнее особенно характерно для плотных разнородных по гранулометрическому составу сыпучих грунтов. Заметим, что устойчивость высоких обрывистых берегов, состоящих из песчаных конгломератов (гальки с порами, заполненными песком), часто наблюдаемых на горных реках, объясняется в основном высоким, присущим этим грунтам зацеплением.