Сопротивление грунтов сдвигу. Сопротивляемость горных пород и грунтов сдвигу. Показатели и методы их определения, страница 3

                                  Внутренние связи различных пород   

Можно сделать вывод, какие внутренние связи имеют первостепенное значение в различных породах:

1)  В скальных породах, подобных граниту или известнякам, превалируют жесткие необратимые связи структурного сцепления с_с. Внутренние связи водно-коллоидной природы в подобных породах не проявляются (Σ _w = 0). Силы внутреннего трения от внешней нагрузки возникают в породе прак-тически лишь на контактных стенках трещин.

2) В работе сыпучих, несвязных грунтов (песок, гравий, щебень и т. д.), например, под нагрузкой от сооружений наибольшее значение приобретают силы внутреннего трения и только отчасти силы структурного сцепления.

3) Наибольшее значение в прочности глинистых пород имеет связность Σ _w, хотя в определенных случаях могут проявиться и другие компоненты сопротивляемости горных пород сдвигу, т. е. силы внутреннего  трения  и   структурного  сцепления.

Угол естественного откоса сыпучих грунтов

Говоря о методах определения угла внутреннего трения  φ_n для рыхлых сыпучих грунтов, нельзя обойти вопрос об угле естественного откоса грунта  φ₀.

Углом естественного откоса называют угол, образуемый линией свободно стоящего откоса отсыпанного грунта с горизонтом (рис. 8).

Выделим на откосе с углом к горизонту φ₀ некоторый элемент весом Р.  Разложим эту силу на две составляющие: нормальную N и касательную Q:

N = Р cos φ₀;    Q= Р sin φ₀.

Под действием силы N по контактной поверхности выделенного блока и откоса развиваются силы трения:                                       

T = N·tgφ_n = P·cosφ₀ tgφ_n.

По мере увеличения угла наклона откоса степень устойчивости выделенного элемента на поверхности откоса будет уменьшаться. При некотором значении угла откоса φ₀ элемент будет находиться в состоянии предельного равновесия  Т=Q, т. е.

P·cosφ₀ tgφ_n = Р sinφ₀.

Произведя необходимые сокращения и преобразования, получим

tgφ_n = sinφ₀ / cosφ₀ = tgφ₀, откуда                                        φ₀ = φ_n.                                                              (9)

Таким образом, для сыпучего грунта в рыхлом состоянии угол с горизонтом свободно отсыпанного откоса (угол соответственного откоса) оказывается равным углу внутреннего трения.

В естественных условиях угол φ₀ определяют прямым замером, например при отсыпке грунта в конус; в лабораторных условиях для этой цели применяют приборы. Один из наиболее удачных приборов создал В. Г. Науменко. Угол φ₀ грунта в   сухом  и   затопленном  состоянии   измеряется   по  откосу,   остающемуся   после   удаления избыточных масс грунта. Для правильного определения угла естественного откоса это условие является решающим. Преимущество этого прибора заключается в независимости результатов опыта от индивидуальных особенностей лаборанта, в частности, при проведении опыта под водой.  

В заключение отметим, что равенство угла естественного откоса углу внутреннего трения грунта верно лишь для грунтов, полностью лишенных связности и сцепления. Более крутые откосы у других грунтов являются прямым следствием проявления сил сцепления и связности, и в этих условиях зависимость (9) теряет практический смысл. По этой причине нельзя определять угол внутреннего трения влажных песков и тем более глинистых грунтов по углу естественного откоса в условиях лабораторных опытов.

Для средних условии расчетный угол внутреннего трения:

1) для  песков можно принимать φ =30°;

2 минимальное значение угла внутреннего трения гравийно-галечнико-вых грунтов при  рыхлом их сложении и невысоких напряжениях обычно составляет φ = 40^а  и несколько выше; при плотном сложении (n = 20%) он может достигать φ =50^о—55^о .

3) зернистые грунты в толще коренных пород обладают обычно некоторой связностью (уплотненные пески) за счет слабой цементации. Угол внутреннего трения у этих песков находится в пределах φ = 30—35^о. В природном состоянии такие грунты залегают плотно и надежно устойчиво.