Сопротивление грунтов сдвигу – прочность на сдвиг

Прочность на сдвиг – это соотношение сжимающего вертикального (σ) и сдвигающего горизонтального, или касательного (τ) напряжений. Их воздействие на грунт в двух плоскостях ведет к тому, что частицы перемещаются относительно друг друга. Возникают деформации, которые в определенный момент ведут к разрушению грунта. Чем больше нагрузка сжатия, тем сильнее должен быть сдвиг, чтобы грунт потерял свою целостность.

• Сопротивление грунтов сдвигу (прочность на сдвиг)
• Определение показателей сопротивления сдвигу
• Одноплоскостной срез
• Метод медленного среза
• Метод быстрого среза
• Трехосное сжатие
• Особенности сопротивления сдвигу у разных грунтов
• Сопротивление сдвигу у скальных грунтов
• Сопротивление сдвигу несвязных дисперсных грунтов
• Сопротивление сдвигу связных глинистых грунтов
• Сопротивление сдвигу мерзлых грунтов

Сдвиг бывает поверхностным и глубоким. В первом случае деформации затрагивают лишь верхние слои грунта, не влияют на общую устойчивость массива. Глубокий сдвиг проходит по криволинейной плоскости, в нем задействовано несколько грунтовых слоев. Такая деформация ведет к существенному повреждению и даже разрушению массива.

Сдвигающие силы действуют практически на все грунты при ведении строительных работ. Показатель влияет на несущую способность материала, устойчивость насыпей, откосов и зданий.

Его определяют:

• Перед возведением зданий любого уровня
• При прокладке дорог всех классов
• При возведении насыпей
• При строительстве дамб и плотин
• При разработке карьеров (для расчета крутизны стенок)
• При разработке способов крепления шахт и подземных выработок
• Для прогнозирования оползней в горной местности и укрепления склонов
• При разработке плана укрепления речных берегов

Дальше мы опишем, как определяется сопротивление грунта сдвигу.

Определение показателей сопротивления сдвигу

Грунт при сдвиге разрушается за счет того, что на него действует сжимающая сила от вертикальной нагрузки и сдвигающая от касательной (горизонтальной). Чем интенсивнее сжатие, тем больше нужно приложить усилий, чтобы срезать или сдвинуть материал. Прочность в этом случае определяется соотношением нагрузок, а не критическим напряжением.

Она выражается уравнением Кулона (предельного равновесия):

Детальнее об этих величинах вы можете прочитать в продолжении текста и других статьях нашего сайта.

Для определения прочности грунта при сдвиге используют такие методы:

• Одноплоскостной срез
• Трехосное сжатие

Методики описаны в ГОСТ 12248-2010. Информацию о них вы найдете в следующей части текста.

Одноплоскостной срез

Этим методом определяется угол внутреннего трения всех грунтов, сцепления глинистых, органических и скальных типов. По формуле вычисляют прочность при сдвиге.

Материал испытывают в специальных приборах, которые обеспечивают касательную и вертикальную нагрузку. Для получения точных данных проводят три опыта с одним и тем же образцом, но разными напряжениями.

Метод одноплоскостного среза имеет две схемы:

• Медленного среза (консолидировано-дренированного) – не учитывает водонасыщение
• Быстрого среза (неконсолидированного) – для глинистых грунтов и плодородных почв с текучестью (Il) менее 0,5 и для просадочных разновидностей, полностью насыщенных водой

В опытах используют образцы с природным сложением либо заданной плотностью и пористостью (при изъятии из предварительно уплотненных массивов). Глинистые грунты и песок берут в состоянии естественной влажности, а просадочные – полностью насыщенные влагой.

Пробы должны иметь форму цилиндра со следующими параметрами:

• Диаметр – от 70 мм
• Высота – 1/3 либо 1/2 диаметра
• Наибольший размер частиц – до 1/5 высоты

Для проведения опыта используется срезной прибор и уплотнитель.

Составные части срезного прибора:

• Коробка для срезов (срезная), которая состоит из движущейся и неподвижной части, рабочего кольца, сплошных и переформированных жестких штампов
• Устройство для сжатия материала – его вес подбирают так, чтобы стартовое давление на пробу не превышало 0,025 МПа
• Устройство для передачи срезающей касательной (горизонтальной) нагрузки

Уплотнители используются, если нужно проверять прочность грунта с определенными параметрами влажности и плотности.

Составные части уплотнителя:

• Обойма в форме цилиндра, куда помещают кольцо с грунтом
• Жесткий штамп с перфорациями
• Приспособление для создания вертикального давления на пробу
• Емкость для насыщения исследуемого материала водой
• Гидроизоляция
• Измерительный прибор для снятия данных о вертикальных деформациях

Готовый образец ставят на весы. При необходимости его уплотняют перфорированным штампом.

Во время процедуры фиксируют показатели вертикальной деформации. Если нужно испытывать водонасыщенный грунт, его помещают в ванну и наливают воду, пока она не появится на поверхности образца. Просадочные грунты увлажняют до достижения максимальной плотности. Набухающие глины после стабилизации объема (прекращения набухания) нагружают, чтобы отжать лишнюю жидкость.

Дальнейшие действия зависят от метода, которым проводятся испытания.

Метод медленного среза

Перед началом испытания грунт уплотняют, при этом выбирают такое максимальное давление, которое на массив будет оказывать фундамент или другая конструкция. Минимальное и среднее давление в процессе опыта определяют как 0,25 и 0,5 от максимального. Если данных о нагрузках на массив нет, выбирают стандартные из таблицы.

Ступени уплотнения держат 15-25 минут, лишь последнюю – до момента 100% фильтрационной консолидации t100 (плотности, при которой отжимается вся вода, а поровое давление практически равно 0). После прекращения воздействия ступени записывают данные вертикальной деформации грунта.

На основе этих данных строят график. По нему определяют t100, которое будет использоваться в дальнейших расчетах.

После уплотнения грунта его следует перенести в срезной прибор и предпринять следующие шаги:

1. Удалить жидкость из емкости, если опыт проводился на предварительно насыщенном водой грунте
2. Закрепить кольцо с грунтом в срезной коробке
3. Установить штамп с перфорациями
4. Отрегулировать прибор нагрузки
5. Установить подвижную и неподвижную часть так, чтобы зазор между ними был 0,5 мм для глинистых и органических грунтов и 1 мм – для песка
6. Установить измерительный прибор для фиксации вертикальных деформаций

Нагружают пробу тем же давлением, которое применялось при уплотнении. Нагрузку передают в одну ступень.

Она длится:

• Для песка – 5 мин
• Для супеси – 15 мин
• Для глины и суглинка – 30 мин

После завершения испытания с вертикальными нагрузками переходят к горизонтальному срезу и фиксации соответствующих деформаций. Сначала в журнал вносят стартовые данные о состоянии образца (вертикальные размеры), далее выбирают режим: статический (ступенчатый) или непрерывный (кинематический).

При непрерывном режиме скорость деформирования грунта высчитывают следующим образом:

Скорость деформирования при срезании у глинистых грунтов коррелирует с числом пластичности. Данные приведены ниже.

Ступенчатое увеличение давления должно быть на уровне 5%. Этап завершают, когда величина деформации приближается к значениям, приведенным в таблице.

Ниже приведено приблизительное время воздействия ступени для распространенных разновидностей грунтов.

Деформация становится стабильной, если за данный выше отрезок времени она не увеличивается более чем на 0,05%.

Статическое испытание считается завершенным, если на очередном этапе часть грунта отделяется от остальной или если его деформирование превышает 10%.

При кинетическом режиме скорость деформации стабильная. Ее данные для разных типов грунтов приведены в таблице.

Деформацию и величину касательной нагрузки фиксируют каждый раз, когда режущий прибор продвигается на 0,25-0,5 мм. Обычно фиксируют около 20 таких показателей. Испытание считается завершенным, если грунт деформируется больше, чем на 10% от изначального значения, или если нагрузка достигает максимума, после чего не увеличивается либо снижается.

Метод быстрого среза

Образец готовят и устанавливают также, как и в предыдущем случае. Вместо перфорированного штампа берут сплошной. Пробу нагружают одной ступенью, величину которой определяют по предлагаемому давлению на массив или берут из таблицы.

Не более, чем через 2 минуты после приложения давления, делают срез грунта. При кинематическом испытании скорость срезания должна быть 2-3 мм/мин. При ступенчатом методе касательная сила на каждой ступени должна быть не больше 10% от сжимающей. Ступени сменяются с перерывами в 10-15 с. Момент окончания испытания определяют так же, как в предыдущей методике.

После завершения опыта вычисляют горизонтальную (τ) и вертикальную (σ) нагрузку, при которых происходит сдвиг грунта.

Для этого используют формулы:

Показатель горизонтальной нагрузки определяют минимум в трех разных опытах. Из полученных цифр выстраивают график. Наибольшее значение τ – это предельное сопротивление грунта сдвигу.

Трехосное сжатие

Трехосным сжатием определяют:

• Устойчивость грунта к сдвигу
• Угол внутреннего трения
• Сцепление
• Коэффициент фильтрационной консолидации

Последние три характеристики напрямую зависят от устойчивости грунта к сдвигу.

Испытание проводится в камере, где материал имеет возможность расширяться в стороны. Его сдавливают в горизонтальной и вертикальной плоскости, по соотношению разнонаправленных нагрузок определяют прочность.

Сложение грунта может быть нарушенным или естественным, в зависимости от поставленной задачи. Образцам придают цилиндрическую форму с диаметром среза 35 мм. Соотношение между высотой и диаметром – 1,85:2,25. Отдельные зерна не должны превышать 1/6 диаметра.

Прибор для трехосного состоит из таких деталей:

• Камеры с уплотнителем и двумя штампами (сплошным и перфорированным), которые обеспечивают боковое расширение материала, отжимание жидкости из пор и измерение ее объема; все детали в ней герметичные, с минимальным трением между отдельными частями
• Прибор для измерения, создания и поддержания заданного давления в камере
• Приспособление для вертикального сжатия грунта
• Измеритель деформаций
• Измеритель давления в грунтовых порах
• Система противодавления

Этапы подготовки к испытаниям:

1. Грунт извлекают из массива цилиндром с заостренной и скошенной внутрь нижней частью. Диаметр приспособления на 0,5-1 мм больше, чем диаметр острого края.
2. Аккуратно достают пробу из цилиндра, делают замеры диаметра и высоты. До 50% площади глинистого грунта обклеивают фильтровальной бумагой для удаления влаги и ускорения консолидации (уменьшения давления жидкости в порах).
3. Систему противодавления заполняют дистиллированной водой.
4. Пробу оборачивают увлажненной фильтровальной бумагой, ставят ее на диск с порами, насыщенным водой, который располагается в основании камеры. Далее на образец надевают резиновую оболочку (используют расширитель). Связный грунт подготавливают еще перед размещением в камере, несвязный – непосредственно на ее основании. Песок закладывают послойно из водной взвеси.
5. На подготовленный грунт устанавливают верхний штамп и крепят его резиновым либо металлическим уплотнителем.
6. Камеру устанавливают на основание и проводят отцентровку грунтовой пробы.
7. Корпус крепят к основанию.
8. В корпус наливают воду, из которой предварительно удалены воздушные пузырьки.
9. Подключают все измерительные приборы и записывают их стартовые показания.

Дальнейшие испытания проводятся тремя методами:

• Неконсолидировано-недренированным
• Консолидировано-недренированным
• Консолидировано-дренированым

Детально о них читайте в продолжении статьи.

Неконсолидировано-недренированный метод

Образец сначала доводят до естественной плотности всесторонним обжатием без дренажа. Нагружают грунт непрерывно либо ступенями. В первом случае скорость наращивают на 0,5-2% за минуту, во втором – увеличивают давление на каждой ступени на 2-10% (перерыв между ступенями – от 15 с до 1 мин).

Испытание заканчивается, когда грунт начинает разрушаться. Его разгружают и берут образец для определения влажности.

Во время опыта записывают значения вертикальной деформации. При непрерывном методе это делают, когда деформация достигает 1% от изначального либо предыдущего значения. При ступенчатой технике фиксируют деформацию после каждой ступени.

Консолидировано-недренированный метод

Перед началом испытания грунт полностью насыщают водой и проводят его реконсолидацию (разуплотнение). Затем давление в камере повышают, чтобы дополнительно уплотнить материал и удалить через дренаж излишнюю влагу. Давление при консолидации должно соответствовать нагрузке, которую будет испытывать грунт в естественных условиях. Если таких данных нет, их берут из таблицы.

Одна ступень выдерживается 5 минут при исследовании песков и 15 минут при опытах с глинистыми и органическими грунтами. После завершения фиксируют деформацию и вносят данные в журнал. Материал уплотняют до момента, когда поровое давление упадет до нуля. В конце определяют высоту пробы, объем вытесненной жидкости и самого грунта. Когда высота изменится на 1%, цифры вписывают в журнал. Это промежуточные значения вертикальной деформации.

Консолидировано-дренированный метод

Испытание проводится после предварительной реконсолидации и водонасыщения образца. Затем его уплотняют, отводя влагу в дренажную систему. На следующем этапе грунт сжимают со всех сторон.

Далее обеспечивают ступенчатую либо непрерывную нагрузку. В первом случае на каждой ступени увеличивают давление на определенный процент от заданного в камере перед началом испытания. В таблице ниже мы разместили эти значения.

При кинематическом (беспрерывном) режиме фиксируют стартовую высоту. Когда она изменяется на 0,05%, записывают полученную цифру. Это будет значением деформирования грунта в вертикальном направлении.

При ступенчатом режиме данные о деформации снимают через определенные промежутки времени.

Для каждого типа грунта они будут своими:

• Для песков – спустя 1 мин, потом через 5 и 15 мин, потом каждые полчаса
• Для глинистых грунтов – спустя 1 и 5 мин, потом через 15 и 30 мин, дальше через 1 и 2 ч, потом еще три раза каждые два часа; завершают фиксацию показателей в самом начале и в конце следующего рабочего дня

Испытание заканчивают, когда грунт начнет разрушаться, после чего переходят к вычислениям.

Прочность грунта при трехосном сжатии определяется на основе нескольких показателей:

• Относительной вертикальной деформации
• Девиатора напряжения

Относительная вертикальная деформация высчитывается по формуле:

Для определения девиатора напряжения используется формула:

Прочность на сдвиг при трехосном сжатии — это зависимость относительной вертикальной деформации от девиации напряжения. Значения двух величин при разных нагрузках заносят в график. На нем отмечают точки с давлением, при котором грунт разрушается. Затем рисуют круги Мора-Кулона, радиус которых ровен (σ1-σ3)/2, а координаты центров (σ1+σ3)/2.

После завершения построения графика рассчитывают угол внутреннего трения и сцепление. О них вы можете прочитать в соответствующих статьях на нашем сайте.

Недренировано-неконсолидированным методом изучают сопротивление грунта недренированному сдвигу (Cu).

Его вычисляют по формуле:

Особенности сопротивления сдвигу у разных грунтов

Сопротивление сдвигу, как и другие виды прочности, зависят от строения грунтов и некоторых внешних факторов. Характеристика зависит, в первую очередь, от типа связей и дисперсности грунтов.

В продолжении текста вы узнаете о прочности на сдвиг таких видов грунтов:

• Скальных
• Несвязных дисперсных
• Связных глинистых
• Мерзлых

Сопротивление сдвигу у скальных грунтов

Прочность на сдвиг у скальных грунтов намного выше, чем у дисперсных. Это связано с высоким показателем сцепления. Сопротивление сдвигу особенно высокое у монолитных пород с минимальными признаками выветривания.

На сцепление и сопротивление сдвигу скальных грунтов влияют такие факторы:

• Тип и прочность структурных связей
  Грунты с кристаллическими решетками (магматические и метаморфические) намного прочнее, чем осадочные. В последних преобладают цементационные связи, образованные глинистыми минералами (слюдой, каолином), кремнистыми и железистыми соединениями, известняком.
• Зернистость
  Грунты, состоящие из мелких зерен (граниты, диориты), лучше сопротивляются сдвигу, чем крупнозернистые и крупнокристаллические (габбро). Это связано с большим количеством связей между отдельными элементами.
• Однородность структуры
  В скальных грунтах встречаются включения более слабых пород. Если их много, структура становится неоднородной, и прочность на сдвиг падает.
• Текстура
  Эта характеристика влияет на сопротивляемость сдвигу слоистых грунтов. Прочность на сдвиг повышается, если напряжение направлено поперек слоев, и, наоборот, резко падает при направлении давления параллельно слоям.
• Пористость и трещиноватость
  Эти признаки в грунте появляются вследствие выветривания и ведут к снижению всех видов прочности.
• Количество и состав поровой жидкости
  Сопротивление сдвигу снижается при повышении влажности, насыщении воды солями двухвалентных металлов (магния или кальция). Наиболее ярко эта тенденция выражена в частично растворимых осадочных грунтах (гипсе, доломите, меле).

Сопротивление сдвигу несвязных дисперсных грунтов

Прочность при сдвиге несвязных грунтов довольно низкая. Их зерна контактируют между собой только посредством трения. Такая физическая связь быстро разрывается под воздействием касательных напряжений. Сопротивление горизонтальным нагрузкам будет зависеть от угла откоса и угла внутреннего трения, без учета связности.

На устойчивость к сдвигу дисперсных несвязных грунтов влияют:

• Текстура зерен
  Трение между шероховатыми поверхностями зерен намного выше, чем между гладкими. Поэтому у карьерного песка или гравия прочность на сдвиг всегда выше, чем у гальки или речного песка. В первом случае зерна не окатанные, во втором – окатанные и гладкие. Показатель повышается в грунтах с частицами неправильной формы (например, угловатыми или заостренными).
• Дисперсность и гранулометрический состав
  Показатель снижается в грунтах с высоким содержанием мелких зерен. Они легче смещаются под воздействием горизонтальных нагрузок, чем крупные. Похожая ситуация наблюдается, когда гранулометрический состав неоднороден. Мелкие и пылеватые частицы становятся своеобразной смазкой, уменьшают сцепление между крупными зернами.
• Плотность и пористость
  Уплотненный грунт с незначительным содержанием пор устойчивее к сдвигу, чем рыхлый. Это связано с более прочными контактами между отдельными зернами.
  Для несвязных грунтов характерно такое явление, как дилатансия – увеличение объема (разрыхление) при воздействии касательного напряжения. Сначала грунт уплотняется и консолидируется. Перед разрушением плотность становится максимальной и постепенно снижается, происходят дилатансия и падение прочности.
• Влажность
  Лучше всего сопротивляется сдвигу сухой грунт. Влага снижает силу трения между зернами, и они легче смещаются. Если влажность увеличивается, и вода заполняет мелкие капилляры, увеличивается связность между частицами. Это ведет к временному увеличению прочности. Под давлением жидкость выходит из грунта. Он сначала уплотняется, но потом в процесс включается дилатансия, и массив разрушается.

Сопротивление сдвигу связных глинистых грунтов

Связные грунты по своей структуре немного напоминают скальные. Они состоят из отдельных частиц, связанных между собой цементирующим веществом и кристаллическими решетками. При повышении влажности часть контактов разрушается или ослабевает, в материале преобладают слабые коагуляционные связи между отдельными молекулами, которые разрушаются при повышении влажности. Отдельные зерна также контактируют между собой за счет силы трения.

Способность сопротивляться сдвигу у связных грунтов обусловлена сцеплением, но оно намного слабее, чем у скальных. Этот показатель варьируется в широких пределах. Например, в иле он составляет всего 0,001-0,0001 МПа, а в твердой глине – 0,5-1 МПа.

Прочность на сдвиг в первую очередь зависит от типа связей в грунте. Они могут быть кристаллизационными (молекулы прочно связаны в кристаллические решетки), цементационными (элементы скрепляются между собой), коагуляционные (молекулы слабо связаны химическими контактами).

Грунты с кристаллизационными и цементационными связями (твердые литифицированные глины и суглинки) достаточно устойчивы к сдвигу. Показатель снижается в илах и органических почвах, так как в них преобладают коагуляционные связи. В супесях многие частицы удерживаются вместе лишь силой трения, в них сцепление на сопротивление сдвигу почти не действует. Устойчивость зависит от величины угла внутреннего трения.

На прочность во многом влияет структура. Она всегда выше в массиве, чем в отобранном образце.

Некоторые авторы классифицируют глинистые грунты по чувствительности к сдвигу в зависимости от показателя структурной прочности (St):

• Нечувствительные – St меньше 1
• Чувствительные – St от 1 до 4
• Очень чувствительные – St от 4 до 8
• Слабо плывунные – St от 8 до 16
• Плывунные – St от 16 до 64
• Чрезвычайно плывунные – St больше 64

Плывунные грунты могут сдвигаться под собственным весом, при воздействии вибрации или минимальной нагрузки.

Глинистые грунты нередко имеют слоистую структуру и разную направленность частиц. Как и в скальных, их прочность на сдвиг повышается, если прикладывать горизонтальное напряжение перпендикулярно слоям.

Большое влияние на устойчивость к сдвигу оказывает его влажность. Самый прочный связный грунт – совершенно сухой. В нем компактно расположены частицы, между ними существуют прочные связи. При увлажнении расстояние между отдельными зернами увеличивается, так как на их поверхности образуется водная пленка. При воздействии горизонтальных нагрузок возникают пластические деформации.

При переходе в текучее состояние грунт приобретает плывунные свойства. При малейшей вибрации или под незначительным давлением он начинает перемещаться, как жидкость. Это делает основания чрезвычайно неустойчивыми.

Значение имеет и состав поровой жидкости. Если в ней много растворенных солей и электролитов, возникает явление коагуляции. Оно ярко выраженно в мелкодисперсных грунтах. Отдельные частицы грунта слипаются в агрегаты, увеличивается пористость и рыхлость. В результате материал становится более чувствительным к сдвигу даже при низкой влажности.

Сопротивление сдвигу мерзлых грунтов

В мерзлых грунтах лед обеспечивает дополнительные цементационные связи, что повышает их прочность на сдвиг. Но этот показатель может отличаться в разных типах грунтов. На него существенно влияет дисперсность. Самое высокое сопротивление сдвигу – у среднего и мелкого песков. Практически весь лед, который находится в порах такого грунта, замерзает и прочно скрепляет частицы между собой.

У глинистых грунтов льдистое сцепление слабее. Капиллярная и связанная вода часто не замерзает, что способствует ослаблению связей. Самая низкая прочность в этой группе будет у глины, немного выше она у суглинка и еще выше – у супеси.

Прочность на сдвиг у крупнообломочных грунтов, крупного и гравелистого песка при замерзании увеличивается. Но лед не может связать крупные частицы так прочно, как мелкие. При горизонтальных нагрузках контакты быстро разрушаются. Поэтому прочность таких мерзлых грунтов будет всегда меньше, чем у мелкозернистых.

На сопротивление сдвигу мерзлых грунтов влияет засоленность. Электролиты вызывают коагуляцию и изменение структуры грунта. В нем увеличивается количество пор, рыхлость, что ведет к падению прочности. Кроме того, соли снижают температуру замерзания, в грунте появляется большее количество свободной воды.

При таянии сцепляющее действие льда на грунт сглаживается, повышается его влажность. При повышении температуры прочность на сдвиг мерзлого грунта резко снижается. Она может быть гораздо меньше, чем у такой же не замерзшей разновидности.

Прочность на сдвиг проверяется при всех видах строительных работ. Показатель часто зависит от способа определения. Поэтому специалисты применяют разные методы, чтобы иметь лучшее представление об этой характеристике грунта. Самостоятельно определить прочность невозможно, необходимо заказывать лабораторные исследования. Это поможет правильно спланировать строительство здания или дороги, избежать лишних трат на ремонт, коррекцию дефектов фундамента или стен.

Сопротивление грунтов сдвигу. закон Кулона

Вернуться на страницу «Основания фундаментов»

Под действием собственного веса или приложенной внешней нагрузки в отдельных точках (областях) массива грунта внешние эффективные давления могут вызвать касательные напряжения, превышающих внутренние связи в точках контактов структурных агрегатов и самых твердых частиц. В результате возникают оползни (скольжения) одних частиц и их агрегатов относительно других, что может нарушить целостность грунта в некоторой области, то есть прочность грунта будет исчерпана.

Характерными проявлениями сдвига является выпирание массивов грунта из-под подошвы фундаментов, сползания грунтовых массивов в откосах и склонах и тому подобное.

Внутреннее сопротивление, препятствует смещению частиц в сыпучих (несвязные) грунтах, т.к. объясняется возникающим в точках их контакта внутренним межчастичным трением, которое связанно с шероховатостью поверхности твердых частиц. В связных грунтах смещения частиц, кроме трения, оказывают силы внутреннего сцепления, обусловлены рядом факторов:

— наличием жестких кристаллизационных и цементационных структурных связей (природных цементов — коллоидных гелей и солей, как растворимых, так и не растворимых в воде) в точках контакта твердых частиц и по поверхностям оболочек связанной воды;

— наличием вязкопластических водно-коллоидных структурных связей, вызванных электро-молекулярными силами взаимодействия между твердыми частицами, с одной стороны, и пленками связанной воды, и коллоидными оболочками, прочно связанными с твердыми частицами — с другой;

— капиллярным давлением в зоне капиллярного увлажнения;

— взаимным заклиниванием и зацепленем частиц и тому подобное.

Вместе с тем, процесс деформирования грунта при сдвиге является очень сложным, и разграничивать сопротивление грунтов оползня на внутреннее трение и сцепление имеет в значительной степени условный характер. Так, невозможно выделить в чистом виде элементы, связанные с преодолением сил цементации структурных агрегатов, молекулярной связности, сопротивления деформированию водных пленок, взаимного заклинивания и зацепления частиц и т.д.

Количественные показатели сопротивления сдвигу — это основные характеристики прочности грунта. Они не постоянны и зависят от многих взаимосвязанных факторов: крупности и формы частиц грунта, его минералогического состава, степени водонасыщения и плотности строения, скорости приложения и продолжительности действия нагрузки и тому подобное. Правильный выбор показателей сопротивления сдвигу имеет важное значение для практики, ведь он вызывает точность расчетов большого перечня инженерных задач — предельного давления на грунт основания, устойчивости грунтовых массивов, давления грунтов на ограждающие сооружения и др.

В зависимости от физических свойств грунтов, обусловливающие их напряженно-деформированное состояние под зданием или сооружением, прочностные характеристики можно определять по результатам испытания грунтов методами консолидированного или неконсолидированного смещения.

Опытное определение показателей сопротивления грунтов сдвигу можно выполнять различными методами: по результатам прямого плоскостного сдвига, одноосного и трехосной сжатия, сдвига по цилиндрических поверхностях и др. Наиболее распространенными и простыми являются испытания при прямом плоскостном сдвиге.

Рисунок 1 — Схема одноплоскостного оползневого прибора:1 — образец грунта; 2 — разрезное кольцо (гильза) 3 -нижняя неподвижная обойма; 4 — верхняя подвижная обойма; 5 — фильтр; 6 — фильтр-штамп; 7 — поддон;8 — станина; 9 — плоскость сдвига; 10 — индикатор

Цилиндрический образец грунта 1 после предварительного уплотнения размещают в разрезном кольце (гильзе) 2 оползневого прибора так, чтобы одна его половина оставалась неподвижной, а вторая могла перемещаться горизонтально под действием приложенной к ней оползневой нагрузки T, причем должна быть обеспечена возможность увеличения или уменьшения объема грунта при сдвиге.

К образцу прикладывают нормальную к поверхности сдвига 9 сжимающую нагрузку N. После полной стабилизации деформаций от ее действия, половинки гильзы раздвигают до образования небольшого зазора для устранения трения между ними.

Касательное к поверхности смещения нагрузки T прикладывают к верхней обойме оползневого прибора 4 ступенями до тех пор, пока не произойдет сдвиг и скольжение одной части грунта по второй. Одновременно с приложением оползневой нагрузки выполняют измерения горизонтальных деформаций грунта Δl индикатором 10. Происходит свободный отвод воды, которая выжимается из пор грунта при его сжатии, что осуществляется через фильтры 5 и 6. Сдвигающие силы T_i, отнесенные к площади поперечного сечения образца A в плоскости сдвига, дают касательные сдвигающие напряжения t_i, а силы N_i, отнесены к той же самой площади, дают нормальные плоскости сдвига сжимающие напряжения в образце s_i:

t_i= T_i/A и s_i= N_i/A.

 Выполняют смещение нескольких (не менее трех) образцов, обжимаемых различными вертикальными нормальными напряжениямиσ₁ … σ₃, которые в течение одного испытания оставляют неизменными, и определяют соответствующие им значения предельных касательных напряжений (предельных сопротивлений смещения)t_u,1… t_u,3.

Результаты исследования сопротивления грунта сдвигу оформляют в виде графиков зависимостей горизонтальных деформаций грунта Δl_i от касательных напряжений t_i (2, а) и предельных сопротивлений смещения t_u,i от вертикальных нормальных сжимающих напряжений s_i (2, б).

Рисунок 2 — Графики сопротивлений смещению сыпучего грунта при различных вертикальных нормальных сжимающих напряжениях:а — горизонтальных перемещений Δl; б — предельных сопротивлений смещенииt_u

Как показывают многочисленные результаты исследований, для сыпучих грунтов (сухие пески и крупнообломочные грунты) в пределах обычных изменений вертикальных нормальных давлений, в большинстве случаев имеет место (от 0,05 до 0,5 … 0,7 МПа), зависимость между предельными опорами сдвига t_{u, i} и вертикальными нормальными сжимающими напряжениями s_i можно принять линейной из начала координат (рис. 2, б) в виде

t_{u, i}= s_itgφ

где tgφ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трением между частицами; φ — угол наклона прямой к горизонтальной оси нормальных сжимающих напряжений, который называют углом внутреннего трения.

Эта зависимость установлена ​​еще в 1773 г.. Французским ученым Ш. Кулоном. Она выражает закон сопротивления сыпучих (несвязных) грунтов смещению, формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально внешнему нормальному к плоскости сдвига давлению. Этот закон в механике грунтов называется закона Кулона для сыпучих грунтов.

В сопротивлении сдвига связных грунтов (глинистые грунты, сапропели и др.) решающую роль играет сцепление — составляющая, которая не зависит от величины вертикального нормального сжимающего напряжения.

Если по аналогичной методике в таком же приборе провести несколько (не менее трех) испытаний на сдвиг одного и того же связного грунта, подвергая образцы действию различных вертикальных нормальных сжимающих напряжений σ_i, то в общем случае можно получить криволинейную зависимость предельных сопротивлений грунта сдвигу (рис. 3).

Рисунок 3 — График предельных сопротивлений смещения связного грунта при различных вертикальных нормальных сжимающих напряжениях.

Криволинейность зависимости наиболее ощутима при небольших значениях уплотнительных давлений (в пределах от 0 до σ₀=0,05 МПа). При нормальных сжимающих напряжениях в диапазоне σ_i = 0,05 … 0,5 МПа зависимость можно представить прямой линией, описываемой уравнением

t_{u, i}= s_itgφ + с

где c — удельное сцепление грунта (величина отрезка, отсеченного прямой на вертикальной оси предельных сопротивлений смещения), МПа. Эта зависимость получила название закона Кулона для связных грунтов, формулируют так: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу, при завершенной их консолидации, можно рассматривать как сумму сопротивления трения, прямо пропорционального внешнему нормальному к плоскости сдвига давлению, и сопротивления сцепления, независимого от этого давления.

Если линию зависимости t_{u, i}= ƒ(s_i) довести до пересечения с осью вертикальных нормальных к плоскости сдвига сжимающих напряжений, можно получить величину p_e, которую называют фиктивным давлением связности или условным эквивалентным давлением, создаваемым распределенными по объему грунта внутренними силами связности. Она может быть представлена как давление, необходимое для уплотнения, в условиях компрессионного испытания грунта, с влажностью на границе текучести (то есть такого, что практически не имеет сопротивления сдвигу) до состояния, в котором образец грунта находится при закладке в прибор для испытания на сдвиг.

Используя эквивалентное давление, параметр сцепления можно записать

с = p_etgφ,

откуда

p_e=с/tgφ=с ×сtgφ

 Таким образом, угол внутреннего трения j_і и удельное сцепление c следует рассматривать как математические параметры прямолинейных диаграмм сопротивления грунтов сдвигу.

 

 

 

 

 

Удельное сопротивление почвы 101 – от ALLTEC

Перейти к содержимому

Предыдущий Следующий

Удельное сопротивление почвы 101

Что такое удельное сопротивление почвы?

Проще говоря, удельное сопротивление грунта — это показатель того, насколько грунт, из которого берутся пробы, сопротивляется электрическому току. Как правило, удельное сопротивление зависит от глубины залегания почвы, влажности, температуры и химического состава.

Почему важно удельное сопротивление грунта?

При рассмотрении вопроса об установке системы заземления почва на участке – это место, где заложен фундамент. Прочный фундамент является ключом к созданию надлежащей системы заземления; так же, как это необходимо для любого строительного проекта. Потенциальные колебания сопротивления электричеству делают обязательным проведение испытаний удельного сопротивления грунта перед проектированием системы заземления. Например, если вы попытаетесь заземлить систему в каменистой почве с плохой проводимостью, электрический скачок может не безопасно передаваться на землю. Он может зациклиться и повредить или разрушить структуру, которую вы пытались защитить! Если вы завершили испытания и знаете, что почва имеет высокое удельное сопротивление, к вашей системе заземления можно добавить дополнительные меры для обеспечения успеха.

Разве не вся почва одинакова?

Качество почвы сильно зависит от глубины и на больших площадях. Классификация почв дает лишь грубое приближение. Многие факторы могут изменить измерения удельного сопротивления почвы, некоторые из которых включают влажность, температуру, тип и глубину.

• Влага повышает проводимость почвы. Как правило, чем выше содержание влаги, тем ниже удельное сопротивление. Это считается хорошо.
• Температура особенно важна в районах с более холодным климатом. Температуры ниже точки замерзания оказывают пагубное воздействие на систему заземления, не предназначенную специально для работы при температуре замерзания. При температурах ниже точки замерзания материалы для обратной засыпки на основе глины или цемента, основным проводником которых является вода, могут затвердевать и, следовательно, разрушаться.
• Типы почвы с высоким содержанием органических веществ обычно являются хорошим проводником. Он имеет тенденцию удерживать больше влаги. В то время как песчаные почвы быстрее теряют влагу и содержат меньше электролитов. Худшие почвы часто состоят из каменистых пород или вулканического пепла и почти не содержат влаги.
• Глубина и тип поверхности почвы могут меняться. Например, на участке есть хорошая органическая смесь почвы сверху; но по мере того, как вы идете глубже, он превращается в глину. Или у вас может быть глина наверху, прежде чем превратиться в каменистую почву. Эти изменения влияют на значения удельного сопротивления грунта.

Как проводится тестирование почвы?

Существует два основных метода определения сопротивления почвы: метод Веннера и метод Шлюмберже. Наиболее распространенным и надежным является четырехточечный метод Веннера. В обоих методах электродные зонды располагаются равномерно в соответствии с глубиной исследуемого грунта. Однако в этих методах используются разные формулы для расчета значений удельного сопротивления. Тест проводится путем помещения четырех испытательных щупов в землю на равном расстоянии друг от друга по необработанной земле, где требуется система заземления. К щупам прикреплен измеритель заземления для сбора чисел, необходимых для расчета сопротивления грунта по закону Ома. Значения для почвы могут варьироваться от 500 Ом·см с большим количеством электролитов до более 1 миллиона Ом·см в песчаной сухой почве. Для получения приемлемых результатов проводят пять испытаний (четыре стороны и диагональ).

График испытаний грунта

Измеритель удельного сопротивления грунта

О чем следует помнить, изучая систему заземления?

В идеале вам нужно место с минимально возможным сопротивлением. Однако плохие почвенные условия можно преодолеть с помощью более сложной системы заземления, при этом стоимость и доступное пространство являются основными факторами, которые следует учитывать. Плохое заземление является второй после неправильной проводки основной причиной неисправности оборудования. Необходимость в системах заземления с низким сопротивлением имеет решающее значение. На самом деле, гарантии на оборудование могут быть аннулированы на площадках, где не достигаются конкретные цели производительности наземных систем. Это действительно шаг, который вы не хотите пропускать, так как вся ваша система основана на нем.

Что такое заземление системы с помощью заземляющих электродов?

Рисунок 2

«Заземляющий электрод», также известный как заземляющий электрод, обеспечивает электрическое соединение с землей. Импеданс электрода определяет, как быстро и при какой потенциальной энергии происходит выравнивание. Величина сопротивления определяется удельным сопротивлением грунта, с которым контактируют эти электроды. Ток должен проходить через почву до предполагаемого потенциала земли 0 Ом.

Когда объект заземлен, он вынужден принять тот же нулевой потенциал, что и земля. Если потенциал заземленного объекта выше или ниже, ток будет проходить через заземляющее соединение до тех пор, пока потенциал объекта и земли не сравняется. Заземляющий электрод – это путь соединения с землей.

Сопротивление электрода, измеряемое в омах, определяет, насколько быстро и при какой потенциальной энергии происходит выравнивание. Верхний и нижний уровни грунта обычно имеют различное собственное удельное сопротивление. Заземляющие материалы и электроды могут использовать преимущества почв с более низким удельным сопротивлением в одном или другом слое, чтобы минимизировать количество материалов, максимизировать производительность и достичь целей сопротивления системы заземления.

Свяжитесь с нами

Даже если вы думаете, что знаете, из чего состоит ваша почва, всегда полезно провести тестирование перед установкой любого типа системы заземления.

Наша команда инженеров готова помочь вам не только протестировать почву, но и определить, какая конструкция заземления лучше всего соответствует вашим индивидуальным потребностям. Позвоните нам сегодня по телефону 800.203.2658 или напишите нам по адресу [email protected].

Свяжитесь с нами

Перейти к началу

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, О РОЛИ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА В ПРОЕКТЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ?

Точное заземление необходимо при установке электрического, электронного оборудования или системы молниезащиты. Цель любой системы заземления состоит в том, чтобы обеспечить путь с низким импедансом для проникновения в землю токов молнии и токов, вызванных неисправностями, обеспечивая максимальную безопасность от неисправностей электрической системы и ударов молнии.

Правильно установленная система заземления не только помогает защитить здания и оборудование от повреждений, вызванных непреднамеренными токами короткого замыкания или поражением электрическим током, но, что более важно, защищает людей.

Заземление — очень сложный вопрос. Правильная установка систем заземления требует знания национальных и международных стандартов, материалов и состава заземляющих проводников, а также заземляющих соединений и выводов. Однако проектировщики и монтажники систем заземления не должны упускать из виду еще один важный фактор: состояние грунта.

Далее мы рассмотрим, что такое удельное сопротивление грунта, как оно определяется и как различные сопротивления грунта влияют на системы заземления.

Что такое удельное сопротивление почвы?

Проще говоря, удельное сопротивление почвы показывает, насколько почва устойчива к потоку электричества. Как мы все знаем, идеальное заземление требует низкого сопротивления заземления менее 1 Ом. Было замечено, что низкое удельное сопротивление грунта отвечает за достижение низких значений сопротивления грунта. Но в большинстве приложений/местоположений значения удельного сопротивления грунта достаточно высоки, что затрудняет достижение желаемых значений.

Почему удельное сопротивление грунта имеет значение для заземления?

Согласно исследованиям, модель почвы резко меняет свой характер в зависимости от местоположения. Почва может быть многослойной под землей. Каждый последующий слой имеет большую площадь для прохождения тока и, следовательно, меньшее сопротивление. В какой-то точке, удаленной от заземляющего проводника, рассеяние тока становится достаточно большим, а плотность тока достаточно малой, чтобы сопротивлением можно было пренебречь. Типы слоев, которые может иметь любая почва, следующие:

1. Однородная почва: Трудно найти однородную почву в любом месте или на любом участке. Обычно однородный грунт является допущением, которое проектировщики приняли во время расчета конструкции сетки заземления.

2. Горизонтальный слой: В этом типе модели грунта он является многослойным по горизонтали, что означает, что грунт меняет свой характер и, следовательно, значение удельного сопротивления в горизонтальных слоях.

3. Вертикальный слой: В этом типе модели грунта он является многослойным по вертикали, что означает, что грунт меняет свой характер и, следовательно, значение удельного сопротивления в вертикальных слоях.

4. Сферический слой: В этом типе модели грунта сферическая природа грунта меняется, и, следовательно, мы получаем различные значения удельного сопротивления, которые изменяются аналогичным образом, как показано ниже:

5 Цилиндрический вертикальный/горизонтальный: Слои грунта в этом типе варьируются по горизонтали или вертикали, но имеют цилиндрическую форму, как показано ниже-

6. Многослойный сфероидальный: Модель грунта и удельное сопротивление изменяются в сфероидальном таким образом, что сфероиды разных размеров, как показано ниже-

7. Наклонный: Модель грунта в этом типе несколько наклонена, как показано ниже-

компенсировать это, рассеяние электрического тока через систему приведет к более высокому напряжению в системе заземления. Это имеет значение в некоторых приложениях, таких как более высокие ступенчатые или контактные потенциалы или, в более крайних случаях, отказ надежной работы устройств перегрузки по току или перенапряжению.

Было замечено, что во многих случаях из-за отсутствия достаточных данных о грунте проектировщики исходят из предположения о однородности грунта при проектировании сетки заземления. Однако эта практика приводит к проблемам с дизайном и может закончиться недостатками или недостаточным дизайном.

Как измерить удельное сопротивление грунта с помощью метода Веннера / метода 4 штифтов?

Перед проектированием системы заземления желательно провести измерение удельного сопротивления грунта. Обычным методом для достижения этого является 4-точечный тест Веннера, который включает четыре зонда, расположенных на равном расстоянии друг от друга, для определения профиля удельного сопротивления грунта на различных глубинах (как показано ниже). Понимание того, как удельное сопротивление грунта изменяется с глубиной, важно для проектировщика, поскольку он может определить, требуется ли конструкция электрода с поверхностным или глубоким заземлением. Это самый важный шаг перед переходом к любому проекту заземления.

Этап 1: четыре равноотстоящих зонда вбиваются в почву

Этап 2: во внешние зонды подается ток.

Шаг 3: Напряжение измеряется на внутренних датчиках.

Четыре вспомогательных зонда установлены в земле, все на глубине b и разнесены (по прямой линии) на интервалы a. Между двумя внешними щупами пропускают испытательный ток I и измеряют потенциал В между двумя внутренними щупами с помощью потенциометра или высокоимпедансного вольтметра. Затем 9Отношение 0157 V/I дает сопротивление R в омах.

Наиболее экономичное решение для заземления грунтов с высоким удельным сопротивлением

Для безопасного прекращения рассеивания тока молнии в землю необходимо наличие заземления с высокой проводимостью. Проводящие материалы для улучшения грунта являются наиболее экономически эффективным способом преодоления высоких значений удельного сопротивления грунта для достижения желаемых результатов.