Трение, сцепление и сопротивление грунтов сдвигу

 

Сопротивление грунта сдвигу является одной из важнейших его характеристик, так как характеризует устойчивость грунта в откосах выемок и насыпей, а также в основаниях различных инженерных сооружений.
В грунтовом массиве при приложении к нему внешней нагрузки могут возникать касательные напряжения, в результате чего происходит взаимное перемещение (сдвиг) частиц, носящее необратимый пластический характер. С возрастанием нагрузки деформация сдвига может постепенно захватывать крупные массивы грунта, что приводит к разрушению устойчивости грунтовых откосов, а иногда и к разрушению инженерных сооружений. Сопротивление сыпучих грунтов сдвигу— есть сопротивление их трению. Эта зависимость (закон) установлена Кулоном в 1773 г. и может быть сформулирована следующим образом: сопро-тивление сыпучих грунтов сдвигу — есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению.
'Сопротивление связных грунтов сдвигу обусловливается двумя причинами: 1) внутренним трением и 2) сцеплением.
Причиной трения между двумя поверхностями является наличие на них шероховатостей. С увеличением давления на трущиеся тела, что ведет к сближению их между собой, Трение между телами увеличивается. В грунтах трение возникает между отдельными частицами в точках контакта между ними.
При заполнении пор грунта водой трение между частицами грунтов, особенно глинистых и суглинистых, резко уменьшается. Вода играет роль смазки. Кроме того, тонкие частицы грунта, способные к набуханию, увеличиваясь в объеме, как бы раздвигаются, причем пленки воды, удерживаемые на поверхности грунтовых частиц силами молекулярного притяжения, сглаживают шероховатости отдельных частиц или их микроагрегатов. Поэтому в глинистых грунтах при их увлажнении трение очень мало.
Сцепление, которое обеспечивает связность грунтов, в начальный период развития механики грунтов объяснялось исключительно наличием в тонких порах сил капиллярного давления. При этом считали, что при наличии в грунтах свободной гравитационной воды сцепление в грунтах наименьшее; по мере удаления воды из грунта в нем образуются вогнутые мениски капиллярной воды. Вследствие стягивающего действия менисков частицы грунта сближаются и получают связность.
Указанное объяснение связности грунтов не исчерпывает всех сложных явлений взаимодействия между твердыми частицами и окружающей их пленочной водой. Более правильное объяснение этого явления дано в трудах советского ученого Н. М. Герсеванова.
Как указывает Н. М. Герсеванов, взаимное притяжение грунтовых частиц или микроагрегатов обусловливается силами молекулярного притяжения между поверхностью грунтовых частиц и пленками связанной воды при сближении грунтовых частиц на расстояние меньшее, чем удвоенный радиус действия молекулярных сил. В этом случае силы притяжения молекул воды к обеим грунтовым частицам уравновешиваются; противоположна же направленные силы притяжения грунтовых частиц к водной пленке действуют в направлении взаимного притяжения частиц друг к другу. Таким образом, между всеми грунтовыми частицами возникают внутренние силы взаимного притяжения, обусловливающие связность грунта. Так как в массе грунта соприкасающиеся поверхности частиц имеют самое разнообразное направление, то и связность может быть выражена всесторонним
давлением, стягивающим все частицы между собой. Создающееся всестороннее молекулярное давление зависит от плотности грунта, возрастая при сближении частиц.
Сцепление между частицами или их микроагрегатами будет тем больше, чем больше контактов между частицами. По этой причине в глинах связность достигает наибольшей величины, в чистых же песках она практически отсутствует. Помимо сил молекулярного притяжения и капиллярного давления в связных глинистых грунтах сцепление возникает под действием естественных цементов, особенно коллоидных гелей и нерастворимых в воде солей.
Сопротивление грунта сдвигающим усилиям может быть охарактеризовано коэффициентом внутреннего трения и сцепления.
Под коэффициентом внутреннего трения f понимается коэффициент пропорциональности между вертикальным уплотняющим давлением и частью сопротивления сдвигу, вызываемого внутренним трением. Для данного грунта коэффициент внутреннего трения f может считаться величиной постоянной. Часть сопротивления сдвигу, вызываемая силами трения, не зависит от величины площади, на которую передается вертикальное давление, а зависит только от величины силы Р. Если построить график зависимости сопротивления сдвигу грунта от величины вертикального давления на него, то коэффициент внутреннего трения может быть представлен как тангенс угла наклона к оси абсцисс прямой, характеризующей возрастание сопротивления сдвигу по мере увеличения вертикального давления на грунт
f=tqф, (34)
где ф — угол внутреннего трения.

Под величиной сцепления С понимается та часть сопротивления сдвигу в грунте, которая не зависит от вертикального давления Р. Сцепление измеряется в килограммах на квадратный сантиметр. Часть общего сопротивления сдвигу, вызываемая силами сцепления, зависит от величины площади, по которой происходит сдвиг грунта, и может быть выражена как произведение сцепления на величину площади сдвига.
Коэффициенты внутреннего трения и сцепления являются очень важными характеристиками, учитываемыми при расчете сопротивления грунтов горизонтальным и вертикальным силам, например при расчете устойчивости подпорных стенок, откосов, насыпей или выемок и других дорожных сооружений.