Изменения объема песков в процессе сдвига
В процессе сдвига плотные пески разуплотняются. Это положение иллюстрируется рис. 7.22, а. При сдвиге по плоскости SS одно из зерен песка, изображенное на схеме выше этой плоскости, будет скользить или перекатываться по плотно лежащим ниже этой плоскости зернам, перемещаясь, таким образом, из положения O1 в положение O2. С другими зернами песка, лежащими выше плоскости SS, будет происходить то же самое. Таким образом, возникнут условия для разуплотнения песчаной массы. В естественных полевых условиях такое разуплотнение песка обычно оказывается возможным. Если в лабораторных условиях разуплотнение плотного песка будет искусственно предотвращено, например во время испытаний на простой сдвиг по одной или двум плоскостям, то существенное перемещение зерен при сдвиге станет возможным только в результате частичного раздавливания или раскалывания отдельных зерен песка. Следствием этого явится увеличение предельного сопротивления сдвигу до неожиданно высоких значений. Такое положение возникает иногда при проведении опытов на простой сдвиг образца по двум плоскостям так, как это изображено на рис. 7.7.
Разуплотнение плотных песков в период сдвига может быть выявлено в лаборатории с помощью простого эксперимента, отраженного на рис. 7.23. Резиновая цилиндрическая оболочка 2 заполняется плотно уложенным песком 4. После этого он насыщается водой, вводимой в оболочку через кран 3 до тех пор, пока она не поднимется до верха стеклянной капиллярной трубки 1. Для того чтобы предотвратить вздутие и деформацию резины в этой оболочке под действием возникающего отсюда давления воды, цилиндр обертывается изоляционной лентой. Затем песок тщательно встряхивают. Если цилиндр сжать двумя пальцами, обозначенными на схеме условно стрелками, то находящийся внутри оболочки плотный песок слегка выпучится, как показано на рис. 7.23 пунктирными линиями. Это явление происходит, по существу, в результате деформаций сдвига. При этом возникает местное увеличение общего объема песка и, следовательно, объема пор. Это обстоятельство будет подтверждаться визуально посредством падения уровня в стеклянной трубке 1, так как некоторая часть воды будет уходить из трубки в дополнительное поровое пространство. Чем сильнее нажимать на резиновый цилиндр, тем ниже упадет уровень воды в стеклянной капиллярной трубке, расположенной над ним. Первоначальный уровень может восстанавливаться при повторном встряхивании песка.
Точка а на кривой зависимости деформации от напряжения, изображенной на рис. 7.24, б, свидетельствует о наибольшем (пиковом) сопротивлении сдвигу разнородного плотного песка. Эта точка соответствует, вероятно, моменту, когда плотная структура песка только начинает взрыхляться. В любом случае эксперименты показывают, что разуплотнение плотного песка происходит при деформациях, лежащих на графике значительно дальше этой точки.
Рыхлые же пески в период сдвига уплотняются. Это положение иллюстрируется рис. 7.22,б. При сдвиге вдоль плоскости SS любое горизонтальное перемещение одного из зерен, показанных на схеме, выше этой плоскости способно привести к общему переустройству структуры песка с перемещением зерен ниже этой плоскости в положение, обозначенное пунктирными линиями. Это явление сопровождается, конечно, общим уменьшением всего объема песка и объема пор в нем. Кривая зависимости деформации от напряжения, отвечающая испытанию на сдвиг рыхлого песка, имеет вид, изображенный на рис. 7.24,б. Следует отметить, что после того как рыхлая структура песка будет в процессе сдвига перестроена с уменьшением его объема и увеличением плотности песка, дальнейшая деформация образца при сдвиге будет уже сопровождаться увеличением его объема.