Влияние предварительной нагрузки на сопротивление водонасыщенных глин сдвигу

Эксперименты показывают, что если глину с природной структурой полностью перемять при добавлении к ней воды до полужидкой консистенции, т. е. до влажности, превышающей предел текучести, а затем несколько образцов, приготовленных из этой массы, уплотнить повторно при различных давлениях и после этого подвергнуть срезу, то величины критических сдвигающих напряжений при сдвиге могут на графике лечь приблизительно на одну прямую линию OB, проходящую через начало координат 0, как показано на рис. 7.30. Haклон этой линии, т. е. угол φ, который по традиции называется углом внутреннего трения, будет изменяться в зависимости от длительности опыта, что будет показано далее.

Однако, если образцы из той же полужидкой глинистой массы предварительно уплотнить во всех срезных приборах при заданной величине нормальных напряжений, положим 3 или 4 т/фут2, и уже после этого произвести их сдвиг при меньших напряжениях, например 3, 2 и 1 т/фут2, то опытные точки на графике лягут приблизительно на прямые линии FE и DC. Согласно Хворслеву, угол φ должен был бы иметь одно и то же значение в обоих случаях и мог бы представлять собой действительный угол внутреннего трения. Величины сцепления с3 и с4, определяемые обычным путем, как показано на рис. 7.30, где они отложены в зависимости от соответствующей нагрузки предварительного обжатия образцов в 3 и 4 т/фут2, будут лежать на прямой линии G0, проходящей через начало координат и образующей угол φс=φ1-φ с горизонталью. Результаты такого рода привели к формулировке так называемого критерия Крея—Тидеманна для сдвига, который представляет собой уточнение критерия Кулона [уравнение (7.1)] и выражается следующей зависимостью:

Подобные результаты были опубликованы Гогентоглером. Однако угол φ в описываемых исследованиях увеличивался с повышением величины предварительной нагрузки исходя из условия, что при увеличении давлений относительное значение сцепления, определяемое обычным путем, уменьшается по сравнению с ролью трения в прочности грунта. Вероятно, различие между этими результатами и опубликованными Хворслевым возникает из-за неодинаковых условий разуплотнения образца и неодинаковых его величинах после снятия с образца некоторой части нагрузки предварительного уплотнения. Как было показано ранее, разуплотнение полностью водонасыщенного образца при уменьшении давления особенно быстро проявляется при малых давлениях и, в частности, если нагрузка предварительного уплотнения была высокой.

Критерий Крея—Тидеманна, выраженный зависимостью (7.18), не учитывает этих дополнительных и весьма существенных факторов. Тем не менее он представляет собой важную веху в развитии инженерной мысли в этой области, так как исключает понятие Кулона о сцеплении, как о некоторой постоянной величине для данного материала, и показывает, что на сцепление глинистых грунтов оказывает сильное влияние максимальная нагрузка предварительного уплотнения, которой они подвергались в период своей прошлой геологической истории. Этот вывод несколько затемняет принятое ясное и простое разграничение трения и сцепления в глинах. Действительное сцепление обычно обусловливается электростатическими силами притяжения между частицами глины по поверхности их контакта друг с другом. Увеличивающееся внешнее давление сближает эти частицы, вследствие чего, очевидно, усиливается эффективность электростатических сил притяжения и «сцепления», которое они создают, и, возможно, отчасти вследствие дополнительной мобилизации трения между частицами глины. Таким образом, как трение, так и сцепление глины фактически зависит от внешних усилий, хотя и в разной степени, и в конце концов оба зависят от трения между частицами глины. При этом условии возможность четкого подразделения сопротивления сдвигу водонасыщенных глинистых грунтов на эти традиционные слагаемые оказывается весьма сомнительной.

Описанные выше исследования проложили дорогу современной тенденции к отказу от прошлых сверх-упрощенных попыток определить трение и сцепление связных грунтов порознь и признанию того, что при решении практических задач вместо них следует пользоваться понятием о сопротивлении таких грунтов сдвигу как о нечто нераздельном и что сопротивление непосредственно зависит от плотности и, следовательно, влажности глинистых грунтов при той или иной степени водонасыщения, которыми они характеризуются во время сдвига.