Удельное сцепление грунта – описание свойства

Сцепление грунта (с) – это один из параметров, от которого зависит прочность грунта при сдвиге. Его вычисляют по формуле соотношением вертикального и касательного напряжений или определяют на графике. Измеряется сцепление в килопаскалях (кПа).

• Удельное сцепление грунта
• От чего зависит сцепление грунта и на что оно влияет
• Методы определения удельного сцепления
• Лабораторные методы испытания
• Одноплоскостный срез
• Трехосное сжатие
• Полевые методики испытаний
• Готовые показатели
• Практическое значение показателя

На показатель влияет тип химических связей в породе.

Свойство характерно для глинистых и скальных грунтов. Устойчивость к сдвигу несвязных дисперсных грунтов обеспечивает трение между отдельными зернами, поэтому сцепление в этом случае играет минимальную роль.

От чего зависит сцепление грунта и на что оно влияет

Сцепление обеспечивают химические связи между молекулами минеральных компонентов грунтов.

Основные разновидности связей:

• Коллоидные – это электрохимические контакты между молекулами минералов и воды
• Цементационные – связи между частицами и минералами, которые играют роль цемента
• Кристаллизационные – связи между отдельными молекулами, образующими кристаллические решетки

Наименьшей силой обладают коллоидные или водно-коллоидные связи. Больше всего на них влияет влажность. Но это единственный тип структурных связей, способный восстанавливаться после разрушения. Встречаются они в глинистых грунтах.

Цементационные связи достаточно прочные. Они характерны для литифицированных (окаменевших) глин и некоторых скальных грунтов.

После разрушения такие связи не восстанавливаются. Но они могут опять возникать в массивах через несколько десятилетий или столетий.

Кристаллизационные связи присутствуют в скальных грунтах и некоторых глинистых. Они прочные, но необратимо разрушаются при нагрузках. Кристаллические решетки в обычных условиях не восстанавливаются, так как для их образования нужны высокие температуры и давление.

Прочные контакты между элементами обеспечивают упругость грунта – способность после уменьшения нагрузки восстанавливать свой объем и форму. Коллоидные контакты даже после смещения частично возобновляются. Это увеличивает способность грунтов сопротивляться сдвигу.

На сцепление влияют и другие характеристики:

• Пористость и плотность
  Сцепление рыхлого грунта с большим количеством пор всегда слабее.
• Влажность
  При высокой влажности вокруг мелких глинистых частиц образуются пленки воды. Чем больше их толщина, тем слабее связи между зернами и агрегатами, а значит – и сцепление. Влажность влияет в основном на показатели глинистого грунта.
• Минеральный состав
  Минералы грунта определяют тип связей между его химическими элементами. Самые прочные они у магматических и метаморфических пород, образованных в недрах земли при высоких температурах и давлении. Несколько ниже сцепление у осадочных скальных и глинистых связных грунтов.

Сцепление бывает:

• Структурным – оно обеспечивается химическими контактами между отдельными элементами грунта; присутствует в нем изначально
• Удельным – оно определяется во время испытаний на сдвиг и напрямую зависит от вертикальных нагрузок

Сцепление обеспечивает устойчивость грунта при воздействии касательных сдвигающих сил, влияет на прочность и несущую способность. При высоком показателе грунтовый массив становится надежным основанием под фундаментом или дорожным полотном.

Методы определения удельного сцепления

Показатель определяют в ходе испытаний грунтов на устойчивость к сдвигу, в лаборатории или полевых условиях.

Лабораторные методы испытания

В лаборатории пользуются несколькими методами:

• Одноплоскостным срезом – быстрым неконсолидированным и медленным консолидировано-дренированным
• Трехосным сжатием – неконсолидировано-недренированным, консолидировано-недренированным, консолидировано-дренированым

При использовании консолидированных методик грунт дополнительно уплотняют. При дренированном испытании влагу отводят через систему дренажей, при недренированном берут водонасыщенный материал или с естественной влажностью.

Подробнее о лабораторных методиках вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг. Здесь же мы расскажем, как вычисляется удельное сцепление.

Одноплоскостный срез

Этим методом определяют два типа напряжения – нормальное, или вертикальное (σ) и горизонтальное, или касательное (τ). Их максимальные значения соответствуют силе давления, при которой происходит сдвиг или смещение частиц относительно друг друга. Для определения сцепления нужно провести несколько опытов. Полученные данные отмечают на графике. Участок, который находится между нулевой точкой (местом пересечения осей) и местом начала кривой на оси ординат, соответствует силе сцепления.

Показатель вычисляют и по формуле:

Когда обрабатывают экспериментальные точки графика, проводят более сложные вычисления:

Трехосное сжатие

По этой методике вычисляют эффективное значение удельного сцепления (с’).
Используется уравнение:

Полевые методики испытаний

Испытание грунтов в массиве дает более приближенные к естественным условиям результаты. Чаще всего это делают в карьерах, подземных выработках, строительных котлованах перед закладкой фундамента.

Сцепление в полевых условиях определяют методом среза образцов. Прямо в выработке с помощью кольца от массива отделяют определенный объем грунта. Затем с помощью установки с анкерным устройством делают срез. Деформации фиксируют измерительными приборами. Детальнее о способе проведения опыта вы можете прочитать в статье Угол внутреннего трения грунта.

Удельное сцепление определяется после построения графика. На нем отмечают данные касательных и вертикальных напряжений, полученные на одном и том же массиве не менее, чем в трех опытах. Величиной сцепления будет отрезок на оси ординат от нулевой точки до начала линии графика.

Готовые показатели

На практике часто пользуются уже готовыми данными для разных типов грунтов. Они прописаны в СП 22.13330.2016. Показатели сцепления представлены в таблицах.

Таблица удельного сцепления песков разной крупности

Таблица удельного сцепления глинистых грунтов

Как мы видим из приведенных таблиц, у песков сцепление очень слабое. В глинистых грунтах показатель намного выше, но он уменьшается с увеличением пористости и текучести.

Практическое значение показателя

Удельное и структурное сцепление больше всего влияет на прочность скальных и глинистых грунтов при сдвиге.

У песков этот параметр больше зависит от угла внутреннего трения. Сцепление лишь незначительно влияет на прочность пылеватых и мелких песков.

Сцепление можно определить в ходе опытов или взять готовую цифру из нормативных документов. Показатель используется для расчета напряжений при испытаниях на сдвиг.

Информация о сцеплении грунтов необходима при:

• Закладке фундаментов и возведении домов любого типа
• Строительстве промышленных объектов
• Прокладке автомобильных трасс, железных дорог, взлетных полос аэродромов
• Прокладке грунтовых дорог, обустройстве пешеходных зон
• Строительстве дамб, плотин, трубопроводов, путепроводов
• Разработке карьеров и подземных шахт
• Укреплении речных берегов и горных склонов
• Прогнозировании горных обвалов, размыва берегов во время наводнений

Подробно о всех перечисленных пунктах, а также о расчете напряжений при испытаниях на сдвиг вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг.

Определение удельного сцепления и других прочностных характеристик грунта требует опыта и специального оборудования. Поэтому услугу по определению этого показателя нужно заказывать у специалистов.

Справочные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов

Для грунтов с промежуточными значениями е, не указанными в таблицах Б.1–Б.8, значения с, φ и Е определяют интерполяцией.

Если значения е, I _L и S_r грунтов выходят за пределы, предусмотренные таблицами Б.1–Б.8, характеристики с, φ и Е следует определять по данным непосредственных испытаний этих грунтов. Допускается в запас надежности принимать характеристики с, φ и Е по соответствующим нижним пределам е, I

L и S_r, если грунты имеют значения е, I _L и S_r меньше этих предельных значений.

Для определения значений с, φ и Е по таблицам Б.1–Б.8 используют нормативные значения е, I _L и S_r.

Таблица Б.1

Нормативные значения удельного сцепления с, кПа, угла внутреннего трения φ, град., и модуля деформации Е, МПа, песков четвертичных отложений

Пес­ки	Обо­зна­че­ние ха­рак­те­ри­стик грун­тов	Ха­рак­те­ри­сти­ки грун­тов при ко­эф­фи­ци­ен­те по­ри­сто­сти е, рав­ном
		0,45	0,55	0,65	0,75
Гра­ве­ли­стые и круп­ные	с φ Е	2 43 50	1 40 40	— 38 30	— — —
Сред­ней круп­но­сти	с φ Е	3 40 50	2 38 40	1 35 30	— — —
Мел­кие	с φ Е	6 38 48	4 36 38	2 32 28	— 28 18
Пы­ле­ва­тые	с φ Е	8 36 39	6 34 28	4 30 18	2 26 11

Характеристики песков относятся к кварцевым пескам с зернами различной окатанности, содержащим не более 20% полевого шпата и не более 5% в сумме различных примесей (слюда, глауконит и пр. ), включая органическое вещество, независимо от степени влажности грунтов S_r.

Таблица Б.2

Нормативные значения удельного сцепления с, кПа, угла внутреннего трения φ, град., глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений

На­име­но­ва­ние грун­тов и пре­де­лы нор­ма­тив­ных зна­че­ний их по­ка­за­те­ля те­ку­че­сти I L		Обо­зна­че­ние ха­рак­те­ри­стик грун­тов	Ха­рак­те­ри­сти­ки грун­тов при ко­эф­фи­ци­ен­те по­ри­сто­сти е, рав­ном
			0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05
Су­песи	0 ≤ I L ≤ 0,25	с φ	21 30	17 29	15 27	13 24	— —	— —	— —
	0,25 < I L ≤ 0,75	с φ	19 28	15 26	13 24	11 21	9 18	— —	— —
Су­глин­ки	0 ≤ I L ≤ 0,25	с φ	47 26	37 25	31 24	25 23	22 22	19 20	— —
	0,25 < I L ≤ 0,5	с φ	39 24	34 23	28 22	23 21	18 19	15 17	— —
	0,5 < I L ≤ 0,75	с φ	— —	— —	25 19	20 18	16 16	14 14	12 12
Гли­ны	0 ≤ I L ≤ 0,25	с φ	— —	81 21	68 20	54 19	47 18	41 16	36 14
	0,25 < I L ≤ 0,5	с φ	— —	— —	57 18	50 17	43 16	37 14	32 11
	0,5 < I L ≤ 0,75	с φ	— —	— —	45 15	41 14	36 12	33 10	29 7

Характеристики глинистых грунтов в таблицах относятся к грунтам, содержащим не более 5% органического вещества и имеющим степень влажности S_r ≥ 0,8.

Таблица Б.3

Нормативные значения модуля деформации Е, МПа, глинистых нелессовых грунтов

Про­ис­хож­де­ние и воз­раст грун­тов		На­име­но­ва­ние грун­тов и пре­де­лы нор­ма­тив­ных зна­че­ний их по­ка­за­те­ля те­ку­че­сти I L		Мо­дуль де­фор­ма­ции грун­тов Е, МПа, при ко­эф­фи­ци­ен­те по­ри­сто­сти е, рав­ном
				0,35	0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05	1,2	1,4	1,6
Чет­вер­тич­ные от­ло­же­ния	Ал­лю­ви­аль­ные, де­лю­ви­аль­ные, озер­ные, озер­но-ал­лю­ви­аль­ные	Су­песи	0 < I L ≤ 0,75	—	32	24	16	10	7	—	—	—	—	—
		Су­глин­ки	0 < I L ≤ 0,25	—	34	27	22	17	14	11	—	—	—	—
			0,25 < I L ≤ 0,5	—	32	25	19	14	11	8	—	—	—	—
			0,5 < I L ≤ 0,75	—	—	—	17	12	8	6	5	—	—	—
		Гли­ны	0 ≤ I L ≤ 0,25	—	—	28	24	21	18	15	12	—	—	—
			0,25 < I L ≤ 0,5	—	—	—	21	18	15	12	9	—	—	—
			0,5 < I L ≤ 0,75	—	—	—	—	15	12	9	7	—	—	—
	Флю­вио­гля­ци­аль­ные	Су­песи	0 ≤ I L ≤ 0,75	—	33	24	17	11	7	—	—	—	—	—
		Су­глин­ки	0 ≤ I L ≤ 0,25	—	40	33	27	21	—	—	—	—	—	—
		Су­глин­ки	0,25 < I L ≤ 0,5	—	35	28	22	17	14	—	—	—	—	—
			0,5 < I L ≤ 0,75	—	—	—	17	13	10	7	—	—	—	—
	Мо­ре­ные	Су­песи Су­глин­ки	I L ≤ 0,5	60	50	40	—	—	—	—	—	—	—	—
Юр­ские от­ло­же­ния окс­форд­ско­го яру­са		Гли­ны	0,25 ≤ I L ≤ 0	—	—	—	—	—	—	27	25	22	—	—
			0 < I L ≤ 0,25	—	—	—	—	—	—	24	22	19	15	—
			0,25 < I L ≤ 0,5	—	—	—	—	—	—	—	—	16	12	10

Характеристики глинистых грунтов в таблицах относятся к грунтам, содержащим не более 5% органического вещества и имеющим степень влажности S_r ≥ 0,8.

Таблица Б.4

Нормативные значения модуля деформации Е, МПа, угла внутреннего трения φ, град., и удельного сцепления с, кПа, глинистых заторфованных грунтов при степени заторфованности 0,05 ≤ I_r ≤ 0,25

Пре­де­лы нор­ма­тив­ных зна­че­ний по­ка­за­те­ля те­ку­че­сти I L	Обо­зна­че­ние ха­рак­те­ри­стик грун­тов	Ха­рак­те­ри­сти­ки гли­ни­стых грун­тов при сте­пе­ни за­тор­фо­ван­но­сти Ir и ко­эф­фи­ци­ен­те по­ри­сто­сти е, рав­ных
		Ir = 0,05–0,1				Ir = 0,1–0,25
		0,65	0,75	0,85	0,95	1,05	1,15	1,25	1,35
0 ≤ I L ≤ 0,25	Е	13,0	12	11	10	8,5	8	7	5,0
	φ	21	20	18	16	15	—	—	—
	с	29	33	37	45	48	—	—	—
0,25 < I L ≤ 0,5	Е	11	10	8,5	7,5	7	6	5,5	5
	φ	21	20	18	16	15	14	13	12
	с	21	22	24	31	33	36	39	42
0,5 < I L ≤ 0,75	Е	8,0	7	6,0	5,5	5	5	4,5	4
	φ	21	20	18	16	15	14	13	12
	с	18	19	20	21	23	24	26	28
0,75 < I L ≤ 1	Е	6	5	4,5	4,0	3,5	3	2,5	—
	φ	—	—	—	18	18	18	17	—
	с	—	—	—	15	16	17	18	—

Таблица Б. 5

Нормативные значения удельного сцепления с, кПа, угла внутреннего трения φ град., и модуля деформации Е, МПа, элювиальных песков

Пес­ки	Обо­зна­че­ние ха­рак­те­ри­стик	Ха­рак­те­ри­сти­ки грун­тов при ко­эф­фи­ци­ен­те по­ри­сто­сти е, рав­ном
		0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	1,0	1,2
Дре­свя­ни­стые	с	45	41	39	37	35	34	—
	φ	34	31	28	25	23	21	—
	Е	44	33	24	18	15	14	—
Круп­ные и сред­ней круп­но­сти	с	41	35	29	23	19	—	—
	φ	32	30	27	24	22	—	—
	Е	44	31	22	14	13	—	—
Пы­ле­ва­тые	с	58	51	44	39	33	29	24
	φ	32	30	27	24	22	20	18
	Е	48	38	29	21	16	12	10

Данные таблицы распространяются на элювиальные пески, образованные при выветривании кварцесодержащих магматических пород.

Таблица Б.6

Нормативные значения удельного сцепления с, кПа, угла внутреннего трения φ, град., и модуля деформации Е, МПа, элювиальных глинистых грунтов магматических и метаморфических пород

На­име­но­ва­ние грун­тов и пре­де­лы нор­ма­тив­ных зна­че­ний их по­ка­за­те­ля те­ку­че­сти I L		Обо­зна­че­ние ха­рак­те­ри­стик грун­тов	Ха­рак­те­ри­сти­ки грун­тов при ко­эф­фи­ци­ен­те по­ри­сто­сти е, рав­ном
			0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05	1,2
Су­песи	I L < 0	с	47	44	42	41	40	39	—
		φ	34	31	28	26	25	24	—
		Е	37	30	25	20	15	10	—
	0 ≤ I L ≤ 0,75	с	42	41	40	39	38	—	—
		φ	31	28	26	25	24	—	—
		Е	25	18	14	12	11	—	—
Су­глин­ки	0 ≤ I L ≤ 0,25	с	57	55	54	53	52	51	50
		φ	24	23	22	21	20	19	18
		Е	27	25	23	21	19	17	14
	0,25 < I L ≤ 0,5	с	—	48	46	44	42	40	37
		φ	—	22	21	20	19	18	17
		Е	—	19	16	14	13	12	11
	0,5 < I L ≤ 0,75	с	—	—	41	36	32	29	25
		φ	—	—	20	19	18	17	16
		Е	—	—	15	13	11	10	9
Гли­ны	0 I ≤ I L ≤ 0,25	с	—	62	60	58	57	56	—
		φ	—	20	19	18	17	16	—
		Е	—	19	18	17	16	15	—
	0,25 < I L ≤ 0,5	с	—	54	50	47	44	—	—
		φ	—	17	15	13	12	—	—
		Е	—	14	12	10	9	—	—

Данные таблицы распространяются на элювиальные пески, образованные при выветривании кварцесодержащих магматических пород.

Таблица Б.7

Нормативные значения удельного сцепления с, кПа, угла внутреннего трения φ, град., и модуля деформации Е, МПа, элювиальных глинистых грунтов осадочных аргиллито-алевролитовых пород

Обо­зна­че­ние ха­рак­те­ри­стик грун­тов	Ха­рак­те­ри­сти­ки грун­тов при ко­эф­фи­ци­ен­те по­ри­сто­сти е, рав­ном
	0,45	0,55	0,65	0,75	0,85
с	58	48	40	35	31
φ	29	24	21	19	17
Е	25	21	17	13	10

Таблица Б.8

Нормативные значения удельного сцепления с, кПа, угла внутреннего трения φ, град., и модуля деформации E, МПа песчаных намывных грунтов

Пес­ки	Обо­зна­че­ние ха­рак­те­ри­стик грун­тов	Ха­рак­те­ри­сти­ки грун­тов при ко­эф­фи­ци­ен­те по­ри­сто­сти е, рав­ном
		0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95
Сред­ней круп­но­сти	с	8	4	3	2	—	—
	φ	39	37	33	30	—	—
	Е	45	32	25	17	—	—
Мел­кие	с	10	6	4	3	1	—
	φ	36	33	30	27	25	—
	Е	35	27	19	15	12	—
Пы­ле­ва­тые	с	—	10	7	5	3	2
	φ	—	33	29	25	23	20
	Е	—	20	16	10	8	5

Характеристики, приведенные в таблице, распространяются на намывные пески в возрасте не менее 4 лет.

Предыдущая статьяСоединения на винтах работающих на срез

Следующая статьяНатягивание разметочного шнура

Свойства почвы

Влажность (м)


Удельный вес твердых веществ равен G s , а плотность воды w Масса твердых веществ, M s  = G s w Масса воды, M w = S r e w Величины в приведенной выше формуле используются в противоположном уравнение.

Степень насыщения (S _r )

Когда присутствуют и воздух, и вода, говорят, что почва частично насыщена. Степень насыщения просто



Соотношение воздух-пустота

Процентное содержание воздушных пустот
Также    
Отношение объема воздуха к общему объему почвы, умноженное на на 100 известен как процент воздушных пустот.


Плотность () и удельный вес ()

Мы можем выразить количество материала в заданном объеме V двумя способами:
                             1. количество массы М в объеме или
                    2. количество веса, Вт, в объеме.

Более распространенным способом является использование количества массы вместо количества веса. Использование веса требует преобразования, как показано ниже:

Вес:	вес = масса и умножить на ускорение свободного падения [Ускорение свободного падения = 9,81 м/с (для простоты используйте 10 м/с)] Единицей силы или веса является ньютон (Н) (1 Н = 1 кг и умножить на 1 м/с) вес 1 кг на земле = 10 N (Плотность воды при 4C, w = 1000 кг/м³ = 1 мг/м³)

Удельный вес (G _s )

Удельный вес материала – это отношение веса или массы объема материала к весу или массе равного объема воды.


Объемная плотность()

Плотность в сухом состоянии( d )

Коэффициент пустот (е)
Объем пустот, Vv, очевидно, равен V – V _s .

Для простоты расчетов будем считать, что все твердые тела сжаты вместе, а их объем считается равным единице объема, как показано на Рис. 1 и Рис. 2.

Пористость (n)


Степень насыщения (S _r )
Когда присутствуют и воздух, и вода, почва считается частично насыщенной. Степень насыщения просто


Процентное содержание воздушных пустот

Отношение объема воздуха к общему объему почвы известно как процентное содержание воздушных пустот.

Плотность () и удельный вес ()
Мы можем выразить количество материала в данном объеме v двумя способами:
количество массы M в объеме или
количество веса W в объеме или

Вес:
вес = масса &ускорение свободного падения
[Ускорение свободного падения = 9,81 м/с (для простоты использования 10 м/с)]
Единицей силы или веса является ньютон (Н) (1Н=1кг&умножить на 1м/с)
        вес 1 кг (масса) = 10 Н
Плотность воды при 4°C, _w = 1000 кг/м³ = 1 Мг/м³
отсюда вес воды, _w = 10 000 Н/м³ = 10 кН /м³. (1 мг/м³ = 1 тонна/м³)
(Где _w = удельный вес воды при 4°C)

Удельный вес (G _s )
Удельный вес материала – это отношение веса или масса объема материала к весу или массе равного объем воды.


Удельный вес грунта
Удельный вес материала – это его вес в единице объема. В работе с почвой наиболее важными значениями удельного веса являются следующие:
Объемный удельный вес ( _b )
Это естественный удельный вес грунта на месте

Сухой удельный вес ( _d )


---

Сцепление

Связность

Сплоченность — это термин, используемый для описания прочности на сдвиг грунтов. Его определение в основном получено из критерия разрушения Мора-Кулона и используется для описания нефрикционной части сопротивления сдвигу, которая не зависит от нормального напряжения. В плоскости напряжения нормального напряжения, действующего на сдвиг, сцепление грунта представляет собой точку пересечения на оси сдвига линии сопротивления сдвигу Мора-Кулона 9.