Опубликовано Угол внутреннего трения грунта – описание свойства, формулы, таблицы
Угол внутреннего трения (ϕ) – это отношение вертикального или нормального напряжения к горизонтальному (касательному). Их совместное действие провоцирует смещение частиц грунта относительно друг друга. На показатель влияет сила трения. Его определяют при испытаниях связных и несвязных дисперсных грунтов на устойчивость к сдвигу.
- Угол внутреннего трения грунта
- От чего зависит и на что влияет угол внутреннего трения
- Как определить угол внутреннего трения
- Лабораторные испытания
- Методы полевых испытаний
- Оборудование
- Подготовка к испытаниям
- Обработка результатов
- Практическое применение показателя
От чего зависит и на что влияет угол внутреннего трения
Для понимания сути этого параметра нужно представить себе откос, на который действует гравитация.
Чем больше крутизна стенок, тем сильнее напряжение, которое возникает из-за силы тяжести. В какой-то момент сцепление между частицами разрушается, и они смещаются.
Наклон стенки по отношению к основанию, при котором она остается стабильной, называют углом естественного откоса. У дисперсных несвязных грунтов он совпадает с углом внутреннего трения. Зерна в них скрепляются только за счет трения между собой. В связных и скальных грунтах устойчивость к сдвигу обеспечивается еще и сцеплением, которое обеспечивается более прочными связями – коллоидными, цементационными и кристаллическими. Детальнее о них вы можете прочитать в статье Прочность грунта.
В таблице даны значения углов естественного откоса для разных типов грунтов.
Угол естественного откоса в природном сложении, утрамбованном и разрыхленном состоянии отличается. В следующей таблице мы разместили значения показателя для некоторых грунтов и пород после их разрыхления.
При испытаниях на сопротивляемость сдвигу на грунт воздействуют две силы – одна направлена сверху вниз (нормальная, или вертикальная нагрузка), другая горизонтально (касательная).
Угол внутреннего трения напрямую зависит от вертикального давления. По вектору своего действия она похожа на гравитацию – сила направлена сверху вниз.
Как видно из приведенных выше описаний, показатель находится в прямой зависимости от силы трения.
На нее, в свою очередь, влияют:
- Текстура поверхности
Зерна с гладкой поверхностью легче смещаются относительно друг друга. - Форма
Контакты между частицами неправильной формы более прочные, чем между круглыми. - Гранулометрический состав
- Пористость
В материале с большим количеством пор частицы находятся на большем расстоянии и слабее контактируют между собой. В результате они легче сдвигаются.
Прочность на сдвиг во многом зависит от угла внутреннего трения.
Чем большее вертикальное давление может выдержать массив без деформации, перемещения частиц и потери целостности, тем выше его несущая способность.
Дальше мы рассмотрим, как определяется показатель.
Как определить угол внутреннего трения
Испытания грунта на определение исключительно угла внутреннего трения не проводят. Показатель вычисляют опытным путем, во время которого определяется прочность грунтов на сдвиг. Испытания проводятся в лабораторных или полевых условиях.
Лабораторные испытания
Лабораторные методики испытания грунтов описывает ГОСТ 12248-2010.
Они включают:
- Одноплоскостной срез
- Трехосное сжатие
Каждый из них также в свою очередь делится на несколько методов.
Одноплоскостной срез может быть:
- Быстрым неконсолидированным – для водонасыщенных просадочных, глинистых и плодородных грунтов с текучестью менее 0,5
- Медленным консолидировано-дренированным – для всех остальных грунтов без учета влаги в порах
Трехосное сжатие включает в себя методы:
- Неконсолидировано-недренированный – для материалов с природным сложением, без отведения влаги в дренаж
- Консолидировано-недренированный – с насыщенным влагой и разуплотненным грунтом
- Консолидировано-дренированный – грунт сначала насыщают влагой и разуплотняют, затем отводят воду через дренаж и повторно уплотняют
Детальнее об этих методиках вы можете прочитать в статье Прочность грунта на сдвиг.
При использовании метода одноплоскостного среза сначала вычисляют вертикальное (σ) и касательное (τ) напряжение по формулам:
Испытания проводятся минимум 3 раза. Полученные цифры отмечают на графике.
Угол внутреннего трения зависит от τ и σ. Он выражается уравнением:
При наличии более прочных связей в грунтах добавляют еще показатель сцепления (с).
Уравнение выглядит так:
Чтобы точно вычислить угол внутреннего трения, обрабатывают экспериментальные данные τ, отмеченные точками на графике.
Затем проводят расчеты по формуле:
При трехосном сжатии вычисляют эффективный угол внутреннего трения (ϕ’).
Используют формулу:
Методы полевых испытаний
Для определения показателя непосредственно в массиве используется метод среза целиков грунта – небольших образцов, только частично отделенных от массива. Грунт испытывают в строительных котлованах, карьерах, шахтах. Его срезают в заданной фиксированной плоскости, одновременно сжимая сверху вниз.
Испытывать можно грунты со следующими параметрами:
- Естественным сложением и влажностью
- Насыпные и намывные с любой влажностью
- Крупнообломочные, с нарушенным сложением, определенными параметрами влажности и плотности
Чтобы найти угол внутреннего трения, опыт повторяют трижды. Срезают грунт в одном месте и на одинаковой глубине.
Оборудование
В исследовании используются такие приборы:
- Кольцо, диаметр которого по внутреннему ободку 200 мм, а высота составляет его половину
- Штампы жесткие, которые свободно помещаются в кольце, но плотно прилегают к его стенкам
- Приспособления для создания давления на грунт
- Срезающий механизм с анкером; он обеспечивает касательную нагрузку в строго определенной плоскости, с разрешенными колебаниями не более 30 мм
- Прибор, измеряющий деформации и давление
Испытания проводятся со ступенчатой или непрерывной нагрузкой.
Подготовка к испытаниям
С помощью кольца из массива вырезают образец грунта.
Порядок работы:
- Стенки кольца изнутри покрывают жиром.
- Грунт разравнивают и ставят на него кольцо, при этом внимательно следят, чтобы оно не перекосилось.
- На кольцо надавливают руками или домкратом, чтобы оно вошло в массив. Грунт вокруг обрезают и удаляют.
- Когда над ободком появится грунт, его выравнивают. Сверху насыпают слой песка с низкой влажностью, толщиной 1-2 см для глинистого и 3 см для крупнообломочного грунта. Это необходимо для лучшего выравнивания поверхности и контакта со штампом, чтобы нагрузка равномерно распределялась на весь объем грунта.
- Под кольцом, между его краем и массивом, оставляют зазор 1-2 см (но не менее половины от наибольшего диаметра зерен и включений грунта). В этом месте будет проходить срез. Крупнообломочные грунты отделяют от массива на 1-2 см ниже кольца, закрывают его и переносят образец к испытательному механизму.
- Когда все готово, штамп припасовывают к кольцу и готовят срезной механизм.
- Далее измерительный прибор, которым будут фиксировать смещение грунта и уменьшение его высоты, приводят в готовность.
Для проведения опыта выбирают один из трех методов:
- Медленный консолидированно-дренированный
- Быстрый неконсолидированный
- Метод «плашек» на специально подготовленной поверхности
Детальнее о них читайте в продолжении текста.
Медленный консолидировано-дренированный срез
Образец уплотняют штампом. Нужно создать давление (р), при котором грунт будут срезать для определения его сопротивления (τ). Давление увеличивают ступенями, их показатели мы разместили в таблице.
Стабильное давление на каждой ступени выдерживают:
- Пески и грунты из крупных обломков – 5 мин
- Глинистые грунты – 30 мин
- Органические почвы – 60 мин
Последняя ступень выдерживается до момента, когда частицы перестают смещаться, а объем пробы остается одинаковым (наступает стабилизация деформаций).
Этот момент наступает приблизительно за одинаковое время у однотипных грунтов.
В таблице показаны цифры давления, при котором происходит стабилизация деформаций при сжатии и срезе.
Когда образец уплотняют, фиксируют его сжатие (изменение высоты, деформацию):
- У крупнообломочных грунтов данные отмечают в начале и конце промежуточных ступеней. На последней порядок фиксации следующий: первые 30 мин – записывают изменения каждые 10 мин, вторые 30 мин – каждые 15 мин. Дальше фиксацию проводят каждые полчаса, пока высота пробы не перестанет изменяться.
- При испытании глинистых грунтов на промежуточных ступенях изменения высоты отмечают каждые 10 мин. Порядок фиксации деформаций на последней ступени: первый час – каждые 15 мин, второй час – каждые 30 мин, после этого ежечасно до момента стабилизации высоты.
Когда грунт уплотнен и зазор установлен, переходят к следующему этапу – плавному или ступенчатому срезанию.
При ступенчатом срезе нагрузка по касательной на каждой ступени не должна превосходить вертикальное давление больше, чем на 10%.
Деформации замеряют каждые 2 минуты, пока они не стабилизируются.
Стабилизацией считают момент, когда за определенный отрезок времени кольцо перемещается не более, чем на 1 мм. Значения времени для разных типов грунтов даны в таблице выше.
Опыт заканчивается, если после очередного увеличения нагрузки грунтовые пласты резко смещаются по отношению друг к другу (срываются) либо если образец деформирован больше, чем на 10%.
Если грунт срезают непрерывно, деформации также фиксируются каждые 2 минуты. Скорость среза для некоторых разновидностей грунтов подана в таблице.
Непрерывное срезание заканчивают тогда, когда скорость повышается до максимума и начинает снижаться либо возникает деформация, превосходящая 10%.
После окончания опыта с применением любого из описанных способов отбирают часть грунта, чтобы определить влажность.
Неконсолидированный быстрый срез
Быстрым неконсолидированным срезом проводят испытания глинистых грунтов. Вертикальное давление передается в одну ступень.
В таблице поданы его значения. Именно при таком давлении будет проводиться срез.
Если грунт под давлением выдавливается из кольца, опыт повторяют со сниженной нагрузкой. В этом случае она может не соответствовать приведенным в таблице данным.
Когда давление достигает нужных цифр, грунт срезают. Сделать это нужно не позднее, чем через 5 минут после начала подачи нагрузки.
При ступенчатом способе среза давление по горизонтали не должно превышать нагрузку по вертикали больше, чем на 10%. Перерывы между ступенями делают в 10-30 с. При непрерывном методе грунт срезают со скоростью 5-20 мм/мин.
Метод «плашек»
Метод применяется на глинистых грунтах, если к объекту предъявляются особые требования. Опыт проводят после завершения испытаний образцов с природной влажностью и естественным сложением. Перед его началом поверхность подготавливают.
Порядок проведения работ:
- Все механизмы (кроме анкера), которые остались в земле после предыдущего опыта, извлекают.
- Кольцо с его содержимым переворачивают вверх той поверхностью, на которой срезался грунт.
- Выемку зачищают и разравнивают. Участок округляют, его диаметр должен на 20-30 см превосходить диаметр кольца.
- Кольцо опять переворачивают и ставят его на выравненный участок.
- Кольцо поднимают на 5-10 мм, чтобы между его нижним ободком и массивом получился зазор.
- Монтируют оборудование.
- Грунт срезают до тех пор, пока его сопротивление сдвигу не достигнет стабильных цифр.
После завершения среза часть оборудования убирают, давление домкрата снижают до ноля. Фиксируют изменение высоты грунтовой пробы. Данные горизонтальных сдвигов берут из предыдущих опытов.
Гидродомкратом, закрепленным на стенке, грунт передвигают на место, которое он занимал до срезания. В этот момент приборы зафиксируют нулевую отметку. Домкрат убирают и проводят опыт методом медленного сдвига.
Обработка результатов
Вычисление результатов после завершения испытаний любым из описанных методов будет одинаковым.
На основании трех проведенных опытов строят график. На оси абсцисс отмечают вертикальное или нормальное напряжение, на оси ординат – касательное. Точки соединяют линией. Затем перпендикулярно оси ординат проводят условную линию. Угол между этой прямой и графиком и будет углом внутреннего трения.
На практике часто пользуются готовыми значениями угла внутреннего трения для разных грунтов. Они фиксируются при стандартных нагрузках – 1 кг/м2.
Данные угла внутреннего трения разных типов грунтов вы можете найти в таблицах. Они соответствуют требованиям СП 22.13330.2016.
Угол внутреннего трения для песков
Угол внутреннего трения для глинистых грунтов
Практическое применение показателя
Угол внутреннего трения и еще один показатель – сцепление – используются для расчета сопротивления грунтов сдвигу.
Сопротивление сдвигу, или прочность на сдвиг важно знать в таких ситуациях:
- При постройке зданий
- При строительстве автомобильных и железных дорог
- При возведении дамб и плотин
- При разработке закрытых шахт и открытых карьеров
- Для прогноза риска оползней в горной местности
- Для укрепления крутых склонов и берегов рек
Детальнее об этом вы можете узнать в статье Прочность грунта на сдвиг.
Угол внутреннего трения – это один из параметром, определяющий устойчивость грунтов к сдвигу. Вычисляют его после лабораторных или полевых испытаний. На практике часто пользуются готовыми показателями. Для проведения исследований необходима профессиональная техника и опыт. Услугу оказывают геодезические компании. Заказать ее стоит перед началом любого строительства, ведь от качества грунтового основания зависит прочность и долговечность всего здания или дороги.
СНиП 2.02.01-83 НОРМАТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ. СоюзПроект монтаж, пуско-наладочные работы на станции 2-го подъема правильная обвязка скважин установка технологического оборудования
Основными параметрами механических свойств грунтов,
определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются
прочностные и деформационные характеристики грунтов (угол внутреннего трения j, удельное сцепление с, модуль деформации грунтов Е, предел прочности на одноосное
сжатие скальных грунтов Rcи т.
п.). Допускается
применять другие параметры, характеризующие взаимодействие фундаментов с
грунтом основания и установленные опытным путем (удельные силы пучения при
промерзании, коэффициенты жесткости основания и пр.).
Примечание. Далее, за исключением специально оговоренных случаев, под термином «характеристики грунтов» понимаются не только механические, но и физические характеристики грунтов, а также упомянутые в настоящем пункте параметры.
Характеристики грунтов природного сложения, а также искусственного происхождения, должны определяться, как правило, на основе их непосредственных испытаний в полевых или лабораторных условиях с учетом возможного изменения влажности грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружений.
Нормативные и расчетные
значения характеристик грунтов устанавливаются на основе статистической
обработки результатов испытаний по методике, изложенной в ГОСТ 20522-75.
Все расчеты оснований должны выполняться с использованием расчетных значений характеристик грунтов Х, определяемых по формуле
Х = Хn/gg, (1)
где Хn — нормативное значение данной характеристики;
gg — коэффициент надежности по грунту.
Коэффициент
надежности по грунту gg при вычислении расчетных
значений прочностных характеристик (удельного сцепления с, угла внутреннего трения j нескальных грунтов и
предела прочности на одноосное сжатие скальных грунтов Rc, а также плотности грунта
r) устанавливается в
зависимости от изменчивости этих характеристик, числа определений и значения доверительной
вероятности a.
Для прочих характеристик
грунта допускается принимать gg = 1.
Примечание. Расчетное значение удельного веса грунта g определяется умножением расчетного значения плотности грунта на ускорение свободного падения.
Доверительная вероятность a расчетных значений характеристик грунтов принимается при расчетах оснований по несущей способности a = 0,95, по деформациям a = 0,85.
Доверительная вероятность a для расчета оснований опор мостов и труб под насыпями принимается согласно указаниям п. 12.4. При соответствующем обосновании для зданий и сооружений I класса допускается принимать большую доверительную вероятность расчетных значений характеристик грунтов, но не выше 0,99.
Примечания:
1. Расчетные значения характеристик грунтов, соответствующие различным
значениям доверительной вероятности, должны приводиться в отчетах по
инженерно-геологическим изысканиям.
2. Расчетные значения характеристик грунтов с, j и g для расчетов по несущей способности обозначаются сI, jI и gI, а по деформациям сII, jII и gII.
Количество определений характеристик грунтов, необходимое для вычисления их нормативных и расчетных значений, должно устанавливаться в зависимости от степени неоднородности грунтов основания, требуемой точности вычисления характеристики и класса здания или сооружения и указываться в программе исследований.
Количество одноименных
частных определений для каждого выделенного на площадке
инженерно-геологического элемента должно быть не менее шести. При определении
модуля деформации по результатам испытаний грунтов в полевых условиях штампом
допускается ограничиваться результатами трех испытаний (или двух, если они
отклоняются от среднего не более чем на 25 %).
Для предварительных расчетов оснований, а также для окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III классов и опор воздушных линий электропередачи и связи независимо от их класса допускается определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по их физическим характеристикам.
Примечания: 1. Нормативные значения угла внутреннего трения jn, удельного сцепления сn и модуля деформации Е допускается принимать по табл. 1-3 рекомендуемого приложения 1. Расчетные значения характеристик в этом случае принимаются при следующих значениях коэффициента надежности по грунту:
в расчетах оснований по деформациям gg = 1;
в расчетах оснований по несущей
способности:
для удельного сцепления gg(с) = 1,5;
для угла внутреннего трения
песчаных грунтов gg(j) = 1,1;
то же, пылевато-глинистых gg(j)
= 1,15.
2. Для отдельных районов допускается вместо таблиц рекомендуемого приложения 1 пользоваться согласованными с Госстроем СССР таблицами характеристик грунтов, специфических для этих районов.
Угол внутреннего трения | Угол сопротивления сдвигу
Одним из важных параметров, считающихся типичным свойством сыпучих грунтов, является угол внутреннего трения ϕ. Способность массива горной породы или грунта выдерживать напряжение сдвига можно измерить по углу внутреннего трения (также называемому углом сопротивления сдвигу). Когда разрушение происходит в ответ на касательное напряжение (τ), угол (ϕ), измеренный между нормальной силой (σ) и равнодействующей силой (R), называется углом внутреннего трения.
Коэффициент трения скольжения равен его тангенсу (τ/σ). Угол внутреннего трения любого грунта можно увидеть визуально на графике круга Мора после испытания на сопротивление сдвигу.
Рисунок 1: Круг Мора для напряжения грунта Экспериментальный анализ, такой как трехосное испытание, используется для определения значения угла внутреннего трения.
Прежде чем приступить к аналитическим и проектным процессам в отношении фундаментов, подпорных стен, устойчивости откосов и подпорных конструкций, необходимо определить параметры прочности на сдвиг. Физической характеристикой земных материалов или наклоном линейного представления их прочности на сдвиг является угол внутреннего трения.
Внутреннее сопротивление, которое грунтовая масса может обеспечить на единицу площади, чтобы выдержать разрушение по любой внутренней плоскости, известно как сопротивление сдвигу. Отказ происходит, когда это сопротивление превышено. Максимальное или предельное значение напряжения сдвига, создаваемого в матрице грунта до текучести, называется прочностью на сдвиг грунта. Силы сцепления и трения между соседними частицами в матрице грунта придают конструкции прочность на сдвиг.
В результате существует некоторая зависимость поверхности от прочности грунта на сдвиг. Любое действие, которое предотвращает или способствует сцеплению или слипанию частиц почвы, неизбежно повлияет на прочность почвы на сдвиг.
Прочность на сдвиг обычно включает:
(a) внутреннее трение или сопротивление за счет сцепления частиц, представленное углом ϕ;
(b) сцепление или сопротивление из-за сил, стремящихся удерживать частицы вместе в твердой массе. Связность почвы обычно обозначается буквой «с».
Кулон был первым, кто предложил закон разрушения грунтов при сдвиге, который представлен уравнением;
τ = c + σtanϕ ——— (1)
, где нормальная сила равна σ, а прочность на сдвиг равна τ.
Инженеры и геологи обычно называют рыхлые и несцементированные земные материалы почвой, а геологи могут называть такие материалы отложениями. Различные размеры (мм до m) от очень мелких до очень крупных минералов или фрагментов горных пород составляют почву (глина, ил, песок, гравий, булыжник и размер валуна).
Масса зерен, химически и механически отличающихся друг от друга, может быть относительно легко извлечена, а извлеченный материал может быть сложен в коническую форму с наклоном, известным как угол естественного откоса (рис.
2). Угол естественного откоса представляет собой угол внутреннего трения, но обычно он контролируется формой зерна, в результате чего наклоны обычно составляют от 28 ° до 34 ° для куч рыхлых сухих зерен в естественной почве.
Рисунок 2 : Груда гравия образует угол естественного откоса
Угол внутреннего трения определяется как угол между нормальной силой реакции и комбинированной силой трения и нормальной силой реакции, когда объект начинает двигаться, тогда как угол покоя определяется как минимальный угол наклонной плоскости, при котором объект скользит по плоскости. Теоретически угол внутреннего трения и угол естественного откоса, по-видимому, означают одно и то же. Однако угол внутреннего трения, определенный при испытаниях, используется для геотехнических расчетов.
Распределение размера зерен, угловатость и сцепление частиц являются основными переменными, которые помимо плотности влияют на угол трения грунта. Как вы можете догадаться, мелкозернистый и хорошо окатанный песок имеет меньший угол трения, чем угловатый и крупнозернистый песок.
φ = 45° Выберите гранулированный грунт. Уклон, φ, может быть даже больше, если грунт хорошо уплотнен.
φ = 30° Хорошая почва. Почва может быть неуплотненной или, возможно, влажной.
φ = 15° Плохая почва. Плохая почва может содержать высокий процент мелких частиц и может быть влажной.
φ = 0° Грязь. Почва жидкая и не имеет угла наклона, φ
Угол внутреннего трения для различных типов грунта можно оценить с помощью инженерно-геологических испытаний на месте. Некоторые из них показаны в таблице 1;
| Описание | Относительная плотность | SPT – N (ударов/300 мм) | 9004 8 Угол внутреннего трения|
| Очень свободный | < 15% | N ≤ 4 | φ < 28° |
| Свободный | 9004 8 15–35%N = 4 – 10 | φ = 28 – 30° | |
| Среднеплотный | 35–65% | N = 10–30 | φ = 30–40° |
| Плотный | 65–85% | N = 30 -50 | φ =40 – 45° |
| Очень плотный | > 85% | N > 50 | φ = 45 – 50° |
Угол внутреннего трения для разных классификаций грунта представлен в таблице 2;
| Группа грунтов Обозначение | Сцепление (насыщенное) кПа | Угол внутреннего трения (φ) | 9006 4
| GW | 0 | > 38° |
| GP | 0 | > 37° |
| GM | – | > 34° |
| GC | 901 30 –> 31° | |
| SW | 0 | 38° |
| SP | 0 | 37° |
| SM | 20 | 34° |
| SM-SC | 14 | 33° |
| SC | 11 | 31° |
| ML | 9 | 32° |
| ML-CL | 22 | 32° |
| 13 | 28° | |
| OL | – | – |
| MH | 20 | 25° |
| CH | 11 | 19° |
| OH | – | – |
Поиск геотехнической информации Геотехнический форум Геотехнические публикации Геотехническое программное обеспечение Техническое руководство Учебный центр Развитие карьеры | Угол внутреннего трения
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ответы на ваши вопросы могут быть здесь.
