В последние годы практика исследования механических свойств грунтов (С. С. Вялов, 1966 г., М. В. Малышев, Э. А. Фрадис, 1968 г., Г. М. Ломизе, А. Л. Крыжановский, 1969 г. и др.) показала, что на прочностные характеристики грунтов многих видов оказывает влияние величина промежуточного главного напряжения или вид пространственного напряженного состояния. Вместе с А. Л. Крыжановским автор провел исследования прочностных свойств илов оз. Сиваш, отобранных из основания проектируемой земляной плотины. Чтобы выявить влияние вида пространственного напряженного состояния на прочностные и деформативные характеристики двух разновидностей илов с различными прочностными характеристиками и физическими свойствами образцы грунта исследовались на приборах трехосного сжатия различной конструкции.

Первая разновидность илов имела объемный вес 1,75-1,79 г/см³, естественную влажность 24,2-26,2%. По данным лабораторных исследований прочности на срезных приборах конструкции Гидропроекта (по методике ускоренного сдвига), угол внутреннего трения этих грунтов был равен 18-21°, а сцепление - 0,22-0,25 кгс/см². Модуль общей деформации (по компрессионным опытам) при изменении давления до 2 кгс/см² составлял 36 кгс/см². Вторая разновидность илов (оз. Сиваш) имела объемный вес 1,58-1,62 г/см³ и естественную влажность 40-44,5%. По результатам испытания образцов на срезных приборах конструкции Гидропроекта (по методике ускоренного сдвига) угол внутреннего трения этих грунтов был равен 4°30'-5°20', а сцепление 0,11-0,14 кгс/см². Модуль общей деформации грунтов этой разновидности при давлении до 2 кгс/см² составлял 14,5-18,3 кгс/см² (по данным компрессионных испытаний).

Для характеристики напряженно-деформированного состояния исследованных образцов грунта использовались инвариантные соотношения:

для оценки величины гидростатического обжатия

;

для оценки величины девиатора напряжения

;

для характеристики вида пространственного напряженного состояния

,

где - главные напряжения. Причем в данном случае принимается, что . При выполняется условие ; при .

Для оценки величины объемной деформации образца в предположении относительной малости наблюдаемых деформаций использовалось соотношение

а для оценки величины деформации формы

где - главные относительные деформации.

Опыты проводились на стабилометре конструкции МИСИ им. В. В. Куйбышева, который отличается от стабилометров других конструкций тем, что его резиновая оболочка не имеет жесткого закрепления с корпусом прибора (как показали методические опыты, при жестком закреплении резиновой оболочки на корпусе стабилометра происходит трение резины о грунт при сжатии образцов, что особенно существенно для сильносжимаемых грунтов, так как при этом несколько искажается задаваемое напряженное состояние).

Образцы загружали малыми ступенями давления, равными 0,05 кгс/см². Это позволило исключить влияние скорости нагружения образцов и процесса консолидации на результаты исследований прочности грунтов.

Эксперименты проводились следующим образом. Из монолита размером 0,7X0,7X0,7 м вырезали 15-18 образцов-близнецов цилиндрической формы диаметром 6 см и обжимали их гидростатическим давлением, равным 0,2; 0,5 и 1 кгс/см², а затем увеличивали вертикальное давление до разрушения образца.

Другую партию образцов, вырезанных из того же монолита, после гидростатического обжатия указанным выше гидростатическим давлением разрушали, увеличивая горизонтальное давление при неизменном вертикальном давлении.

Результаты проведенных исследований показали, что параметры прочности грунта, определенные как по первой, так и по второй методике для илов второй разновидности (=4-5°), оказались практически одинаковыми, что свидетельствует о несущественном влиянии промежуточного главного напряжения на параметры прочности грунта.
Для илов первой разновидности (=20°) характеристики прочности, определенные по первой и второй методикам, оказались различными, что предполагает влияние промежуточного главного напряжения на прочность грунта.

Для проверки проведенных исследований были поставлены опыты по схеме чисто девиаторного нагружения образцов ила (оз. Сиваш) первой разновидности при сохранении постоянным в опыте после окончания гидростатического обжатия параметра и величине гидростатического обжатия и кгс/см². Опыты производились на приборе трехосного сжатия конструкции Г. М. Ломизе, А. Л. Крыжановского, Э. И. Воронцова (1969 г.), допускающем независимое регулирование трех главных напряжений; относительные деформации измерялись по трем ортогональным направлениям.

Напряжения в опытах изменяли малыми ступенями, чтобы исключить влияние на измерение скорости нагружения и незавершившихся консолидационных процессов. Результаты опыта иллюстрируются графиками на рис. I.10 и I.11.

Представленные на рис. I.10 зависимости получены из опытов при кгс/см² и , равном +1 и -1 соответственно. Графики получены по результатам опытов при кгс/см² и соответственно равном+1, -1.
Диаграммы подтверждают перекрестное влияние на деформацию формы слабого илистого грунта девиатора напряжений и гидростатического обжатия.

Рис. I.10 Графики зависимости между инвариантами деформаций и напряжений

Влияние пространственного напряженного состояния (параметра ) оказывается переменным. Оно существенно увеличивается при приближении образца к разрушению, которое наступает при , что подтверждает предположение о влиянии промежуточного главного напряжения на прочность илов второй разновидности.

Для поведения илов первой разновидности при деформации характерно то, что сопротивление деформации формы при параметре больше, чем при . Испытания песчаных грунтов, а также глинистых грунтов природной и нарушенной структуры дали противоречивые с этой точки зрения результаты.

На рис. I.10, б представлены графики зависимости . Эти зависимости применительно к слабым грунтам подтверждают дилатантные свойства дисперсных сред, т. е. возникновение объемной деформации за счет действия девиатора напряжений. Причем объемная деформация под действием девиатора напряжений имеет один порядок с объемной деформацией при гидростатическом обжатии. Влияние параметра в данном случае оказывается слабо выраженным.

Параметр прочности определен в соответствии с гипотезой прочности Мизеса - Шлейхера - Боткина:

Из полученных данных следует, что параметр зависит от вида пространственного напряженного состояния. Отсюда вытекает неинвариантность условия прочности Мора для описания прочностных характеристик слабого грунта в наиболее общем случае. Различие в величине при достигает 10%. Зависимость параметра прочности от вида пространственного напряженного состояния получена в соответствии с теорией прочности Мара

и приведена на рис. I.11.

Рис. I.11 Графики зависимости (а) и (б)

Как видно из рисунка, описание прочности илов оз. Сиваш (первой разновидности) уравнением предельного равновесия Мора также выявляет неинвариантность данного условия к виду пространственного напряженного состояния. Различие в величине при достигает в данном случае 54%.

Проведенные исследования показывают, что различные слабые водонасыщенные глинистые грунты в зависимости от своего происхождения, истории нагружения и свойств должны описываться различными теориями прочности. Для предварительных расчетов, вероятно, можно принять, что если угол внутреннего трения слабых водонасыщенных глинистых грунтов по результатам испытаний на срезных приборах превышает 18°, то теория прочности Мизеса-Шлейхера-Боткина лучше удовлетворяет требованию инвариантности параметров прочности к виду пространственного напряженного состояния по сравнению с гипотезой прочности Мора. Для слабых же водонасыщенных глинистых грунтов, у которых угол внутреннего трения по результатам испытаний на срезных приборах меньше 10°, теория прочности Мора достаточно хорошо удовлетворяет требованию инвариантности параметров прочности.

Опыты, проведенные по указанной выше методике на засоленных илах, отобранных из основания резервуаров в г. Фао (Ирак), показали, что для этих грунтов, у которых по данным сдвиговых испытаний угол внутреннего трения равен 10-12°, полностью применима теория прочности Мора.