Способ определения прочностных характеристик грунта

 

Изобретение относится к исследованию прочностных характеристик грунтов при научных и инженерных изысканиях в строительстве. Изобретение обеспечивает возможность расчетов по прогнозированию вибрационных, сейсмических и ударных воздействий на основания, земляные сооружения, сыпучие грузы и материалы путем определения дополнительных прочностных характеристик грунта, необходимых для этих расчетов. Способ определения прочностных характеристик грунта включает нагружение образца сдвигающим усилием с контролируемой скоростью деформаций при постоянной величине нормального напряжения на фиксированной поверхности разрушения, измерение параметров автоколебаний разрушающего сдвигающего усилия с помощью резонатора - упругого элемента, определение параметров автоколебаний касательных напряжений по поверхности разрушения. Значения прочностных характеристик грунта - τ_c - зацепление страгивания, τ_f - трение скольжения и i_c- ускорение страгивания определяют с учетом τ_max и τ_min - параметров автоколебаний касательных напряжений по поверхности разрушения - максимальные и минимальные значения соответственно, Р - нормального напряжения по поверхности разрушения, g - ускорения свободного падения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к исследованию прочностных характеристик грунтов при научных и инженерных изысканиях в строительстве.

Известен способ определения прочностных характеристик грунта (угла внутреннего трения ϕ и удельного сцепления с), включающий нагружение образца сдвигающим усилием путем задания последовательного увеличения нагрузки на образец при постоянной величине нормального напряжения на фиксированной поверхности разрушения и измерение разрушающего сдвигающего напряжения. По данным испытаний при нескольких значениях нормального напряжения, действующего на фиксированную поверхность разрушения, строят график сдвига и графически или по формулам (ГОСТ 20522-75 Грунты) устанавливают значения ϕ - угла внутреннего трения и с - удельного сцепления (М.Н.Гольдштейн. Механические свойства грунтов. - М.: Стройиздат, 1979, 218-219, 233-233).

Недостаток этого способа испытаний состоит в том, что для большинства грунтов после достижения точки разрушения (предельно высокого разрушающего усилия) происходит уменьшение прочности грунта при возрастании сдвиговой деформации. Поэтому за точкой разрушения происходит неограниченное возрастание скорости деформации, скорость не контролируется, невозможно определить зависимость между касательными напряжениями и деформацией на поверхности разрушения и определить минимальный предел прочности - так называемую остаточную прочность.

Прототипом изобретения является способ определения прочностных характеристик грунта, включающий нагружение образца сдвигающим усилием с контролируемой скоростью деформаций при постоянной величине нормального напряжения на фиксированной поверхности разрушения, измерение сдвигающего усилия с помощью резонатора (маятниковой системы), определение максимальных и минимальных значений касательных напряжений по поверхности разрушения и определение максимальных и минимальных значений угла внутреннего трения и удельного сцепления по графикам сдвига или аналитическим способам (М.Н.Троицкая. Пособие к лабораторным работам по механике грунтов. Изд-во Московского Университета, 1961 г., с. 238-249).

Испытания производятся для нескольких образцов грунта при разных значениях нормального напряжения, действующего на фиксированную поверхность сдвига. По значениям максимальных касательных разрушающих напряжений определяют максимальные, так называемые пиковые, характеристики прочности грунта - угол внутреннего трения ϕ_f и удельное сцепление с_f. По значениям минимального касательного разрушающего усилия определяют минимальные, так называемые остаточные, характеристики прочности грунта - угол внутреннего трения ϕ_r и удельное сцепление с_r.

Недостаток способа прототипа состоит в том, что сдвигающее усилие измеряют с помощью маятниковой системы, которая обладает низкой чувствительностью к колебаниям величины сдвигающего усилия из-за большой инертности, трения в элементах системы и низкой частоты собственных колебаний. Способ не позволяет зафиксировать автоколебания величины сдвигающего усилия.

Изобретение направлено на создание возможности прогнозировать вибрационные, сейсмические и ударные воздействия на основания, земляные сооружения, сыпучие грузы и материалы при помощи расчетов путем определения дополнительных прочностных характеристик, необходимых для этих расчетов.

Решение задачи достигается тем, что в способе определения прочностных характеристик грунта, включающем нагружение образца сдвигающим усилием с контролируемой скоростью деформаций при постоянной величине нормального напряжения на фиксированной поверхности разрушения и измерение разрушающего сдвигающего усилия с помощью резонатора - упругого элемента, измеряют в процессе деформирования за точкой разрушения параметры автоколебаний сдвигающего усилия, определяют параметры автоколебаний касательных напряжений по поверхности разрушения, а значения прочностных характеристик грунта определяют по формулам где τ_c - зацепление страгивания; τ_f - трение скольжения; i_c - ускорение страгивания; τ_max и τ_min - параметры автоколебаний касательных напряжений по поверхности разрушения, максимальное и минимальное значения соответственно; P - нормальное напряжение по поверхности разрушения; g - ускорение свободного падения.

Кроме того, по значениям максимальных и минимальных касательных напряжений, полученных измерениями в процессе сдвига за точкой разрушения, определяют зависимости максимального и минимального значений касательного напряжения от сдвигового смещения, а затем определяют прочностные характеристики грунта на поверхности разрушения в зависимости от величины сдвигового смещения за точкой разрушения (остаточные параметры).

Основной отличительный признак изобретения состоит в том, что при деформировании образца за точкой разрушения измеряют параметры автоколебаний двигающего усилия. Система прибора прямого сдвига (среза) при кинематическом режиме нагружения (с контролируемой скоростью деформаций) является автоколебательной: она включает резонатор для измерения сдвигающей силы, элемент сухого трения - образец грунта и источник внешней энергии - нагружающее устройство (Е.И.Бутиков, А.А.Быков, А.С.Кондратьев. Физика. - М.: Наука, Главная редакция физ.-мат. литературы, 1982, с.348-360). При испытании образца возникают релаксационные колебания резонатора, связанные с постепенным накоплением упругой энергии, а затем - с быстрым "избавлением" от накопленной энергии.

В автоколебательной системе прибора прямого сдвига, с помощью которого осуществляется способ определения прочностных характеристик грунта, режим колебаний (частота и амплитуда) не задается, не регулируется испытателем, не определяется внешним периодическим воздействием, а является свойством самой системы "прибор-грунт-резонатор". Система сама управляет поступлением и расходом энергии от постоянного внешнего источника - нагружающего устройства прибора. Причина возникновения автоколебаний сдвигающего усилия заключается в системе "прибор-грунт-резонатор", в которой на поверхности разрушения в грунте трение скольжения периодически сменяется трением покоя.

Это явление не является новым и хорошо известно при изучении внешнего трения. Однако при исследованиях внутреннего трения в грунтах оно не использовалось.

Прочностные характеристики грунта - зацепление страгивания τ_c , ускорение страгивания i_c, трение скольжения τ_f относятся к характеристикам прочности второго класса - физическим характеристикам (А.У.Бишоп. Параметры прочности при сдвиге ненарушенных и перемятых образцов грунта. В книге "Определяющие законы механики грунтов". - М.: Мир, 1975, с. 10).

Зацепление страгивания τ_c и трение скольжения τ_f - это компоненты разрушающего касательного напряжения τ_разр= τ_c+τ_f. Причем разрушающее касательное напряжение при возрастании сдвиговой деформации изменяется. Соответственно изменяются и компоненты τ_c и τ_f.

На чертеже изображен график сдвига в координатах τ-δ , где τ - касательное напряжение, действующее на фиксированной поверхности среза (сдвига), δ - сдвиговое смещение. На участке оа происходит возрастание сдвигового смещения. В точке разрушения а сдвигающее напряжение достигает максимума τ_max , происходит разрушение и снижение сдвигающего напряжения в точке δ до значения τ_min. При сдвиге за точкой разрушения а возникают автоколебания касательного напряжения. Автоколебания изображены в виде циклического графика абвгдежзиклм...

По мере сдвига, отсчитываемого от точки а, параметры колебаний τ_max и τ_min изменяются по величине.

Пунктирными линиями на чертеже изображены зависимости максимального и минимального касательных напряжений от сдвигового смещения (τ_max= f(δ) и τ_min= f(δ)). Из графика на чертеже видно, что каждый цикл колебаний касательного напряжения состоит из двух участков: участка уменьшения касательного напряжения (аб, вг, де и т.д.) и участка возрастания (бв, гд, еж...) На участках увеличения касательных напряжений (бв, гд, еж, тд.) происходит мобилизация прочности грунта до значения τ_max , сопровождающаяся постепенным статическим накоплением упругой энергии в образце грунта и в резонаторе.

На участках уменьшения касательных напряжений (аб, вг, де, т.д.) происходит быстрая динамическая разгрузка от накопленной энергии. При этом на поверхности разрушения реализуется трение скольжения, а сопротивление разрушению снижается до значения τ_min. Параметры именно этих участков τ_max - максимальное и τ_min - минимальное значения являются исходными для определения прочностных характеристик грунта.

На чертеже графически изображены параметры прочности τ_c и τ_f , определенные для участка автоколебаний касательного разрушающего напряжения, обозначенного аб.

Штрихпунктирная линия с двумя точками показывает зависимость зрения скольжения τ_f сдвигового смещения δ-τ_f= f(δ). Способ реализуют на приборах прямого среза или кольцевого среза при фиксированном положении поверхности разрушения.

Вначале создают постоянное давление P, действующее по нормали к фиксированной поверхности среза. Оно должно быть постоянным и в процессе сдвига за точкой разрушения.

Затем производят сдвиг с постоянной скоростью сдвиговой деформации δ. В процессе испытания измеряют параметры автоколебаний сдвигающего усилия, затем определяют параметры автоколебаний касательных напряжений по поверхности разрушения, после чего определяют значения прочностных характеристик грунта по указанным ранее формулам.

Начальные характеристики прочности грунта определяют по параметрам первого автоколебания.

При исследовании прочности грунтов при так называемой "большой" сдвиговой деформации строят графики, как на чертеже. Для этого соединяют значения τ_max и τ_min пунктирными линиями, устанавливают зависимость максимального (и минимального) значения касательного напряжения от сдвигающего смещения δ.

Для заданного значения δ определяют соответствующие значения τ_max и τ_min и вычисляют прочностные характеристики грунта по формулам где P - нормальное напряжение, действующее на поверхность разрушения, g - ускорение свободного падения.

Таким образом, исследуется зависимость прочности грунта от величины сдвигового смещения δ за точкой разрушения.

Предлагаемый способ позволяет определить прочностные характеристики - зацепление страгивания τ_c , трение скольжения τ_f и ускорение страгивания i_c, необходимые для расчетов динамической прочности. Эти характеристики отличны от традиционных - угла внутреннего трения ϕ и удельного сцепления с.

Зацепления страгивания τ_c, трение скольжения τ_f и ускорение страгивания i_c определяются из анализа автоколебаний разрушающего усилия при динамическом разрушении грунта (А.Н.Драновский. Автоколебания при сдвиге грунтов в кинематическом режиме нагружения. Материалы 48-й Республиканской научной конференции (часть 2-я), Казань, КГАСА, 1997, с. 92-96).

Зацепление страгивания τ_c и трение скольжения τ_f - это физические компоненты разрушающего касательного напряжения τ_разр= τ_c+τ_f. Разрушающее касательное напряжение в процессе одного автоколебания изменяется по закону где ω - циклическая частота гармонических колебаний резонатора (упругого элемента), равная

K - коэффициент жесткости резонатора - упругого элемента;

m_о - масса сдвигаемой части образца вместе с обоймой и кареткой сдвигового прибора;
A - площадь фиксированной поверхности разрушения;
t - время в пределах от момента страгивания до половины периода гармонического колебания резонатора (упругого элемента).

Использование предлагаемого изобретения позволяет производить расчеты прочности и устойчивости оснований и земляных сооружений при сейсмических, вибрационных и ударных воздействиях.

Формула изобретения

1. Способ определения прочностных характеристик грунта, включающий нагружение образца сдвигающим усилием с контролируемой скоростью деформаций при постоянной величине нормального напряжения на фиксированной поверхности разрушения и измерение разрушающего сдвигающего усилия с помощью резонатора - упругого элемента, отличающийся тем, что в процессе деформирования за точкой разрушения измеряют параметры автоколебаний сдвигающего усилия, определяют параметры автоколебаний касательных напряжений по поверхности разрушения, а значения прочностных характеристик грунта определяют по формулам

где τ_c - зацепление страгивания;
τ_f - трение скольжения;
i_c - ускорение страгивания;
τ_max и τ_min - параметры автоколебаний касательных напряжений по поверхности разрушения - максимальное и минимальное значения соответственно;
P - нормальное напряжение по поверхности разрушения;
g - ускорение свободного падения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по значениям максимальных и минимальных касательных напряжений, полученных измерениями автоколебаний в процессе сдвига за точкой разрушения, определяют зависимости максимального и минимального значений касательных напряжений от сдвигового смещения, а затем определяют прочностные характеристики грунта на поверхности разрешения в зависимости от величины сдвигового смещения за точкой разрушения.

РИСУНКИ

Рисунок 1