Способ установления предельного состояния деформируемой материальной среды



Способ установления предельного состояния деформируемой материальной среды
Способ установления предельного состояния деформируемой материальной среды
Способ установления предельного состояния деформируемой материальной среды
Способ установления предельного состояния деформируемой материальной среды
Способ установления предельного состояния деформируемой материальной среды
Способ установления предельного состояния деформируемой материальной среды
Способ установления предельного состояния деформируемой материальной среды

 


Владельцы патента RU 2555504:

Хрусталев Евгений Николаевич (RU)

Изобретение относится к физике материального контактного взаимодействия, конкретно к способу установления предельного состояния деформируемой сжимающей и растягивающей нагрузкой материальной среды. Сущность: по данным сдвига нагруженной ступенями нормального давления pi материальной среды на глубине h тангенциальной нагрузкой τi строят график зависимости τi=ƒ(pi). График линеаризируют прямой до пересечения с осью τi и осью pi, на оси τi устанавливают величину удельного сцепления структурированной среды с=сстр, на оси pi устанавливают величину противодавления связности среды -ре= -сстр·ctgφстр и определяют угол φ=φстр внутреннего трения структурированной среды. Закон Ш. Кулона τстр=pi·tgφстрстр устанавливают в интервале нормального давления -(ре)≤pi≤(+рб), где рб=(γстр·h-сстр)ctgφстр - гравитационное (бытовое) давление для структурированной среды с удельным весом γстр, при давлении piб. Предельное состояние материальной среды рассматривают с нарушенной структурой и описывают зависимостью τнн·tgφнн, а предельное состояние материальной среды в общем виде описывают системой уравнений. Технический результат: возможность определения границ предельного состояния материальной связной среды с нарушенной структурной прочностью и установления закономерности предельного состояния связной среды за пределами ее структурной прочности и закона Ш. Кулона при давлениях pi свыше гравитационного (бытового) рб, т.е. piб. 3 ил.,1 табл.

 

Изобретение относится к физике материального контактного взаимодействия, конкретно к способу установления предельного состояния деформируемой сжимающей и растягивающей нагрузкой материальной среды.

Известен способ установления предельного состояния деформируемой структурно-устойчивой материальной среды по закону Ш. Кулона, заключающийся в том, что образцы материальной среды с ненарушенной структурой, отобранные из массива с глубины h, с удельный весом γ, выдерживают в условиях компрессии под гравитационным (бытовым) давлением pб=γh, выдержанные под давлением pб образцы нагружают в условиях компрессии возрастающими ступенями сжимающего давления pi, на каждой ступени давления pi при стабилизации осадки образца производят его поступательный сдвиг при максимальном тангенциальном напряжении τi, строят прямолинейный график зависимости Ш. Кулона τi=pi·tgφстр+cстр, по углу наклона которого рассчитывают угол φстр внутреннего трения и определяют удельное сцепление cстр среды на оси τi графика при нулевом сжимающем давлении p=0 [1].

Недостатком известного способа установления предельного состояния материальной среды по закону Ш. Кулона является ограниченная применимость графика τi=pi·tgφстр+cстр растяжений только несжимаемых (безпористых) структурно-устойчивых материальных сред.

Наиболее близким к предлагаемому является способ установления предельного состояния сжимаемой (пористой) грунтовой материальной среды под штампом лопастного сдвигомера-прессиометра Л.С. Амаряна методом поступательного среза в скважине, заключающийся в том, что бурят скважину и погружают через нее на глубину h грунтового массива распорные штампы рабочего наконечника, создают через штампы на грунт ступени горизонтального сжимающего давления pi, срезают обжатые ступенью давления рi стенки скважины поперечными грунтозацепами штампов при поступательном их извлечении с рабочим наконечником из скважины и замеряют соответствующие ступеням pi тангенциальные срезающие напряжения τi, отличающийся тем, что график испытаний τi=ƒ(pi) линеаризируют прямой, которая отсекает при давлении p=0 на оси τi величину удельного сцепления c-cстр, по углу наклона прямой графика испытаний определяют угол φ=φстр внутреннего трения грунта [2].

Недостатком известного способа установления предельного состояния грунтов методом поступательного среза является низкая точность определения параметров прочности грунта φ=φстр и c=cстр с ненарушенной структурой из-за криволинейности графика τi=ƒ(pi), представляющего зависимость для тангенциального срезающего напряжения τстр=p·tgφстр+cстр. Определяемые параметры прочности φстр и cстр в массиве не соответствуют результатам лабораторных испытаний грунтов на сдвиговых приборах, поэтому метод поступательного среза грунтов не получил широкого распространения в практике инженерных изысканий, в то время, как именно он является более достоверным по сравнению с данными лабораторных испытаний в условиях компрессии. Показатели прочности (φн и cн) нарушенной структуры грунта при давлениях сверх бытового p>pб в большей мере интересуют проектировщиков для расчета оснований под реальными сооружениями. Таким образом, графики тангенциальных срезающих напряжений τн=p·tgφн+cн и предельного состояния именно нарушенной структуры грунта под сооружениями, получаемые при его поступательном сдвиге в скважине, реально отражают работу рассматриваемых проектировщиками оснований сооружений.

В изобретении поставлена задача определения границ предельного состояния материальной связной среды с нарушенной структурной прочностью, характерной под активно воздействующей внешней нагрузкой, превосходящей структурную прочность среды, и установления закономерности предельного состояния связной среды за пределами ее структурной прочности и закона Ш. Кулона при давлениях pi свыше гравитационного (бытового) рб, т.е. piб.

Решение поставленной задачи позволяет достичь технический результат по способу установления предельного состояния деформируемой материальной среды, заключающемуся в том, что по данным сдвига нагруженной ступенями нормального давления pi материальной среды на глубине h соответствующей тангенциальной нагрузкой τi, строят график зависимости τi=ƒ(pi), график линеаризируют прямой до пересечения с осью τi и осью pi, на оси τi устанавливают величину удельного сцепления с=сстр структурированной среды, на оси pi устанавливают величину противодавления связности среды -ре= -сстр·ctgφстр и определяют угол φ=φстр внутреннего трения структурированной среды в соответствие с законом Ш. Кулона τi=pi·tgφстрстр, который достигается тем, что закон Ш. Кулона τстр=ptgφстрстр устанавливают в интервале нормального давления -(ре)≤pi≤(+рб), где рб=(γстр·h-сстр)ctgφстр - гравитационное (бытовое) давление для структурированной среды с удельным весом γстр, при давлении piб предельное состояние материальной среды рассматривают с нарушенной структурой и описывают зависимостью τнн·tgφнн, где рн - ступени давления нарушения структурной прочности среды (рн≥рб) с удельным весом γн, c н = с с т р [ 2 t g ϕ н t g ϕ с т р ] , ϕ н = arcsin [ 2 sin ϕ с т р / ( 1 + sin 2 ϕ с т р ) ] ϕ с т р , φн и сн - соответственно угол внутреннего трения и удельное сцепление нарушенной структуры материальной среды, а предельное состояние материальной среды в общем виде описывают системой уравнений:

где ϕ с т р . i к р п - varir и c с т р . i к р п - varir - угол внутреннего трения и удельное сцепление среды в предельно критическом фазовом состоянии при удельном весе γкрп≈γстр, p 0 к р п = p 2, с ж к р п sin ϕ с т р + с с т р cos ϕ с т р 1 sin ϕ с т р [ 1 sin ( ϕ с т р + 2 ϕ н ) ] + p 2, с ж к р п - предельно критическое давление сжатия вблизи краев штампа,

- предельно критическое разрушающее давление под упругим ядром уплотнения среды,

- разрушающее предельно критическое для среды давление под краями штампа,

- интервал давлений структурной прочности среды в упругом ядре уплотнения под штампом при удельном весе среды в ядре γя>>γстр.

Линеаризация графика Ш. Кулона τi=ƒ(pi) при давлениях pi>pб оправдана, так как прямая графика определяет на оси τi минимальное значение удельного сцепления cmin=cн, что устраивает проектировщиков в процессе введения коэффициентов запаса прочности оснований и конструкций сооружений.

Величина гравитационного давления для массива связной среды определена законом Ш. Кулона τ=p·tgφ°+c, откуда

где γстрстр·h - тангенциальное напряжение, γстр - удельный вес материальной среды в массиве естественного природного сложения [1].

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлены графики предельного состояния материальной среды в структурированном (Ш. Кулон) и нарушенном состоянии при растяжении-сжатии; на фиг. 2 - график (жирная линия) результатов испытаний суглинка на поступательный сдвиг в скважине лопастным прессиометром ЛПМ-12С проф. Л.С. Амаряна; фиг. 3 - график зависимости φн=ƒ(φстр).

Способ установления предельного состояния связной материальной среды реализуется следующим образом. На заданной глубине h массива среды определяют ее удельный вес γстр по образцам, отобранным в пробуренной скважине. Стандартным методом [3] исследования связной материальной среды - поступательного среза в скважине лопастным прессиометром-сдвигометром определяют величину тангенциального напряжения τстр при срезе стенок скважины, обжатых возрастающими ступенями нормального давления pстр (фиг. 2). За первую ступень давления принимают величину давления, близкую к бытовому давлению, но отличную от нуля. За последнюю ступень давления принимают давление, при дальнейшем увеличении которого происходит разрушение стенок скважины под проваливающимся штампом прессиометра-сдвигометра. По данным pстр и τстр строят график (фиг. 2) зависимости τi=ƒ(pi) - кривая б, е, c, f, к. Лианизируя участок графика «б е» до пересечения прямой с осями «о τ» и «о p» координат графика, определяют величину угла φн внутреннего трения и удельного сцепления cн среды с нарушенной структурой. По точкам на дуге «с к» строят окружность радиусом R (фиг. 2) с центром в точке А, отсекающей на оси «о р» значение разрушающего предельно критического давления под краями штампа и пересекающейся с прямой «б е» в точке «с» (фиг. 2), соответствующей предельно критическому давлению вблизи краев штампа (фиг. 1). Проводят касательную линию к дуге «с к» окружности радиусом R, проходящую через точку «б», соответствующую тангенциальному напряжению τ=γстр·h при бытовом давлении , равном предельно критическому разрушающему давлению за краями штампа у краев воронки сжатия-растяжения среды, отсекаемому на оси «о p» дугой окружности радиусом r (фиг. 1).

Через точку «б» проводят (фиг. 1, 2) прямую, касательную к окружности радиусом R в точке d и отсекающую на оси «о τ» величину удельного сцепления cстр структурированной среды, а на оси «о p» в точке «a» - величину давления связной среды , где угол наклона касательной прямой «a d» к оси «о p», равный углу внутреннего трения структурированной среды. Из геометрических соотношений графика τ=ƒ(p) предельного состояния среды (фиг. 1, 2) [4] получают значения величин: гравитационного давления ; давления в точке «с» пересечения прямой «б с» графика с дугой окружности радиусом R

где - разрушающее предельно критическое для среды давление под краями штампа, - интервал давления структурированной прочности среды в упругом ядре уплотнения под штампом при удельном весе среды в ядре γя>>γстр; зависимостей [4]

При давлениях p к р п < p i < p н к р п величина тангенциального напряжения сдвигов среды под ее уплотненным ядром под штампом меняется, при этом переменными становятся значения угла φ-varior внутреннего трения среды ϕ н ° ϕ ° ϕ с т р ° (фиг. 1, 2) и удельного сцепления с - varir ( с с т р с с с т р к р п ).

Пример реализации способа. Результаты 10 испытаний суглинков пос. Икша Московской области (1980 г. ) на сжатие и сдвиг в скважинах лопастным прессиометром-сдвигомером были обработаны в соответствии с тарировочными данными и построены графики предельного состояния материальной среды (фиг. 1). На фиг. 2 представлен результат обработки опытных данных, полученных сдвигомером-прессиометром, в виде обведенных точек 1 (б, e, f, к) типового криволинейного графика 2 зависимости τi=ƒ(pi). Опыты начинались при обжатии суглинка штампами в скважине бытовым давлением рб≈0,02 МПа с глубины 1 м. По данным параллельных испытаний отобранных из скважины образцов суглинка его физические характеристики имели значения: сстр=0,02МПа, φстр=23°, γ=0,019 кг/см3.

После построения графика (б, e, f, к) его аппроксимируют прямой «б с» и окружностью с центром в точке А и радиусом R (фиг. 2) получают дугу окружности «c, f, к, d», пересекающуюся с прямой графика в точке «с». Продолжение прямой графика «с, б» с осью τ при р=0 дает отсечку удельного сцепления с=сн=0,023 МПа, а угол ее наклона к оси pi - значение угла φ=φн=19,7° внутреннего трения суглинка нарушенной структуры в интервале упруго-пластического состояния среды p б < p < p 2, с ж к р п (фиг. 2). Из графика (фиг. 3, Таблица 1) зависимости φн=arcsin[2sinφстр/(l+sin2φстр)]-φстр находим величину φстр=23°, соответствующую лабораторным данным, и проверяем величину удельного сцепления сстрн/[2tgφн/tgφстр]=0,023/[2-tg19,7°/tg23°]=0,0199МПа.

Предложенный способ установления предельного состояния растяжения-сжатия связной материальной среды, характеризующийся физическими параметрами - углом внутреннего трения и удельным сцеплением, впервые устанавливает рамки применимости закона Ш. Кулона к чисто упругим материалам и расширяет возможности изучения предельного напряженно-деформированного состояния среды под нагрузкой в фазах упруго-пластических деформаций до полного ее разрушения. Впервые предельное состояние деформируемой среды определяется как под плоским, так и под сферическим штампом [5] (по окружности Мора радиусом (r+R), по удельному эквивалентному сцеплению - cэ, по углу θ внутреннего трения - фиг. 1 и фиг. 2).

Источники информации

1. Цитович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для ВУЗов. - 3-е изд., доп.- М.: Высшая школа, 1979. - С.43 - 50 (аналог), с. 48-49.

2. ГОСТ 21719-80. Грунты. Методы полевых испытаний на срез в скважинах и в массиве. - М.: Госстандарт СССР, 1980 г. - С. 16 - 17, 20 (прототип).

3. Рекомендации по испытанию грунтов методом лопастной прессиометрии / ПНИИИС.- М.: Стройиздат, 1985. - с. 28-29, 34-35.

4. Хрусталев Е.Н. Контактное взаимодействие в геомеханике. Часть I: Нсущая способность оснований сооружений. - Тверь: ТГТУ, 2004 - с. 75-77 (рис. 2.13).

5. Цитович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для ВУЗов. - 3-е изд., доп. - М.: Высшая школа, 1979. - С. 56-57.

Способ установления предельного состояния деформируемой материальной среды, заключающийся в том, что по данным сдвига нагруженной ступенями нормального давления pi материальной среды на глубине h соответствующей тангенциальной нагрузкой τi строят график зависимости τi=ƒ(pi), график линеаризируют прямой до пересечения с осью τi и осью pi, на оси τi устанавливают величину удельного сцепления структурированной среды с=сстр, на оси pi устанавливают величину противодавления связности среды -ре= -сстр·ctgφстр и определяют угол φ=φстр внутреннего трения структурированной среды в соответствии с законом Ш. Кулона τi=pi·tgφстрстр, отличающийся тем, что закон Ш. Кулона τстр=pi·tgφстрстр устанавливают в интервале нормального давления -(ре)≤pi≤(+рб), где рб=(γстр·h-сстр)ctgφстр - гравитационное (бытовое) давление для структурированной среды с удельным весом γстр, при давлении piб предельное состояние материальной среды рассматривают с нарушенной структурой и описывают зависимостью τнн·tgφнн, где рн - ступени давления нарушения структурной прочности среды (рн≥рб) с удельным весом γн, c н = с с т р [ 2 t g ϕ н t g ϕ с т р ] , ϕ н = arcsin [ 2 sin ϕ с т р / ( 1 + sin 2 ϕ с т р ) ] ϕ с т р , φн и сн - соответственно угол внутреннего трения и удельное сцепление нарушенной структуры материальной среды, а предельное состояние материальной среды в общем виде описывают системой уравнений:

где ϕ с т р . i к р п - varir и c с т р . i к р п - varir - угол внутреннего трения и удельное сцепление среды в предельно критическом фазовом состоянии при удельном весе γкрп≈γстр,
- предельно критическое давление сжатия вблизи краев штампа,
- предельно критическое разрушающее давление под упругим ядром уплотнения среды,
- разрушающее предельно критическое для среды давление под краями штампа,
- интервал давлений структурной прочности среды в упругом ядре уплотнения под штампом при удельном весе среды в ядре γя>>γстр.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к методам определения механических характеристик клеевых соединений при интенсивных тепловых воздействиях. Сущность: осуществляют индукционный нагрев образца клеевого соединения до заданной температуры со скоростью 5-50°C/с и определяют искомые характеристики.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытания образцов строительных материалов на совместное действие усилий растяжения, среза и изгиба, и позволяет испытывать образцы материалов при различных комбинациях нагружения их усилиями растяжения, среза и изгиба в совокупности с разрывной машиной.

Изобретение относится к испытательной технике, к устройствам для испытания материалов, в частности горных пород, при исследовании процесса энергообмена в образцах горных пород с целью прогноза и предотвращения опасных динамических явлений.

Изобретение относится к области физики материального (контактного) взаимодействия, а именно к способу определения угла φн внутреннего трения и удельного сцепления - сн материальной связной среды нарушенной структуры, воспринимающей давление свыше гравитационного.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения прочности растительных материалов (соломы, зерен злаков, отходов древесины и др.) в условиях сдвига с целью обоснованного расчета и конструирования измельчающего оборудования.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Установка содержит основание, установленный на нем барабан, резец для взаимодействия с образцом, закрепленный на барабане коаксиально последнему, держатель образца в виде обоймы, толкатель для взаимодействия с одним из торцов образца, упор для взаимодействия со вторым торцом образца и механизм перемещения толкателя, выполненный в виде пресса.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам и устройствам для испытания на сдвиг, и может быть использовано при изготовлении многослойных панелей в самолетостроении, судостроении, строительстве и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к испытанию материалов на сдвиг. .

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к гидротехническому, мелиоративному, дорожному и другим видам строительства, где необходимо оценить качество насыпей и искусственных оснований.

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия» и служит для определения гравитационного (бытового) давления в массиве материальной среды определенной плотности.

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения распределения реактивных нормальных напряжений грунтовых оснований по площади приложения нагрузки, необходимых для расчета внутренних усилий в теле фундаментов, и может быть использовано для определения деформационных характеристик грунтов.

Изобретение относится к области физики материального взаимодействия, конкретно к способу определения гравитационного (бытового) давления в массиве связной материальной среды.

Изобретение относится к области строительства и предназначено для использования при проведении инженерно-геологических изысканий с целью расчленения грунтовой толщи в процессе вращательного бурения и определения механических свойств грунтов в полевых условиях.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при испытаниях сваи, свайных фундаментов, зданий и др. сооружений.

Изобретение относится к области физики материального (контактного) взаимодействия, а именно к способу определения угла φн внутреннего трения и удельного сцепления - сн материальной связной среды нарушенной структуры, воспринимающей давление свыше гравитационного.

Изобретение относится к устройству для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода, расположенного в местах с возможными оползневыми явлениями.

Изобретение относится к устройству диагностики и прогноза состояния грунтовых технических систем на слабых грунтах и оползневых склонах. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности устройства при однократном воздействии вибродинамической нагрузки с сохранением высокой точности измерения.

Изобретение относится к устройствам для отбора почв с нарушенной структурой и может быть использовано при извлечении различного типа почвенно-грунтовых образцов в полевых условиях для комплексного анализа земли сельскохозяйственного назначения.

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия» жесткого плоского тела с пористой материальной средой и предназначено для определения ее параметров деформируемости и прочности. Сущность: материальную среду нагружают жестким плоским перфорированным штампом ступенчато возрастающей нагрузкой до момента потери несущей способности среды и устойчивости на ней штампа. Во времени контролируют параметры давления pi и деформации Si среды при нагружении и строят график испытания, по которому определяют параметры прочности и деформируемости среды. Каждую ступень деформации среды поддерживают постоянной во времени до ее условной стабилизации. Перед заданием последующих ступеней деформации среды упругий динамометрический элемент фиксируют стопорным винтом нагрузочного устройства. Устройство состоит из корпуса с рабочей камерой, неподвижно установленного на дне камеры нижнего жесткого плоского перфорированного штампа, рабочего кольца с образцом материальной среды, установленного в верхней части рабочего кольца на образце среды верхнего жесткого плоского подвижного перфорированного штампа и нагрузочного устройства. Нагрузочное устройство состоит из жесткой рамки с верхней и нижней перекладинами и двух направляющих стоек, толкателя и упругого динамометрического элемента. Технический результат: повышение производительности испытаний среды на сжимаемость и прочность. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх