Способ хрусталева е.н. определения механических параметров материальной среды в массиве



Способ хрусталева е.н. определения механических параметров материальной среды в массиве
Способ хрусталева е.н. определения механических параметров материальной среды в массиве
Способ хрусталева е.н. определения механических параметров материальной среды в массиве

 


Владельцы патента RU 2592038:

Хрусталёв Евгений Николаевич (RU)

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия» весомой среды в ее массиве и на краях откосов в естественном и нарушенном состоянии. На глубине h весомого материального массива определяют на отобранных образцах среды в лабораторных условиях параметры угла φстр внутреннего трения, сстр - удельного сцепления и γстр - удельного веса среды. Рассчитывают по зависимостям , , γ н = p б t g φ н + c н h - соответственно параметры для внутреннего трения, удельного сцепления и удельного веса среды на глубине испытания в нарушенном по структуре состоянии, где рб=(γcтph-сстр)ctgφстр - бытовое давление на глубине h. Определяют величину тангенциального бытового давления на глубине h как рх=pycтph или рхунh. Определяют параметры коэффициента общего бокового давления среды в состоянии покоя ζ 0 c т p = t g φ c т p , при нарушении естественного сложения массива ζ 0 н = t g φ н , в стенках открытого котлована и в стенках открытого котлована с нарушенной структурой . Коэффициенты общей относительной поперечной деформации среды в массиве соответственно определяют по зависимости , , а в боковых стенках открытого котлована, , , где ратм=1,033 кГ/см2 - нормальное атмосферное давление на материальную среду, γ н = p б t g φ н + c н h - удельный вес среды с нарушенной структурой. Технический результат - повышение степени достоверности и точности определения физических параметров грунтов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия», конкретно к способу определения механических параметров связной материальной среды - коэффициента ее общего бокового давления ζ0 и ее общей относительной поперечной деформации ν0 (аналогично коэффициенту Пуассона для упругой среды).

Известен способ определения коэффициента общего бокового давления ζ0 материального массива, заключающийся в том, что на заданной глубине h массива определяют в заданной точке величину вертикального гравитационного (бытового) давления рб=pz от собственного веса вышележащих слоев среды и величину бокового горизонтального давления рху, например, с помощью задавливаемых плоских датчиков давления - мессдоз, коэффициент общего бокового давления среды определяют через выражение ζ0=px/pz=py/pz и набирают статистические данные о значении коэффициента ζ0 для различных видов материальной среды, а коэффициент общей относительной поперечной деформации материальной среды определяют по зависимости ν0xzуz0/(1+ζ0), где εxy и εz - относительные деформации среды в точке массива в горизонтальном и вертикальном направлении [1, 2].

Испытание материальной среды в массиве с помощью задавливаемых датчиков давления - мессдоз в вертикальном и горизонтальном направлении - трудоемкая операция, не позволяющая получать достоверные данные о давлениях в точке материального массива в вертикальном и горизонтальном направлении в связи с нарушениями естественного природного состояния массива при задавливании датчиков давления и при бурении, при необходимости, опробируемой скважины.

Статистические принимаемые для расчета данные о коэффициенте ζ0 и ν0 являются весьма отдаленными от действительных и имеют широкий разброс для одной разновидности среды.

Известен способ определения механических параметров материальной среды в массиве на заданной глубине h, заключающийся в том, что по результатам предварительных исследований на глубине h массива среды ненарушенной структуры получают параметр угла φстр ее внутреннего трения и удельное сцепление сстр, отличающийся тем, что значение коэффициента общего бокового давления определяют по зависимости Й. Яки ζ 0 = 1 sin φ c т p 1 + sin φ c т p ( 1 + 2 3 sin φ c т p ) для песчаных грунтовых сред с удельным сцеплением сстр≈0 и по зависимости Г.А. Спальвинга для связных глинистых грунтовых сред - ζ0=[1+2(tgφстрстрб)]-1, где рб - гравитационное (бытовое) давление, при этом коэффициент общего бокового давления среды определяют как отношение горизонтального к вертикальному давлению ζ0=px/pz=py/pz на заданной глубине h материального массива, а значение коэффициента общей относительной поперечной деформации материальной среды определяют по зависимости ν0xzyz0/(1+ζ0), где εxy и εz - относительные деформации среды в точке массива в горизонтальном и вертикальном направлении [3].

Недостатком известного способа определения коэффициента ζ0 является ограниченность применения зависимостей Й. Яки и Г.Л. Спальвинга соответственно только для чистых песков и глинистых грунтовых сред. Эти зависимости не учитывают истинного значения гравитационного (бытового) давления в массиве материальной среды, которое следует предварительно получить на основании дополнительных тщательных опытов.

Из положений «Физики материального контактного взаимодействия» известно, что любая материальная среда характеризуется через физические параметры ее угла «φ» внутреннего трения и удельного сцепления «с» как в структурированном, так и в нарушенном состоянии, тогда технический результат по способу определения механических параметров материальной среды в массиве, заключающемуся в том, что предварительно определяют на заданной глубине h массива физические параметры прочности среды ненарушенной структуры - угол φстр внутреннего трения и удельное сцепление - сстр, коэффициент общего бокового давления среды определяют по зависимости ζ0=px/pz=py/pz, где рх=py - боковое горизонтальное давление, а pz - вертикальное давление на глубине h, коэффициент относительной поперечной деформации среды определяют по зависимости ν0xzуz0/(1+ζ0), где εxy и εz - относительная деформация среды в точке массива в горизонтальном и вертикальном направлении, достигается тем, что на заданной глубине h материального массива определяют удельный вес γстр структурированной среды и рассчитывают величину ее бокового горизонтального гравитационного давления как рхуcтph, коэффициент общего бокового давления структурированной среды определяют по зависимости ζ 0 c т p = t g φ c т p при pzб+ccтpctφстр, где гравитационное бытовое давление рб=(γcтph-сстр)ctgφстр, а для массива материальной среды с нарушенной структурой от динамического или статического воздействия определяют удельный вес среды нарушенной структуры γ н = p б t g φ н + c н h , боковое давление рх=pyнh, коэффициент общего бокового давления определяют по зависимости ζ 0 н = t g φ н , где φн=arcsin[2sinφстр/(1+sin2φстр)]-φстр, снстр[2-tgφн/tgφстр] - соответственно угол внутреннего трения и удельное сцепление среды с нарушенной структурой при вертикальном давлении pzбнctgφн; при этом замеряют атмосферное давление ратм или его принимают нормальным по величине ратм=1,033 кГ/см2 и в стенках открытой вертикальной выработки в массиве структурированной среды коэффициент общего бокового давления определяют по зависимости , а в стенках открытой вертикальной выработки в массиве среды с нарушенной структурой коэффициент общего бокового давления определяют по зависимости , при этом определяют удельный вес структурированной среды γстр, а коэффициент общей относительной поперечной деформации структурированной среды в массиве рассчитывают по зависимости , коэффициент общей относительной поперечной деформации материальной среды с нарушенной структурой рассчитывают по зависимости , на открытой боковой поверхности выработки в массиве структурированной среды определяют ее удельный вес γстр и рассчитывают коэффициент ее общей относительной поперечной деформации по зависимости , а в стенках открытой вертикальной выработки в массиве с нарушенной структурой определяют коэффициент общей относительной поперечной деформации по зависимости .

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 - график р=ƒ(τ) предельного состояния связной упругопластичной материальной среды, на фиг. 2 - график р=ƒ(τ) предельного состояния связной упругоэластичной среды с выраженной анизотропией сжимаемости.

Рассматривая график р=ƒ(τ) предельного состояния Ш. Кулона связной упругопластичной материальной среды (фиг. 1) в природном (естественном) напряженно-деформированном состоянии, определяем вертикальное гравитационное (бытовое) давление в точке на глубине h массива среды как рб=(γcтph-сстр)ctgφстр и давление связности среды рв= -ccтpctgφстр, противодействующее растяжению среды за краями точки.

Таким образом, природное вертикальное давление в точке на глубине h будет равно pzбвcтph·ctgφстр. Тангенциальное природное давление в точке на глубине h равно τбхуcтph, тогда коэффициент общего бокового давления упругопластичной среды определяется как .

Исходя из зависимости ν00/(1+ζ0) находим, что коэффициент общей относительной поперечной деформации материальной среды в массиве равен ν=tgφстр/(1+tgφстр).

Рассматривая график (фиг. 2) р=ƒ(τ) предельного состояния связной упругоэластичной материальной среды, например, неосушенной торфяной залежи с высокой степенью анизотропии АЕвг=0,4 сжимаемости в вертикальном и горизонтальном направлении, определяем вертикальное природное гравитационное (бытовое) давление на глубине h как рб=R=ccтpcosφстр/(1-sinφстр) при соответствующем тангенциальном напряжении в точке на этой же глубине τ=px=py=pбtgφстрстр.

Давление связности среды рв= -ccтpctgφстр, тогда природное вертикальное давление в точке на глубине h будет равно pzб=ccтpcosφстр/(1-sinφстр)+ccтpctgφстр=ccтpctgφстр/(1-sinφстр). Коэффициент общего бокового давления упругоэластичной среды определяется как

а коэффициент ν00/(1+ζ0)=tgφстр/(1+tgφстр).

Пример 1 реализации способа. 1) В процессе бурения скважины в грунтовом материальном массиве, состоящем из суглинка, были отобраны образцы грунта с глубины h1=90 см и h2=280 см, лабораторный анализ которых позволил установить угол их внутреннего трения φстр1стр2=23° и удельное сцепление сстр1стр2=0,2 кГ/см2 при удельном весе γстр1стр2=0,002 кГ/см3. Величина гравитационного (бытового) давления на глубинах 90 см и 280 см имеет значение рб1=(γcтph1стр)ctgφстр=(0,002·90-0,2)ctg23°=-0,0471 кГ/см2, рб2=(γcтph2стр)ctgφстр=(0,002·280-0,2)ctg23°=-0,8481 кГ/см2. Коэффициент общего бытового давления рассчитываем по зависимости , а коэффициент общей относительной поперечной деформации суглинка определяем по зависимости . Статистические справочные данные имеют значения ζ0=0,11…0,82, ν0=0,30…0,40 для текучепластичных суглинков [1]. На глубине h3стрстр=0,20/0,002=100 см при бытовом давлении рб=(γcтph3стр)ctgφстр=(0,002·100-0.2)ctg23°=0, значение ζ03=tg23°=0,4245, ν03=tg23°/(1+tg23°)≈0,3.

Произведем проверку полученных результатов. При ζ 01 c т p = ζ 02 c т p = 0,4245 теоретическое значение ν0101/(1+ζ01)=0,4245/(1+0,4245)=0,3, что соответствует результатам расчетов.

2) При землетрясении естественная структура суглинка на глубине h1=90 см нарушается до значения показателей: φн=arsin[2sinφстр/(1+sin2φстр)]-φстр=arcsin[2sin23°/(1+sin223°)]-23°=42,6843°-23°=19,6843° и снстр[2-tgφн/tgφстр]=0,2[2-tg19,6843°/tg23°]=0,2314 кГ/см2, γ н = p б t g φ н + с н h = 0,0471 t g 19,6843 ° + 0,2314 90 = 0,00238  кГ/см 3 . Коэффициент общего бокового давления становится равным ζ 01 н = t g φ н = t g 19,6843 ° = 0,3577 , а коэффициент общей относительной поперечной деформации среды ν 01 н = t g φ н / ( 1 + t g φ н ) = t g 19,6843 ° / ( 1 + t g 19,6843 ° ) = 0,2561 .

Пример 2 реализации способа. 1) Почти вертикальные стенки береговых обрывов Днепровско-Бугского лимана вблизи города Очаков Николаевской области высотой h0>10 м составляют полутвердые глины и суглинки, которые на берегу по краям обрывов покрыты травяной растительностью. На береговой грунтовой поверхности обрывов наблюдаются скрытые и открытые трещины глубиной более 50 см и шириной до 1 см, а сам грунт перед обрывом имеет складчатую поверхность и волнистую линию уступов с перепадом высот >30 см на расстоянии l=10…15 м от края обрыва, при этом на боковой поверхности обрыва береговой линии закрытые трещины наблюдаются на глубину h≈0,5…0,7 м от горизонтальной поверхности и отпоры грунта стенок на глубине h01=8 м.

При удельном весе грунтовой среды γстр=0,0027 кГ/см3 глубина обрыва, с которой наблюдается ее растяжение до горизонтальной поверхности, составляет величину hpстрстр=0,2403/0,0027=89 см при удельном сцеплении среды сстр=0,2403 кГ/см2.

Угол внутреннего трения грунтовой среды береговых откосов ориентировочно составляет величину φcp=arctg(h01/l)=arctg(8…10/15)=28°…33,7°≈31°, тогда коэффициент общей относительной деформации будет равен ν0.89=tg31°/(1+tg31°)=0,3754 - на глубинах hp=89 см и h=10 м, а коэффициент общего бокового давления соответственно будет равен ζ0,8910=tg31°=0,6007 - соответственно при p б 0,89 = 0 , p x 0,89 = p y 0,89 = γ c т p h = 0,0027 89 = 0,2403  кГ/см 2 и p б 10 = ( γ c т p h c c т p ) c t g φ c т p = ( 0,0027 1000 0,2403 ) c t g 31 ° = 4,0936  кГ/см 2 , p x 10 = p y 10 = γ c т p h = 0,0027 1000 = 2,7  кГ/см 2 . При нормальном атмосферном давлении ратм=1,033 кГ/см2 на боковой поверхности стенок берегового обрыва коэффициент общего бокового давления будет равен ζ 0,89 а т м = γ c т p h t g φ c т p / ( γ c т p h + p а т м t g φ c т p c c т p ) = = 0,0027 89 t g 31 ° / ( 0,0027 89 + 1,033 t g 31 ° 0,2403 ) = 0,2326, ζ 10 c т p = 0,0027 1000 t g 31 ° / ( 0,0027 1000 + 1,033 t g 31 ° 0,2403 ) = 0,5266

при ν0,890/(1+ζ0)=0,2326/(1+0,2326)=0,1887 и ν10=0,5266/1,5266=0,3449.

2) В случае землетрясения естественная структура грунта обрыва береговой линии будет нарушена до значений ее показателей на глубине h=89 см: φн=arcsin[2sinφстр/(1+sin2φстр)]-φстр=arcsin[2sin31°/(1+sin231°)]-31°=54,5004°-31°=23,5004°, снстр[2-tgφн/tgφстр]=0,2403[2-tg23,5004°/tg31°]=0,3067 кГ/см2, γ н = p б t g φ н + с н h = 0,1037 t g 23,5004 ° + 0,3067 89 = 0,003  кг/см 3 , где гравитационное (бытовое) давление рб=(γcтph-сстр)ctgφстр=(0,002·89-0,2403)ctg31°=-0,1037 кГ/см2. Коэффициент общего бокового давления становится равным ζ 01 а т м н = γ н h t g φ н / ( γ н h + p а т м t g φ н с н ) = = 0,003 89 t g 23 ° ,5004 / ( 0,003 89 + 1,033 t g 23 ° ,5004 0,3067 ) = 0,2836, а коэффициент общей относительной поперечной деформации ν 01 а т м н = γ н h t g φ н / [ γ н h ( 1 + t g φ н ) + p а т м t g φ н с н ] = = 0,003 89 t g 23 ° ,5004 / [ 0,003 89 ( 1 + t g 23 ° ,5004 ) + 1,033 t g 23 ° ,5004 0,3067 ] = 0,2209.

Пример 3 реализации способа. Неосушенная торфяная залежь мощностью 3 м как эластичная материальная среда на глубине h=200 см имеет показатели: φстр=36°, сстр=0,22 кГ/см2 и γстр=0,0022 кГ/см2. Гравитационное давление на глубине h=2 м составляет величину рб=(γcтph-сстр)ctgφстр=(0,0022·200-0,22)ctg36°=0,3028 кГ/см2 при горизонтальном бытовом давлении pxуcтph=0,0022·200=0,44 кГ/см2 и давлении связности торфа рв=-ccтpctgφстр=-0,22·ctg36°=-0,3028 кГ/см2. Тогда коэффициент общего бокового давления на глубине h будет равен ζ 0 = p x = p y p б p в = 0,44 0,3028 + 0,3028 = 0,7265 . По предлагаемой зависимости ζ 10 c т p = t g φ c т p = t g 36 ° = 0,7265 , что соответствует расчетным показателям.

Коэффициент общей относительной поперечной деформации торфа на глубине h составляет величину ν=ζ0/(1+ζ0)=0,7265/1,7265=0,4208.

Предлагаемое изобретение впервые через физические параметры удельного сцепления и угла внутреннего трения позволяет получать расчетные параметры ζ0 и ν0 с высокой степенью достоверности, определяемой точностью установления прочностных параметров исследуемой среды - φстр, сстр и φн, сн, а также определять параметр удельного веса среды нарушенной структуры γн.

Источники информации

1. Цитович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для вузов. - 3-е изд., доп. - М.: Высшая школа, 1979. - С. 34-37, 168.

2. Голли А.В. Методика измерения напряжений и деформаций в грунтах: Учебное пособие. - Л.: ЛИСИ, 1984. - С. 50-53.

3. Глотов Н.М., Леонтьев А.И. и др. Основания и фундаменты транспортных сооружений: Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1995. - С. 160-161.

1. Способ определения механических параметров материальной среды, заключающийся в том, что определяют на заданной глубине h массива физические параметры прочности среды ненарушенной структуры - угол φстр внутреннего трения и удельное сцепление - сстр, коэффициент общего бокового давления среды определяют по зависимости ζ0=px/pz=py/pz, где pz - вертикальное давление на глубине h, коэффициент относительной поперечной деформации среды определяют по зависимости ν0xzyz0/(1+ζ0), где εxy и εz - относительная деформация среды в точке массива в горизонтальном и вертикальном направлении, отличающийся тем, что на заданной глубине h материального массива определяют удельный вес γстр структурированной среды и рассчитывают величину ее бокового горизонтального гравитационного давления как px=pyстрh, коэффициент общего бокового давления структурированной среды определяют по зависимости при pzб+cстрctgφстр, где гравитационное бытовое давление рб=(γстрh-сстр)ctgφстр, а для массива материальной среды с нарушенной структурой от динамического или статического воздействия определяют удельный вес среды нарушенной структуры , боковое давление - px=pyнh, а коэффициент общего бокового давления определяют по зависимости , где φн=arcsin[2sinφстр/(1+sin2φстр)]-φстр, снстр[2-tgφн/tgφстр] - соответственно угол внутреннего трения и удельное сцепление среды с нарушенной структурой при вертикальном давлении pzб+cнctgφн, при этом замеряют атмосферное давление ратм или его принимают нормальным по величине ратм=1,033 кГ/см2 и в стенках открытой вертикальной выработки в массиве структурированной среды коэффициент общего бокового давления определяют по зависимости , а в стенках открытой вертикальной выработки в массиве среды с нарушенной структурой коэффициент общего бокового давления определяют по зависимости .

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют удельный вес структурированной среды γстр, а коэффициент общей относительной поперечной деформации структурированной среды в массиве рассчитывают по зависимости , коэффициент общей относительной поперечной деформации материальной среды с нарушенной структурой рассчитывают по зависимости , на открытой боковой поверхности выработки в массиве структурированной среды определяют ее удельный вес γстр и рассчитывают коэффициент ее общей относительной поперечной деформации по зависимости , а в стенках открытой вертикальной выработки в массиве с нарушенной структурой определяют коэффициент общей относительной поперечной деформации по зависимости .



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для проведения экспериментальных исследований свойств материалов в условиях высокоскоростного нагружения.

Изобретение относится к средствам испытания устройств на ударные нагрузки и может быть использовано для проведения испытаний защитных устройств, в том числе бамперов, транспортного средства.

Изобретение относится к дендрометрии и может быть использовано в экологическом и технологическом мониторинге территории индикацией и тестированием свойствами коры растущих деревьев.

Изобретение относится к методам и средствам контроля, применяемым для исследования поведения и свойств образцов изделий и материалов в процессе ударных испытаний их структурных характеристик и прочностных параметров.

Изобретение относится к технологии контрольно-испытательных процессов и может быть использовано в цеховых условиях при испытаниях бытовых электродвигателей , стабилизаторов, трансформаторов и др.
Наверх