Способ хрусталева е.н. определения удельного и эквивалентного сцепления дисперсной связной среды
Изобретение относится к «Физике материального контактного взаимодействия», конкретно к способу определения удельного и эквивалентного сцепления в структурированном и нарушенном состоянии. Удельное сцепление среды в структурированном состоянии определяют по зависимости в нарушенном состоянии - а эквивалентное сцепление
где
- удельный вес среды с нарушенной структурой. Технический результат – точное определение прочностных характеристик среды в структурированном и нарушенном состоянии. 2 ил.
Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия», конкретно к способу определения удельного и эквивалентного сцепления дисперсной связной среды в структурированном и нарушенном состоянии.
Известен способ определения удельного сцепления Cстр структурированной грунтовой среды, заключающийся в том, что отбирают образцы грунта ненарушенной структуры с глубины h массива, определяют удельный вес 
грунта, образцы поочередно испытывают на сжимаемость под возрастающими ступенями i (не менее трех i≥3) нормального давления pi+1>pi, на каждой ступени сжимающего давления производят поперечный срез обжимаемого образца с замером соответствующей ступени тангенциальной нагрузки τi+1>τi, строят прямолинейный график зависимости Ш. Кулона |τi|=pitgϕ°+C до пересечения с осями координат opi и oτi, на оси oτ абсцисс определяют значение удельного сцепления Cстр структурированной среды, а по тангенсу наклона графика определяют угол внутреннего трения структурированной среды 
[1].
График Ш. Кулона прямолинейный на участке 
где 
- давление связности среды и pб - гравитационное (бытовое) давление. График Хрусталева Е.Н. прямолинейный на участке 
, где 
- первое (начальное) критическое давление, однако его ошибочно принимают в современной «Механике грунтов» за продолжение графика Ш. Кулона, а величину удельного сцепления с большой погрешностью принимают равным Cстр (МПа) с графика 
как среднеквадратичную величину (по ГОСТ 20522-75).
Известен способ определения эквивалентного сцепления CЭ (МПа) материальной дисперсной связной среды в мерзлом состоянии, заключающийся в нагружении массива среды усилием P жесткой сферы диаметром D с замером текущей осадки St до момента ее стабилизации во времени t, разгрузке сферы, определении ее контактной осадки S0 и по результатам испытаний величины эквивалентного CЭ (МПа) и длительного Cдл (МПа) сцепления среды, для определения последних строят график зависимости 
и касательную прямую линию к точкам графика, соответствующим усилиям P1, P2 и Pk, до пересечения с осью абсцисс; радиусами ρ, равными разнице значений pср и соответствующих им точек пересечения касательных с осью абсцисс, строят круги напряжений Мора максимального предельного состояния среды при растяжении и проводят к ним касательную прямую (max τпр)=p⋅tgθ+CЭ до пересечения с осью абсцисс и ординат, с помощью которой находят предельный угол θ° внутреннего трения и эквивалентное сцепление CЭ, по которым рассчитывают угол внутреннего трения 
и удельное сцепление 
[2].
Величину эквивалентного сцепления CЭ получают графоаналитическим методом с низкой точностью его определения. Предельный угол θ° внутреннего трения получен графоаналитическим методом и точно определяется только из выражения 
[3], где 
и 
- соответственно углы внутреннего трения среды в структурированном и нарушенном состоянии.
В известных способах величины Cстр, CЭ являются физическими, но не определены аналитическими выражениями и не позволяют в полной мере описывать свойства материальной среды.
Цель изобретения - точное определение прочностных характеристик материальной среды в структурированном и нарушенном состоянии.
Технический результат по способу определения удельного и эквивалентного сцепления дисперсной связной среды, заключающийся в лабораторном определении удельного веса структурированной среды 
на глубине h (см) ее массива, нагружении образцов или массива среды ненарушенной структуры на глубине h возрастающими ступенями i нормального сжимающего давления pi+1>pi (МПа) методом статических нагрузок до момента времени t (мин) стабилизации осадки Si (см) среды под соответствующими ступенями давления pi, в поступательном или вращательном срезе обжатой каждой ступенью давления pi среды в плоскости, перпендикулярной нормальному направлению приложения давления, с замером соответствующей величины максимального тангенциального напряжения среза τi+1>τi (МПа), строят график предельного состояния структурированной среды по зависимости Ш. Кулона 
в интервале давления 0≤pi≤pб.стр, где 
- гравитационное (бытовое) давление массива структурированной среды, и график предельного состояния среды с нарушенной структурой по зависимости Е.Н. Хрусталева 
при давлении pi>рб.стр, где 
- гравитационное давление массива среды в нарушенном состоянии, где Cстр и Cн (МПа) - удельное сцепление, 
и 
- угол внутреннего трения среды соответственно в структурированном и нарушенном состоянии, определенные по графикам предельного состояния 
и 
и уточняемые по зависимости 
достигается тем, что удельное сцепление структурированной дисперсной связной среды определяют по зависимости 
а удельное сцепление дисперсной связной среды в нарушенном состоянии - по зависимости 
или 
при этом величину эквивалентного сцепления рассчитывают по зависимости 
или 
где удельный вес среды в нарушенном по структуре состоянии 
pатм≈1,033 МПа.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами: на фиг. 1 и 2 представлены графики предельного состояния дисперсной связной материальной среды 
и 
где 
и Cстр (МПа), Cн (МПа) - угол внутреннего трения и удельное сцепление соответственной для структурированной и нарушенной материальной среды при эквивалентном сцеплении CЭ=pатм=1,033 (МПа).
Пример реализации способа. На глубине h=170 см грунтового массива, сложенного суглинком, проводят инженерно-геологические изыскания. Отбирают образцы грунта ненарушенной структуры. В лабораторных условиях по образцам среды устанавливают удельный вес структурированного суглинка 
в сдвиговых приборах производят одноплоскостной срез обжатых возрастающими ступенями i нормального давления pi+1>pi (МПа) образцов среды (i>3).
Первую ступень нормального давления при срезе образцов задают из расчета нормативного гравитационного (бытового) давления 
где 
[Cстр]=0,034 МПа - нормативные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления суглинка с показателем консистенции 
и коэффициентом пористости e=0,55 при удельном весе 
[4], когда [pб.стр]=(0,00273⋅170-0,34)ctg23°=0,2924 (кг/см2)≈0,029 МПа. Возрастающие ступени давления должны соответствовать ступеням давления при испытании грунтов на сжимаемость статическими нагрузками, т.е. для суглинка при срезе Δpi=0,05 МПа=0,5 кг/см2.
При срезе обжатых ступенями давления образцов суглинка фиксируют максимальную величину тангенциального напряжения среза τi (МПа) каждого образца при давлении pi (МПа) и строят криволинейный график (а, б, с) предельного состояния суглинка 
(фиг. 1), состоящий из дуги (1-4) и дуги окружности (5-8) радиусом Rкрп. График (а, б, с) аппроксилируют прямой (d, к, а, с) линией графика 
предельного состояния структурированного суглинка и прямой (е, f, а, б) линией графика 
предельного состояния суглинка в нарушенном состоянии (фиг. 1), составляющими с осью абсцисс соответственно приближенный угол 
и 
внутреннего трения суглинка в структурированном и нарушенном состоянии соответственно, а на оси ординат отсекающими соответствующие приближенные значения удельного сцепления {|Cстр|}=0,42 (кг/см2)=0,042 МПа и {|Cн|}=0,45 (кг/см2)=0,045 МПа.
Уточняем приближенную величину бытового давления как 
Строят графики предельного состояния суглинка в структурированном и нарушенном состоянии 
и 
(фиг. 2), по которым путем измерений устанавливают величину угла 
внутреннего трения структурированного суглинка и рассчитывают величину угла 
Величину удельного сцепления определяют по зависимости 
и
Величину эквивалентного сцепления определяют как 
или как 
где 
- удельный вес суглинка в нарушенном состоянии.
Впервые на базе физики материального контактного взаимодействия получены определяющие зависимости для определения точных значений удельного и эквивалентного сцепления дисперсной связной среды в структурированном и нарушенном состоянии.
Источники информации
1. ГОСТ 21719-80. Грунты. Методы полевых испытаний на срез в скважинах и в массиве. - М.: Гос. ком. СССР по делам строительства, 1980 - С. 3-17.
2. Патент РФ №2345360. Способ определения механических характеристик грунтового, торфяного и мерзлого основания. / Хрусталев Е.Н., Б.И. №3 от 27.01.2009.
3. Хрусталев Е.Н. Контактное взаимодействие в геомеханике. Часть I: Несущая способность оснований сооружений. - Тверь: ТГТУ, 2004. - С. 76 (рис. 2.13).
4. Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1977. - С. 70-71, С. 19.
Способ определения удельного и эквивалентного сцепления дисперсной связной среды, заключающийся в лабораторном определении удельного веса структурированной среды γстр (кг/см3) на глубине h (см) ее массива, нагружении образцов или массива среды ненарушенной структуры на глубине h возрастающими ступенями i нормального сжимающего давления pi+1>pi (МПа) методом статических нагрузок до момента времени t (мин) стабилизации осадки Si (см) среды под соответствующими ступенями давления pi, в поступательном или вращательном срезе обжатой каждой ступенью давления pi среды в плоскости, перпендикулярной нормальному направлению приложения давления, с замером соответствующей величины максимального тангенциального напряжения среза τi+1>τi (МПа), строят график предельного состояния структурированной среды по зависимости Ш. Кулона 
и 
и уточняемые по зависимости 
