Автореферат: Исследование динамической прочности песчаных грунтов методом автоколебаний

В настоящей работе, основанной на экспериментальных и теоретических исследованиях, грунт рассматривается как автоколебательная среда. То есть система, в которой под влиянием статических воздействий возникают колебания особого вида, так называемые релаксационные или разрывные автоколебания.

Автоколебания возникают вследствие того, что грунт накапливает потенциальную энергию формоизменения лишь до определенного предела, определяемого плотностью его сложения, а затем происходит разрушение строения грунта, мгновенная релаксация сопротивления сдвигу и пластическая деформация проскальзывания. После этого под влиянием внешней нагрузки грунт постепенно вновь накапливает энергию, а затем разгружается. Таким образом, грунт сам по себе даже под влиянием только собственного веса является не статической, а динамической системой.

Предполагается, что скачкообразные автоколебания прочности, фиксируемые в процессе сдвиговой деформации, связаны с дискретным изменением плотности сложения грунта на поверхности разрушения.

В качестве автоколебательных характеристик приняты механические свойства - пиковая статическая прочность ф_max, остаточная статическая прочность ф_st и предел релаксации сдвигающего напряжения ф_R, определяемые по автоколебательной диаграмме деформирования грунта.

На рис.2 приведен общий вид такой диаграммы, полученный при лабораторных испытаниях образцов песчаного грунта на срез в кинематическом режиме нагружения с постоянной скоростью деформирования. Испытания проводились на приборе круглоцилиндрического прямого среза, созданного в Казанском инженерно-строительном институте А.Н. Драновским и М.С. Воробъевым.

Главное отличие данного прибора от других приборов прямого среза состоит в том, что нижняя подвижная секция грунтоприемной камеры закреплена на подвесе, шарнирно опертом на силоизмеритель (рис.1). Верхняя секция закреплена неподвижно. Нижняя секция обладает возможностью маятникообразно перемещаться относительно верхней подвижной секции.

Закрепление нижней подвижной секции на подвесе позволяет свести к минимуму трение в элементах устройства, искажающее результаты измерения сдвигающего усилия, а опирание подвеса на динамометр позволяет измерять нормальное усилие непосредственно в плоскости среза.

Многочисленные испытания образцов песчаного грунта в сдвиговом приборе показали, что вертикальное давление в плоскости среза существенно отличается от давления на верхний торец образца, что объясняется наличием сил трения по боковой поверхности, которые существенно зависят от дилатансии грунта при сдвиге.

Для корректной обработки результатов была разработана методика нормализации, позволяющая учитывать изменения вертикального давления в процессе сдвига и существенно снизить разброс определяемых прочностных характеристик.

Нижний торец верхней секции и верхний торец нижней секции прибора очерчены по коаксиальным круглоцилиндрическим поверхностям, ось которых совпадает с горизонтальной осью шарнира, а образующие нормальны направлению сдвига. Благодаря этому срез грунта осуществляется по круглоцилиндрической поверхности, радиус которой принимается равным расстоянию от середины зазора между секциями до оси вращения подвеса.

Экспериментальные исследования проводились на образцах нарушенной природной структуры, изготовленных из песков аллювиальных (аQ_III) первой надпойменной террасы р. Казанки. Сначала из песка методом отмучивания удалялись глинистые частицы, после чего грунт высушивался до полностью сухого состояния. Необходимая начальная влажность образцов достигалась добавлением определенного количества воды

Все образцы имели цилиндрическую форму диаметром 7,14см и высотой 4см.

Рис. 1. Схема прибора прямого среза

1 - неподвижная секция камеры; 2 - подвижная секция камеры; 3 - подвес; 4 - шарнир; 5 - силоизмеритель

После помещения в грунтоприемную камеру испытываемый образец нагружался вертикальной нагрузкой, создаваемой с помощью рычажной системы. Вертикальное давление передавалось на верхний торец образца через перфорированный штамп.

Сдвигающее усилие прикладывалось через динамометр в кинематическом режиме с постоянной скоростью деформирования.

В процессе испытания замерялись горизонтальные и вертикальные деформации образца, а также величины усилий, возникающих в передающих нагрузку динамометрах.

Все измерения осуществлялись с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01мм.

Рис.2. Диаграмма автоколебательного сдвига

Как видно, в запредельном состоянии колебательный процесс состоит из двух характерных этапов: «остановки» и «скачка», т.е. процесса медленного нагружения при относительном макропокое верхней и нижней половин образца, и быстрого, скачкообразного их относительного перемещения.

Процесс деформирования протекает следующим образом. После начала нагружения динамометр деформируется до тех пор, пока передаваемое им усилие не преодолеет полную силу трения покоя (участок ОА рис.2). Точка А соответствует максимальному сдвигающему усилию ф_max. После достижения максимума начинается быстрый процесс скольжения (АБ). Движение происходит с переменной скоростью, изменяясь от ускоренного к замедляющемуся. На участке БВ статическое деформирование приводит к постепенному увеличению сдвигающего усилия до значения ф_st, затем начинается следующий цикл автоколебания сдвигающего усилия.

На участках увеличения сдвигающего усилия (БВ, ГД, ЕЖ…), который можно назвать статическим, происходит мобилизация прочности грунта до значения ф_st, сопровождающаяся постепенным статическим накоплением упругой энергии в образце грунта и динамометре. Исследования автора показали, что мобилизация статической остаточной прочности грунта происходит в доли секунды, т.е. практически мгновенно. Поверхность разрушения, как поверхность разрыва скоростей, отсутствует. Скорость сдвиговой деформации грунта постоянна, она меньше заданной х₀.

На участках уменьшения сдвигающего усилия (АБ, ВГ, ДЕ, ЖЗ…) происходит быстрая динамическая разгрузка от накопленной энергии. При этом на поверхности разрушения происходит проскальзывание и реализуется трение скольжения, а сдвигающее усилие снижается до значения ф_R, где ф_R-это предел релаксации сдвигающего напряжения. Динамический этап протекает быстро, практически мгновенно.

Особенность динамического этапа в том, что сдвигающее усилие, измеряемое динамометром, не равно кинетическому сопротивлению грунта сдвигу, так как из-за неравномерности процесса проскальзывания статическое условие равновесия сил не выполняется.

Таким образом, при кинематическом нагружении циклическое деформирование возникает вследствие самопроизвольного периодического изменения скорости сдвига в результате возникновения фрикционных автоколебаний.

По значениям ф_st и ф_R, определяемым непосредственно по автоколебательной диаграмме испытания, можно определить сопротивление трению скольжения ф_f (кинетическую прочность) и сопротивление страгивания ф_с, соответствующие состоянию i-й плотности сложения. За нулевую принята начальная плотность грунта.

, .

Величина ф_fi является отсчетным уровнем i-го автоколебания прочности грунта. Она характеризует напряженное состояние i-й плотности сложения в тот момент, когда ускорение проскальзывания равно нулю, т.е. в том момент, когда отсутствуют инерционные силы и показание динамометра точно фиксирует силу сопротивления трению скольжения.

Таким образом, при автоколебательном сдвиге контролируется уровень динамических воздействий на любом этапе сдвиговых деформаций.

2. Сопротивление песчаного грунта сдвигу можно представить в виде суммы кинетического сопротивления трению скольжения и сопротивления страгивания, а входящие в формулы для их определения такие параметры, как угол трения скольжения, угол зацепления и связность могут рассматриваться как истинные параметры динамической прочности грунта.

Сопротивление грунта сдвигу может быть представлено в виде суммы двух составляющих - кинетического сопротивления трению скольжения ф_f и сопротивления страгивания ф_c

.

Эксперименты показали, что эти параметры зависят от нормального напряжения и могут быть определены по формулам

;

,

где P - нормальное давление на поверхности сдвига; ц_f - угол трения скольжения; ц_с - угол зацепления; У_w - связность частиц грунта.

На рис.3 приведена графическая интерпретация вышесказанного. Прямая 1 есть классическое представление зависимости ф от у - закон Кулона, 2 - сопротивление сдвигу сухого грунта, 3 - кинетическое сопротивление трению скольжения грунта природной влажности. В любой момент времени при величине нормального напряжения у=Р полное сопротивление сдвигу ф реализуется благодаря двум составляющим - ф_f и ф_c, значения которых зависят как от величины Р, так и от грунтовых характеристик ц_с, ц_f, У_w. При этом классический угол внутреннего трения ц является лишь математическим параметром зависимости между касательными и нормальными напряжениями и при действии динамической нагрузки не имеет физического смысла, так как не учитывает кинетику процесса деформирования и разрушения и не позволяет оценить действие динамичности на изменения структуры грунта.

Рис.3. Зависимость сопротивления сдвигу ф от нормального напряжения у

В этом смысле предлагаемые параметры динамической прочности ц_с, ц_f, У_w четко характеризуют кинетику процесса разрушения грунта в запредельной стадии деформирования и, соответственно, его способность противостоять действию динамической нагрузки.

Условие потери динамической устойчивости можно представить виде

.

Т.е. падение сопротивления грунта сдвигу при действии динамической нагрузки может быть оценено с помощью ц_с, ц_f, У_w, которые могут считаться динамическими параметрами прочности, характеризующие истинные механические свойства грунтов.

Значительная часть работы посвящена лабораторным исследованиям образцов песчаного грунта. На рис.4,5 показаны полученные зависимости сдвигающего напряжения от деформации для образцов различной плотности, и гранулометрического состава, а на рис.6 - зависимость параметров деформирования от влажности грунта.

1

Рис.4. Зависимость ф(д) при испытаниях песков разной плотности при W=11%

Рис.5. Зависимости ф(д) для песков различного грансостава

1 1 - ф_max (?); 2 - ф_f (¦); 3 - ф_с (^)

Рис.6. Зависимость пиковой статической прочности ф_max, кинетической остаточной прочности ф_f и зацепления страгивания ф_с от влажности образца грунта W

В результате установлено, что начальная плотность образцов грунта оказывает влияние только на пиковую статическую прочность, а остаточная прочность определяется свойствами образовавшегося в зоне среза некоторого объема грунта установившейся плотности.

Гранулометрический состав песчаного грунта не оказывает влияния на кинетическую остаточную прочность, которая определяется шероховатостью поверхности частиц и нормальным давлением.

Сопротивление страгиванию (зацепление) возрастает с увеличением размера частиц, причем определяющим в этой зависимости является не максимальный размер частиц, а эффективный диаметр D₁₀. На основании проведенных экспериментов установлена линейная зависимость между зацеплением и эффективным диаметром. Влияния степени однородности грунта на его прочностные характеристики выявлено не было.

Влажность грунта не оказывает непосредственного влияния на прочностные характеристики. Различие пиковой статической прочности при испытаниях образцов разной влажности объясняется различием начальной плотности сухого грунта.

3. Циклическое деформирование возникает вследствие самопроизвольного периодического изменения скорости сдвига в результате возникновения фрикционных автоколебаний. Аналогичность протекания процессов при внутреннем и внешнем трении позволяет применять для их описания математический аппарат теории релаксационных автоколебаний при трении металлов.

Существующие лабораторные и полевые методы определения динамической прочности грунта не позволяют определить компоненты сопротивления сдвигу.

Предлагаемый метод основан на определении параметров грунта, напрямую характеризующих его способность противостоять внешнему динамическому воздействию, т.к. они получены в результате возбуждении в процессе разрушения динамических процессов.

Анализ существующей литературы показал, что термина «автоколебания» и соответственно какого-либо их описания и методик расчета в современной механике грунтов не существует. Между тем в работах различных авторов наблюдаются сведения, свидетельствующие о фиксации в процессе экспериментов зачастую случайных и неожидаемых резких изменений регистрируемых параметров.