Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ХРУСТАЛЕВА Е.Н. ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО И ЭКВИВАЛЕНТНОГО СЦЕПЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОЙ СВЯЗНОЙ СРЕДЫ

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 C_стр 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 p_i+1>p_i, на каждой ступени сжимающего давления производят поперечный срез обжимаемого образца с замером соответствующей ступени тангенциальной нагрузки τ_i+1>τ_i, строят прямолинейный график зависимости Ш. Кулона |τ_i|=p_itgϕ^°+C до пересечения с осями координат op_i и oτ_i, на оси oτ абсцисс определяют значение удельного сцепления C_стр 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 p_б - 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 C_стр (МПа) с графика как среднеквадратичную величину (по ГОСТ 20522-75).

Известен способ определения эквивалентного сцепления C_Э (МПа) материальной дисперсной связной среды в мерзлом состоянии, заключающийся в нагружении массива среды усилием P жесткой сферы диаметром D с замером текущей осадки S_t до момента ее стабилизации во времени t, разгрузке сферы, определении ее контактной осадки S₀ и по результатам испытаний величины эквивалентного C_Э (МПа) и длительного C_дл (МПа) сцепления среды, для определения последних строят график зависимости и касательную прямую линию к точкам графика, соответствующим усилиям P₁, P₂ и P_k, до пересечения с осью абсцисс; радиусами ρ, равными разнице значений p_ср 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 τ_пр)=p⋅tgθ+C_Э до пересечения с осью абсцисс и ординат, с помощью которой находят предельный угол θ° внутреннего трения и эквивалентное сцепление C_Э, по которым рассчитывают угол внутреннего трения и удельное сцепление [2].

Величину эквивалентного сцепления C_Э 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 C_стр, C_Э 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 p_i+1>p_i (МПа) методом статических нагрузок до момента времени t (мин) стабилизации осадки S_i (см) среды под соответствующими ступенями давления p_i, в поступательном или вращательном срезе обжатой каждой ступенью давления p_i среды в плоскости, перпендикулярной нормальному направлению приложения давления, с замером соответствующей величины максимального тангенциального напряжения среза τ_i+1>τ_i (МПа), строят график предельного состояния структурированной среды по зависимости Ш. Кулона в интервале давления 0≤p_i≤p_б.стр, где - гравитационное (бытовое) давление массива структурированной среды, и график предельного состояния среды с нарушенной структурой по зависимости Е.Н. Хрусталева при давлении p_i>р_б.стр, где - гравитационное давление массива среды в нарушенном состоянии, где C_стр и C_н (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 p_атм≈1,033 МПа.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами: на фиг. 1 и 2 представлены графики предельного состояния дисперсной связной материальной среды и где и C_стр (МПа), C_н (МПа) - угол внутреннего трения и удельное сцепление соответственной для структурированной и нарушенной материальной среды при эквивалентном сцеплении C_Э=p_атм=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 p_i+1>p_i (МПа) образцов среды (i>3).

Первую ступень нормального давления при срезе образцов задают из расчета нормативного гравитационного (бытового) давления где [C_стр]=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 [p_б.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 Δp_i=0,05 МПа=0,5 кг/см².

При срезе обжатых ступенями давления образцов суглинка фиксируют максимальную величину тангенциального напряжения среза τ_i (МПа) каждого образца при давлении p_i (МПа) и строят криволинейный график (а, б, с) предельного состояния суглинка (фиг. 1), состоящий из дуги (1-4) и дуги окружности (5-8) радиусом R_крп. 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 {|C_стр|}=0,42 (кг/см²)=0,042 МПа и {|C_н|}=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.