Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ХРУСТАЛЕВА Е.Н. ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО ПРЕДЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СЖИМАЕМОЙ ШТАМПОМ МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЫ

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия», конкретно к способу определения несущей способности и устойчивости связной среды под нагрузкой от плоского жесткого штампа, соответствующей третьему фазовому напряженно-деформированному состоянию этой среды в нарушенном состоянии под действием предельного по прочности и устойчивости давления.

Известен способ определения среднего предельного давления («второй критической нагрузки») по условию обеспечения общей устойчивости массива грунтовой упругопластичной материальной среды под плоским жестким штампом по зависимости В.В. Соколовского и В.Г. Березанцева общего вида где N_γ, N_q, N_c - коэффициенты несущей способности, зависящие от угла ϕ° внутреннего трения, C - удельного сцепления, γ - объемного веса среды, q - величины боковой пригрузки, B=d - ширины (диаметр) штампа [1].

Зависимость для получена многими учеными для различных условий работы плоского штампа различной формы. Базой теоретических исследований явилось рассмотрение статического равновесия грунтовой среды в зонах сдвига и установление поверхностей скольжения первого и второго рода при формировании под штампом жесткого ядра уплотнения грунтовой среды по схеме Прандтля. Однако альтернативой схеме Прандтля ошибочно считается схема Хилла, и за предельное состояние грунтовой среды принимается момент достижения зон сдвигов под штампом его центра, когда ядро уплотнения под штампом не сформировано полностью.

Угол ϕ° и удельное сцепление в предлагаемых зависимостях приняты для структурированной среды, однако в предельном фазовом состоянии рассматриваемые параметры должны быть приняты уже для среды с нарушенной структурой.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения среднего предельного давления для сжимаемой плоским жестким штампом связной материальной среды, заключающийся в установлении ее физико-механических характеристик: угла ϕ° внутреннего трения, С-удельного сцепления, γ - объемного веса, в расчете средней величины прикладываемого через жесткий плоский штамп к материальной среде давления , соответствующего моменту предельного фазового перехода деформируемой штампом материальной среды с характерными процессами резкого роста осадок, снижения прочности и возможной потерей устойчивости, рассмотрении схемы Хилла работы грунтовой среды как линейно-деформируемого полупространства, отличающийся тем, что для грунтового основания несущую способность в предельном фазовом состоянии определяют по среднему предельному давлению , где - краевое предельное давление, - предельное давление под центром штампа, - краевое критическое давление [2].

В известном способе зависимости для определения предельного фазового давления ошибочно содержат физические параметры прочности деформируемой грунтовой материальной среды, находящейся в структурированном, а не в нарушенном в действительности по структуре предельном состоянии, в связи с чем они требуют значительного уточнения.

В известном способе определения предельного давления под штампом в дисперсных связных грунтах не учитывается часть предельного давления, распространенного за периметром штампа в лунке просадки среды, а именно закраевого давления.

Целью изобретения является повышение точности зависимостей определения предельного давления для грунтовой среды.

Технический результат по способу определения среднего предельного давления для сжимаемой штампом материальной среды, заключающемуся в определении физико-механических характеристик деформируемой штампом среды в структурированном состоянии: угла внутреннего трения, С_стр - удельного сцепления, γ_стр - объемного веса и в нарушенном состоянии - по зависимости , определении гравитационного (бытового) давления на глубине исследования h по зависимости для среды с нарушенной структурой, в расчете средней величины предельного давления , соответствующего моменту предельного фазового перехода деформируемой штампом материальной среды с характерными процессами резкого роста осадок, снижения прочности и возможной потерей устойчивости, рассмотрении схемы Хилла работы грунтовой среды как линейно-деформируемого полупространства, принятии средней величины атмосферного давления равной , достигается тем, что для грунтового массива в предельном фазовом нарушенном по структуре напряженно-деформированном состоянии с удельным сцеплением и объемным весом несущую способность определяют: под подошвой штампа по среднему предельному давлению , равному максимальному начальному (первому) критическому давлению , при краевом предельном давлении сжатия под подошвой штампа, равном закраевому предельному давлению растяжения за краями штампа, а именно , и при максимальном предельном давлении под центром подошвы штампа , a за краями штампа - по предельному давлению растяжения и средней величине предельного давления на растяжение сжатия за краями штампа , при этом средняя величина предельного давления под штампом и за его краями равна .

Предлагаемый способ поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 - график предельного состояния грунтовой среды в нарушенном предельном фазовом состоянии при деформировании плоским жестким штампом , на фиг. 2 представлен типовой график испытания массива связной материальной грунтовой среды на сжимаемость статическими нагрузками , на фиг. 3 - схема а) испытания массива среды с поверхности полупространства плоским жестким штампом при характерных эпюрах контактного давления под штампом и закраевых напряжениях вокруг штампа в лунке растяжения-сжатия грунта, совмещенная с графиком б) предельного состояния сжимаемой грунтовой среды в предельном фазовом состоянии по схеме Хилла.

Из геометрических соотношений графика предельного состояния материальной среды при испытании ее на сжимаемость жестким плоским штампом (фиг. 1) получаем , и находим величины , и .

В предлагаемом способе краевое предельное давление приравнивается к давлению потери структурной прочности среды при сжатии под краями штампа , соответствующему гравитационному (бытовому) давлению на глубине h массива материальной среды с удельным весом [3].

Для предельно нагруженной грунтовой среды (фиг. 1) находим параметры:

1) среднего предельного давления под подошвой штампа , где - максимальное начальное (первое) критическое давление сжатия;

2) краевого предельного давления сжатия под подошвой штампа , равного закраевому предельному давлению растяжения за краями штампа ;

3) максимального предельного давления под центром штампа

;

4) предельного давления растяжения за краями штампа

;

5) среднего предельного давления на растяжение-сжатие за краями штампа

;

6) среднего предельного давления под штампом и за его краями

;

Пример 1 реализации способа. По результатам испытания материальной грунтовой среды - суглинка на глубине h=150 см плоским жестким штампом методом статических нагрузок получают график (фиг. 2) с характерным перегибом при среднем предельном давлении , резком росте осадок, снижении устойчивости среды относительно одной из боковых сторон штампа.

По результатам лабораторных испытаний образцов суглинка, отобранных с глубины h, получают данные о физико-механических характеристиках грунта: угол внутреннего трения , удельное сцепление , объемный вес в структурированном состоянии.

Рассчитывают величину гравитационного (бытового) давления на глубине h=150 см нарушенного массива суглинка как при , , при средней величине атмосферного давления у поверхности Земли .

Составляющие предельного давления рассчитывают по зависимостям:

1) среднее предельное давление под подошвой штампа

2) краевое предельное давление сжатия под подошвой штампа и закраевое предельное давление растяжения за краями штампа

3) максимальное предельное давление под центром штампа

4) предельное давление растяжения за краями штампа

5) среднее предельное давление на растяжение-сжатие за краями штампа

6) среднее предельное давление под штампом и за его краями

Впервые получена определяющая зависимость предельного давления для связной грунтовой среды с учетом ее нарушенного состояния и влияния атмосферного давления.

Источники информации

1. Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для вузов. - 3-е изд. доп. - М.: Высш. школа, 1979. - С. 109-131.

2. Патент РФ №2270990. Способ определения несущей способности грунтового основания торфяной залежи. / Хрусталев Е.Н., Б.И. №6 от 27.02.2006.

3) Патент РФ №2537725. Способ определения физических параметров прочности нарушенной структуры материальной среды. / Хрусталев Е.Н., Б.И. №1 от 10.01.2015.