СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЧНОСТИ НАРУШЕННОЙ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЫ

Изобретение относится к физике материального контактного взаимодействия, конкретно к способу определения угла внутреннего трения и удельного сцепления нарушенной структуры материальной среды.

Известен способ определения механических параметров - угла φ=φ_стр внутреннего трения и удельного сцепления с=с_стр грунтовой материальной среды с ненарушенной структурой, заключающийся в том, что отбирают образцы грунта с ненарушенной структурой, выдерживают их под гравитационной бытовой нагрузкой р_б=γh, где γ - удельный вес грунта, h - глубина отбора образца из массива грунта, поочередно образцы грунта заряжают в кольцевую обойму сдвигового прибора, производят обжатие каждого из них возрастающей ступенью нагрузки p_i и плоскостной срез обжатого образца грунта с замером сопротивления сдвига τ, отличающийся тем, что строят график зависимости Кулона-Мора τ_i=p_i·tgφ_стр+с_стр и при нулевом давлении р=0 в условиях компрессии определяют удельное сцепление с_стр и угол φ_стр внутреннего трения грунта ненарушенной структуры [1].

Недостатком известного способа является определение параметров φ_стр и с_стр грунта ненарушенной структуры при гидростатическом бытовом давлении р_б=γh, когда связные грунты обладают в массиве бытовым давлением р_б=(γ·h-с_стр)tgφ_стр. Проектировщиков интересуют давления пригрузок р>р_б от действующих сооружений, когда требуется значение углов φ=φ_н и удельного сцепления с=с_н грунта с нарушенной структурой. С другой стороны, испытания ненарушенных образцов грунта на сдвиг в лабораториях производят в условиях компрессии, а не с поверхности полупространства массива, в связи с чем параметры φ_стр и с_стр получают искаженными, отличными от действительных.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения механических параметров прочности ненарушенной структуры грунтовой среды в массиве методом поступательного среза лопастным сдвигомером-прессиометром Л.С. Амаряна, заключающийся в том, что бурят вертикальную скважину в массиве грунта, в скважину задавливают на заданную глубину h двутавровый рабочий наконечник сдвигомера-прессиометра с обрезанием ее грунтовых стенок боковыми плоскими полками, из боковых полок двутаврового наконечника выдвигают поочередно возрастающими ступенями давления p_i жесткие штампы с поперечными грунтозацепами, далее производят сдвиг грунта на глубине h на каждой ступени давления p_i>р_б, выше бытового давления р_б=γh, в момент стабилизации осадок грунта под ступенями давления путем поступательного среза под напряжением τ_i обжатого грунта в скважине, по полученным данным p_i и τ_i строят график Кулона-Мора τ_i=p_i·tgφ+с и определяют параметры прочности грунта φ=φ_стр и с=с_стр [2, 3].

Получаемые лопастными прессиометрами-сдвигомерами параметры прочности φ и с не совпадают с лабораторными данными исследований образцов грунта φ=φ_стр и с=с_стр ненарушенной структуры в условиях компрессионного сжатия, поэтому метод поступательного среза грунтов лопастными прессиометрами-сдвигомерами не получает распространения. В действительности срез грунта, обжатого давлением штампов лопастных сдвигомеров-прессиометров, производится уже в нарушенном состоянии его структуры обжимающим давлением р>р_б и параметры прочности получают по графику Кулона-Мора именно в виде φ=φ_н и с=с_н, интересующем проектировщиков.

Технический результат по способу определения физических параметров прочности нарушенной структуры материальной среды под запроектированной нагрузкой р>р_б, превышающей ее структурную прочность, заключающемуся в том, что на образцах в лаборатории определяют угол φ=φ_стр внутреннего трения и удельного сцепления с=с_стр среды ненарушенной структуры при построении графика Кулона-Мора τ_i=p_i·tgφ_стр+с_стр предельного состояния среды под давлением p_i, где τ_i - напряжение сдвига среды под давлением сжатия p_i, достигается тем, что моментом нарушения структурной прочности связной материальной среды считают достижение под штампом давления, равного бытовому давлению р_стр.б=р_б=(γ·h-с_стр)ctgφ_стр на отметке h массива ее естественного сложения, при этом угол внутреннего трения среды с нарушенной структурой определяют из выражения φ_н=θ-φ_стр, где угол φ_стр - угол внутреннего трения среды ненарушенной структуры, угол θ=φ_стр+φ_н=arcsin[2sinφ_стр/(1+sin²φ_стр)]. Причем удельное сцепление среды нарушенной структуры определяют как .

Предлагаемый способ позволяет перевести данные φ_стр и с_стр, полученные в лабораториях на ненарушенных образцах исследуемой среды, в параметры прочности среды в нарушенном под нагрузкой р>р_б состоянии и наоборот. Аналитические расчетные зависимости несущей способности материальной среды под нагрузкой получают более точные решения при достоверном определении φ_н и с_н.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлен график Кулона-Мора предельного состояния материальной среды в структурно устойчивом и нарушенном состоянии; на фиг.2 - эпюры контактных напряжений под и за краями штампа (на поверхности воронки сжатия).

Согласно известной методике определения максимальной контактной прочности материальной связной среды в условиях плоской деформации [4] график поверхности полупространства выглядит в виде трех кругов Мора (фиг.1): круга 1 предельного состояния грунта под подошвой штампа, круга 2 предельного состояния грунта за краями штампа и охватывающего их круга 3 Мора, суммирующего предельное напряженное состояние грунта в целом (под и за пределами контакта штампа со средой в воронке сжатия). Предельное состояние среды в воронке растяжения-сжатия под и за краями штампа представлено в виде эпюр контактных напряжений с зонами сдвиговых деформаций под краями штампа (эпюра 4) и с зонами растяжения-сжатия за краями штампа (эпюра 5) в деформационной воронке 6.

Из тригонометрических соотношений графика Кулона-Мора (фиг.1) определяем, что ∠θ=∠φ_стр+∠φ_н, a sinθ=2sinφ_стр/(1+sin²φ_стр), откуда угол внутреннего трения нарушенной структуры деформируемой среды φ_н=θ-φ_стр.

При φ_стр=25° получаем sinθ=2sinφ_стр/(1+sin²φ_стр)=2sin25°/(1+sin²25°)=0,6676 и угол θ=46,536°, тогда угол φ_н=θ-φ_стр=46,536°-25°=21,536°.

Из тригонометрических соотношений графика Кулона-Мора (фиг.1) находим, что удельное сцепление среды в нарушенном состоянии равно ,

что нашло свое подтверждение при испытаниях суглинков лопастными сдвигомерами-прессиометрами ЛПМ-12С и на сдвиговых лабораторных приборах ПНИИИС Госстоя СССР в 1981 году: показания прессиометров-сдвигомеров с_н=0,23 кг/см², φ_н=25°, показания лабораторных приборов с_стр=0,2 кг/см², φ_стр=22°.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявочных материалов

1. Цитович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для ВУЗов. - 3-е изд., доп. - М.: Высшая школа, 1979. - с.41-48.

2. Амарян Л.С. Свойства слабых грунтов и методы их изучения. - М.: «Недра», 1990. - с.57-59.

3. ГОСТ 21719-80. Грунты. Методы полевых испытаний на срез в скважинах и в массиве. - М.: Госстандарт СССР. - С.16-17, 20.

4. Патент РФ №2265824, G01N 8/24. БИ №34 от 10.12.2005.