СПОСОБ ХРУСТАЛЕВА Е.Н. ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА АНИЗОТРОПИИ ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖИ

Изобретение относится к области физики материального контактного взаимодействия, конкретно к способу определения начального (первого) критического и предельного (второго критического) давления поверхности торфяной залежи и ее коэффициента анизотропии.

1. Известен способ определения начального (первого) критического давления поверхности торфяной залежи под жестким плоским штампом средних размеров , где р_A - предел длительной несущей способности по условию обеспечения общей устойчивости массива торфяной упругоэластичной среды под плоским жестким штампом, по которому по эмпирической зависимости А. Хаузейля - С.С. Корчунова р_A=A_А+B_А⋅(П/F), где A_A - быстродействующее упругое сопротивление торфа погружению штампа площадью F, (П/F)=П⋅τ_ср⋅S=Т - сопротивление торфа срезу по периметру П штампа, S - осадка штампа, τ_ср - напряжение сопротивления срезу торфа по периметру штампа, В_А - предел длительной несущей способности торфяной залежи, причем для верховой торфяной залежи р_А=0,023+0,105(П/F) (МПа) (по С.П. Кронштофику для верховой залежи) и p_A=0,04+0,375(П/F) (МПа) (по С.С. Корчунову - А.Г. Гинцбургу для низинной залежи) [1].

Известен способ определения предельного давления , где р_в - предел временной несущей способности по условию обеспечения общей устойчивости массива торфяной упругоэластичной среды под жестким плоским штампом, по которому по эмпирической зависимости А. Хаузейля - С.С. Корчунова р_В=А_В+B_B⋅(П/F), где А_В - быстродействующее упругое сопротивление торфа погружению штампа площадью F, (П⋅B_B)=П⋅τ_cp⋅S=T - сопротивление торфа срезу по периметру П штампа, S - осадка штампа, τ_ср - напряжение среза торфа по периметру штампа, В_В - предел временной несущей способности торфяной залежи, причем для верховой торфяной залежи p_B=0,02+0,74⋅(П/F) (МПа) (по С.П. Кронштофику) и для низинной залежи p_B=0,04+0,9⋅(П/F) (МПа) (по С.С. Корчунову - А.Г. Гинцбургу) [1, 2].

Недостатком известных способов определения начального (первого) критического и предельного давления торфяной залежи является то, что они базируются на эмпирических расчетных зависимостях, полученных в результате многочисленных опытов по сжимаемости торфяной среды под нагрузкой от плоских жестких штампов средней площади, соответствующей опорной поверхности движителей торфяных машин.

Аналитические выражения для определения начального (первого) критического давления и предельного р_В давления для торфяной залежи отсутствуют.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения предельного давления для сжимаемой плоским жестким штампом торфяной упругоэластичной среды, заключающийся в установлении физико-механических характеристик торфа в структурированном состоянии - ϕ° угла внутреннего трения, С - удельного сцепления, γ - объемного веса, в расчете средней величины прикладываемого через жесткий плоский штамп к торфяной среде давления , соответствующего моменту предельного фазового перехода деформируемого штампом торфа с характерным резким ростом осадок, снижением и потерей прочности и возможной потерей устойчивости, рассмотрении схемы работы торфяной среды в залежи как модели Фусса-Винклера «местных упругих деформаций», когда внешнему среднему давлению противодействует сопротивление волокон торфа растяжению и срезу Т=(В⋅П) по периметру П штампа, отличающийся тем, что для торфяной залежи несущую способность в предельном фазовом состоянии определяют по среднему предельно-критическому давлению при - краевом предельно-критическом давлении и - центральном максимальном предельно-критическом давлении [3].

Для торфяной среды предельно-критическое фазовое состояние неприемлемо, так как торф - это структурированная упругоэластичная материальная среда, нарушение структурной прочности которой происходит при разрушении, то есть при предельной нагрузке [4].

При превышении предельной нагрузки торф превращается в нарушенном состоянии в обычную грунтовую среду с нарушенной структурой волокнистой каркасной системы.

Целью изобретения является повышение точности зависимостей для определения начального критического и предельного разрушающего давления для поверхности массива торфяной залежи.

Технический результат по способу определения несущей способности торфяной залежи, заключающемуся в определении физико-механических характеристик деформируемой штампом торфяной залежи верхового или низинного типа в структурированном состоянии: угла ϕ° внутреннего трения, С - удельного сцепления, γ - объемного веса, в расчете средней величины начального (первого) критического давления для торфяной залежи, соответствующего пределу длительной несущей способности торфяной залежи по схеме А. Хаузейля - С.С. Корчунова, где р_А=A_A+B_A⋅(П/F), П - периметр штампа площадью F, А_А - быстродействующее упругое сопротивление торфа, В_А - предел длительной несущей способности торфяной залежи, и в расчете средней величины предельного давления , соответствующего моменту предельного фазового перехода деформируемой штампом торфяной залежи с характерными процессами резкого роста осадок, снижения прочности и возможной потерей устойчивости, рассмотрении схемы работы торфяной залижи как модели Фусса-Винклера «местных упругих деформаций», когда внешнему среднему предельному давлению где А_в - предел упругой несущей способности, а В_В - предел временной несущей способности торфяной залежи, противодействует сопротивление волокон торфа растяжению и срезу Т по периметру П штампа, достигается тем, что для торфяной залежи верхового или низинного типа величину начального (первого) критического давления рассчитывают по зависимости при выполнении равенства С=A_A⋅(1-sinϕ°)/cosϕ°=A_B⋅(1-sinϕ°)/cosϕ° (МПа), а величину предельного давления рассчитывают по зависимости при величине A_A=A_B=cosϕ°/(1-sinϕ°) (МПа) и B_A⋅(П/F)=В_В⋅(П/F)=C⋅cosϕ°ϕcos2ϕ°/(1-sinϕ°) (МПа), при этом величину давления потери структурной прочности торфяной залежи принимают равной величине предельного давления, а давление растяжения торфа в предельном состоянии за краями штампа - по зависимости р_1.р=2⋅C⋅cosϕ°/(1+sinϕ°) (МПа) при среднем растягивающем давлении р_ср.р=C⋅cosϕ°/(1+sinϕ°) (МПа).

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 - схема среза торфа по периметру штампа в предельном состоянии с поверхности полупространства; на фиг. 2 - график S=ƒ(p) испытания торфяной залижи вертикальным штампом методом статических нагрузок; на фиг. 3 - графики предельного состояния (Ш. Кулона-Мора) торфяной залежи.

Предлагаемое изобретение состоит в следующем. С поверхности полупространства торфяного массива (h=0 см) отбирают образцы торфа ненарушенной структуры и в лабораторных условиях определяют физико-механические характеристики торфа: угол ϕ° внутреннего трения, С (МПа) - удельное сцепление, γ (Н/м³) - объемный вес торфа.

На поверхности 1 полупространства торфяной залежи устанавливают горизонтально плоский жесткий штамп 2 (фиг. 1) и методом возрастающих статических нагрузок производят испытание поверхности торфяной залежи на сжимаемость с получением графика (фиг. 2). Испытание на сжимаемость торфа производят до момента среза торфа по периметру штампа 2 с потерей несущей способности залежи и потерей устойчивости штампа 2 с опрокидыванием его относительно одной из сторон в предельном фазовом состоянии (фиг. 2) при давлении . В предельном состоянии торфяная поверхность под штампом проседает на глубину S^пр с развитием прогиба поверхности торфа по периметру штампа под углом, равным (2ϕ°). В предельном фазовом состоянии получают график 4 (-τ)=p⋅tg2ϕ°+C предельного состояния Ш. Кулона-Мора для торфяной залежи (фиг. 3), где тангенциальные напряжения имеют отрицательную величину (-τ) из-за сдвига нижележащих слоев 5 торфа под штампом 2 при сжимаемости относительно вышележащих слоев торфа.

Для торфяной залежи верхового типа по С.П. Кронштофику начальное (первое) критическое давление равно , предельное давление , а для торфяной залежи низинного типа по А. Хаузелю - С.С. Корчунову , . Зависимости С.П. Кронштофика и А. Хаузейля - С.С. Корчунова эмпирического типа с коэффициентом запаса прочности торфяной залежи n=1,5…1,33 пригодны для расчета проходимости торфяных машин по несущей способности торфяных залежей при средних площадях контакта F_cp=1,5…2,0 м² под опорной поверхностью гусеницы машины.

По предлагаемому способу величину начального (первого) критического давления (фиг. 2) для любой торфяной залежи рассчитывают исходя из предельного состояния торфа (фиг. 3), по зависимости , а величину разрушающего предельного давления - по зависимости , когда определяющим параметром несущей способности торфяной залежи любого типа становится угол ϕ° внутреннего трения и С (МПа) - удельное сцепление торфа ненарушенной структуры.

При этом величине предельного по прочности давления торфа соответствует давление потери торфом структурной прочности .

Линии 5 сдвига торфа перед его срезом краями штампа по всему периметру, развивающиеся под вертикальным давлением, достигающим максимальной величины под краями штампа при контактном взаимодействии с поверхностью торфа, выходят на дневную поверхность 1 под углом (2ϕ°) к вертикали (фиг. 1, фиг. 3). При этом вертикальное тангенциальное напряжение τ сдвига торфа под краями штампа 2 поворачивается на угол ϕ° к вертикали и при срезе торфа по периметру штампа 2 выходит на дневную поверхность 1 под углом (фиг. 3) к вертикальной линии среза торфа по периметру штампа, то есть τ_cp=τ⋅cos(180°+2ϕ°)=-τ⋅cos2ϕ° с удвоением угла ϕ° при развороте вектора тангенциального напряжения на противоположное направление (фиг. 1).

Величина соответствует давлению под штампом 2 потери структурной прочности торфа , разрушению торфяной залежи под штампом 2 при его опрокидывании относительно одной из сторон с потерей предельной устойчивости залежи, при этом давление растяжения торфа за краями штампа составляет величину p_1.p=C⋅cosϕ°/(1+sinϕ°) при среднем растягивающем давлении p_cp.p=C⋅cosϕ°/(1+sinϕ°).

Пример 1. Торфяная залежь верхового типа обладает углом внутреннего трения ϕ=20° и удельным сцеплением С=0,016 (МПа).

1) По С.П. Кронштофику долговременная несущая способность залежи определяется давлением для торфяной машины с гусеницами, отстоящими друг от друга на расстоянии 0,9 м <1 м по ширине машины, при опорной площади гусеницы 0,8 м × 2,5 м =2 м² и общей опорной поверхности F=(2,08+0,9)⋅2,5=6,25 м² и периметре опорной поверхности П=(2⋅2,5)+(2⋅0,8)=6,6 м.

Допускаемый вес торфяной машины для работы на залежи составляет .

2) По предлагаемому способу величина , а величина допускаемого веса торфяной машины без введения коэффициента n запаса прочности.

3) Величина C=0,023(1-sin20°)/cos20°=0,0161 (МПа).

4) Величина кратковременной несущей способности торфяной залежи .

По новому способу .

5) Допускаемый вес торфяной машины для одноразового прохождения торфяной залежи составляет . По новому способу , а при коэффициенте запаса прочности n=1,5 величина G₂=252,22/1,5=168,14 кН.

Пример 2. Торфяная залежь низинного типа обладает углом внутреннего трения ϕ=36° и удельным сцеплением С=0,02 (МПа).

1) По А. Хаузелю - С.С. Корчунову долговременная несущая способность залежи определяется давлением для торфяной машины с гусеницами, отстоящими друг от друга по ширине машины на 0,9 м, шириной ленты 0,8 м и длиной опорной поверхности при общей опорной поверхности F=62500 м² и периметре П=660 см.

Допускаемый вес торфяной машины для работы на залежи составляет .

2) По предлагаемому способу величина , а величина допускаемого веса торфяной машины без введения коэффициента n запаса прочности.

3) Величина C=0,04(1-sin36°)/cos36°=0,02 (МПа).

4) Величина кратковременной несущей способности торфяной залежи .

По новому способу

5) Допускаемый вес торфяной машины для одноразового прохождения торфяной залежи составляет . По новому способу , а при коэффициенте запаса прочности n=1,5 величина G₂=321,13/1,5=214,09 (кН).

Пример 3. Торфяная залежь низинного типа обладает на глубине h=140 см при ϕ=20° удельным сцеплением С=0,027 МПа и удельным весом γ=0,0193 (Н/см³).

Величина гравитационного (бытового) давления на глубине 140 см торфяной залежи составляет р_бт=(γh-C)ctgϕ°=(0,0193⋅140-0,027)ctg20°=0 (МПа) [4].

Давление растяжения торфа за краями штампа в предельном состоянии составляет величину р_1р=2C⋅cosϕ°/(1+sinϕ°)=2⋅0,027cos20°/(1+sin20°)=0,04 (МПА) при среднем растягивающем давлении p_cp.p=C⋅cosϕ°/(1+sinϕ°)=0,02 (МПа) под краями штампа.

Величина начального (первого) критического давления на глубине 140 см под штампом составляет величину .

Величина предельного разрушающего давления под штампом на глубине 140 см составляет величину

2. Известен способ определения коэффициента анизотропии сжимаемости массива торфяной залежи, заключающийся в испытании залежи на сжимаемость статическими нагрузками и определении модуля деформации торфа E_Г на глубине h исследования массива методом лопастной прессиометрии - горизонтальным штампом площадью F_пр, определении модуля деформации торфа E_B на глубине h исследования массива вертикальным штампом площадью F_шт=F_пр и расчете коэффициента анизотропии сжимаемости торфяного массива на глубине h по зависимости A_E=Е_B/Е_Г [5].

Коэффициент анизотропии торфяной залежи достигает величины А_Е≈0,4. Определение коэффициента анизотропии сжимаемости торфа требует больших трудозатрат по определению модулей деформации в вертикальном и горизонтальном направлении и не производится через аналитические выражения, содержащие определяющие характеристики материальной среды - угол ϕ° внутреннего трения и удельное сцепление - С.

Известен способ определения коэффициента анизотропии сжимаемости массива торфяной залежи, заключающийся в испытании залежи на сжимаемость статическими нагрузками и определении коэффициента фильтрации K_B в вертикальном и коэффициента фильтрации K_Г в горизонтальном направлении на глубине h торфяного массива, а расчет коэффициента анизотропии сжимаемости А_Е и коэффициента фильтрации на глубине h производят по зависимости А_Е=K_B/K_г [6].

Вопрос соответствия коэффициента анизотропии сжимаемости торфа и коэффициента анизотропии его фильтрации мало изучен и требует больших трудозатрат по определению коэффициентов фильтрации в вертикальном и горизонтальном направлении массива торфяной среды.

Поставлена задача получения определяющей зависимости коэффициента анизотропии сжимаемости торфяной среды через аналитическое выражение с показателями угла ϕ° внутреннего трения и удельного сцепления - С (МПа).

Технический результат по способу определения коэффициента анизотропии сжимаемости торфяной среды, заключающемуся в испытании структурированного торфа на сжимаемость статическими нагрузками в вертикальном и горизонтальном направлении, определении модуля общей деформации торфа в вертикальном Е_B и в горизонтальном направлении Е_Г, определении коэффициента анизотропии сжимаемости торфяной среды А_Т=Е_B/Е_Г=K_B/K_Г, где K_B и K_Г - коэффициенты фильтрации торфа в вертикальном и горизонтальном направлении, достигается тем, что торф испытывают на вертикальную сжимаемость и сдвиг с фиксацией на ступенях сжимающего давления р_i величины соответствующих им тангенциальных напряжений τ_i с построением графика предельного состояния торфа τ_i=p_itgϕ°+C (Ш. Кулона-Мора) и определением угла ϕ° внутреннего трения торфа, а коэффициент анизотропии сжимаемости торфяной среды определяют по зависимости A_T=1/cos2ϕ°.

Впервые получено выражение для определения коэффициента анизотропии сжимаемости торфяной напластованной упругоэластичной среды через ее угол внутреннего трения.

На фиг. 4 представлена схема (фиг. 4, а) испытания на сжимаемость и сдвиг анизотропной торфяной среды с ненарушенной структурой, совмещенная с графиком (фиг. 4, б) предельного состояния торфа τ_i=p_itgϕ°+C (Ш. Кулона-Мора).

При реализации способа определения коэффициента анизотропии торфяной залежи отбирают образцы 6 (фиг. 4, а) торфа ненарушенной структуры с глубины h (см) испытания массива. Образцы 6 торфа (фиг. 4, б) поочередно испытывают в приборе 7, например, одноплоскостного среза и при соответствующих ступенях (i≥3) нормального сжимающего давления p_i определяют соответствующие им тангенциальные напряжения τ_i среза обжатых образцов 6 торфа давлением p_i. Строят график 4 (фиг. 4, б) предельного состояния торфяной среды τ_i=p_itgϕ°+C (Ш. Кулона-Мора), по которому определяют угол ϕ° внутреннего трения торфа.

Коэффициент анизотропии сжимаемости торфа определяют по зависимости A_T=E_B/E_Г=1/cos2ϕ°.

Пример 1 реализации способа. На глубине 1,5 м в торфяной залежи был произведен отбор образцов ненарушенной структуры. Отобранные образцы торфа ненарушенной структуры поочередно загружают в обойму сдвигового прибора и при обжатии первой ступенью (i=1) сжимающего давления и последующими возрастающими ступенями (i≥3) давления (р_i=1<p_i=2<p_i=3<P_i=n) производят плоскостной сдвиг образцов торфа, нагруженных соответствующим давлением р_i. По точкам тангенциальных напряжений τ_i, соответствующих ступеням соответствующего нормального давления р_i, строят график (-τ_i)=p⋅tgϕ°+C Ш. Кулона-Мора, по которому определяют угол внутреннего трения торфа . Далее рассчитывают коэффициент анизотропии сжимаемости торфяной залежи по зависимости A_T=1/cos2ϕ°=1/cos(2⋅34°)=2,67. По закону Дарси коэффициент фильтрации торфа составил K_В=4,6⋅10^-15 (м/с) и K_Г=1,72⋅10^-15 (м/с) соответственно в вертикальном и горизонтальном направлении, а коэффициент A_T=K_В/K_Г=[4,6⋅10^-15]/[1,72⋅10^-15]=2,67.

Впервые аналитическим путем определяют несущую способность торфяной залежи и ее коэффициент анизотропии сжимаемости через физические параметры - угол ϕ° внутреннего трения и удельное сцепление С (МПа).

Источники информации

1. Солопов С.Г., Мурашов М.В. Торфяные машины (теория, расчет и конструирование). - М.: «Высшая школа». 1962. - С. 18-19.

2. Солопов С.Г., Горцакалян Л.О. и др. Торфяные машины и комплексы. - 2-е изд., перераб. и доп., Учебное пособие для вузов. - М.: «Недра», 1981. - С. 37-38.

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

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

5. Хрусталев Е.Н. Контактное взаимодействие в геомеханике. Часть I: Несущая способность оснований сооружений. Тверь, ТГТУ, «Золотая буква», 2004. - С. 105.

6. Винокуров Ф.П., Тетеркин А.Е., Питерман М.А. Строительные свойства торфяных грунтов. - Минск: Академия наук БССР, 1962. - С. 74-76.