Исследование барханных песков в условиях трехосного напряженного состояния при воздействии вибродинамических нагрузок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Общетехнические задачи и пути их решения

107

Общетехнические задачи и пути их решения

УДК 625.12.033.38 Ш. Ш. Абдукамилов

ИССЛЕДОВАНИЕ БАРХАННЫХ ПЕСКОВ В УСЛОВИЯХ ТРЕХОСНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Рассмотрено вибродинамическое воздействие на барханные пески при использовании метода трехосного сжатия. Получены экспериментальные значения сцепления и угла внутреннего трения барханных песков. Приводятся численные и графические результаты коэффициентов относительного снижения сцепления и угла внутреннего трения барханных песков при воздействии вибродинамической нагрузки.

барханные пески, сцепление, угол внутреннего трения, вибродинамическая нагрузка, метод трехосного сжатия.

Введение

Исследования влияния вибродинамических нагрузок на прочностные характеристики грунтов производились на различных приборах с применением различных методик. Для выбора метода лабораторных исследований прочностных характеристик барханных песков при воздействии вибродинамической нагрузки был произведен анализ всех методов, по которым проводились исследования. Чаще всего для исследований использовались вибросдвиговые установки и вибростабилометры различных конструкций, вибростолики, пульсаторы, прибор Лагойского и другие.

Для моделирования условий работы грунта в основании или в теле земляного полотна автор поставил следующие требования к прибору для исследования прочностных характеристик барханных песков при воздействии вибродинамики.

1. Испытание грунтов должно проходить методом трехосного сжатия.

2. Обеспечить возможность независимого регулирования двух главных напряжений.

3. Одновременно с вибрационным воздействием должна быть создана постоянная нагрузка на грунт.

4. Обеспечить возможность осевой деформации образца на величину не менее 25 % от его первоначальной высоты.

5. Максимальное снижение влияния макро- и микронеровностей торцов образца на результаты экспериментов.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

108

Общетехнические задачи и пути их решения

6. Максимально снизить влияние сил трения грунта о жесткие поверхности частей прибора.

7. Точность замеров деформаций образцов не менее ±0,01 мм.

8. Для определения характера изменения прочности исследуемых грунтов во времени прибор должен позволять производить измерение их прочности в любое время с самого начала вибрационных и силовых воздействий.

9. Обеспечить тарирование прибора без применения сложных обустройств.

1 Описание установки для производства лабораторных работ

В 1976 году в ЛИИЖТе И. В. Прокудиным была сконструирована лабораторная установка на основе стабилометра, которая выполняет все указанные выше требования. Конструкция установки моделирует вибродинамическое воздействие периодическим изменением гидростатического давления в рабочей камере стабилометра. Основой для установки послужил стабилометр типа А по Сипидину, в котором создается всестороннее гидростатическое давление.

Принципиальная схема лабораторной установки приведена на рисунке 1 и состоит из трех взаимосвязанных блоков: стабилометра, гидродинамического генератора пульсации напряжений, аппаратуры и приборов для измерения и регистрации всестороннего давления.

Установка собирается и подготавливается к работе в следующей последовательности. Съемная камера 1 с помощью соединительных тяг 3 и прижимной крышки 4 устанавливается на неподвижную чашу 2, создавая герметичную рабочую камеру стабилометра, внутри которой образец грунта 5 вместе со съемным поршнем 6 установлен на нагрузочный поршень 7. Последнему через рычаг 8 передается усилие от грузов, укладываемых в процессе испытаний на подвеску 9. Образец грунта с поршнем 6 предварительно помещается с помощью специального приспособления в резиновую оболочку 10 и уплотняется кольцами 11. Камера стабилометра заполняется водой через входной кран 12, воздух вытесняется из камеры по специально выполненной в упорном штоке 13 канавке 15, которая перекрывается заглушкой 16. Одновременно вода поступает в волюметр 14, и ее уровень устанавливается с помощью крана 12 в верхнем крайнем положении.

Всестороннее давление создается сжатым воздухом, находящимся в ресивере 17 и поступающим через кран 18 по трубопроводу 19 в волюметр 14, где давление воздуха, воздействуя на жидкость, передается в рабочую камеру.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

109

Рис. 1. Схема лабораторной установки для исследования влияния вибродинамической нагрузки на прочностные свойства барханных песков

Перемещение минеральных частиц образца грунта вызывается периодическим изменением гидростатического давления посредством генератора пульсации напряжений, который представляет собой приставку, работающую следующим образом. При созданном в камере гидростатическом давлении включается электродвигатель 29, соединенный через муфту 28 с редуктором 27, от которого посредством гибкого вала 26 приводится во вращение планитарная шайба 25, установленная под углом 2...3° к горизонту. Возвратная пружина 24 обеспечивает постоянный контакт между штоком поршня 22, оснащенным шариком, и рабочей поверхностью планшайбы 25. Поэтому за один оборот вращения поршень 22 совершает один большой рабочий ход вверх-вниз. Так как рабочая поверхность планитар-ной шайбы имеет волнообразную обработку, то кроме рабочего хода пор-

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

110

Общетехнические задачи и пути их решения

шень осуществляет локальные перемещения вверх-вниз при проходе штока через каждую волну. Величина локального хода значительно меньше рабочего и определяется высотой волнообразной обработки поверхности планшайбы. Таким образом, на мембрану, прижатую к поршню гидростатическом давлением, передается сложное воздействие, создающее изменение бокового давления по закону полигармонической функции и обусловливающее перемещение частиц грунта в виде сложных пространственных колебаний. Планшайба 25 легко снимается и устанавливается в приборе, что позволяет, используя запасные шайбы, создавать колебания с различным соотношением наложенных и несущей частот.

Величина пульсации гидростатического давления определяется следующим выражением:

ЛР = Рд sin at + р sin ш/,

где Рд и р - дополнительные давления от несущей и наложенной гармоник пулсации, МПа;

ю - угловая частота, 1/с;

t - время, с;

n - отношение угловых частот гармоник, изменявшееся в экспериментах от 0 до 6.

Полная величина всестороннего давления

р = Po +AP,

где Р0 - статическое всестороннее давление, МПа.

Регулирование основной частоты пульсации напряжений производилось с помощью редуктора 27, который позволял ступенчато с коэффициентом редуцирования 1,5 получать на выходном валу скорость вращения от 240 до 7000 об/мин, что соответствовало частоте воздействий от 4 до 117 Гц.

Для записи процесса развития деформации в зависимости от действующих напряжений в схему прибора введен специальный датчик 21. Жесткость мембраны и основания, на которое она крепится, практически несоизмеримы, что позволяет не учитывать деформации основания под действием бокового давления. Толщина мембраны подобрана так, что при всех величинах применяемых нагрузок зависимость деформации мембраны от давления является прямолинейной.

2 Методика подготовки и испытания грунтов

Рабочие размеры образцов составляли 60 мм по высоте и 40 мм в диаметре. Перед испытанием все образцы взвешивались, их размеры определялись с точностью до 0,1 мм и в последующем служили основанием для

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

111

определения пористости, объемной массы скелета грунта, площади поперечного сечения и других параметров.

Для определения прочностных характеристик барханных песков в камере стабилометра создавалось гидростатическое давление, равное 0,25 и 0,5 кгс/см . Полученные при этих значениях бокового давления разрушающие избыточные напряжения позволили построить круги Мора, огибающие к которым определяют значения сцепления и угла внутреннего трения (рис. 2, 3).

ТАБЛИЦА. Прочностные характеристики барханных песков при действии статической

и вибродинамической нагрузки

Влажность, % Коэффициент уплотнения c, кг/см2 Ф,град сди^ кг/см2 фдищ град Относительное снижение удельного сцепления Кс Относительное снижение угла внутреннего трения Кф

1 0.046 30.65 0.037 27.29 19.74 10.96

6 0.95 0.048 29.77 0.036 25.84 26.45 13.20

0.9 0.031 27.12 0.021 22.73 33.33 16.19

1 0.080 30.35 0.062 26.29 22.31 13.38

8 0.95 0.074 28.98 0.042 24.32 43.01 16.08

0.9 0.054 27.98 0.027 21.94 49.53 21.59

1 0.086 39.02 0.068 33.31 21.33 14.63

10 0.95 0.077 34.99 0.042 28.63 45.75 18.18

0.9 0.072 29.7 0.031 22.78 56.49 23.30

1 0.069 27.09 0.057 23.34 17.22 13.84

12 0.95 0.055 26.47 0.040 22.22 26.06 16.06

0.9 0.045 26.03 0.031 21.29 32.01 18.21

Для оценки влияния вибродинамического воздействия на прочностные характеристики барханных песков были использованы показатели относительного снижения удельного сцепления и угла внутреннего трения, определяемые по формулам:

c - с

K ____ ст дин

c

Kф_

Фст - Ф

дин

фс

где сст и фст - удельное сцепление и угол внутреннего трения грунта при статических испытаниях;

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

112

Общетехнические задачи и пути их решения

сдинт1П и фдинтт - минимальное удельное сцепление и угол внутреннего трения, определенные при действии максимальной вибродинамической нагрузки.

Рис. 2. Зависимость изменения показателя относительного снижения сцепления Кс барханных песков от влажности

Рис. 3. Зависимость изменения угла внутреннего трения и показателя Кф барханных песков от влажности

Заключение

Выполненные экспериментальные исследования прочностных характеристик барханных песков под влиянием вибродинамических нагрузок позволяют сделать следующие выводы.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

113

1. Снижение прочностных характеристик барханных песков железнодорожного земляного полотна происходит под влиянием вибродинамического воздействия, нарушающего силы контактного взаимодействия между элементарными частицами барханных песков.

2. Максимальное снижение сцепления и угла внутреннего трения барханных песков под влиянием вибродинамических нагрузок регистрируется при влажности 8-10 %.

3. Плотность барханных песков железнодорожного земляного полотна в значительной степени влияет на снижение прочностных характеристик грунта. Только при создании в земляном полотне объемной массы скелета грунта равной оптимальной по результатам стандартного уплотнения создаются условия, предотвращающие существенное снижение прочностных характеристик под влиянием вибродинамических нагрузок.

4. По результатам экспериментальных исследований установлены максимальные значения показателей относительного снижения сцепления Кс и угла внутреннего трения Кф для барханных песков различного состояния.

5. Мелкозернистые и среднезернистые пески, по исследованиям

О. А. Савинова, А. Ф. Колоса, М. Н. Гольдштейна, снижают свои прочностные характеристики: Кс на 18-22 %, Кф на 13-15 %, что значительно меньше зарегистрированных в наших исследованиях. При сопоставлении пылеватых песков с барханными песками снижение Кс и Кф достигает 1013 %. В этом заключается основное отличие и определенная опасность для несущей способности земляного полотна из барханных песков.

Библиографический список

1. Современные методы определения характеристик механических свойств грунтов / Н. Н. Сидоров, В. П. Сипидин. - Л. : Стройиздат, 1972. - 136 с.

2. Прочность и деформативность железнодорожного земляного полотна из глинистых грунтов, воспринимающих вибродинамическую нагрузку : дис. ... д-ра техн. наук : 05.22.06 : защищена 27.04.1984 / Прокудин Иван Васильевич. - Л., 1982. - 455 с. - Биб-лиогр.: с. 384-421.

3. ГОСТ 22733-77. Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности. - Введ. 1977-09-30. - М. : URL: http://www.gost.org.ru.

4. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. - Введ. 1996-08-1. -М. : URL: http://www.gost.org.ru.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3