Определение параметров ползучести транстропных полускальных грунтов при сдвиге кручением Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

|! УДК 624.131.439.5:539.376

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЗУЧЕСТИ ТРАНСТРОПНЫХ ПОЛУСКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ ПРИ сдвиге КРУЧЕН II £И

В.А. Козиоков

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

||р Табиги жаедайдагы трансверсал-изотроптыц жартылай ili жартасты топырацты ipi масштабты монолиттт жылжымалыгын ¡¡||| сынац; репинде зерттеу edicmepi кррастыръишды. Олардыц изотропиясыныц pi! перпендикулярны^ жазъидпыгыныц сынацтан вткен топырацтыц сене ¡¡§§ бастаган жылжымалы параметрлерш анъщтау нэтижелерi жэяе оньщ ................эдютемеЫ бершен.

Рассматриваются результаты экспериментальных исследований ползучести на сдвиг кручением крупномасштабных монолитов трансверсалъно-изотропного полускального грунта в условиях их естественного состояния. Приводится методика и результаты определения параметров затухающей ползучести испытанных грунтов при сдвиге перпендикулярно плоскости их изотропии.

The article dwells on the results of experimental research of creep influencing the torsion shear of large monoliths of transversal-isotropic semirock soil under the conditions of their natural state. The author gives the technology and the results of the identification ofparameters of slowing down creep damaged soils perpendicular to the plane of their isotmpy.

При проектировании различных сооружений в полускальных грунтах возникает необходимость учета их реологических свойств. Кроме того, эти грунты в массиве обладают в той или иной степени анизотропией механических свойств. В работе [1] показано, что учет ползучести анизотропного массива приводит к увеличению перемещений контура подземной выработки в несколько раз, в зависимости от реологических свойств окружающей породы. Поэтому для надежного определения параметров подземных сооружений необходимо иметь данные о характе-

ристиках ползучести анизотропных полускальных грунтов в условиях их естественного залегания. Естественная трещиноватость и неоднородность полускальных грунтов затрудняют, а в ряде случаев делают невозможным отбор представительных образцов для стандартных лабораторных испытаний. Это обусловливает необходимость использования и разработки специальных методик исследования ползучести таких грунтов. При решении практических вопросов наиболее часто встречается задача определения механических характеристик транстропных, т.е. трансверсально-изотропных полускальных грунтов. Такой тип анизотропии обусловлен наличием в массиве слоистости, системной трещино-иатости и др. В существующих методиках испытаний решение данной задачи выполняется, как правило, путем проведения штамповых опытов с приложением нагрузки в двух взаимно- перпендикулярных направлениях: в плоскости изотропии и перпендикулярно к ней. Наиболее полно такие методики разработаны для определения стабилизированных во времени характеристик деформируемости трещиноватых грунтов, в особенности методом кольцевого нагружения (МКН) [2]. Ниже рассматривается одна из возможных методик применения данного способа к оценке ползучести трансверсально-изотропных грунтов при сдвиге на основе выполненных ранее экспериментальных исследований [3] и полученного теоретического решения [4].

Существо метода заключается в приложении к поверхности основания через кольцевой бетонный штамп или целик грунта вертикальной нагрузки и последующего ступенчатого приложения крутящего момента вплоть до разрушения грунта путем сдвига. Принципиальная схема к определению характеристик ползучести трансверсально-изотропных грунтов МКН приведена нарисушсе 1.

Опытные исследования проводились на крупномасштабных монолитах аргиллита естественного состояния с размером стороны до 0.5 м. Размер кольцевой нагрузки составлял: г2 = 0.1 м; е = г. />, = 0.6. В ходе опытов осуществлялось измерение вертикальных и горизонтальных перемещений поверхности основания, как на участке приложения нагрузки, так и за ее пределами. Проведено три испытания аргиллита. Продолжительность отдельных опытов составляла более 8 месяцев. Такие испытания позволяют, в определенной мере, моделировать крупномасштабные полевые опыты и используются в практике подземного строительства для оценки свойств массива грунтов.

На рисунке 2 приведены эпюры изменения во времени горизонтальных (круговых) перемещений поверхности монолита вокруг кольцевого штампа.

Анализ экспериментальных данных позволяет выделить два характерных интервала зависимостей 8 = f(r,t).

Первый интервал. Величина касательного напряжения меньше предела длительной прочности грунта на сдвиг - . Здесь, при г < 0.6...0.8 • га, огибающие зависимостей 6 = /(г) для штампа (целика) и точек поверхности монолита близки к линейным. Характерные кривые ползучести и изохронные зависимости &(гг) = /(т) приведены на рисунке 3,

Ш'М _

Рис.1. Принципиальная схема испытания МКН

СЕ? м

• Дт = 2.5 - 3.0 МПа

Н_г/1-2 ¡о_

0 ¡.0 . 2,0 3 0

_ ]

-25ч

N => 72ч

2

ед-Ю'-МИ

5(г2)'10"2мм

а) - при Т <тх

б) - при т >та

Рис. 2. Эпюры горизонтальных перемещений поверхности монолита груш а

Второй интервал. Здесь, при касательных напряжениях, больших ?гл, линейный характер зависимостей 6 = /(т) существенно нарушается. Деформации сдвига штампа (целика) начинают значительно опережать соответствующие перемещения точек на поверхности монолита. В основании формируется фаза прогрессирующего разрушения.

Представленные на рисунках 2 и 3 экспериментальные данные позволяют использовать для определения параметров ползучести грунта при сдвиге в интервале линейной зависимости 8{гг) = /(г) аппарат теории упруго-наследственного грунтового массива [I].

Для определения характеристик ползучести трансверсально-изотроп-ных грунтов при сдвиге по результатам испытаний МКН представим зависимость между горизонтальными (угловыми) перемещениями поверхности массива - 5(г,1) и крутящим моментом - М для различных моментов времени в следующем виде

а)

где ё = гх!г2\ £ = С?02/С01; а> =- безразмерный табличный коэффициент, определяемый на основе решения [5]; т = к/г2 - относительная мощность сжимаемой толщи грунта;

О02 - модули условно-мгновенной деформации сдвига грунта вдоль и перпендикулярно плоскости изотропии.

Методика определения условно-мгновенных и стабилизированных во времени параметров деформируемости грунтов рассматриваемым методом

Рис. 3. Кривые ползучести при сдвиге кручением и изохронные зависимости

подробно изложена в работе [2] и поэтому здесь подробно не рассматривается. В настоящей работе использовались следующие упрощающие предпосылки:

1) На основании работы [1, с. 21] принято условие, что анизотропия свойств грунтов проявляется при t = 0, а развитие деформаций во времени происходит изотропно.

2) По данным исследований [2] принято условие равенства коэффициентов Пуассона грунта, т.е. к. = v = const,

Ядро ползучести в уравнении (1) принимается в виде

K(t ~ г) = Сог ■ 1 ■ 0 ■ ехр[- l(t - г)] + (^/G , (2)

[Г + (r-r)j

где к, 8, Т, 0?ю - параметры ползучести грунта;

G02 - модуль условно-мгновенной деформации сдвига грунта.

Данный тип ядра ползучести был предложен В.Л. Кубецким для описания деформирования грунтов по результатам штамповых испытаний. В работе [3] дано обоснование применимости этого ядра ползучести к аналитическому описанию процесса деформирования слабых скальных грунтов во времени при различных напряженных состояниях.

С учетом (2) зависимость (1) представляется в виде

¿?(г,0 = <?(г,0)-

1 + +

G2v 1 + t

(3)

где 3(г,0) - условно-мгновенное горизонтальное перемещение поверхности массива.

Основные элементы методики определения параметров ползучести грунта при сдвиге приведены на рисунке 4,

Вычисление параметров X, Т производилось по разработанной программе на ПЭВМ [5]. В результате получены следующие значения характеристик ползучести аргиллита при сдвиге кручением.

Анализ работы [4] показал, что при кручении штампа (целика) величина горизонтального перемещения произвольной точки основания на некоторой глубине 2 может быть представлена как функция двух параметров деформируемости - и 02. Тогда выполнив измерение перемещений на двух глубинах, например, на поверхности и некоторой глубине 2, можно составить два уравнения относительно неизвестных параметров анизотропии.

Таблица 1

Параметры ползучести груш а при сдаете кручением

Тип грунта Аргиллит

№ Опыта 1 2 3

Расчетный интервал Ьт, МПа 0.5-1.5 0.25-0.75 0.75-1.25

Нормальное давление а, МПа 3.5 0.1 2.5

С0, МПа 1129 1085 1486

С„,МПа 356 492 519

в , МПа 49.2 33.5 31.7

X , МПа 60.0 36 58.6

Г, МПа 0..53 0.46 3.28

Расчетная схема Л / гг 0.8 2.0 2.0

Так, например, при t — 0 система уравнений для определения параметров анизотропии будет иметь вид

<Sn(л0) - (2М • 4g-■ ■ G01( 1 - s4) ■ г3г), (4)

öz(r,z) = (2М ■ ^ ■ ©J /(яг ■ G02(l - г4) • г22),

где ®о = /,(.§); = Л(я).

Измеряя перемещения в указанных точках основания в различные моменты времени можно выполнить анализ изменения коэффициента анизотропии во времени. Если g(t) = const, то ползучесть изотропна. При h/r, = const или -» оо параметры анизотропии можно оценивать по кривизне эпюры <5 = /(г).

ВЫВОДЫ

1. Представленная методика испытаний полускальных грунтов МКН позво-

ляет учитывать влияние их естественной анизотропии деформируемости на определяемые характеристики ползучести при сдвиге кручением.

2. Оценку изменения во времени параметров трансверсальной изотропии полускальных грунтов МКН можно осуществить по результатам приложения к основанию кольцевой касательной нагрузки и измерения горизонтальных перемещений в совокупности точек на его поверхности и некоторой глубине или по кривизне эпюр горизонтальных перемещений поверхности основания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ержанов Ж С., Айтапиев Ш.М., Масаное Ж.К. Устойчивость горизонтальных выработок в наклонно-слоистом массиве.- Алма-Ата: Наука, 1971.-160 с.

2. Кубецкш В.Л., Семенов В.В., Королев М.В. Определение характеристик деформируемости трансверсально-изотропных трещиноватых пород по результатам шгамповых испытаний // Приложение численных методов к задачам геомеханики. -М.: МИСИ, 1986,- С. 22-38.

3. Kubetsky V.L., Kozionov V.A. Investigating rheological properties of fissured semirocks . - Proceedings of the international symposium weak rock . - Tokyo: 1981, p. 111-118.

4. Козионов В.A. Определение перемещений верхней границы анизотропного основания при его кручении кольцевой нагрузкой // Вестник ПТУ- 2003.- №2.- С. 65-73.

5. Козионов В. А. Методы лабораторных испытаний грунтов,- Павлодар: НИЦ ПТУ им. С. Торайгырова, 2004. - 97 с.