CC BY
12
? УДК 624. 131. 439.5:539.376
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВЯЗКО -Ц ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ
ТРАНСТРОПНЫХ ПОЛУСКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ ПРИ СДВИГЕ КРУЧЕНИЕМ
§|§ В.А. Козионов
¡If Павлодарский государственный университет Iffi им. С. Торайгырова
Табиги жагдайдагы трансверсал-изотроптык; жартылай Я;! жартасты топыракрпы ipi масштабты монолиттж жылжымалыгын сынак, реттде зерттеу adicmepi кррастырылады. Сыналган топырсндпыц белгшнген агымы.
¿ Рассматриваются результаты экспериментальных исследований
ползучести на сдвиг кручением крупномасштабных монолитов трансвереально-изотропного полускального грунта в условиях их естественного состояния. Приводится методика и результаты определения параметров установившейся ползучести испытанных грунтов.
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 of parameters of constant creep of damaged soils.
При оценке строительных свойств скальных грунтов, как оснований или среды различных инженерных сооружений выделяют полускальные грунты, обладающие рядом отличительных свойств: пониженная прочность на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии (менее 5 МПа); значительная неоднородность, трещиноватость и анизотропия; явно выраженная способность к прояв-ле-нию реологических процессов.
Современные методы расчетов по предельным состояниям позволяют произвести анализ взаимодействия сооружения и основания вплоть до полного исчерпания несущей способности грунта. Поэтому для надежного обоснования рео-логических расчетов сооружений взаимодействующих с полускальными
№ 3,2004 г
55
грунта-ми, наряду с характеристиками длительной прочности и затухающей ползучести, необходимо иметь данные о параметрах установившегося течения с постоянной скоростью.
Сложность, а в ряде случаев практическая невозможность подготовки для испытаний представительных образцов из полускальных грунтов, вызывает необходимость разработки и использования специальных методик исследований в условиях, близких к их естественному состоянию. Наиболее распространенные в практике стандартные штамповые испытания по определению параметров пол-зу-чести грунтов в условиях сложного напряженного состояния требуют при обработке результатов весьма далеких экстраполяции, что снижает их достоверность. В связи с этим, нами использовался метод кольцевого нагружения (МКН), обладающий рядом преимуществ по сравнению со стандартными испытаниями [1]
Существо метода заключается в приложении к поверхности грунтового основания через кольцевой целик (штамп) вертикальной и горизонтальной (крутящего момента) нагрузок. Определение характеристик грунтов производится на основе соответствующих экспериментально - теоретических предпосылок и получаемых опытных данных.
Принципиальная схема к определению характеристик ползучести транс-вер-сально-изотропных грунтов МКН приведена на рисунке 1
Ы
Рис. 1. Принципиальная схема испытания МКН
Опытные исследования [2] проводились на крупномасштабных монолитах аргиллита естественного состояния с размером стороны до 0.5 м. Размер кольцевой нагрузки составлял: В ходе опытов осуществля-лось 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 широко используются в практике подземного строительства для оценки свойств массива грунтов [3].
Сущность предлагаемой на основе МКН методики оценки параметров установившейся ползучести состоит в следующем.
1 По результатам ступенчатого приложения крутящего момента, при за-дан-ном значении Р, устанавливается экспериментальная зависимость угловых перемещений целика (штампа) - и окружающей его поверхности основания от касательных напряжений по его подошве ? вплоть до разрушения грунта путем сдвига. Характерные огибающие зависимости приведены на рисунке 2.
1.00 0.75
0.50 0.25
Рис. 2. Огибающие зависимости: 1 - перемещения штампа: 2 - перемещения реперов па поверхности грунта
Их анализ показывает, что с ростом разрыв между перемещениями штампа и реперами на поверхности основания возрастает.
2 Для каждой ступени приложения касательных напряжений строится зависимость развития во времени На рисунке 3 приведена серия кривых ползучести аргиллита для различных ступеней приложения касательных напря-же-ний при величине уплотняющего давления Р = 3.5 МПа.
4.0
3.0
2.0 1.0
Рис.3. Кривые полз}1чести аргиллита при сдвиге кручением
Ыо З, 2004 г
57
Из рисунка 3 следует, что с увеличением ? скорость развития деформаций грунта во времени возрастает, достигая сначала некоторого постоянного значения, а затем, принимает прогрессирующий характер. Далее производится построение кривых ползучести в полулогарифмической системе коор-динат и определяется величина ?, при которой начинают раз-виваться незатухающие деформации сдвига. Для этой величины ? зависимость становится выпуклой
3 Принимается, что развитие вязко-пластических деформаций сдвига, со-ог-ветствующих стадии установившейся ползучести с постоянной скоростью, про-ис-ходит в локальной зоне, непосредственно примыкающей к основанию шльце-вого целика (штампа), где значение касательных напряжений является наиболь-шим.
4 Путем использования алгоритма [3] производится перестройка опытных кривых в зависимости между касательными напряжениями и деформациями сдвига для различных моментов времени, то есть.
Для построения данной зависимости используется решение [4]. На основе кусочно-линейной аппроксимации первоначально определяется переменный во времени модуль сдвига
С2(1) = 2г2ткр^18Ц), (1)
где - среднее касательное напряжение по подошве штампа ,
- среднее горизонтальное перемещение поверхности под штампом; параметр анизотропии;
- безразмерный параметр, определяемый на основе решения [4].
Далее, по величине устанавливается текущее значение угловой де-форма-ции, используя зависимость [5]
(2)
Основная сложность определения по формуле (1) и по формуле (2) заключается в неопределенности параметра анизотропии § в стадии устано-вившегося течения Поэтому при обработке результатов испытаний рассматрива-лось два варианта:
а) - транстропная среда с показателем g , соответствующему допредельному состоянию, т.е. .
б) - изотропная среда, т.е. § =1.
При построении зависимости , наряду с перемещениями штампа, производится анализ горизонтальных перемещений реперов, установленных на поверхности основания. По полученным кривым определяется предел длительной прочности грунта на сдвиг - .
5 Зависимость между скоростью деформации сдвига в стадии установившейся ползучести и касательным напряжением описывается уравнениями теории вязко -пластического течения. В наиболее простом варианте это уравне-ние имеет вид:
- коэффициент вязкости грунта при сдвиге.
В общем случае, коэффициент вязкости грунта может зависеть также от нор-мального давления , величины деформации сдвига и ее скорости.
6 Построением опытных кривых ползучести по ступеням при значе-ниях в координатах определяется коэффициент вязкости грунта . В зависимости от характера получаемых экспериментальных данных можно использовать и более сложные уравнения .
Особенность анализа состоит в том, что деформации ползучести при включают в себя еще и стадию деформирования с уменьшающейся скоро-стью. Учитывая характер создаваемого при испытаниях напряженного состояния возможны взаимные наложения указанных стадий ползучести. Поэтому, при об-работке опытных кривых ползучести следует выбирать достаточно отдаленные моменты времени, где . Рекомендуется также тщательно анализировать вертикальные перемещения штампа в процессе сдвига и их развитие во времени.
Для апробации изложенной выше методики произведена обработка выполненных нами испытаний МКН аргиллита. Опыт на сдвиг проводился при Р = 3.5 МПа. Предел длительной прочности грунта на сдвиг составил =2.1 МПа.
Графики зависимости приведены на рисунке 5.
где - предел длительной прочности грунта на сдвиг;
(3)
№3,2004 г
59
у-10~61/час
f
1 У 7' 1 Г2 ! Г
/ > / 1 / 1 / ! 11 It II
/
1 2 3 4
Рис.5. Графики зависимости : 1 - транстропная среда; 2 - изотропная среда
Величины коэффициентов вязкости, определенных по программе на ПЭВМ [6], составили:
- = О.боЮб часоМПа - транстропная среда;
- = 0.9о106 часоМПа - изотропная среда.
Из полученных данных, с учетом принятых выше допущений, следует, что анизотропия деформируемости массива оказывает существенное влияние на ве-личину коэффициента вязкости грунтов. С физической точки зрения более обос-нованным, по-видимому, является значение для параметра g, находящегося в интервале, ближе к допредельному' состоянию, т.к. основное нарушение структу-ры грунта происходит в стадии его прогрессирующего разрушения.
ЛИТЕРАТУРА
1 Кубецкий В.Л., Семенов В.В., Королев М.В. Определение характеристик деформируемости трансверсально-изогропных трещиноватых пород по результатам штамповых испытаний // Приложение численных методов к задачам геомеха-ники. - М.. МИСИ, 1986. С. 22-38.
2. Kubetsky VL.; Kozionov VA Investigating rhcological properties offe-sured semirocks - Proceedings of the international symposium weak rock - Tokyo: 1981, p. Ill -118.
3. Рекомендации по определению характеристик реологических свойств скальных и полускальных грунтов методом кольцевого нагружения.- Л.' ВНИ-ИГ им. Б.Е. Веденеева, 1990,- 112 с.
4.Козионов В. А. Определение перемещений верхней границы анизотроп-ного
основания при его кручении кольцевой нагрузкой,'/ Наука и техника Казах-ста-
на. 2003. N2. С.65-73.
5. Лехншдкий С Г. Теория упругости анизотропного тела. - М.: Наука. 1977. - 416 с,
6. Козионов В.А. Методы лабораторных испытаний грунтов. Павлодар: НИЦ ПТУ им. С. Торайгырова, 2004. - 97 с.
