CC BY
9Транспорт Шёлкового Пути
№3, 2020
UDC 625.76.031
THEORY OF THE INFLUENCE OF SHORT-TERM REPEATED LOADS ON THE STRENGTH AND DEFORMATION PROPERTIES OF THE COMPACTED SALINE SOIL
Abdubakiy KAYUMOV, Doctor of Technical Sciences, Professor
Rashidbek HUDAYKULOV*, PhD, docent
Dilshod KAYUMOV, Senior Lecturer
Tashkent State University of Transport
1, Temiryulchilar str., Tashkent, Uzbekistan, 100167
Tel. +99890 959-02-08
E-mail*: Rashidbek_19_87@mail.ru
Abstract. Theoretical representations of the mechanism of breaking the strength of bonds between the structural elements of saline soils under the influence of a moving load are presented.
Key words: moving load, saline soil, structural elements, rigid and viscous bonds, strength and deformation characteristics.
УУК 625.76.031
ЦИСЦА МУДДАТЛИ ТАКРОРИЙ ЮКЛАМАЛАРНИНГ ЗИЧЛАНГАН ШУРЛАНГАН ГРУНТЛАРНИНГ МУСТА^КАМЛИК ВА ДЕФОРМАЦИЯ ХОССАЛАРИГА ТАЪСИРИ НАЗАРИЯСИ
Абдубакий КАЮМОВ, т.ф.д., профессор
Рашидбек Х.УДАЩУЛОВ*, PhD, доцент
Дилшод КАЮМОВ, катта укитувчи
Тошкент давлат транспорт университети
100167, Узбекистан, Тошкент, Темирйулчилар куч., 1
Тел. +99890 959-02-08
E-mail*: Rashidbek_19_87@mail.ru
Аннотация. Х,аракатланувчи юк таъсирида шурланган грунтларнинг структуравий элементлари орасидаги богланиш кучини синдириш механизмининг назарий курсатмалари келтирилган.
Калит сузлар: харакатланувчи юк, шурланган грунт, структуравий элементлар, каттик ва ёпишкок богланишлар, куч ва деформациянинг хусусиятлари.
УДК 625.76.031
ТЕОРИЯ ВЛИЯНИЯ КРАТКОВРЕМЕННЫХ МНОГОКРАТНЫХ НАГРУЗОК НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА УПЛОТНЕННОГО ЗАСОЛЕННОГО ГРУНТА
Абдубакий КАЮМОВ, д.т.н., профессор Рашидбек ХУДАЙКУЛОВ*, PhD, доцент Дилшод КАЮМОВ, ст. преп.
Ташкентский государственный транспортный университет 100167, Узбекистан, Ташкент, ул. Темирйулчилар, 1 Тел. +99890 959-02-08 E-mail*: Rashidbek_19_87@mail.ru
Аннотация. Приводятся теоретические представления механизма нарушения прочности связей между структурными элементами засоленных грунтов под воздействием подвижной нагрузки.
Ключевые слова: подвижная нагрузка, засоленный грунт, структурные элементы, жесткие и вязкие связи, прочностные и деформационные характеристики.
1.ВВЕДЕНИЕ
Анализ литературных и нормативных документов по строительству дорог, показывает, что физико-механические свойства уплотненных засоленных грунтов, также как лессовых [1-4], зависят от состояния подвижной нагрузки, т.е. от многократных и кратковременных транспортных нагрузок.
Из существующих теорий прочности к грунтам наиболее применима теория наибольших касательных напряжений [5-8]. Основной формой нарушения сплошности под действием внешних нагрузок является сдвиг. Предельное состояние по прочности в какой-либо точке массива наступает, когда касательное напряжение, действующие по площадкам скольжения, достигает величины сопротивления грунта сдвигу. Исходя из этого, в качестве условия прочности в грунтах принимается условие предельного равновесия при сдвиге.
2. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ
К грунтам земляного полотна, работающим в условиях сжатия, наиболее применима теория прочности Мора. Условие прочности, исходя из теории Мора, имеет вид:
/Тн/ = ¡(Он), (1)
где: тн, он - касательное и нормальное напряжения на площадках скольжения.
Сопротивление сдвигу в соответствии с законом Кулона растет пропорционально увеличению нормального давления:
/Тк/ = С + О^ф, (2)
где: С и ф - расчетные параметры, определяющие общее сопротивление грунтов сдвигу и условно называемые: С - сцеплением, ф - углом внутреннего трения.
Основными параметрами, отражающими сдвигоустойчивость грунта в соответствии с физико-технической теорией Н.Н. Маслова [9], являются порог ползучести и коэффициент вязкости.
В порядке поиска более практически приемлемой методике Н.Н. Масловым было предложено определять приближенно порог ползучести, исходя из некоторых представлений о структуре грунта и ее поведении при действии касательных напряжений. В частности, предложено считать, что ползучесть возникает только в том случае, когда сдвигающие напряжения передается на водно-коллоидные обратимые связи. Это произойдет, если т превысит силу внутреннего трения и сцепления, обусловленного жесткими необратимыми связями. В соответствии с этими представлениями порог ползучести
Т1гш = ptgфw + Сс, (3)
где: Сс - структурное сцепление в глинистых грунтах;
фм - угол внутреннего трения грунта, зависящий от его плотности-влажности.
Практическая методика определения тцт, сводится к разделению полного сцепления на обратимую и необратимую части, что делается путем дополнительных испытаний на сдвиг.
В процессе деформации ползучести жесткие связи, имеющиеся в грунте, должны разрушаться. Разрушение происходит не одновременно, а постепенно, на некотором участке кривой деформации, вследствие неоднородности этих связей по прочности и нагруженности. В результате должна постепенно уменьшаться величина Сс, стремясь к нулю. Последствия снижения Сс могут проявиться в двух эффектах: во-первих должен снизиться порог ползучести Тцт до своей предельной величины. Во-вторых, снижение Сс
свидетельствует об уменьшении сопротивляемости грунта сдвигу.
Условия возникновения и накопления остаточных деформаций под воздействием кратковременной многократной прикладываемой нагрузки можно проследить с помощью модели, аналогичной модели, предложенной В.Д. Казарновским [10] и представленной на рис.1.
Рассмотрим совместную работу под нагрузкой различных связей, возникающих между двумя структурными элементами А и В. В модели между двумя структурными элементами действуют включенные параллельно жесткая и вязкая связи. В засоленном грунте роль жестких связей выполняют грунтовый скелет, состоящий из минеральных зерен и кристалл солей, а также сильно модифицированные пленки связанной воды, адсорбированные на поверхности грунтовой частицы, роль вязких связей - поровая вода и пленки связанной воды. Свойства жестких связей не зависят от временных факторов, свойства вязких связей зависят.
Жесткая связь характеризуется упругом характером деформирования: приложенная нагрузка вызывает практически мгновенную деформацию, с увеличение нагрузки деформация нарастает чаще всего примерно линейно. Жесткая связь обладает хрупким характером разрушения. При этом прочность ее практически не зависит от характера и скорости приложения нагрузки. Свойства такой связи моделируются с помощью механического элемента, содержащего пружину (реологического тело Гука) и включенный с ней последовательно элемент, работающий на трение и моделирующий хрупкое разрушение.
Вязкая связь характеризуется тем, что деформируются под нагрузкой мгновенно, а во времени (упруго -вязкий характер деформирования). Вязкая связь моделируется с помощью реологического тела Максвелла, тела Гука и дополнительного элемента трения, срабатывающего при чрезмерном усилии. Поведение связи зависит от скорости ее деформирования.
Теория влияния кратковременных многократных нагрузок.
47
Л
С*
I
I)
Рис.1. Схема к анализу взаимодействия жестких и вязких связей, действующих между отдельными структурными элементами А и В - структурные элементы; Р - нормальное усилие; Т - сдвигающие усилие; Ов, Ож - жесткость пружин вязкой и жесткой связей; Тв, Тж - сдвигающие усилие распределяющие между жесткой и вязкой связями; Яж, Япр - прочности жесткой связи и предельная прочность; Пс - условная вязкости связи
Прочность связей зависит от напряженного состояния, возникающего под действием внешних нагрузок. Изменение напряженного состояния прежде всего отражается на сопротивлении жестких связей, так как их прочность прямым образом связывается с элементом трения. Возникновение в этом элементе некоторого нормального усилия вызывает повышение прочности рассматриваемого элемента. Возникновение под влиянием напряженного состояния дополнительного сопротивления разрушения жесткой связи моделируется введением дополнительной жесткой связи, содержащей элемент трения, сопротивление которого и будет зависеть от напряженного состояния. При некотором напряженном состоянии такая связь не работает. По мере изменения напряженного состояния между двумя структурными элементами может включаться большее или меньшее количество связей, в соответствии с чем суммарная их прочность будет меняться. При этом в работе могут вступать дополнительно жесткие и вязкие связи. Суммарное сопротивление последних не будет непосредственно связано с напряженным состоянием, однако будет зависеть от числа этих связей, которое, в свою очередь, соответствует данному напряженному состоянию.
Количество связей, которые могут возникнуть при изменении напряженного состояния, ограничено, так как контакт структурных элементов всегда ограничен по площади. С ростом напряженного состояния (с
ростом нормальной нагрузки) количество дополнительно вступающих в работу вязких связей не может превысить некоторого значения, при этом суммарное их сопротивление будет до некоторого напряженного состояния возрастать, а потом оставаться постоянным.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ
Количество дополнительных жестких связей с ростом напряженного состояния так же не может превысить некоторого значения. Однако суммарное их сопротивление возрастает и после того, как количество дополнительных связей будет постоянным, так как это сопротивлением связано не с количеством таких связей, а со значением суммарного нормального усилия.
Роль вязких связей не ограничивается только вязким сопротивлением сдвигающей нагрузке Т. Наличие упруговязкых связей в структуре должно отражаться на сжимающих усилиях в жестких связях, поскольку определенную часть внешнего усилия Р упруговязкие связи примут на себя. Для отражения этого обстоятельства к упруговязкому элементу, работающему на сдвиг, подключен упруговязкий элемент, работающий на сжатие от нагрузки Р. При этом, поскольку рассматривается процесс разрушения от сдвига, а от нагрузки Р разрушения произойти не может, этот дополнительный элемент выполнен в виде тела Кельвина бесконечной прочности. Благодаря его введению отражается влияние вязкой связи на напряжения в системе от сжимающей нагрузки Р.
При кратковременном приложении нагрузки нормальное усилие Р и сдвигающее усилие Т мгновенно распределяются между жесткой и вязкой связями пропорционально их жесткости
Тв = AGв;
(4)
(5)
где Ов, Ож - жесткость пружин вязкой связей;
А - величина, на которую произошло растяжение пружин.
Жесткость жесткой связи мало изменяется во времени, жесткость вязкой связи снижается благодаря движению поршня в цилиндре. При этом происходит перераспределение усилий в связях, усилие в жесткой связи будет нарастать в соответствии с зависимостью
тж = T/[1+(G) /вж],
(6)
где: ('ОвЛ - жесткость вязкого элемента, падающая во времени до некоторого коечного значения, зависящего от длины цилиндра.
Сопротивление в элементе трения жесткой связи Т0 будет нарастать во времени, по мере роста в ней нормального усилия до его предельной величины Р
где: у - коэффициент трения. 4. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Достигнув своего предела, сопротивление жесткой связи в процессе деформирования не теряется, а сохраняется на том же уровне. Это учтено введением в модель бесконечного длинного (с точки зрения пределов деформирования) элемента трения.
Если действующая нагрузка не превысит сопротивления жесткой связи Т<То, то деформации в модели наблюдаться не будут.
Если к модели будет приложена такая нагрузка Т>Т0, при которой в некоторый момент времени усилие, возникающее в жесткой связи, превысит сопротивление в элементе трения жесткой связи, то произойдет его смещение. В результате сопротивление системы может снизиться и это вызовет необратимую деформацию в вязкой связи. Деформация будет продолжаться до тех пор, пока не возрастает сопротивление жесткой связи вследствие увеличения в ней нормального усилия. И тогда сопротивление системы снова окажется больше сдвигающего напряжения. Длительность этого процесса будет зависеть от напряжения, первоначально возникающего в вязкой связи, разности первоначального напряжения в жесткой связи и ее прочностью, а также от вязкости вязкой связи, то есть в конечном итоге от приложенной нагрузки, прочности жесткой связи и соотношения начальных жесткостей вязкой и жесткой связей.
При однократном приложении нагрузки необратимая деформация вязкой связи будет незначительной. Многократное же приложение нагрузки вызовет накопление этой деформации сдвига. Этот процесс будет иметь монотонный характер по мере движения поршня в бесконечно длинном цилиндре.
Таким образом, предложенная модель наглядно показывает, что до некоторого напряженного состояния остаточные деформации в глинистом грунте не возникнут. Если же напряжения, возникающие в жесткой связи, превысят их сопротивление, то при каждом приложении нагрузки будет образовываться остаточная деформация сдвига (за счет необратимой деформации в вязкой связи), которая будет накапливаться с увеличением количества приложений кратковременной нагрузки.
Для подтверждения высказанной гипотезы потребовалось проведение экспериментальных исследований по нагружению грунта многократными нагрузками.
Литература
1. Каюмов А.Д., Махмудова Д.А. Влияние циклических кратковременных нагрузок на физико-механические свойства лёссовых грунтов. Наука и техника в дорожной отрасли. Москва. №4, 2019. C.40-42. [In Russian: Kayumov A.D., Maxmudova D.A. Influence of cyclic short-term loads on the physical and mechanical properties of loess soils. Moscow: Science and technology in the road industry, 2019].
2. Whitman K.W., Pablo P.O. Densification sent by vertical vibrations. // Proceeding of 4th World Conference of Earthquake Engineering in Santiago. - Chili, 1969. - p. 127-132.
3. Braja M.D. Principles of Geotechnical Engineering. 2010. United States. - 470 p.
4. David G.P. Engineering Geology principles and practice. 2009. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 450 p.
5. Пилепенко А.С. Сдвигоустойчивость глинистых грунтов в основании дорожных одежд под действием кратковременных многократных нагрузок. Автореф. дисс. на соис. уч. степ. к.т.н. - М.: 1990. -20 с. [In Russian: Pilepenko A.S. Shear stability of clay soils at the base of road pavements under the influence of short-term repeated loads. Moscow: Author's abstract. diss. for an academic degree Ph.D, 1990.].
6. Seed H.B., Mitchell J.K., №ап C.K. Studies of swell pressure characteristics of compacted clays. // Highway research ЬоаЛ 1962. - № 113. Р. 27.
7. Intraranta B., Redana I.W., Salim W. Modeling of behavior of vertical drains in soft clay. // Proc. Of the First Central Asian Geotechnical Symposium. Astana, 25-28 May 2000, Vol 1. p. 79-98.
8. Горячев М.Г. Повышение надежности автомобильных дорог, учебное пособие - М.: МАДИ, 2020. -158 с. [In Russian: Goryachev M.G. Improving the reliability of highways, study guide. Moscow MADI 2020].
9. Добров Э.М. Механика грунтов. -М.: Академия, 2008. -272 с. [In Russian: Dobrov E.M. Soil mechanics. Moscow: Academy, 2008].
10. Казарновский В.Д. Основы инженерной геологии, дорожного грунтоведения и механики грунтов. (Краткий курс). -М.: 2007. -284 с. [In Russian: Kazarnovskiy V.D. Fundamentals of Engineering Geology, Road Soil Science and Soil Mechanics. Moscow 2007].
То = Рщ
(7)
5. ВЫВОДЫ
