Механика мерзлых грунтов общая и прикладная

По данным табл. 23 на рис. 87 построен график зависимости длительной прочности смерзания грунтов с деревом от величины

отрицательной температуры.

Отметим, что опыты М. Н. Гольдштейна по изучению прочности смерзания грунтов с деревом и бетоном при непрерывном скольже­ нии стойки по грунту и многократном повторном продавливании по­ казали, что прочность смерзания при этих условиях снижается в

среднем вдвое.

Таким образом, из приведенных материалов с очевидностью вы­ текает, что при экспериментальном определении прочности смерза­ ния грунтов с деревом и бетоном необходимо учитывать в полной

смерзания грунтов с металлическими поверхностями вводится по­ нижающий коэффициент, равный 0,7.

§ 5. Сопротивление мерзлых грунтов разрушению резанием

Для установления методов эффективной разработки мерзлых грунтов при различного рода проходческих и земляных работах в условиях вечномерзлых грунтов особо важное значение имеют ис­ следования разрушения мерзлых грунтов резанием.

Обширные опыты по определению сопротивления мерзлых грун­ тов резанию были выполнены в 1951—1955 гг. в Институте горного дела АН СССР под руководством проф. Н. А. Зеленина *.

* Настоящий параграф составлен по работам А. Н. З е л е н и н а : Основы разрушения грунтов механическими способами. Изд-во «Машиностроение», 1968; В. П. Б а к а к и н, А. Н. З е л е н и н . Разработка мерзлых грунтов, п. 2. «До­ клады на Международной конференции по мерзлотоведению» (США, 1963). Изд-во АН СССР, 1963.

Основными показателями сопротивления мерзлых грунтов реза­ нию были приняты: усилия резания с помощью стандартного режу­ щего органа элементарного профиля (плоский клин) Р кГ и удель­ ное сопротивление резанию

где h — глубина резания и ft — ширина резания.

В результате обработки данных нескольких тысяч опытов было получено, что усилие резания Р зависит линейно от глубины h ре­

т. е. можно принимать т ж0,5.

Величина коэффициента Л, характеризующая физическое состоя­ ние мерзлых грунтов, определяется по графику, построенному в ко­ ординатах In Р и In ft (рис. 90) и соответствует усилию Р для про­ филей шириной ft = l см, отражая сопротивляемость резанию раз­ личных мерзлых грунтов одинаковыми профилями.

Опыты также показали, что величина удельного сопротивления резанию k кГ/см2 зависит от суммарной влажности мерзлых грун­ тов Wc, причем максимальное удельное сопротивление резанию (так же, как и сопротивление сжатию) мерзлых грунтов соответствует со­ стоянию полного заполнения пор грунта льдом; дальнейшее же уве­ личение .влажности несколько уменьшает его.

На рис. 91 приведены удельные сопротивления резанию fe, близ­ кие по величине к максимальному их значению, для различных мерзлых грунтов в зависимости от величины их отрицательной тем­ пературы —0.

Наибольший рост удельного сопротивления резанию мерзлых грунтов (так же как и других их сопротивлений) наблюдается в об-

Рис. 89. Зависимость усилия резания для супеси Р от

ласти значительных (интенсивных) фазовых переходов воды в лед, т. е. при температурах примерно от 0 до —5° С, причиной чего сле­ дует считать преимущественно увеличение льдистости мерзлых грун­ тов (или уменьшение содержания незамерзшей воды) при пониже­ нии отрицательной температуры; при температурах же от —5 до —40° С и ниже, как справедливо отмечает А. Н. Зеленин, прочность резанию мерзлых грунтов определяется не только уменьшением со­ держания незамерзшей воды, но и упрочнением кристаллической ре­ шетки льда, так как твердость (а следовательно, и прочность) мо­ нокристаллов льда (не содержащих незамерзшей воды) возрастает с 2—3 по шкале Мооса (при температуре 0= —3°С до 4 (при 0= = —40°С) и 6 (при 0= —78°С).

Высказанное положение, которое нами более подробно обсужда­ лось в предыдущих параграфах настоящей главы, не вызывает сом­ нений, но требуются количественные уточнения, так как свойства порового льда при понижении отрицательной температуры мерзлых грунтов еще недостаточно изучены.

Зависимость удельного сопротивления резанию мерзлых грун­ тов k от величины отрицательной температуры —0 по-прежнему

где п — показатель степени для всех видов мерзлых глинистых грун­ тов (глин, суглинков, супесей), по исследованиям А. Н. Зеленина, равный п = 0,5, а для мерзлых песков /г~0,25; В — параметр, опре­

удельного сопротивления мерзлых грунтов резанию k кГ/см2 в со­ поставлении их с числом ударов С стандартного ударника ДорНИИ, т. е. с числом ударов, необходимых для углубления в грунт на глу­ бину 10 см цилиндрического стержня с углом заострения р=180° и площадью 1 см2 при падении груза весом 2,5 кГ с высоты 0,4 м, показал, что между величинами k я С существует пропорциональ­ ная зависимость, что очень важно, так как позволяет с помощью весьма несложного динамического испытания мерзлых грунтов ударг ником определять величину удельного сопротивления резанию мерз­

лых грунтов.

Отметим, что при испытании мерзлых грунтов более удобным (сокращающим .время испытаний) оказался ударник с площадью цилиндра /7= 0,5 см2 и углом заострения р= 30°, показания которого (для большей общности выводов) переводились в стандартные по­ казания ударника ДорНИИ по установленной эмпирической зависи­ мости: С=2,85С/ (где С — число ударов стандартного ударника и С' — число ударов с вышеописанным наконечником для мерзлых

грунтов).

Исследования также показали, что разрушения мерзлых грунтов следует производить способами, при которых преобладают напря-

жения разрыва, а энергоемкость разработок мерзлых грунтов будет минимальной, если применять скол узким клином с отрывом.

На основании результатов нескольких серий опытов с мерзлыми грунтами при достаточной (не менее чем четырехкратной) их пов­ торности А. Н. Зелениным составлена шкала сопротивляемости мерзлых грунтов резанию, в сокращенном виде (для двух мерзлых грунтов), приведенная в табл.24.

Шкала сопротивляемости резанию мерзлых грунтов построена по двум показателям: 1 — по числу ударов С ударника ДорНИИ и 2 — но удельным сопротивлениям резанию k (эталонного режущего инструмента с шириной Ь = 3 см, углом заострения р=180° и углом резания сс = 90°).

На основании результатов произведенных экспериментальных исследований сопротивления резанию мерзлых грунтов для опреде­ ления усилия резанию Р (в случае применения экскаваторов и тя­ гачей с двигателями мощностью в 50 л. с. и более и возможности применения их для непосредственного резания мерзлых грунтов ре­

где С — число ударов динамического плотномера с цилиндрическим наконечником площадью 1 см2; Д — коэффициент затупления, рав­ ный для слегка затупленного рабочего органа 1, для острого — 0,85 и возрастающий по мере увеличения износа до 2.

Величина С берется из табл. 24, величинами h и b — задаются конструктивно (причем при h/btv 3 форма наконечника не оказыва­ ет существенного влияния на усилие резания), а величина Д должна уточняться опытным путем на месте работ.

Приведенные данные являются основой для расчета усилий ре­ зания мерзлых грунтов в различных условиях.

§ 6. Величины критических и расчетных сопротивлений мерзлых грунтов

Величины критических сопротивлений мерзлых грунтов опреде­ ляются аналитическим расчетом по зависимостям, вытекающим из теории предельного напряженного состояния грунтов.

Как было рассмотрено в § 3 настоящей главы, уравнением пре­ дельного напряженного состояния мерзлых грунтов при не очень больших давлениях (до 10—20 кГ/см2) может служить линейная за­ висимость предельного (разрушающего) сопротивления сдвигу от нормального давления (формула IV.4), т. е.

где со/— сцепление мерзлых грунтов, зависящее (в отличие от грунтов немерзлых) как от величины отрицательной температуры

—0°С, так и от времени действия нагрузки t, причем при действии постоянной нагрузки должна учитываться релаксация сопротивле­ ния мерзлых грунтов, и в расчетах приниматься предельно-длитель­ ная величина сцепления сдл; cp0i ( — коэффициент внутреннего

трения, величина которого также зависит от отрицательной темпе­ ратуры —0 и времени и в расчетах предельной нагрузки должно учитываться его предельно-длительное значение срдл; р — величина внешнего давления, кГ/см2.

Таким образом будем иметь

расч Хир = сы + 1g <?ллр. (IV .4')

Как уже отмечалось ранее, для мерзлых и вечномерзлых грун­ тов, особенно глинистых, превалирующее значение в общем сопро­ тивлении сдвигу имеет сцепление, которое для них в десятки раз больше, чем для грунтов немерзлых; величина же коэффициента внутреннего трения tgcp для высокотемпературных мерзлых грун­ тов, особенно при длительном действии нагрузок, имеет значитель­ но меньшее значение. Поэтому дисперсные мерзлые грунты при величине угла их внутреннего трения <р, меньшем примерно 20° (см. ниже), можно рассматривать как идеально связанные материалы и при определении предельной нагрузки не учитывать их сопротив­ ление трению, что идет в некоторый запас и значительно упрощает все расчеты, не внося сколько-нибудь недопустимых .погрешностей. Это тем более законно, что величина сил сцепления, определяемая по методу шаровой пробы, как указывалось ранее, учитывает не только сцепление, но, косвенно, и трение грунта.

При определении критических сопротивлений мерзлых грунтов следует различать два критерия: 1— начальную критическую на­ грузку нач ркр, при которой еще не возникает в грунте под фунда­ ментами сооружений опасных пластических течений (зон предельно­ го равновесия) и 2 — предельную критическую нагрузку на грунт пред рКр, исчерпывающую несущую способность мерзлых грунтов, при достижении которой возникает прогрессирующее течение грун­ та, приводящее его к разрушению или к полной потере устойчи­ вости.

Начальная критическая нагрузка (критическое давление на грунт) при действии равномерно распределенной полосовой на­ грузки, в случае плоской задачи определяется исходя из следую­ щих соотношений.

Если же сдвигающее напряжение станет больше сцепления грунта в данной точке, то в ней возникнет площадка сдвига, а ряд следующих друг за другом площадок образует зону сдвигов (об­ ласть предельного напряженного состояния).

В случае плоской задачи имеем:

где а1 и главные напряжения: максимальное и минимальное. При действии на грунт полосообразной равномерно распреде­ ленной нагрузки р главные напряжения будут определяться из­

вестными выражениями:

3i= -^ (2 P + sin 2Р)

02= — (2Р— sin 2Р)

Я

Рис. 92. Схема действия полосообразнон нагрузки в случае плоской задачи

Очевидно, что минимальное значение критического давления для рассматриваемого случая будет тогда, когда sin 2р = 1. Это давление соответствует начальному возникновению зон скольже­ ния в грунте под краем площади загрузки, которое назовем нач/^кр-

Тогда будем иметь *

* В. Г. Б е р е з а н ц е в . Сопротивление грунтов местной нагрузке при по­ стоянной отрицательной температуре. Сб. 1 «Материалы по лабораторным иссле­ дованиям мерзлых грунтов под руководством Н. А. Цытовича». Изд-во АН

СССР, 1953.