книги из ГПНТБ / Булычев, В. Г. Механика дисперсных грунтов

1. Предварительное кипячение грунта в воде

значительно

уменьшает объемное сжатие грунтовой массы, что

может

быть объяснено удалением в процессе кипячения

основной

массы мелкодисперсного и растворенного воздуха.

2. Наличие значительной разницы между кривой

тарировки

димому, результатом

либо

объемного сжатия самого

скелета

глины

(что противоречит принципу Терцаги-Герсеванова) ли­

бо присутствия

в скелете

воздуха (газа) даже после кипяче­

ния. Используя

данные о грунте,

а также известные формулы:

3 (1

- 2

П

}

(109)

Fo =

ß

где

ß

-

см. формулу

(9 5 ),

нетрудно

определить

модули

Е0 грунта

(соответственно без

кипячения

и после

кипяче­

ния):

Е0

= 1Q1

кГ/см^;

Er,

~ 128 0 кГ/см^.

У Г.Б.К.

и Г.П.К.

Характеристики грунта

(юрской глины)

до опыта таковы:

Влажность........................................

ИЛ=29,1%

Объемный в е с ................................

&,=1,7Я%

Удельный в е с ...............................

У =2,81

Пористость

......................................

п =50,9%

Гранулометрический

анализ в %:

0,5

> 0 , 0 5 ........................................

0 ,5 - 0 ,0 0 1 ............................

35,5

< 0 , 0 0 1

.......................................

4 4 ,8

с о л е й .........................................

19,2

1. Общие соображения

Необходимость определения физико-механических

свойств

грунтов диктуется стремлением установить главным

образом

прочность этих грунтов и взаимосвязь давления

и

деформа­

ции. Если бы мы имели дело с однородным упругим

матери­

алом, то для установления этой взаимосвязи

целесообраз­

нее было бы исходить из известных положений

сопротивле­

ния материалов. Иначе говоря, в этих случаях

достаточно

Другое дело, когда исследуемым материалом

является

грунт. Как и ряд других материалов (бетон, дерево),

грунт

неполностью подчиняется закону Гука, а установление

его

механических свойств, как упругопластического

материала,

иости грунт может находиться в различном состоянии,

пере­

ходя из одного состояния в другое по мере изменения

соот­

ношения его фаз.

Таким образом, при установлении механических

свойств

грунтов в обычных лабораторных условиях нельзя

ограни­

читься непосредственным определением зависимости

дефор­

маций от давления. Однако при применении метода

центро­

бежного моделирования часто оказывается возможным

отка­

Как мы увидим ниже, этот метод центрифугирования

грун­

тов применим для решения сложных задач, требующих

при

других способах исследования определения многих

физико­

механических и даже физико-химических характеристик.

По мнению проф.

Покровского,

идея центробежного

моде­

лирования возникла

еще в 1 9 3 2 г.

одновременно

(но совер­

шенно независимо)

у трех авторов - инж. Бекки (США),проф,

осталась невыполненной. Та же идея, воплощенная

проф.

Покровским в определенной конструкции машины, нашла

при­

менение

в различных организациях нашей страны. Проф. Пок­

ровским

создана также теория центробежного моделироваі ня,

2. Теоретические предпосылки

При рассмотрении основных условий моделирования-*-

де­

формаций и напряжений в грунте ограничимся случаем,

когда

того, будем считать все силы

постоянными

во времени. Эти

условия позволяют изобразить

действующее

в

произвольной

Уменьшая модель сооружения в

п

раз, согласно

преды­

дущему,

полупим:

Н

SM

или

H S и = —

nSn

S h„

(1 1 4 )

Применив выражения (113) и

(114), полупим:

откуда

ПРЗ = Р а ■>

J-

(115)

a = n g ,

где

П —масштаб моделирования.

вило. моделирования можно формулировать следующим

обра­

зом:

объемные силы, действующие на модель сооружения на

грунтовом основании, должны превосходить силу

тяжести

во столько раз, во сколько модель меньше сооружения.

Поместив модель в центрифугу с вертикальной

осью

вра­

щения, можно определить велипину суммарного

ускорения,

действующего на данную топку модели, по формуле:

я=)А§-1 ч-а/*/?г

(116)

где

(JlR - ускорение вращательного движения;

R - расстояние данной топки от оси вращения;

СО —угловая скорость.

Однако в свою опередь знапительное уменьшение

модели

приводит к росту ошибок наблюдений, тогда как

увелинение

Г сильно удорожает стоимость машины, Таким образом,

вы­

бор подходящих размеров машины представляет собой

слож­

ную задапу. Все же на основании опыта можно сказать,

пто

оптимальным следует спитать радиус центрифуги

2 -3

м.

Теоретически, анализируя специальные условия

моделиро­

вания сооружений на грунтовом основании, проф.

Покровский

приходит к следующим выводам.

1. В грунте, помещенном в центробежную машину,

высота

капиллярного поднятия

воды

ha во столько

раз

меньше

поднятия воды в действительности

h

, во сколько

раз

мо­

дель меньше действительного сооружения, т. е.

Следовательно, весь сложный комплекс явлений,

происхо­

дящих в грунте из-за наличия в нем капиллярной воды,

на

центрифуге воспроизводится

правильно.

2. Для того чтобы увеличение плотности воды,

находящей­

ся в местах контакта частиц грунта, не изменило

сил сцеп­

ления, а следовательно, и свойств грунта, необходимо

со­

блюдать следующее соотношение размеров частиц с

масшта­

бом моделирования:

Радиус

частиц г

0,1

0 ,0 1

0 ,0 0 1

0 ,0 0 0 1

0 ,0 0 0 0 1

Масштаб моделей п 4 7 0 4 7 0 0

47 0 0 0

4 7 0

0 0 0

4 700 00 0

3.

Трение грунта

о стенки подвешенной

к центрифуге

ка­

ретки не только не

приносит вреда,

но может быть

весьма

полезным, так как приближает условия опыта к действитель­

ности.

При описанных условиях все процессы, связанные

с

4 .

п

раз,

т. е.

ta =

п 1

(1 1 9 )

t

Где

-

время,

необходимое

для продвижения воды

в

tQ-

грунте

моделируемого сооружения;

время,

необходимое для продвижения

воды

в

грунте

модели сооружения при центрифугирова­

нии с

масштабом

п .

5.

Необходимо, чтобы грунт в действительности и

грун

в модели были одинаковы. Многих приводит в смущение,

что

при этом естественные размеры частиц грунта

будут

масш­

табно несоизмеримы с размерами модели, т. е.

частицы

бу­

дут как бы непомерно увеличены. Эти опасения

неоснова­

тельны, так как, применяя центробежную силу,

мы изменяем

только свойства, зависящие от масштаба всего

сооружения,

свойства же грунта, обусловленные размерами частиц,

оста­

нутся тождественными в действительности и в

модели.

3.

Конструкция центробежной машины для

моделирования

Ниже описывается конструкция одной из наиболее

распро­

страненных центробежных машин (рис. 88).

Мощный электромотор А

соединен с

коробкой

скорос­

тей

Б .

От

коробки скоростей к дифференциалу идет

кар­

данный вал

В .

Дифференциал вместе

с вертикальным

ва­

лом

Г

жестко

укреплен на

массивном

бетонном полу

мощ­

ными металлическими швеллерами.

' ^

ги с радиусом

R = 1 м

могут давать до 360 об/мин. Мас­

штаб моделирования такой машины будет равен

примерно

140, а следовательно, соответствующий масштаб

времени

равен 20 0 0 0 ,

т. е. 1 мин

становится эквивалентной

14

суткам.

Если соотношение сил дать с точностью до 0,1

их величи­

ны, то размер

модели не должен превышать + 0,1

R

, т. е.

Одним из приложений метода центробежного

моделирования

может служить определение угла естественного откоса

грун­

та.

Для этого исследуемый грунт помещается в каретку цент­

робежной машины так, чтобы, вращая последнюю, можно

бы­

ло развить значительные центробежные силы, которые

и

должны вызвать обрушение. Абсолютное значение этих

сил,

как известно, определится соотношением:

,

(

120)

г \

гд е

/77

-

м асса и ссл е д уем о го гр у н т а ;

V

-

о круж н ая с ко р о с т ь вращ ения;

R -

радиус вращ ения (до центра т я ж е с т и гр у н т а

в

к а р е т к е ) .

Следовательно, центробежная сила будет равна

С~ 4 Т к 1-

(123)

h y g w = с

или

, 4 i r l k l Rh

(124)

п. ------------------ .

Обычно масштаб моделирования определяется

измерением

числа оборотов и соответствующим подсчетом.

Но в данный

В настоящее

время метод центробежного моделирования

получил всеобщее

признание и в ряде советских научно-ис­

которые позволяют решать самые сложные задачи

статичес­

кого и динамического моделирования грунтовых

оснований,

работающих в разнообразных условиях. Метод

центробежного

моделирования был успешно применен для решения

вопросов

устойчивости высоких насыпей и глубоких выемок,

деформа­

ций горных пород в подземных выработках, определения

оса­

док фундаментов во времени и с учетом сложных

гидрогео­

логических условий. В последнее время центробежное

моде­

лирование применялось для оценки несущей

способности

грунтов лунной поверхности. Современные данные по

этим

вопросам излагаются в следующих работах:

П о к р о в —

с к и й Г.

И., Ф е д о р о в И , С.

Центробежное

модели­

рование в строительном деле. Стройиздат, М.,

1968; П о к ­

р о в

с к и й Г. И., Ф е д о р о в И .

С. Центробежное

мо­

делирование в горном деле. "Недра", М., 1969;

Ч и ж и ­

к о в

П. Г.

Исследование прочности и деформируемости сис­

темы фундамент - грунт. Труды ЦНИИС. "Транспорт".

М.,

1935;

Ч е р к а с о в И. И.,

Ш в а р е в В. В.

Начала

грунтоведения Луны. "Наука".

М., 1 9 7 1 . (Прим, ред,).

Как известно, дисперсные системы могут быть в

различ­

ном состоянии в зависимости от соотношения фаз,

составля­

ющих систему. В практике наблюдается четыре

состояния,

которые и рассматриваются

в книге: 1) однофазная система;

2) двухфазная система

(№

1); 3) трехфазная система;

4)

двухфазная система (№

2).

Однако эти состояния

будут

анализировано трехфазное

состояние.

О д н о ф а з н а я

с и с т е м а .

Практика

показы­

вает, что дисперсные минеральные грунты и торф,

состоящие

в основном из скелета, всегда содержат в лорах этого

ске­

лета некоторое количество воды. Однако в однофазном

грун­

те количество влаги настолько ничтожно

(сухой песок,

раз­

дение этой системы при воздействии на нее внешней

на­

грузки.

ления (без возможности бокового сдвига) 1, то

наступят

де­

формации, распространяющиеся очень быстро (со

скоростью

звука) в данной системе. По мере увеличения давления

де­

формации будут возрастать. Естественно, что с

увеличением

давления система уплотняется, модуль сжатия возрастает,

а

объем дисперсной системы будет стремиться к своей

асимп­

тоте, т. е. к величине объема скелета грунта. Как

известно

из механики грунтов, сжатие самого скелета грунта

практи­

чески можно считать равным нулю. Компрессионная

кривая

для данного случая представлена в общем виде

на

рис. 89,

при этом объем дисперсной системы до начала

деформации

принят равным 1.

П о к р о в с к и й Г. И. и Б у л ы ч е в

В. Г. Труды

БИОС. Сб. № в, 1 9 3 5 .

Увеличение модуля сжатия следует отнести за

счет

увели­

чения площади контакта частиц системы друг с другом

при

сжатии. Если так, то при увеличении сжатия нагрузка

рас­

пределяется на все большую и большую площадь,

а

следова­

тельно, для получения постоянного приращения

деформации

необходимы все большие и большие приращения силы.

Из­

вестными работами проф. Покровского и проф. Лалетина^

до­

казано, что для относительно малых нагрузок в первом

при­

ближении можно считать, что площадь взаимного

контакта

частиц таких систем находится в линейной зависимости

от

действующего давления.

На основании сказанного можно считать, что

приращение

деформации

dS

, происходящее

от

возрастания давления

на

величину

d P

, должно

быть

обратно пропорционально

вели­

чине а (

Р

+ с

), где

а

и

с

- постоянные,

Р —

давление.

Можно поэтому записать

d S

d P

(125)

= а ( Р * с )

Если все. изложенное отнести к единице объема

системы,

то

модуль сжатия

£~0 определяется

так:

Е0 -

d P

= а ( Р + с) .

(126)

d S

Следовательно, модуль сжатия системы должен

возрастать

с

увеличением давления

Р . Кроме того, такая

система

не является линейно-деформируемой

и, более того,

не может

П о к р о в е

к и

й Г.И. и Л а л е ' т и н Н.В.

Труды

ВИОС. Сб. № 6, 1930;

сб. № 34,

1 9 3 1 .