книги из ГПНТБ / Скотников В.А. Основы теории проходимости гусеничных мелиоративных тракторов [учеб. пособие]

ным отрезком кривой нагрузка — осадка (см. рис. 2.15). Когда нагрузка превысит некоторое критическое значение, в торфяном грунте возникают необратимые структурные деформации среза по периметру штампа и сжатие грунта под штампом. В резуль­ тате этого непосредственно под штампом начинает образовывать­ ся уплотненная зона грунта, физико-механические свойства (плотность, влажность) которого изменяются. Зависимость меж­ ду нагрузкой и деформацией становится нелинейной.

Таким образом, торфяной грунт в отличие от минеральных работает на срез и сжатие, а следовательно, деформация должна зависеть от формы и раз­ меров штампа, что подтверждается результатами исследований (рис. 2.4).

Как видно, деформация торфяного грунта по мере роста от­ ношения периметра штампов и их площади уменьшается.

Интересно отметить, что при удельных давлениях до 0,5— 0,6 кг/см2 наблюдается прямая зависимость между осадками штампа и отношениями периметра его к площади. При давлениях свыше 0,5—0,6 кг/см2 прямолинейный характер зависимости на­ рушается, что может быть объяснено образованием уплотненно­ го ядра под подошвой штампа.

50

После образования уплотненного ядра осадка будет в ос­ новном определяться способностью торфяного грунта сопротив­ ляться внедрению в него плотного ядра, т. е. деформацией вязкопластичного течения.

В заключение следует отметить, что описанная схема раз­ вития осадок торфяных грунтов до некоторой степени условна. Фактически все перечисленные факторы, обусловливающие ха­ рактер развития деформаций, действуют одновременно. Однако на определенных стадиях деформирования преобладающее зна­ чение имеют те или иные явления, которые в основном и опреде­ ляют величину осадки штампа.

§ 2.3. Виды деформаций торфяных грунтов

Проведенные многочисленные экспериментальные исследо­ вания по вдавливанию плоских и сферических штампов показа­ ли, что в торфяных грунтах под действием нагрузки имеют место

в результате вытеснения воды и воздуха. Следствием этого про­

рушения внутренних связей. Явление релаксации сил сцепления, как показано выше,, приводит к снижению сопротивления торфя­ ных грунтов нагрузкам при длительном их воздействии.

В зависимости от того, какой процесс в торфяном грунте 'бу­ дет преобладать, в нем будет иметь место либо деформация уп­ лотнения, либо деформация вязкопластического течения (ползу­ честь), обусловленная сдвигами твердых частиц.

Если нагрузка на грунт не превышает определенного преде­ ла (так называемый предел длительной прочности), то расслаб­ ление компенсируется упрочнением и деформация затухает. Если же расслабление не компенсируется упрочнением —- развиваются деформации вязкопластического течения, вызывая со временем полное нарушение условий прочности торфяного грунта.

торфяных грунтов, деформация последних может быть разде­ лена на следующие виды.

а также упругим сжатием воды и воздуха, содержащихся в тор­ фе. Эта деформация может рассматриваться как упругомгновенная (ещ.,,), возникающая сразу же после приложения на­ грузки и исчезающая после снятия ее (рис. 2.5).

Упругая деформация торфа в основном зависит от его бо­ танического состава, степени разложения и влажности. С ростом

•9

51

степени гумификации торфа упругая деформация при прочих равных условиях падает.

С т р у к т у р н о - о б р а т и м а я (а д с о р б ц и о н и а я) д е- ф о р м а ц и я обусловлена изменением толщины водных пленок в контактах между твердыми частицами под действием прило­ женного внешнего давления. Эта деформация может рассмат­ риваться как эластическая (еэ) часть деформации упругого по­ следствия, развивающаяся во времени и исчезающая в резуль­ тате расклинивающего действия тонких пленок воды.

б

торфа, т. е.' изменением строения, сопровождающимся умень­ шением пористости и влажности торфяного грунта. Эта дефор­ мация протекает во времени, полностью необратима и может рассматриваться как остаточная часть eQ деформации послед­ ствия

во времени и может рассматриваться как вязкопластическое те­ чение ет , возникающее при давлениях (напряжениях), больших предела длительной прочности рлп- С течением времени нараста­ ние пластической деформации приводит к разрушению структу­ ры торфа, что соответствует переходу в стадию прогрессирующе­ го течения, которая заканчивается полным разрушением торфя­ ного грунта.

Безусловно, каждая из рассмотренных деформаций не про­ текает отдельно —они сопутствуют друг другу. Однако в зависи­ мости от величины и времени действия нагрузки тот или иной вид деформации имеет первостепенное значение. Например, при кратковременном действии нагрузки (р < рм) доминирующее

52

значение имеет упругая деформация, с увеличением времени действия нагрузки — деформация уплотнения или структурнообратимая.

Точно также преобладающее значение той или иной дефор­ мации зависит и от ботанического состава, степени разложения и влажности торфа. Уменьшение влажности торфа при прочих равных условиях приводит к росту упругой деформации и умень­ шению остаточной.

§ 2.4. Развитие деформаций торфяных грунтов во времени

Процесс деформирования торфяных грунтов при вдавлива­ нии жестких штампов сопровождается рядом сложных явлений механического и реологического* характера, протекающих одно­ временно, но в зависимости от удельного давления', проявляю­ щихся не в одинаковой степени.

В табл. 2.1 приведены результаты опытных данных по ис­ следованию развития деформации торфяных грунтов во времени. Как видно, с увеличением давления на штамп характер разви­ тия деформаций во времени меняется. Например, для сосновопушицевого торфа при нагрузках до 0,22 кг/см2 условная ста-

* Реология •—-наука о текучести вещества, раздел физической механики. В широком смысле реология включает теории упругости и пластичности, вводя в основные закономерности время как независимую переменную.

53

•билизация осадки штампа (0,1 мм в сутки) была достигнута за период времени около 150 часов. При дальнейшем увеличении нагрузки наблюдается медленный рост деформации с постоянной скоростью, что свидетельствует о наступлении стадии вязкопластического течения. Аналогичные результаты получены и для других торфяников.

Таким образом, в общем случае для торфяного грунта в за­ висимости от его состояния и нагрузки могут иметь место три случая развития деформаций во времени (рис. 2.6):

1) когда осадки стремятся к некоторой конечной стабилизи­ рованной величине, т. е. скорость деформации стремится к нулю;

2)когда осадки могут развиваться длительное время, при­ чем начиная с некоторого момента времени скорость деформа­ ции приобретает постоянное значение;

3)когда скорость деформации увеличивается во времени, •что свидетельствует о появлении прогрессирующего течения.

Если на кривых зависимости осадки от времени отметить, время начала перехода в стадию прогрессирующего течения (рис. 2.6), то, соединив эти точки плавной кривой, получим так называемую кривую длительной прочности. На кривых длитель­ ной прочности (рис. 2.7) можно отметить такие характерные точки (по С. С. Вялову):

а) м г н о в е н н а я п р о ч н о с т ь рыт, т. е. давление (на­ пряжение), вызывающее разрушение при мгновенном приложе­ нии нагрузки (теоретически со скоростью звука). Практически загружение производится более медленно, и поэтому в результате испытаний определяется лишь условно-мгновенная прочность;

Длительная прочность может быть использована при расче­ те (по условию прочности) торфяного грунта на воздействие

S4

кратковременных нагрузок (например, при расчете про­ ходимости болотоходных тракторов); предел длительной прочности — при воздействии нагрузок в течение очень длитель­ ного периода.

Опыты показывают, что для торфяных грунтов условномгновенная прочность в 3—4 раза больше предела длительной прочности.

§ 2.5. Распределение напряжений в торфяных грунтах

Чтобы определить деформации массива грунта и осадки болотоходных тракторов, необходимо знать, как изменяются на­ пряжения в торфе при действии на него внешних сил. Определе­

ча •— основная'в теории распределения напряжений в грунтах.

Вывод Буссинеска основан на допущениях: во-первых, ма­ териал деформируемого полупространства подчиняется закону Гука, и, во-вторых, перемещение каждой точки М грунтового массива зависит от расстояния R до точки приложения силы Р и полярного угла р (рис. 2.8). С учетом этих допущений пере­ мещение точки М по направлению радиуса R выразится следую­ щей формулой:

cos |3

(2-2>

где s — радиальное перемещение точки М; А — коэффициент пропорциональности.

55

Перемещение точки М ь удаленной от силы Р на величину

Я + dR,

где oR — нормальное радиальное напряжение в точке М, дей­ ствующее по площадке п—п (рис. 2.9, а);

В— коэффициент пропорциональности.

ар

R /У

6г /

/г

'г

Вис. 2.9. Радиальное напряжение и вертикальная состав-

"ляющая напряжений в точке М.

Чтобы определить коэффициенты пропорциональности, со­ ставим уравнение равновесия части массива грунта, ограничен­ ной шаровым сечением радиусом Л' (сумма проекций сил на ось z, рис. 2.10):

56

При решении ряда задач механики грунтов особо важное значение имеет вертикальная составляющая напряжений, т. е.

Как видно из выражения (2.8), вертикальная составляющая напряжения от сосредоточенной силы Р, приложенной к поверх­ ности грунтового массива, не зависит от характеристик линейнодеформируемой среды (модулей упругости), а следовательно, применима для любых однородных грунтов. Вблизи точки при­ ложения силы (R-^О) сжимающие напряжения достигают очень большой величины, а в. грунте массива возникают пластические деформации. Поэтому некоторая область около точки приложе­ ния силы не должна рассматриваться и напряжения для прак­ тических целей следует определять только на некотором расстоя­ нии от точки приложения силы Р.

Выражению (2.8) можно придать иной вид, заменив в нем радиус R через координаты точки М (рис. 2.9, а) согласно ра­

58

2"

Коэффициент зависящий от отношения координат r/z, приведен в табл. 2.2.

Полученная зависимость (2.10) для определения вертикаль­ ной составляющей oz в точке грунтового массива, как отмеча­ лось выше, — основное решение задачи распределения напря­ жений в грунтах. Она служит для расчета изменения напряже­ ний в грунтовом массиве при различных нагрузках на поверхности грунта. Например, если приложено несколько сил (рис. 2.11), то напряжение в точке М грунтового массива опре­ деляется методом суммирования, используя принцип независи­ мости действия сил

59