книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

уделено необходимое внимание в исследованиях, проводившихся в по­ следние годы в Ленинградском филиале Союздорнии.

Процессы деформирования грунта и дорожных одежд при повтор­ ном нагружении изучались в лаборатории, на экспериментальной кольцевой дорожке, а также непосредственно на дорогах с помощью передвижной испытательной установки Союздорнии.

§11.2. Закономерности деформирования грунтов

Влаборатории испытывали суглинистые, супесчаные и песчаные грунты. Образцы грунта различной влажности и плотности приготав­ ливали в цилиндрических формах размером 20 X 20 см [39].

Различные по величине местные повторяющиеся нагрузки при­ кладывали через штамп с помощью автоматизированного рычажного пресса [39]. Была возможность менять время действия нагрузки и интервалов между нагрузками. Меняли также скорости роста напря­ женного состояния (скорости нагружения).

Полную и остаточную деформации в процессе испытания замеряли с помощью индикаторов часового типа. В отдельных опытах изменение во времени величины нагрузки и вертикального смещения штампа фик­ сировали на ленте осциллографа.

При многократном воздействии на грунт местных нагрузок возмож­ ны следующие две принципиально отличные закономерности деформи­ рования [41]: а) сравнительно небольшие остаточные деформации на­ капливаются лишь на начальном этапе нагружения; затем.накопленная деформация стабилизируется, после чего возникают лишь практически полностью обратимые вертикальные смещения (кривая 1 на рис. I I . 1); б) на протяжении всего периода нагружения остаточная деформация

50

Возникающие в процессе дальнейшего повторного нагружения обратимые деформации обусловлены главным образом явлениями на контактах пленок в той или иной степени связанной воды на частицах грунта. Упругие деформации минеральных частиц при имеющих место напряжениях пренебрежимо малы.

краткости с т а д и е й о б р а т и м ы х д е ф о р м а ц и й . По ана­ логии с существующим понятием в материаловедении такое состояние можно рассматривать как длительную прочность грунта при повтор­ ном нагружении.

С увеличением нагрузки (либо с изменением режима повторного нагружения), когда сдвигающее напряжение в наиболее напряженной области массива достигает величины сопротивления грунта сдвигу, здесь возникают пластические смещения. Анализ напряженного сос­ тояния линейно-деформируемого полупространства под действием местной осесимметричной нагрузки показывает, что"предельное рав­ новесие достигается прежде всего под центром нагруженной площади на некоторой глубине от поверхности. С дальнейшим ростом величины повторной нагрузки либо с увеличением числа приложений нагрузки, величина которой превышает предельную по условиям сдвига, зона, охваченная пластическими смещениями, расширяется, а на поверх­ ности массива прогрессирующе накапливаются остаточные деформа­ ции. Наконец, после определенного числа нагружении наступает разрушение (3, рис. II.1), внешне аналогичное разрушению грунта под

случаях непосредственно вслед за стадией обратимых деформаций на­ ступает упруго-пластическая стадия, заканчивающаяся разрушением.

Как правило, после образования сравнительно небольших дефор­ маций, вызванных пластическими смещениями, дальнейшее накопле­ ние осадок прекращается, после чего под действием повторных нагру­ зок той же величины вновь возникают лишь практически полностью обратимые деформации (2, рис. II.1).

Имеющиеся результаты исследований в лаборатории и на дорогах позволяют следующим образом объяснить это явление.

В период, когда пластическая область в грунте под действием повторных нагрузок лишь начинает развиваться, в какой-то мере пере­ распределяются и напряжения в массиве. На определенной стадии нагружения наступает момент, когда при действующей местной пов­ торяющейся нагрузке устанавливается равновесие на периферии пла­ стической области между сдвигающими напряжениями и сопротив­ лением грунта сдвигу. После этого дальнейшее развитие пластической области прекращается и как следствие стабилизируется величина накопленной деформации на поверхности. В последующем грунт работает под действием местной повторяющейся нагрузки данной

величины в стадии лишь обратимых деформаций. Это явление названо нами вторичным упрочнением грунта при многократном нагружении,

гружении определяются рядом факторов. Помимо свойств и состояния грунта влияют относительная величина действующей нагрузки, а также режим повторяющегося нагружения.

Несмотря на резко различные абсолютные величины повторяющих­ ся нагрузок, разный состав испытывавшихся грунтов и очень широкий диапазон влажностей, относительные значения повторяющихся на­ грузок по отношению к нагрузке, вызывающей разрушение грунта

Так, грунт работает, как правило, в стадии обратимых деформаций под действием повторяющихся нагрузок, не превышающих (0,3— 0,35) Р с т . При повторяющихся нагрузках до (0,45—0,6) Р с т возни­ кают малые пластические деформации и достигается вторичное упроч­ нение. И, наконец, под действием более высоких нагрузок грунт пере­ ходит в упруго-пластическую стадию деформирования, завершающую­ ся разрушением.

Из указанного следует, что как при однократном, так и при много­ кратном нагружении поведение грунта определяется в основном одним и тем же критерием — величиной сопротивления грунта сдвигу. Указанные здесь относительные величины повторяющихся нагрузок, под действием которых грунт работает в той или иной стадии деформи­ рования, получены при испытании грунта местным нагружением на ав­ томатизированном лабораторном прессе при длительности каждой на­ грузки 6 сек и интервалах также 6 сек. Многократные нагрузки при­ кладывали безударно, но средняя скорость роста напряжений была достаточно высокой — от 10 до 25 кГ/см2 в 1 сек. Статическое нагружение осуществляли возрастающими ступенями с выдерживанием каждой ступени до стабилизации деформации.

Выявилась особенность деформации при повторяющемся нагруже­ нии сильно увлажненных слабофильтрующих грунтов. При относи­

заполнены водой (объем воздуха составляет всего 1,5—2%), резко снижается сопротивление грунта повторяющимся нагрузкам. Пол­

действием повторяющихся нагрузок порядка 0,1 Р с т . В данном случае сказываются явления, связанные с быстрым приложением нагрузки к водонасыщенным грунтам.

Как известно [10, 47, 65 и др.], при внезапном нагружении пол­ ностью водонасыщенных слабофильтрующих грунтов создаются крайне неблагоприятные с точки зрения сопротивляемости грунта внешним нагрузкам условия. В первый момент основная часть нагрузки вос-

52

(0,55—0,60) Р с т переходит в упруго-пластическую стадию. При про­ межуточных по величине нагрузках имеет место стадия малых пласти­ ческих деформаций.

По мере снижения скорости приложения повторяющихся нагрузок наблюдается тенденция к росту длительной прочности грунта. Этот рост до скоростей нагружения 1—2 кГ/см2 в 1 сек слабо выражен, но по мере дальнейшего снижения скорости становится более ощутимым и, наконец, при скоростях порядка 0,2—0,3 кГ/см2, в 1 сек повторяю­ щееся нагружение по величине накопленной деформации за суммарно * одинаковый промежуток времени практически не отличается от дли­ тельно действующей нагрузки.

Исследования показали, что аналогичный характер зависимости длительной прочности от скорости приложения повторных нагрузок имеет место и при полностью водонасыщенных суглинистых грунтах, когда сказывается повышение давления в поровой воде (пунктирная линия на рис. П.2).

Влияние длительности действия нагрузок на закономерности де­ формирования изучали в лаборатории при испытании образцов грунта на рычажном прессе, а также на дорогах, где земляное полотно испыты­ вали с помощью передвижной установки Союздорнии [41, 48 и др.].

На рычажном прессе имелась возможность изменять время дей­ ствия нагрузки в небольших пределах — от 2 до 10 сек. Что касается передвижной установки, здесь осуществлялся автоматически любой режим нагружения длительностью каждой нагрузки от 0,2 до 1 сек и частотой от 1 до 15 циклов в минуту.

Грунт на дорогах испытывали штампом диаметром 50 см. Нагрузки прикладывались безударно, но с достаточно высокими скоростями — порядка, как показали осциллограммы, 5—30 кГ/см2 в 1 сек. Испыта­

54

Результаты исследования в лаборатории и на дорогах поведения грунтов под действием многократных нагрузок разной длительности, прикладываемых с различными интервалами по времени, показывают, что эти два фактора не могут, как правило, привести к изменению стадии деформирования грунта. Этот вывод во всяком случае справед­ лив для условий, в которых проводились опыты: время действия на­ грузок 0,2 сек и более и интервалы между нагрузками не менее 2 сек.

Однако время действия нагрузок, а также интервалы между ними существенно сказываются на величине накопленной осадки, когда грунт работает в упруго-пластической стадии деформирования.

Помимо испытания грунта повторяющимися нагрузками одинако­ вой величины, были проведены опыты, в процессе которых повторяю­ щееся нагружение осуществлялось переменными по величине нагруз­ ками. Имитировалось таким образом воздействие на грунт смешанного движения по дороге. Результаты этих испытаний сопоставляли с опы­ тами, проведенными на тех же грунтах, но нагружавшихся одинако­

показали, что конечное состояние грунта при комбинированном нагру­ жении определяется воздействием большей по величине нагрузки. Если под действием этой нагрузки грунт деформируется в упругопластической стадии, то и при комбинированном нагружении он будет работать в этой же стадии. Если грунт под действием большей по ве­ личине нагрузки работает в стадии обратимых или малых пласти­ ческих деформаций, меньшая нагрузка при комбинированном нагру­ жении не влияет практически ни на конечное состояние грунта, ни на величину накопленной к моменту упрочнения осадки.

Из изложенного следует, что нельзя говорить о степени агрес­ сивности повторяющихся нагрузок безотносительно к тому, в каких условиях осуществляется это нагружение. Характер возникающих

вданном случае процессов и результаты воздействия на грунт много­ кратных нагрузок зависят от многих факторов [3]. В зависимости от сочетания отдельных из них агрессивность повторяющихся нагрузок может разниться во много раз.

Сейчас сложилось общее мнение, что снижение в той или иной степени сопротивляемости грунтов повторяющимся нагрузкам объ­ ясняется прежде всего тиксотропными изменениями структуры связей

вводноколлоидных оболочках, окружающих минеральные частицы.

55

При медленном загружении смещение молекул в пленках в той или иной мере связанной воды происходит так, что силовое взаимодей­ ствие нарушается незначительно и сравнительно быстро восстанавли­ вается. Соответственно снижение сопротивления грунта силовым воздействиям невелико. При быстром изменении напряженного сос­ тояния весьма значительные нарушения связей между частицами грунта не успевают восстанавливаться в интервалах между нагрузка­ ми и прочность грунта существенно снижается.

Именно этим в основном объясняется повышение агрессивности многократных нагрузок с увеличением скорости нагружения и умень­ шением интервалов между нагрузками.

Чем более дисперсен грунт и чем выше влажность, тем интенсивнее сказываются отмеченные явления.

Говоря о характере взаимодействия на контактах оболочек в той или иной степени связанной воды, окружающих минеральные частицы в грунтовом массиве, нужно иметь в виду, что слой так называемой прочносвязанной воды, удерживаемый непосредственно на поверх­ ности минеральной частицы электростатическими, а также отчасти молекулярными силами, обладает очень высокой прочностью и упру­ гостью и весьма значительным сопротивлением сдвигу [59]. Естествен­ но, под действием напряжений в дорожных конструкциях этот слой практически деформироваться не может.

Поверх прочносвязанной воды расположена оболочка так назы­ ваемой рыхлосвязанной воды, структура которой обусловлена прежде всего взаимодействием сил молекулярного притяжения.

На границе прочносвязанной и рыхлосвязанной воды молекулы последней испытывают давление от 200 до 500 кГ/см2. По мере приб­ лижения к внешней границе этой оболочки силовое взаимодействие снижается, вследствие чего постепенно уменьшается и степень связ­ ности молекул. Рыхлосвязанная вода обладает также свойствами упругости. Верхняя граница рыхлосвязанной воды — понятие доста­ точно условное, так как здесь в той или иной степени связанная вода постепенно переходит в свободную (объемную) воду.

В свете изложенного механизм явлений при повторяющемся нагру­ жении грунтов, работающих в стадии обратимых деформаций, пред­ ставляется в следующем виде.

На начальном этапе нагружения происходит более плотная упа­ ковка частиц, увеличивается число контактов. Во взаимодействие вступает все большее количество пленок связанной воды. Как следствие грунт упрочняется и прекращается накопление осадок, обусловленных доуплотнением грунта. Поскольку возникающие под действием нагру­ зок сдвигающие напряжения в данном случае не превосходят сопро­ тивление грунта сдвигу, в дальнейшем каждая повторяющаяся на­ грузка вызывает лишь практически полностью обратимые дефор­ мации.

Величины возникающих в данном случае деформаций, а также усло­ вия развития их во времени позволяют утверждать, что эти деформации обусловлены в основном элементарными смещениями водных оболочек в местах контактов. Имеющиеся результаты исследований позволяют

56

Произведенные расчеты показывают, что в суглинистых грунтах, например, оболочки связанной воды сжимаются под действием нагру­ зок в среднем всего лишь на 1—3% общей их толщины. Причем отно­ сительное сжатие достигает более высоких значений по мере снижения влажности, поскольку при этом возрастает допустимая по условиям сдвига в грунте нагрузка. В песчаных грунтах относительное сжатие оболочек может быть в 2—4 раза большим благодаря резкому сокра­ щению здесь числа контактов между частицами.

Таким образом, обратимые деформации при нагружении упроч­ ненного грунта затрагивают в основном лишь поверхностные, наи­ менее структурированные слои водных оболочек, по своим свойствам сравнительно не очень сильно отличающихся от свойств свободной воды. Этим объясняется, что обратимые деформации протекают в дан­ ном случае с достаточно высокими скоростями.

Исследования показали, что при многократном нагружении грунтов, в том числе и упрочненных, существенно проявляются тиксотропные изменения структуры связанной воды. Замечено, что, если прекратить повторяющееся приложение усилия, подвергавшаяся местному нагружению поверхность грунта в течение некоторого вре­ мени смещается вверх на небольшую величину — происходит как бы эластическое восстановление. Величина этого смещения не превосхо­ дит обычно 10—20% имевшей место в процессе повторяющегося нагру­ жения обратимой деформации.

Если спустя некоторое время возобновить повторяющееся нагружение с тем же режимом, то под действием первых нескольких сотен нагрузок обратимая деформация оказывается несколько меньшей, чем до отдыха, и лишь в дальнейшем достигает первоначальной ве­ личины.

Таким образом, в процессе многократного нагружения частично нарушается структура периферийных водных оболочек. Вода смещается, в стороны от мест контактов, вытесняя или сжимая содержащийся в грунте воздух. За время отдыха нарушенная структура под дей­ ствием молекулярных сил восстанавливается и водные оболочки при­ ходят в первоначальное состояние. Следует отметить, что наблюдав­ шееся в опытах тиксотропное восстановление структуры во времени происходит по закону, близкому к логарифмическому.

По классификации П. А. Ребиндера уплотненные грунты, способ­ ность которых сопротивляться внешним воздействиям обусловлена силами молекулярного взаимодействия в местах контактов оболочек связанной воды, относятся к коагуляционным структурам. Закономер­ ность деформирования таких систем зависит от величины сдвигаю­ щего напряжения. Когда сдвигающее напряжение р < рк (рк — пре­ дел текучести), наряду с условно мгновенной деформацией сдвига воз никает также и эластическая деформация, так называемое упругое последействие. Пластическое течение в данном случае не возникает, и после снятия нагрузки вся образовавшаяся деформация исчезает. Под действием циклических нагрузок соответствующей величины та-

57

кая упрочненная среда работает в стадии практически полностью обратимых деформаций. П. А. Ребиндер указывает при этом [54 и др. ], что возможны случаи, когда при малых значениях р существенного упругого последействия не наблюдается и система ведет себя как иде­ ально упругое тело.

Вопрос о закономерностях развития эластической деформации во времени очень важен для правильного понимания явлений, проис­ ходящих в упрочненной дорожной конструкции. • От того, насколько быстро протекает этот процесс, зависят величина образующейся под действием кратковременной нагрузки деформации, расчетные зна­ чения модулей упругости грунта и материалов конструктивных слоев одежды1 и как следствие напряженное состояние слоистой конструк­ ции. Поэтому изучению закономерностей деформирования упрочнен­ ных грунтов и материалов во времени уделено в процессе исследования должное внимание.

При испытании циклическими нагрузками фиксировалось на ленте осциллографа с помощью специально разработанной аппаратуры2 изменение во времени величины нагрузки и деформации. Применяв­ шаяся аппаратура позволяла фиксировать течение во времени отдель­ ных процессов с точностью до 0,005 сек.

Все без исключения опыты, проводившиеся как в лаборатории при нагружении штампом диаметром 4—6 см, так и на дорогах, где нагрузка прикладывалась через штампы диаметром 25—50 см, по­ казали, что в упрочненных грунтах, работающих в стадии обратимых деформаций, равно как и в упрочненных водосвязных материалах — гравийных, щебеночных и т. п., эластическая деформация протекает с большими скоростями; соизмеримыми с имеющими место в дорожных конструкциях скоростями изменения напряженного состояния. Ука­ занный вывод справедлив, как показывают проведенные исследования, для грунтов различного гранулометрического состава и притом в ши­ роком диапазоне распространенных в дорожных конструкциях влажностей.

Высокие скорости обратимой деформации в данном случае объ­ ясняются тем, что деформации эти, как указывалось, связаны в ос­ новном с смещением на контактах лишь периферийных оболочек рыхлосвязанной воды, обладающей невысокой сравнительно вязкостью.

На рис. П.З представлен типичный характер изменения во времени нагрузки и деформации при циклическом нагружении. Испытывали с помощью передвижной установки Союздорнии суглинистый грунт

ным по П. А. Ребиндеру) модулем, а вычисленный по полной величине обратимой

58

-1

тысячами приложений той же нагрузки. Интервалы между нагруз­ ками — 5 сек. Средняя скорость роста напряжений в процессе нагру­ жения составляла в данном случае около 50 кГ/см2 в 1 сек, т. е. была в несколько раз большей, чем скорость роста напряжений в основа­

зависимость между нагрузкой и деформацией во времени на от­ дельных этапах нагружения и разгрузки. В начале нагружения наблю­ дается обычно отставание деформации, которое по времени не пре­ вышает чаще всего 0,01—0,02 сек, а по величине нагрузки 5— 10% от полной ее величины в опыте. Это качественно очень напоминает ана­ логичное явление в области фильтрации, получившее название на­ чального градиента фильтрации. Однако в данном случае оно вызвано, пр-видимому, частичным восстановлением структуры пленок связан­ ной воды в интервалах между нагружениями.

Далее, как видно на диаграмме, деформация развивается в общем пропорционально росту нагрузки и лишь в конце нагружения наблю­ дается некоторое запаздывание деформации (явление упругого по­ следействия), не превышающее 0,01—0,02 сек.

Затем нагрузка и деформация некоторое время сохраняют постоян­ ную величину. Лишь в отдельных опытах после окончания нагружения возникают небольшие колебания, быстро, однако, затухающие. В на­

0,03 сек в суглинистых грунтах. Затем по мере дальнейшего снижения нагрузки деформация постепенно восстанавливается, хотя и с не­ сколько большим отставанием, чем в процессе нагружения. По окон­ чании разгрузки во всех опытах зафиксировано запаздывание вос­ становления деформации на 0,2—0,7 сек, однако эта наиболее вязкая часть деформации не превышает 10—15% от полной ее величины. Аналогичные зависимости между нагрузкой и деформацией во времени были получены как в опытах на дорогах, так и при испытании грунта в лаборатории на рычажном прессе.

59