Вычисление характеристик микроструктуры грунта в опыте с компрессионным сжатием образца

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЫЧИСЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОСТРУКТУРЫ ГРУНТА В ОПЫТЕ С КОМПРЕССИОННЫМ СЖАТИЕМ ОБРАЗЦА

Введение

Компрессионное сжатие образца применяется для определения сжимаемости грунта и почвы. Сжимаемость грунтов является следствием переупаковки частиц при всестороннем сжатии [1]. «При компрессионном сжатии одновременно с объемными деформациями развиваются и сдвиговые деформации» [2]. Эти наблюдения не учитываются при описании деформаций грунтовых тел, а закон уплотнения грунта закрепляет представление об однородном изотропном уменьшении объема грунтового тела.

На самом деле, грунт не является однородным и изотропным веществом. При всестороннем сжатии в нем «…уплотнение идет в основном за счет взаимного смещения структурных элементов и их более плотной упаковки» [3]. И вообще, «…деформации в естественных глинах… вызываются главным образом относительным перемещением и переориентацией отдельных частиц» [4]. Например, изменение скорости ползучести глины при сдвиге вызвано тем, что «…в отдельных участках… происходит разрушение связей в контактах между частицами и местная перестройка структуры. Перестраивающиеся зоны временно разгружаются, и усилие перераспределяется на соседние участки» [5].

Действительно, в каждый момент нагружения грунтового тела можно выделить группы частиц внутри него и на границах, которые находятся в одинаковом напряженно-деформированном состоянии и, следовательно, одновременно испытывают относительное перемещение и переориентацию. Это отражается на границах тела в виде неравномерного изменения его реакции и может регистрироваться приборами.

Испытание образца грунта по специальной технологии - при постоянно возрастающем сжимающем давлении и при непрерывном измерении деформации [6] - позволяет выявить эффект ступенчатого развития деформации с закономерным изменением параметров ступеней. Использование этих параметров при изучении микроструктуры предлагается в настоящей статье.

Компрессионные испытания с постоянно возрастающим давлением

Исследования проводились с помощью автоматического компрессионного прибора с постоянно возрастающим давлением АКП-6Н конструкции СевКавТИСИЗа, обеспечивающим:

- испытание образов грунтов сечением 40 и 60 см2;

- приложение постоянно возрастающего давления с любой скоростью от 1 до 1000 кПа/ч до любого конечного значения от 200 до 1500 кПа;

- замачивание образца при любом значении сжимающего давления от 0 до 1500 кПа;

- выдерживание образца до стабилизации его деформации при любом сжимающем давлении от 0 до 1500 кПа;

- регистрацию деформации образца в электронной памяти с дискретностью 0,005 мм через каждые 10 кПа давления на образец и выдачу результатов на дисплей прибора и внешнее ПЭВМ.

В данном случае, испытания проводились с приложением постоянно возрастающего давления и с выдерживанием образца до стабилизации его деформации при конечном сжимающем давлении. Осадка образца регистрировалась непрерывно на обоих этапах.

Параметры компрессионного сжатия

Компрессионное сжатие при постоянно возрастающей нагрузке позволяет измерить увеличение деформации образца с шагом мм с регистрацией сжимающего давления на каждом шаге. Вычисленная скорость изменения осадки изменяется циклически (Рисунок 1) при монотонном увеличении давления , где - постоянный параметр режима нагружения образца, - время с начала нагружения. В примере на Рисунке 1 Па/с.

Цикл состоит из восходящей ветви, на которой скорость деформации увеличивается и достигает значений , и нисходящей, на которой она уменьшается и достигает значений , где - номер цикла. Для грунта ненарушенной структуры значения на восходящих ветвях достигают максимума через циклов: , (). Соответствующее ему значение давления называют «структурной прочностью» [1] . При значения убывают, в целом, с ростом давления (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Изменение скорости деформации образца № 66 при постоянной скорости увеличения давления

Для обработки данных испытаний были взяты 12 образцов разных грунтов, характеристики физических свойств которых приведены в Таблице 1.

Приращения внешнего давления, соответствующие ветвям цикла деформации, обозначим через ( на нисходящей ветви) и (на восходящей ветви), причем , а , где и - длительность протекания нисходящей и восходящей ветвей, соответственно.

Обозначим осадку образца на нисходящей ветви через , а на восходящей ветви через . По результатам испытаний были рассчитаны значения , , , , (Таблица 2). На интервале давлений

Таблица 1 - Характеристики физических свойств грунтов

средние значения осадок различаются: . Например, для образца № 66 (Рисунок 1) эти значения равны, соответственно, 0,0058 мм и 0,0075 мм.

Число циклов коррелирует с характеристиками физических свойств грунтов: с влажностью (0,725), с коэффициентом пористости (0,759) (Таблица 3).

Суммы приращений, рассчитанные для интервала раздельно - для нисходящей ветви и восходящей ветви: и коррелируют с влажностью и коэффициентом пористости грунта (Таблица 3). Величина имеет неплохую корреляцию (-0,708) с объемным весом грунта под водой (Таблица 3). Эти величины были использованы ниже в качестве граничных условий для вычисления микроструктурных характеристик грунтов.

Таблица 2 - Параметры осадки образцов при компрессионном сжатии постоянно возрастающей нагрузкой

Предположения о механизме деформации грунта в условиях компрессионного сжатия

Рассмотрим механизм деформации образца грунта на интервале при следующих предположениях:

1. Цикличность скорости деформации указывает на частую смену характера процесса, происходящего в грунте при постоянно возрастающем давлении на образец на микроструктурном уровне, определяемом размерами частиц и их микроагрегатов.

Таблица 3 - Коэффициенты корреляции микроструктурных и феноменологических характеристик грунтов

Предположим, что на нисходящей ветви цикла грунт деформируется упруго (скорость деформации уменьшается), а на восходящей - неупруго (скорость деформации увеличивается). Причем, упруго деформируются контакты между частицами во всем объеме образца. Неупругая деформация является отражением микросдвигов, формирующих поверхности скольжения. Микросдвиги на поверхности скольжения макроскопических размеров, происходящие одновременно, создают эффект ускорения деформации макроскопического образца грунта. Микросдвиги происходят одновременно вблизи неоднородностей (наиболее крупных частиц) с одинаковым напряженным состоянием, а затем сливаются в макросдвиги (поверхности скольжения), как смежные сдвиговые трещины.

2. Суммарная площадь поверхностей скольжения увеличивается с каждым циклом за счет увеличения их длины в направлении действия внешней силы, поэтому увеличивается скорость . Скорость достигает максимального значения при в момент, когда хотя бы одна поверхность скольжения рассекает образец по всей его высоте. Назовем ее тотальной.

Тотальная поверхность скольжения (сдвиговая трещина) образуется при условии ее неустойчивого роста под действием возрастающей нагрузки. Поэтому примем, что только часть сечения образца разрушается поверхностями скольжения при их устойчивом росте и оценим эту часть с помощью коэффициента :

.

При устойчивом росте поверхностей скольжения средняя упругая деформация грунта в цикле может быть вычислена по формуле

.

Для образца № 66 (Рисунок 1) ; =0,00583 мм; . Тогда850 нм.

Описание взаимодействия глинистых поверхностей

Известно, что «для природных глинистых систем наиболее типична суммарная энергетическая кривая..., которая характеризуется наличием двух потенциальных минимумов…(ближнего и дальнего), а также разделяющего их энергетического барьера отталкивания» [3]. Суммарная энергетическая кривая является зависимостью потенциальной энергии связи поверхностей глинистых минералов от расстояния между ними. Координаты ближнего и дальнего минимумов обозначим через и , соответственно, энергетического барьера - .

Представим эту кривую в форме функции Лагерра 5-й степени (Рисунок 2): глинистый грунт компрессионный сжатие

.

Примем, что конец области определения функции соответствует максимальному расстоянию между глинистыми поверхностями , на котором ощущается их взаимодействие. Тогда произвольное расстояние между ними может быть выражено через формулой:

.

Сила взаимодействия и ее градиент по расстоянию - функция - получаются дифференцированием энергетической кривой (Рисунки 3 и 4):

.

Введем отношение механической работы, затраченной на упругую деформацию, к работе неупругой деформации на интервале :

.

(Здесь и , где и - средние значения осадки образца на соответствующих приращениях давления).

Допустим, что отношение (6), полученное из данных эксперимента с компрессионным сжатием, равно отношению значений энергетического барьера и второй потенциальной ямы (Рисунок 2):

.

Скорректируем функцию путем изменения ее коэффициентов так, чтобы выполнить условие (7) при значении (6).

Для нормировки функций (3) и (5) используем среднее значение скорости упругой деформации образца на интервале , полученное в опыте с компрессионным сжатием:

.

Приравняем обратное ему значение к максимальному значению градиента силы взаимодействия глинистых поверхностей (Рисунок 4):

.

Из уравнения (9) определяется значение постоянной . Для образца № 66 (Рисунок 1) =143 МПа/м. Наконец, определим значение , , и из условия соответствия упругой деформации образца участку сопротивления сближению глинистых поверхностей :

.

Для образца № 66 1150 нм.

Таким образом, функции определены по данным компрессионного сжатия образца грунта (Рисунки 2, 3 и 4) и описывают модель взаимодействия глинистых поверхностей.

Рисунок 2 - Энергетическая кривая глинистого грунта, полученная по данным компрессионного испытания образца № 66

Рисунок 3 - График силы взаимодействия глинистых поверхностей грунта из образца № 66

Рисунок 4 - График градиента силы взаимодействия глинистых поверхностей грунта из образца № 66

Вычисление характеристик микроструктуры грунта

Испытания образцов грунтов в компрессионном приборе АКП-6Н по описанной выше технологии позволили определить граничные условия для расчета характеристик микроструктуры: число циклов на интервале значений давления ; коэффициент ; среднюю упругую деформацию . Расчеты произведены для всех образцов грунтов из Таблицы 1.

Получены характерные точки диаграммы потенциальной энергии связи между глинистыми поверхностями (Рисунок 2, Таблица 4) и значения силы взаимодействия глинистых поверхностей в функции расстояния между ними (Рисунок 3). В Таблице 5 приведены экстремальные значения сил сопротивления сжатию и раздвижению глинистых поверхностей при ближней агрегации. Величину называют «расклинивающим давлением». Величина - сила сопротивления сближению поверхностей при дальней агрегации; - сила сопротивления отрыву поверхностей друг от друга. Первые две дают оценку связи частиц внутри микроагрегатов. Третья и четвертая описывают взаимодействие смежных микроагрегатов.

Значения сил получены в удельном исчислении, т. е. имеют размерность давления. Чтобы получить их интегральные значения, необходимо задаться формой и размерами взаимодействующих глинистых поверхностей. Примем (в рамках модели деформации глинистой микроструктуры [7]), что глинистые поверхности представляют собой прямоугольные пластинки с размерами . Тогда силы, действующие в единичном контакте, вычисляются по формулам (Таблица 5):

,

,

,

.

Градиенты сил взаимодействия и характеризуют упругие свойства скелета грунта при растяжении и сжатии, соответственно.

На этапе выдерживания образцов до стабилизации деформации при конечном сжимающем давлении получены зависимости осадки от времени, которые имеют вид (Рисунок 5):

,

где - осадка ползучести образца при постоянном давлении;

- время с момента фиксации давления, с;

- постоянная времени, с;

- постоянная ползучести, 1/м.

Рисунок 5 - Зависимость осадки ползучести от времени для образца № 66 и аппроксимирующая функция

Величина имеет хорошую корреляцию с силами, действующими в единичном контакте: 0,890; -0,889; 0,884 (Таблица 3), менее хорошую с : 0,761 и слабую корреляцию с , и : 0,625. Это свидетельствует о том, что существует физическая связь между постоянной ползучести и микроструктурными характеристиками, которые получены независимо: постоянная - из опыта с релаксацией силы сопротивления образца, а , и - вычислением по данным опыта с компрессионным сжатием того же образца.

Таблица 4 - Характерные точки на энергетической кривой

С другой стороны, не зависят от объемного веса грунта и числа пластичности, что видно по низким значениям коэффициентов корреляции (Таблица 3). Это указывает на отсутствие связи микроструктурных характеристик с феноменологическими характеристиками, описывающими физическое состояние грунта, и косвенно подтверждает предшествующий вывод.

Перечисленные характеристики описывают свойства модели деформации микроструктуры и могут быть использованы для расчета сопротивления макроскопического грунтового тела при заданной геометрии поверхностей взаимодействия глинистых частиц и их микроагрегатов.

Таблица 5 - Экстремальные значения сил взаимодействия глинистых поверхностей

Список использованной литературы

1. Цытович Н.А. Механика грунтов. Краткий курс. - М.: Высш. школа, 1983. - 288 с.

2. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. - М.: Изд-во АСВ, 2005. - 488 с.

3. Осипов В.И., Соколов В.Н., Еремеев В.В. Глинистые покрышки нефтяных и газовых месторождений. - М.: Наука, 2001. - 238 с.

4. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. - М.: Стройиздат, 1979. - 304 с.

5. Тер-Степанян Г.И. Исследование ползучести глинистых грунтов при сдвиге. - В кн.: Труды YIII Международной конф. по механике грунтов и фундаментостроению. М.: 1972, с. 51-63.

6. Ляшенко П.А., Денисенко В.В. Совершенствование компрессионных испытаний на основе цикличности сжимаемости. Деп. во ВНИИНТПИ Госстроя РФ, 1993, № 11335, 16 с.

Аннотация

ВЫЧИСЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОСТРУКТУРЫ ГРУНТА В ОПЫТЕ С КОМПРЕССИОННЫМ СЖАТИЕМ ОБРАЗЦА

Ляшенко Павел Алексеевич к. т. н., профессор

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

Кубанский государственный технологический университет, Краснодар, Россия

Описан способ определения микроструктурных характеристик глинистого грунта по результатам компрессионного сжатия образца при постоянно возрастающем давлении. Приведены значения характеристик 12-ти разных грунтов.

Ключевые слова: КОМПРЕССИОННОЕ СЖАТИЕ, ЦИКЛИЧНОСТЬ СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИИ, МИКРОСТРУКТУРА, ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЛИНИСТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, УПРУГАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

THE CALCULATION OF THE SOIL MICROSTRUCTURE CHARACTERISTICS IN CONSOLIDATION TESTING OF SAMPLE

Lyashenko Pavel Alekseevich Dr.Sc. (Tech.), Prof.

Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia

Denisenko Viktor Viktorovich Dr.Sc. (Tech.), Ph.D

Kuban State Technology University, Krasnodar, Russia

The method of determination of clay soil microstructure characteristics over the results on consolidation testing with constant rate loading has been described. The characteristics of 12 different soils are presented.

Keywords: CONSOLIDATION TESTING, DFORMATION RATE CYCLING, MICROSTRUCTURE, CLAY SURFACES INNTERACTION, ELASTIC DEFORMATION

Размещено на Allbest.ru