Деформационные свойства грунтов: Физико-механические свойства грунтов

Механические свойства грунтов

Механические свойства грунтов — свойства грунтов, проявляющиеся при приложении к ним нагрузок. Различают прочностные и деформационные свойства.

Для расчетов деформаций, устойчивости грунта и оценки прочности оснований необходимо знать механические характеристики используемых грунтов. Такими свойствами определяется поведение грунтовых массивов под воздействием нагрузок и при изменении их физического состояния. На механические свойства оказывают влияние характер структурных связей частиц, гранулометрический и минеральный состав и влажность грунтов. Основными механическими свойствами грунтов считают: сжимаемость; сопротивление сдвигу; водопроницаемость.
Способность грунта уменьшаться в объеме под воздействием уплотняющих нагрузок называют сжимаемостью, осадкой или деформацией. По физическому строению грунт состоит из отдельных частиц различной крупности и минерального состава (скелет грунта) и пор, заполненных жидкостью (вода) и газом (воздух). Частицы в грунте бывают связанные и несвязанные между собой, но независимо от этого, прочность связей всегда ниже прочности частиц. При возникновении напряжений сжатия изменение объемов происходит за счет уменьшения объемов, располагающихся внутри грунта пор, заполненных водой или воздухом и за счет сгущения связующих (коллоидов). Таким образом, сжимаемость зависит от многих факторов, основными из которых являются физический состав, вид структурных связей частиц и величина нагрузки.

По характеру усадки разделяют упругие и пластические деформации. Упругие деформации возникают в результате нагрузок, не превышающих структурную прочность грунтов, т.е. не разрушающих структурные связи между частицами и характеризуются способностью грунта возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузок. Пластические деформации разрушают скелет грунта, нарушая связи и перемещая частицы относительно друг друга. При этом объемные пластические деформации уплотняют грунт за счет изменения объема внутренних пор, а сдвиговые пластические деформации – за счет изменения его первоначальной формы и вплоть до разрушения. При расчетах сжимаемости грунта основные деформационные характеристики определяют в лабораторных условиях согласно коэффициенту относительной сжимаемости, коэффициенту бокового давления и коэффициенту поперечного расширения.
Сопротивление сдвигу. Прочность грунта.
Предельным сопротивлением сдвигу (растяжению) называется способность грунта противостоять перемещению частей грунта относительно друг друга под воздействием касательных и прямых напряжений. Этот показатель характеризуется прочностными свойствами грунтов и используется в расчетах оснований зданий и сооружений. Способность грунта воспринимать нагрузки не разрушаясь, называют прочностью. В песчаных и крупнообломочных несвязных грунтах сопротивление достигается в основном за счет силы трения отдельных частиц, такие грунты называют сыпучими. Глинистые грунты обладают более высоким сопротивлением к растяжению (сдвигу), т.к. наряду с силой трения сдвигу противостоят силы сцепления: водно-коллоидные и цементационные связи (связные грунты). В строительстве этот показатель важен при расчете оснований фундаментов и изготовлении земляных сооружений с откосами.
Водопроницаемость грунтов.
Водопроницаемость характеризуется способностью грунта пропускать через себя воду под действием разности напоров и обуславливается физическим строением и составом грунта. При прочих равных условиях при физическом строении с меньшим содержанием пор, и при преобладании в составе частиц глины водопроницаемость будет меньшей, нежели у пористых и песчаных грунтов соответственно. Нельзя недооценивать данный показатель, т.к. в строительстве он влияет на устойчивость земляных сооружений и обуславливает скорость уплотнения грунтов оснований, суффозию грунта и оползневые явления (в т.ч. и на сопротивление растяжению). Фильтрацией называется движение свободно-гравитационной воды в грунтах в различных направлениях (горизонтально, вертикально вниз и вверх) под воздействием гидравлического градиента (уклона, равного потере напора на пути движения) напора. Коэффициентом фильтрации (Kf) принято считать скорость фильтрации при гидравлическом градиенте равном единице. При этом скорость фильтрации (V) прямо пропорциональна гидравлическому градиенту (J). V = Kf * J.

Деформационные свойства дисперсных грунтов

Как известно, под действием давления грунт деформируется. Характер и величина деформации зависят от природы грунта, способа нагружения и граничных условий деформирования грунта. Деформационные свойства грунтов определяют следующие основные природные факторы: 1) структура и текстура; 2) состав и концентрация порового раствора; 3) химико-минералогический состав скелета грунта; 4) температура окружающей среды.

Влияние тех или иных природных факторов на деформируемость грунтов зависит главным образом от структуры грунта, т. е. от дисперсности, плотности и расположения частиц в пространстве и связей между частицами. В зависимости от способа нагружения грунта различают деформации при статическом (ступенчатом), ударном и динамическом способах приложения давления.

Наиболее часто деформационные свойства грунтов оснований сооружений определяют при статическом нагружении. В особых случаях деформационные свойства грунтов определяют при действии ударной нагрузки (трамбование, взрыв и т. п.), при вибрации, а также при воздействии гидростатического, главным образом отрицательного (капиллярного) давления, возникающего при водопонижении в дисперсных грунтах.

Деформационные свойства грунтов определяют как в лабораторных условиях на образцах с нарушенными или ненарушенными структурными связями, так и в полевых условиях.

Лабораторные испытания до настоящего времени являются основным методом изучения свойств грунтов,  так как позволяют сравнительно просто передавать различные давления на грунт, исследовать поведение грунта в широких диапазонах изменения физического состояния и условий окружающей среды, моделировать сложные случаи работы грунта в основании или теле сооружений.

Полевые методы испытания позволяют более правильно отразить влияние текстурных особенностей грунта на его деформируемость.

Для  исследования  сжимаемости грунтов в полевых условиях применяют   прессиометр — прибор,  основанный на обжатии и измерении деформации грунта, находящегося в стенках необсаженной скважины, и определении модуля сжимаемости.

В.В. Охотин

Вениамин Васильевич Охотин

Выдающийся русский ученый, один из основоположников отечественного и мирового грунтоведения. После окончания Нижегородской духовной семинарии (1910) блестяще окончил Варшавский университет и защитил магистерскую диссертацию: «Твердость и пластичность черноземов в связи с их химическим составом» на ученую степень кандидата естествознания (1914). Был рекомендован продолжить образование во Фрайбергской горной академии, но учебе помешала Первая мировая война. В.В.Охотин активный участник Перовой мировой войны и гражданской войны, где в сначала в должности штабс-капитана воевал начальником штаба 1 Воздухоплавательной армии на Северном фронте, затем начальником мастерских в воздухоплавательной части Красной Армии, оборонявшей Петроград. После демобилизации в 1921 г поступил на должность ассистента кафедры почвоведения Петроградского сельскохозяйственного института, работая под руководством проф. Н.И.Прохорова и академика К.Д.Глинки. Здесь в почвенной лаборатории в 1922 году впервые в России начал систематическое изучение физико-механических грунтов в дорожных целях, которые продолжил в 1923-1930 гг. в Дорбюро ГУМЕС. В 1929/1930 году совместно с П.А.Земятченским организует на геологическом факультете Ленинградского государственного университета первую в мире кафедру грунтоведения. С 1933 и до своей смерти в 1954 ее бессменный заведующий. Перу В.В. Охотина принадлежит 47 работ, многие из которых послужили началом новых направлений в грунтоведении и вошли в «золотой фонд» отечественной и мировой науки.

Основные труды: «Методы и указания по исследованию грунтов для дорожного дела» (1928), «Классификация частиц грунтов» (1932), «Дорожное почвоведение и механика грунтов» (1934), «Физические и механические свойства грунтов в зависимости от их минералогического состава и степени дисперсности» (1937). Им написан учебник «Грунтоведение» (1940) первое систематическое описание физико-механических свойств грунтов. Вениамин Васильевич успешно работал в области разработки методики полевых почвенно-грунтовых исследований в дорожных целях, в области создания и усовершенствования методики определения гранулометрического состава и физико-механических свойств грунтов. Им разработаны гранулометрические классификации грунтов и грунтовых частиц, а также дорожная классификация грунтов, изучено влияние отдельных факторов (степени дисперсности, минералогического состава, состава поглощенных оснований) на свойства грунтов. Важнейшее значение имели его пионерские работы в области технической мелиорации грунтов.
Вклад Вениамина Васильевича Охотина в грунтоведение огромен и бесспорен.
Память о нем всегда будет жить в его работах.

Какие бывают методы определения механических свойств грунтов

От характеристик грунтов зависит надежность и безопасность возводимых строений. Комплекс работ, направленный на изучение инженерно-геодезических параметров участка, нередко включает в себя дополнительные изыскания. При подготовке строительных проектов необходимо определить механические свойства грунтов для того, чтобы подобрать наиболее подходящие стройматериалы и выявить особенности при выполнении работ. Инженерно-геотехнические работы проводятся компаниями, которые имеют соответствующую лицензию и необходимую технику.

Какие существуют виды свойств

Свойства грунтов по разным критериям могут определяться двумя способами, которые позволяют получить наиболее достоверные результаты в достаточно короткие сроки. Основными видами свойств грунтов выступают:

• Физические.
• Механические.
• Водные.
• Химические и другие.

Каждое свойство необходимо для проведения разных работ на участке, но все они дают точное представление о характеристиках грунта. Исследование физических и механических свойств грунтов чаще всего производится при проведении инженерно-геодезических исследований.

Что входит в понятие «механические свойства»

Механические свойства грунтов включают в себя несколько параметров:

1. Упругость.
2. Разрыхляемость.
3. Прочность.
4. Просадочность.
5. Сжимаемость.

Характеристики позволяют выяснить какие нагрузки сможет выдерживать почва. Данные параметры необходимы при закладке фундамента, возведении несущих конструкций и при проектировании всех элементов, которые будут соприкасаться с грунтом. Механические свойства являются исходными данными при прогнозировании изменений в состоянии почвы. Параметры позволяют предвидеть геологические процессы, которые происходят близко к поверхности грунта.

Методы определения механических свойств

Существует два способа определения свойств грунтов — полевой и лабораторный. Хоть лабораторная методика позволяет воссоздать различные природные условия, но полевой способ дает гораздо лучшие результаты. Огромным плюсом лабораторного метода выступает возможность создание условий природных катаклизмов и увидеть как будет вести себя грунт. В обоих случаях при определении свойств используется большое количество разнообразного оборудования, позволяющего производить точные расчеты при любом составе почвы.

Лабораторный способ

Исследование грунтов в условиях лаборатории позволяет выявить множество физико-механических свойств. Преимущественно лабораторным методом определяется влажность, упругость, плотность, водопроницаемость, деформационные характеристики. Также при помощи аппаратов исследуются и другие механические свойства грунтов. Каждое исследование предполагает использование различных аппаратов. Некоторые механические свойства могут определяться совершенно по-разному при исследовании на различных аппаратах, поэтому компании, занимающиеся такими работами обязательно указывают на чем были проведены тестирования.

Полевые методы

В природных условиях исследование грунта позволяет получить наиболее точные показатели. В естественных условиях уже есть необходимая нагрузка на почву, благодаря чему нет необходимости дополнительно воссоздавать природную среду. Определение механических свойств почвы чаще всего выполняется двумя способами:

1. Штамповые испытания. Используется для определения показателей деформации. Во время изыскания вырывается шурф, в который устанавливается дамп для проведения дальнейших испытаний. Изыскания проводят для слоя почвы, на который будет воздействовать в будущем строение. При помощи домкрата на штамп подают нагрузку. Дополнительная нагрузка дается только после того, как произошла консолидация.
2. Зондирование. Зондирование разделяют на статическое и динамическое. Способ, как и штамповые изыскания, используется для определения параметров деформации. Так как исследования проводятся по-разному, то заменять их друг другом не допустимо. Зондирование проводится на гораздо большей глубине. Задавливание либо забивание конуса в грунт позволяет определить параметр сопротивления, благодаря чему определяются показатели деформации. При необходимости несколько скважин при штамповых испытаниях могут быть заменены зондированием.

При необходимости сотрудники компаний проводят опытно-фильтрационные работы, которые позволяют выявить водные свойства грунтов. Чаще всего эти изыскания относятся к характеристикам прочности. В зависимости от состава грунта под воздействием влаги он будет вести совершенно по-разному. Если подземные воды находятся на небольшой глубине, то для заказчика работ по определению механических свойств грунтов для выполнения строительных работ, данный параметр обязателен для исследования.

Лабораторное оборудование для испытания грунтов

 

В данной статье мы предлагаем Вам ознакомиться с лабораторным оборудованием для испытания грунтов. Данное оборудование широко применяется в строительной промышленности. Под исследованием грунтов подразумевается такой лабораторный анализ, благодаря которому можно наиболее достоверно раскрыть все физические и механические свойства грунтов, найти подходящий тип фундамента и грунта под строительство. Кроме того, подобное лабораторное оборудование помогает измерить сопротивление грунтов, для определения прочности и деформационные свойства.  

В сфере строительства грунтами называют почву или другую горную породу, которая расположена на поверхности основания, предполагаемая использоваться под строительство зданий и других сооружений. Например, при возведения фундамента, грунт вступает в роли площадки для его строительства. Тут очень важно произвести контроль и исследовать все характеристики и свойства данной площадки. Так как от физико-механических свойств и особенностей грунта, его несущей способности существенно зависит устойчивость, прочность и надежность возводимого сооружения.

Для чего необходимо лабораторное оборудование для испытания грунтов

Любое испытание грунта не произвести без соответствующего лабораторного оборудования.  Для того чтобы не упустить из внимания важные моменты и детали, чтобы получить наиболее полную картину о свойствах и характеристиках грунтовой поверхности, предназначенной под строительство, необходимо проводить грунтовой анализ. Он может производиться как в лабораторных, так и в полевых условиях.  Так как их результаты всегда отлично дополняют друг друга.

Лабораторное оборудование для испытания грунтов помогает раскрыть физические и механические особенности грунта, а оборудование для полевых испытаний производят измерение сопротивления грунтов в естественных условиях уже на месте будущего строительства. Кроме того, в полевых условиях возможно также определить деформационные характеристики грунта в различных условиях строительства.

Оборудование для испытания грунтов, предлагаемые нашей компанией

Наша компания представляет широкий ассортимент лабораторного оборудования для испытания грунтов от фирмы Testing. 

Известно, что от объема всех инженерно-геологических изысканий,  30 до 50 %  приходиться на долю лабораторных исследований  грунтов. Поэтому особое внимание фирма Testing уделяет лабораторным испытаниям и определениям физических и механических свойств грунтов.  

Лабораторное оборудование рекомендуемое нами позволит вам изучить не только физико-механические свойства грунтов, но также коррозионную агрессивность грунтов и вод.

Лабораторное оборудование для испытания и анализа грунтов позволит Вам определить:

— влажность грунта, влажность на границе текучести и раскатывания для глинистых грунтов;

— несущую способность грунта;

-плотность грунта по методу Проктора: удельный вес грунта, называемый ранее объемной массой, удельный вес твердых частиц;

— коэффициент фильтрации;

— пористость, коэффициент пористости, коэффициент водонасыщенности;

— относительную просадочность, набухание, давление набухания;

— максимальную плотность при оптимальной влажности грунта;

— гранулометрический состав гравелистых, песчаных и глинистых грунтов. Ситовой и ареометрический метод;

— сопротивление сдвигу грунтов методом одноплоскостного среза;

— угол естественного откоса песчаных грунтов;

— компрессионные испытания и испытания в стабилометре – определение прочностных и деформационных свойств грунтов;

— границы текучест по Касагранде;

. 

В результате комплексного изучения грунтов в лабораторных и полевых условиях Вы получите комплексное представление о составе, структуре грунтов, их текстуре, а также  несущей способности. Анализ полученных данных сможет спрогнозировать те или иные изменения в составе и свойствах, происходящие в ходе строительства и эксплуатации сооружений.  

Все лабораторные испытания проводятся в соответствии с нормативными документами, результаты выдаются в печатном и электронном виде. Работаем с физическими и юридическими лицами в максимально сжатые сроки.

Прочее лабораторное оборудование для испытания грунтов вы найдете тут

 

 

Испытания скальных грунтов | Прибор одноосного сжатия | Испытания горных пород | Прибор сосредоточенного нагружения | ПрогрессГео

Для характеристики деформационных свойств грунтов используются: модуль деформации E (модуль упругости Еу и модуль общей деформации Еобщ), коэффициент поперечного расширения р., модуль сдвига G и модуль объемного сжатия К.

Показатели деформационных свойств в пределах справедливости закона Гука связаны определенными зависимостями, которые позволяют по двум любым показателям определять остальные.

Модуль упругости Eу равен отношению напряжения при одноосном сжатии к относительной обратимой деформации.

Модуль общей деформации Еобщ равен отношению напряжения при одноосном сжатии к общей относительной деформации.

Очевидно, что Еобщ < Eу. Для линейно-деформируемых материалов модуль упругости равен модулю деформации и не зависит от напряжения, т. е. является величиной постоянной. Но для большинства горных пород модуль упругости и модуль общей деформации являются переменными показателями, зависящими от величины и продолжительности действия давления.

В зависимости от продолжительности давления на грунт различают: модуль динамической упругости Ел, модуль статической упругости Eд и модуль общей деформации Еобщ. Между этими модулями существует такое соотношение: Eд > Eу > Еобщ

Разница между статическим модулем упругости и модулем общей деформации зависит от вида породы и ее структуры: для скальных пород отношение Eу к Еобщ равно примерно 2, а для рыхлых глинистых пород может достигать нескольких порядков, так как их деформация происходит в результате существенного уплотнения грунта.

Для расчета осадки сооружений при действии статических нагрузок используется величина равновесного модуля общей деформации Еобщ, а при расчете деформаций от. кратковременных динамических нагрузок — величина Eу. Модуль динамической упругости Eд применяется в основном для установления определенных корреляционных соотношений.

Влияние минералогического состава на упругие свойства скальных грунтов. К настоящему времени накоплено значительное количество данных по упругим константам основных породообразующих минералов. Значение модуля упругости различных минералов изменяется в широком пределе. Такие минералы, как корунд, пирит, гранаты, магнетит, гематит, жадеит, оливин, циркон, обладают высокими значениями модуля упругости, равными или превышающими упругость стали (2•105 кГ/см²). Затем идут минералы с высокой упругостью: диопсид, эпидот, авгит, роговая обманка, флюорит, апатит. Такие широко распространенные в осадочных дисперсных грунтах минералы; как кварц, полевые шпаты, слюды, кальцит, обладают средней упругостью. И наконец, есть минералы (серпентин, гипс и др.), обладающие низкой упругостью.

Влияние минералогического состава слагающих породу частиц на упругость можно установить лишь для образцов пород, обладающих незначительной пористостью (п<1%). При больших значениях пористости упругость пород определяется их структурно-текстурными особенностями (в основном пористостью, трещиноватостью и размером частиц).

У малопористых пород упругие параметры непосредственно зависят от упругих констант слагающих их минералов. Так, слюды дают понижение упругих констант пород, а темноцветные минералы и гранат —

повышение. Поэтому особенно высокой упругостью обладают ультраосновные породы и эклогиты. Упругость плагиоклазов зависит от их состава: с повышением основности упругие константы плагиоклазов растут. В связи с этим лабродориты по своей упругости занимают среднее место между кислыми и основными породами. Особо высокой упругостью обладает жадеит — минерал, типичный для особо плотных пород больших глубин. Этот и другие факты показывают, что упругость минералов и пород оказывается тем выше, чем при больших давлениях они образовались.

Высокими значениями модуля деформации, близкими по величине к модулю упругости основных минералов, обладают эклогиты, перидотиты, амфиболиты, пироксениты, габбро и диабазы, т. е. породы, принадлежащие к ультраосновным и основным интрузивам.

Влияние пористости и трещиноватости на модуль упругости и модуль общей деформации скальных пород. При рассмотрении изменения модуля упругости близких по минералогическому составу пород, но имеющих различную пористость, видно, что для каждой петрографической группы пород значения модуля упругости уменьшаются с ростом пористости. Для пород с высокой пористостью (n>10%) величина модуля упругости будет полностью определяться влиянием пористости.

Трещиноватость скальных пород является основным фактором, определяющим их деформируемость и прочность. Поверхность трещин в результате наличия макро- и микроскопических выступов и впадин обычно бугристая. Поэтому реальная площадь контакта двух блоков породы может быть в 100—100 000 раз меньше геометрической площади касания. Ввиду этого при возникновении сжимающих напряжений, нормальных к плоскости трещины, на выступах и прилегающих к ним зонах происходит концентрация напряжений, превышающих прочность материала выступа. В результате пластического деформирования или хрупкого разрушения выступов происходит сближение двух поверхностей. При этом увеличивается площадь реального контакта поверхностей и сопротивление деформированию.

С увеличением трещиноватости кварцевых порфиров деформационные показатели резко уменьшаются, при этом модуль упругости значительно превышает модуль общей деформации. Это объясняется тем, что при действии давления породы испытывают большие остаточные деформации. Причем по мере роста трещиноватости (увеличение Т или К_тр) эта разница становится больше. Закрытие и смыкание трещин под давлением, определяющее появление остаточных деформаций, приводит также к тому, что модуль общей деформации для второго цикла нагружения в 1,5—2 раза выше модуля общей деформации для первого цикла нагружения.

Выветривание скальных горных пород приводит к появлению и расширению микротрещин, ослаблению связей между зернами, а также к изменению химического состава пород. Поэтому деформационные и прочностные свойства пород зависят от степени их выветрелости. Из таблицы видно, что с глубиной пористость гранита уменьшается, а деформационные и прочностные показатели возрастают. На глубине 49 м гранит уже настолько прочен, что для него модуль упругости равен модулю общей деформации.

Неблагоприятное влияние трещиноватости на деформационные и прочностные свойства скальных пород уменьшается при цементации. При этом трещины заполняются цементным раствором, который после схватывания увеличивает сопротивление породы деформациям. В среднем модуль деформации скальных пород после цементации возрастает в 1,5 раза.

Влияние слоистости скальной породы на модуль деформации. При сжатии образцов слоистых осадочных скальных пород модуль деформации в направлении параллельно слоям обычно выше, чем перпендикулярно слоям. Это можно объяснить тем, что в первом случае сопротивляются более жесткие слои породы, тогда как во втором сжимаемость определяется в основном деформацией наиболее податливых слоев, зажатых между жесткими как между плитами. Очевидно, что фактор времени будет играть более заметную роль во втором случае, так как деформация жестких элементов породы будет протекать быстрее.

Следует подчеркнуть исключительно низкое значение коэффициента Пуассона для кварца (0,08), что обусловлено каркасным строением его кристаллической решетки. Поэтому значительное содержание кварца в породе приводит к уменьшению значения коэффициента. В скальных грунтах коэффициент Пуассона изменяется также в узких пределах — 0,1—0,3. В зависимости от увеличения пористости он снижается: в известняках-ракушечниках от 0,23 до 0,17, в органогенных известняках от 0,27 до 0,23, в мраморизованных органогенных известняках от 0,32 до 0,30. Но по мере перехода от плотных кварцитов к более пористым песчаникам увеличивается от 0,10—0,14 до 0,18—0,29.

Для дисперсных грунтов величина коэффициента Пуассона изменяется от 0,1 до 0,5. Большое значение имеет влажность: для сухого песка ц. равен 0,1—0,25, для водонасыщенного — 0,44—0,49.

В скальных грунтах решающее влияние на величину коэффициента Пуассона оказывает трещиноватость. В трещиноватой породе на деформацию сплошной ее части будет тратиться только часть общего усилия, другая часть будет тратиться на смыкание трещин и разрушение выступов; возникающее при этом расширение не будет вызывать расширение всего образца.

Коэффициент Пуассона. Коэффициент Пуассона является показателем способности породы к изменению объема в процессе деформации под действием напряжений. Обычно употребляемый в расчетах коэффициент Пуассона относится к упругой деформации.

Коэффициент Пуассона главных породообразующих минералов изменяется в небольших пределах: от 0,08 до 0,34. Можно выделить группу минералов с низким значением: от 0,08 до 0,16, в которую войдут в порядке возрастания кварц, гематит, пирит; затем группу минералов, для которых коэффициент изменяется от 0,21 до 0,29. Эта группа наиболее многочисленна и объединяет такие минералы, как полевые шпаты, слюды и другие силикаты. И, наконец, небольшая группа минералов имеет повышенное значение коэффициента: от 0,31 до 0,34 — серпентин, гипс, циркон.

Коэффициент Пуассона кристаллов зависит от типа кристаллической решетки и направления действия напряжения относительно кристаллографических осей. Для пород зависит от минералогического состава, трещиноватости и пористости.

Деформационные свойства грунтов

28. Чем обусловлена сжимаемость грунтов? За счет чего происходит сжатие полностью водонасыщенных грунтов?

Сжимаемость грунтов обусловливается изменением их пористости вследствие переупаковки частиц, ползучестью водных оболочек, вытеснением воды из пор грунта. Сжатие полностью водонасыщенных грунтов возможно только при условии вытеснения воды из пор грунта.

29. Для чего служит одометр (компрессионный прибор)?

Одометр — прибор, служащий для определения сжимаемости грунта. Деформации в одометре возможны только в вертикальном направлении, горизонтальные деформации отсутствуют. Вертикальное напряжение изменяется ступенями и является известным, боковые напряжения реактивные и остаются неизвестными. Деформации измеряются в зависимости от усилий приложенных на штамп ступенями до стабилизации осадки.

30. В каких координатах изображается компрессионная кривая? Какой вид имеет зависимость между осадкой штампа одометра и вызывающей её нагрузкой?

Компрессионная кривая изображается в координатах: коэффициент пористости е— давление P, МПа, Для полностью водонасыщенных глинистых грунтов она может быть представлена в координатах: влажность W — давление P, МПа.(Но в этом случае практически невозможно фиксировать величину влажности на разных ступенях нагружения) Зависимость осадки штампа S, мм, от нагрузки P, МПа, так же может считаться компрессионной кривой.

31. Как записывается закон сжимаемости (или закон уплотнения) в дифференциальной и разностной формах?

Закон сжимаемости (или закон уплотнения) в дифференциальной форме имеет вид:

или

где е — коэффициент пористости, р — давление, a — коэффициент сжимаемости, МПа^-1. Знак минус перед aвызван тем, что при увеличении давления коэффициент пористости уменьшается.

Полученное соотношение имеет особое значение в механике грунтов и кладется в основу установления ряда её фундаментальных положений: принципа линейной деформируемости, принципа гидроёмкости, дифференциального уравнения консолидации и др. и называется законом уплотнения грунтов.

В разностной форме этот закон записывается в следующем виде:

и формулируется так: бесконечно малое изменение относительного объёма пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления.

32. Закон Гука в главных нормальных напряжениях. Сколько независимых характеристик сжимаемости вы знаете?

Закон Гуказаписывается в следующем виде:

;

;

.

Поскольку оси х, у и zсовпадают с главными осями, касательные напряжения вдоль них равны нулю, то есть Независимых характеристик сжима-емости (деформируемости) для изотропного грунта две: 1) модуль общей (упругой и остаточной) деформации- Е₀, МПа и 2) коэффициент Пуассона- µ_0.

33. Что называется коэффициентом Пуассона?

Коэффициентом Пуассона называется отношение относительных деформаций поперечной ε_xк продольной ε_yвзятое с обратным знаком, в случае, если действуют только вертикальные напряжения σ_z(напряжения σ_х и σ_у в этом случае отсутствуют).

34.Что называется коэффициентом бокового давления грунта, от чего он зависит и как связан с коэффициентом Пуаасона?

Коэффициентом бокового давления грунта ξ называется отношение приращения бокового давления Δσ_x(илиΔσ_y) к приращениювертикального давления Δσ_z, при обязательном отсутствии боковых деформаций (ε_x=ε_y =0), то есть

; ε_x=ε_y =0.

Боковое давление в этом случае является реактивным. Примером может служить грунт, обжимаемый в одометре (компрессионном приборе). Коэффициент бокового давления зависит от вида грунта, его плотности и влажности. С коэффициентом Пуассона он связан следующей зависимостью:

Он изменяется в пределах от 0 до 1.

35 Закон Дарси. Какова размерность коэффициента фильтрации? От чего он зависит? Что такое начальный градиент фильтрации?

Закон Дарси записывается так:

то есть, скорость фильтрации грунтовых вод прямо- пропорциональна градиенту напора I и некоторому коэффициенту характеризующему водопроницаемость грунта, т.е.коэффициенту фильтрации к_ф. Коэффициент фильтрации зависит от вида грунта, размера его пор (то есть от линейного размера пор, но не пористости), от температуры жидкости (меняется ее вязкость).

Начальный градиент фильтрации — величина градиента фильтрации в глинистых грунтах, при котором начинается практически ощутимая фильтрация. Закон Дарси с учётом начального градиента фильтрации выражается следующим образом:

при

v_ф = 0 при I ≤ I₀

36. Закон Кулона. Что называется углом внутреннего трения?

Под действием внешней нагрузки в отдельных точках (областях) грунта эффективные напряжения могут превзойти внутренние связи между частицами грунта, при этом возникнут скольжения (сдвиги), и прочность грунта может быть превзойдена.

Внутренним сопротивлением части в песках будет лишь трение, а в глинах (связных грунтах) плюс вязкие, водно-коллоидные связи. Разделить эти сопротивления не представляется возможным.

Закон Кулона (1773г.) имеет следующий вид :

а формулируется: предельное сопротивление грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному давлению.

φ –угол внутреннего трения — параметр линейного графика среза образца грунта;

tgφ-коэффициент внутреннего трения; c- удельное сцепление.

Результаты испытания глинистого грунта прямым срезом.

37. От чего зависит угол внутреннего трения песка? Что такое угол естественного откоса и совпадает ли он с углом внутреннего трения?

Угол внутреннего трения зависит от крупности и минералогического состава песка, от его пористости и в значительно меньшей степени от влажности (часто от влажности совсем не зависит). Угол внутреннего трения не совпадает по своей величине с углом естественного откоса, именуемого иногда углом «внешнего трения». Угол естественного откоса влажного песка может быть больше угла внутреннего трения, так как в этом случае действуют капиллярные силы, удерживающие откос от разрушения.

38. Чем вызвано сопротивление срезу связного грунта (глинистого грунта)?

Сопротивление срезу связного глинистого грунта характеризуется междучастичными связями — пластичными водно-коллоидными и хрупкими цементационными связями.

39. Что такое открытая и закрытая системы испытаний глинистого грунта?

При открытой системе вода имеет возможность под действием передающегося на нее давления выходить из пор грунта наружу, то есть отфильтровываться. При закрытой системе вода не имеет возможности выходить из грунта, то есть вода полностью остается в порах грунта и не перемещается.

40. Что такое полное, эффективное и нейтральное давления? Что называется гидростатическим и поровым давлениями?

Полное давление — это все давление, приходящееся на данную площадку. Эффективное давление — это часть полного давления, воспринимаемая минеральным скелетом грунта.

Нейтральное давление — давление, воспринимаемое водой. Таким образом, эффективное и нейтральное давления составляют полное давление. Гидростатическое и поровое давления составляют в сумме давление в воде, то есть нейтральное давление. Гидростатическое давление — это давление, которое установится в воде, когда полностью исчезнет избыточное по отношению к нему давление, то есть поровое давление.

Эффективным давление на скелет грунта называется потому, что оно повышает сопротивление грунта срезу.

41. Каково минимальное число опытов для определения угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с?

Поскольку неизвестных две величины, то и минимальное число опытов — два (потом решаются два уравнения с двумя неизвест­ными). Для несвязного грунта, у которого с = 0, минимально воз­можен один опыт, с помощью которого устанавливается величина угла внутреннего трения φ. Это и есть минимальное количество опытов, но исключающее возможность статистической обработки результатов.

42. Какие методы определения характеристик прочности грунтов в полевых условиях вы знаете?

В полевых условиях в основном распространены следующие методы испытаний: 1) сдвиг штампа, прибетонированного к грунту; 2) срез целика, помещенного в обойму и нагруженного сверху нагрузкой; 3) испытание крыльчаткой; 4) зондирование с помощью конуса.

При сдвиге штампа он обычно прибетонируется к основанию и часть цементного раствора затекает в грунт, обеспечивая контактное сцепление. Сдвиг целика по существу воспроизводит срезной прибор. Нагрузка сверху и сдвигающие усилия создаются домкратами, упирающимися в вертикальный портал и в упорный массив. Об испытании крыльчаткой и зондированием см.вопрос 43.

43. Что такое крыльчатка и какую характеристику прочности можно получить с ее помощью?

Крыльчатка представляет собой две одинаковые прямоугольные взаимно
перпендикулярные, расположенные в вертикальной плоскости пластинки, насаженные на вертикальную ось(см. рис.). К этой оси прикла-
дывается крутящий момент М и измеряется его предельная величина. По
крутящему моменту вычисляется сопротивление сдвигу глинистого грунта τ_s, имея в виду, что τ_s определяется сцеплением грунта (трение не учитывается, поэтому результаты более надежны для грунтов с относительно малым углом внутреннего трения и при малых глубинах испытаний, где давление от собственного веса грунта невелико).

При расчетах принимают обычно, что получаемое по лопастным испытаниям сопротивление сдвигу τ_sприближенно равно общему сцеплению грунта, т.е. τ_s≈ с.

44. Принцип линейной деформируемости? Какова зависимость между общими деформациями и напряжениями?

При не очень больших изменениях внешних давлений (1-3кгс/см²), а для плотных и твердых (5-7кгс/см²) с достаточной для практических целей точностью зависимость между деформациями ε и напряжениями σ может приниматься линейной. Это значительно упрощает расчеты и не вносит в них недопустимых погрешностей.Как показано проф. Н.М.Герсевановым (1931), если зависимость между общими деформациями и напряжениями линейна, то для определения напряжений в грунтах полностью будут применимы решения теории упругости.

Изложенное позволяет сформулировать принцип линейной деформируемости:

-при небольших изменениях давлений, грунты можно рассматривать как линейно деформируемые тела.

Прочностно-деформационные характеристики и свойства малой деформации ненарушенных гравийных грунтов

Открытый архив в партнерстве с Японским геотехническим обществом

открытый архив

Реферат

Была проведена серия средне- и крупномасштабных испытаний на трехосное и неограниченное сжатие. с целью оценки характеристик прочности и деформации, а также свойств малой деформации ненарушенных хорошо градуированных гравийных грунтов, извлеченных из трех туннельных раскопок в префектуре Тояма, Япония.Ненарушенные гравийные почвы были взяты с помощью нового метода отбора проб с использованием густых водорастворимых полимерных растворов. Прочностные и деформационные характеристики оценивались, главным образом, путем выполнения длительных циклов нагружения и разгрузки и повторного нагружения большой амплитуды во время, в остальном, монотонного нагружения при постоянной скорости деформации в испытаниях на трехосное сжатие после осушения. Во время изотропной консолидации и сдвига в нескольких напряженных состояниях были применены одиннадцать очень малых вертикальных циклов для оценки свойства квазиупругой деформации при малых уровнях деформации около 0.001% статическим измерением. Динамические измерения с использованием пары акселерометров, прикрепленных к боковой поверхности образца, и источников волн, прикрепленных к верхней крышке, также проводились при тех же уровнях напряжения, что и статические измерения в одном испытании. Обсуждались некоторые эффекты, включая характеристики градации и уровень давления на разницу между модулями, измеренными статически и динамически. Оценена взаимосвязь между малыми деформациями и прочностными характеристиками ненарушенных гравийных грунтов.Свойства небольшой деформации высушенного воздухом плотного песка Тоёра в крупномасштабных испытаниях на трехосное сжатие также были исследованы в этом исследовании для сравнения результатов ненарушенных гравийных грунтов.

Ключевые слова

Прочностные и деформационные характеристики

Малая жесткость при деформации

Статические и динамические измерения

Ненарушенный гравийный грунт

Трехосное сжатие

IGC: D6

D7

Рекомендуемые статьи © 2013 Японское геотехническое общество.Производство и хостинг Elsevier B.V.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Деформационные свойства грунтов и определение их параметров, Деформационные свойства грунтов

Деформационные свойства грунтов и определение их параметров

Деформационные свойства грунтов

Деформация грунтов — это их способность изменять форму и объем под действием внешних сил, не приводящих к критическому разрушению образцов грунта.Деформации могут различаться по абсолютной и относительной величине, по характеру, т. Е. Быть обратимыми и необратимыми, быстро или медленно развиваться во времени. В одних грунтах существует определенная однозначная зависимость деформации от нагрузки, в других — величина деформаций зависит от напряжений, а также от скорости их приложения и продолжительности воздействия.

Для скальных грунтов характерны упругие свойства: у них область упругости v сохраняется до напряжений 70… 75 % от деструктивного, в то время как. Упругие свойства изотропной среды обычно определяются одной из следующих пар констант [71]:

• модуль упругости & фунт; и коэффициент Пуассона m

• модуль сдвига G и постоянная Ламе

• скорость распространения продольных v и поперечных v p и упругих волн (п. 8.9).

Семискальные грунтовки являются эластичными лишь частично, и для них, помимо показателей упругих свойств, большое значение имеют показатели, характеризующие их способность противостоять обратимым и необратимым деформациям.

В рыхлых обломочно-расслоенных грунтах и ​​в глинистых мягких связных грунтах чисто упругие свойства имеют второстепенное значение, а главное значение имеют только показатели их общих деформаций: модуль суммарной деформации

, модуль объемной деформации K , модуль седиментации

л, коэффициент поперечной деформации v, коэффициент сжимаемости t и коэффициент относительной сжимаемости, а также некоторые свойства конкретных грунтов: набухшие, просадочные, мерзлые и засоленные.

Модуль общей деформации & фунт; МПа — коэффициент пропорциональности линейной зависимости между приращениями давления на образец и его относительной линейной общей деформацией. Рассчитывается по формуле тогда как модуль упругости

находится из соотношения (рис. 8.3, b). Таким образом, всегда & pound; o & lt; & pound;, так как всегда

Фиг.8.10. Определение модулей деформации: тангенциальный модуль, определяемый на уровне напряжений в процентах от предела прочности: б — усредненный модуль на линейном участке; c — секущий модуль упругости, определенный на уровне напряжения в процентах от предела прочности и

Модуль общей деформации можно определить тремя способами (рисунок 8.10) с помощью формулы

(8,4)

где Δσ и Ac — приращения вертикального напряжения и полной вертикальной деформации начального участка диаграммы деформации для следующего выбранного метода:

• касательный модуль деформации определяется как тангенс угла наклона прямой (рисунок 8.10, а ), проведенное через выбранное значение вертикального напряжения, 30 … 50% силы;

• Если кривая имеет явный линейный участок (рис. 8.10, б), то модуль деформации определяется как тангенс угла наклона прямой, совпадающей с этим участком;

• Секущий модуль деформации (рис. 8.10, c) используется в случае, если начальный участок кривой деформации имеет ярко выраженный нелинейный участок.

Значения модулей по разгрузочной ветви определяются аналогично, они характеризуют упругую часть деформации грунта при его разгрузке и называются модулями упругости при изучении действия статических нагрузок.В этом случае понятие модуля упругости для мягких дисперсных грунтов используется только при очень малых напряжениях, не превышающих модуль упругости среды, когда деформации нагрузки и разгрузки полностью обратимы. При нагружении грунтов их уплотнение происходит в основном за счет изменения объема пор между твердыми частицами, по сравнению с которым деформации минеральных частиц и поровой воды незначительны.

Модуль общей деформации Eo не является постоянным для грунта, так как он зависит от диапазона напряжений, при котором он был определен.Поэтому всегда необходимо указывать нагрузки, для которых он был получен, и сравнивать величины модулей друг с другом только в тех же диапазонах напряжений.

Модуль осадков E x, мм / м, представляет собой относительную деформацию почвы, выраженную в ppm, которая определяется по формуле

где Δh и ei — деформация образца и коэффициент пористости под нагрузкой o A — начальная высота образца; е — начальный коэффициент пористости.

Данный показатель широко применяется при проектировании насыпных конструкций на слабых грунтах и ​​характеризует изменение исходного состояния грунта под нагрузкой.

Модуль упругости E, МПа, является коэффициентом пропорциональности между напряжением и соответствующей относительной обратимой деформацией: o = Ec обр. Модуль упругости определяется при испытании на одноосное сжатие с возможностью бокового расширения.В ГОСТ 12248 приведен метод сжатия и трехосного определения модуля деформации, который учитывает как упругую, так и крючковую, а также остаточную деформацию. Выделить модуль упругости по результатам этих испытаний можно, только используя разгрузочную ветвь зависимости .-A, рассчитав модуль по формуле (8.4).

Модуль упругости находится через модуль сдвига G и модуль объемной упругости K:

Численно модуль упругости равен напряжению, вызвавшему относительную деформацию, равную единице.Его величина характеризует жесткость грунта, то есть их способность упруго сопротивляться линейным деформациям растяжения или сжатия. Величина модуля, измеренная при сжатии (

с) больше, чем значение, измеренное модулем упругости при растяжении (

п) [58]:

Модуль упругости, определенный в статических условиях (при однократном нагружении), отличается от аналогичного модуля, определяемого в динамических условиях (при многократном нагружении или по скорости прохождения упругих волн).

Коэффициент поперечной деформации v и коэффициент Пуассона m (безразмерный размер) — это отношение поперечной деформации (y) к продольной относительной деформации (-), взятой с обратным знаком (в случае действуют только вертикальные напряжения, а напряжения и отсутствуют). Коэффициент поперечной деформации также можно определить по формуле

(8,5)

Коэффициент Пуассона m для каменистых, полууслоенных и плотных глинистых грунтов определяется из разгрузочных ветвей зависимостей e-σ по формуле (8.5) или через модуль упругости E модуль сдвига G, объемный модуль K , параметр Ляма:

Коэффициент поперечной деформации теоретически изменяется от 1 до +0,5, а практически от 0 до +0,5 и может уменьшаться до 0 в лессовидных грунтах. Коэффициент не может быть больше 0,5, так как в этом случае при всестороннем сжатии (ex = ey = e ₂₎ пришлось бы увеличить объем грунта, который физически невозможно.Однородные по минеральному составу почвы характеризуют геев более низкими значениями коэффициента. Чем больше его значение, тем больше может деформироваться грунт.

Коэффициент бокового давления грунта ζ в естественных условиях равен отношению бокового сжимающего напряжения и к вертикальному напряжению Коэффициент бокового давления должен быть коэффициентом бокового давления грунта в стабилизированное состояние при неизменном вертикальном положении вертикальных участков образца и касательных напряжениях на них.

В случае трехосных испытаний — коэффициент давления на грунт (к нормальному давлению. Нормальное давление должно быть задано исходя из грунтовых условий фундамента в интервале давлений, эквивалентных естественному <7>, или давлений, соответствующих прочности конструкции

стр. И заданное расчетное давление.

Для случая осесимметричной деформации, когда [94]:

Коэффициенты поперечного расширения v и бокового давления c связаны зависимостями:

Следует иметь в виду, что эти зависимости справедливы для случая, когда основные деформации есть.

Модуль сдвига G, МПа, представляет собой характеристику деформируемости, определяемую отношением касательного напряжения r, приложенного к земле, к углу сдвига y (Рисунок 8.2, b). Данный показатель используется при расчете устойчивости конструкций и грунтовых массивов, давления грунта на ограждения и подземные сооружения, при расчете наносов под свайными основаниями.

Модуль сдвига связан с коэффициентом Пуассона и модулем упругости зависимостью [79]:

(8.6)

Величина модуля сдвига зависит от уровня деформации (или приложенных касательных напряжений) и определяется тремя способами. На рис. 8.11, a представлена ​​типичная кривая зависимости напряжения сдвига от деформации сдвига для дисперсных грунтов при недренированном нагружении и для традиционно используемых вариантов модуля сдвига. При очень низком уровне напряжения (небольшие деформации) модуль сдвига будет максимальным G, mx, по мере увеличения напряжений модуль сдвига уменьшается.При уровне напряжений, равном 50% разрушающей нагрузки, для касательного модуля часто используется обозначение G50, что соответствует коэффициенту надежности, характерному для нормальных условий эксплуатации. В случае разрушения уровень сдвига характеризует секущий модуль G /.

Рис. 8.11. Определение модулей сдвига [79]: а — зависимость деформации сдвига от касательных напряжений для грунтов при недренированном нагружении: б напряженно-деформированное состояние грунта при сдвиге при повторном нагружении

Обычно на практике взаимосвязь между напряжениями и деформациями грунта определяется секущим модулем упругости G max. Обратите внимание, что при диффузии и повторном нагружении этот модуль часто рассматривается как соответствующий начальному модулю нагрузки G max.На рис. 8.11, б показана взаимосвязь между напряжениями и деформациями в случае повторного нагружения, а также кривые начальной нагрузки G ™ * и повторной разгрузочной нагрузки [79].

Объемный модуль K — это коэффициент пропорциональности между объемными напряжениями и их относительными объемными деформациями: σ v = Ke v. Объемный модуль также можно определить по формулам:

Для определения сжимаемости грунта используются четыре широко известных метода [125]:

• Обратные расчеты по измеренным осадкам при эквивалентных напряжениях, которые позволяют нам оценить характеристики сжимаемости с учетом слоистости основания, перераспределения нагрузки и временных эффектов, которые трудно учесть в расчетах;

эмпирическая оценка деформаций на основе косвенных полевых испытаний, аналогичных статическому зондированию

• Измерения деформаций полевыми методами, такими как испытания с помощью плоской матрицы и прессиометра;

• Компрессионные и трехосные испытания грунтов в лабораторных условиях.

Характеристики деформационных свойств грунтов естественного и искусственного происхождения следует определять на основании их прямых испытаний в полевых или лабораторных условиях (методы определения приведены в таблице 8.1) с учетом возможных изменения влажности почвы при строительстве и эксплуатации сооружений [114]. При определении модуля деформации в полевых условиях допускается проведение испытаний грунта при естественной влажности с последующей корректировкой полученного значения модуля деформации на основании испытаний на сжатие.Для этого проводят параллельные испытания на сжатие грунта естественной влажности и грунта, предварительно водонасыщенного до требуемой влажности. Коэффициент уменьшения модуля деформации грунта, полученный в опыте с его дополнительной водонасыщенностью, используется для корректировки полевых данных.

Таблица 8.1

Лабораторные исследования деформируемости грунта

Конец таблицы. С. И

Скалистые грунты с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа (40), полусладкие и глинистые грунты с H & lt; 0. 25 117]

Полевые испытания при статических нагрузках в котлованах или котлованах с использованием плоских штампов площадью 2500 … 5000 см, а также с помощью винтовой лопасти-штампа являются наиболее надежными методами определения деформационных характеристик грунтов площадью 600 см »[43].

Режимы деформирования песчаных и пыльных глинистых грунтов, не обладающих выраженными свойствами анизотропии, можно определять с помощью прессиометров в скважинах и плоских вертикальных штампов (пластинчатых прессиометров) в скважинах или массиве с последующей коррекцией полученных данных.Корректировку следует проводить путем сравнения их с результатами параллельных эталонных испытаний того же грунта с использованием плоских горизонтальных плашек, а в случае затруднений с проведением последних (большие глубины испытаний, водонасыщенные грунты) с результатами испытаний винтовой лопастью. -печать. Эти параллельные испытания являются обязательными при изучении опор для строительства зданий класса I. Для зданий и сооружений II-III классов допускается корректировка результатов испытаний прессометрами с использованием эмпирических коэффициентов.

Модули деформации песчаных и пыльно-глинистых грунтов для зданий и сооружений I и II классов могут быть определены методом статического зондирования, на основании сопоставления данных зондирования с результатами испытаний того же грунта со штампами. Для зданий и сооружений III класса разрешается определять модуль деформации только по данным статического зондирования.

Режимы деформирования песчаных грунтов (кроме илистых водонасыщенных) могут быть определены методом динамического зондирования на основе сравнения данных зондирования с результатами испытаний того же грунта со штампами.Проведение сравнительных испытаний обязательно для зданий и сооружений I и II классов. Для зданий и сооружений третьего класса допускается определение модуля деформации песчаных грунтов при глубине их залегания до 6 м только по данным динамического зондирования [114].

В лабораторных условиях можно определять деформационные характеристики компрессоров и приборов трехосного и одноосного (для мерзлых грунтов) сжатия. Для сооружений I и 11 уровней ответственности значения E по лабораторным данным следует уточнить на основе их сравнения с результатами параллельных испытаний тех же марок грунта.Для конструкций третьего уровня ответственности допускается определять только значения Eo , но до результатов сжатия, корректируя их с помощью повышающих коэффициентов / и *, приведенных в табл. 8.2 для промежуточных значений и коэффициент / u * определяется интерполяцией. Эти коэффициенты распространяются на четвертичные глинистые почвы с индексом урожайности () & lt; //. Lt; 1, а значения модуля деформации для испытаний на сжатие следует рассчитывать в диапазоне давлений 0.1 … 0,2 МПа.

Значения коэффициента м * [114]

Таблица 8.2

Тип почвы	Значения коэффициента пк для коэффициента пористости е равного
	0,45-0,55	0,65	0,75	0,85	0.95	1,05
Суглинок	4	3,5	3	2	–	–
Суглинки	5	4,5	4	3	2,5	2
Глина	–	6	6	5.5	5	4,5

Определение деформационных характеристик грунтов в лабораторных условиях следует проводить, как правило, методом трехосного сжатия (ГОСТ 12248), а по результатам корректировать данные испытаний методами компрессионного сжатия [109]. Проектирование фундаментов по результатам испытаний на сжатие без поправочных коэффициентов приводит к завышению расчетной осадки и, как следствие, к неоправданному завышению стоимости фундамента [5].Получить достоверные данные по результатам полевых и лабораторных измерений модуля деформации грунта очень сложно, особенно из-за возмущений образца и других причин. Данные лабораторных испытаний образцов часто искажают сжимаемость грунта на месте, поэтому необходимо анализировать данные о поведении существующих конструкций, если таковые имеются.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Глава 3 — Лабораторные испытания и индексные свойства почв

3.2.3. Процедуры тестирования

Поскольку грунты существуют в огромном разнообразии, и поскольку проблемы прикладной механики грунтов существуют в очень большом разнообразии, процедуры тестирования для определения инженерных свойств грунтов (например, зависимости прочности от деформации) не могут быть стандартизированы.

Перед тем, как в лабораторию поступит запрос на испытание грунта, инженер-конструктор, ответственный за разработку программы испытаний, должен четко определить цель каждого испытания для себя и для лица, которое будет контролировать испытания.Обычно необходимо адаптировать процедуры тестирования к конкретным требованиям расследования.

Например, тест консолидации можно выполнить различными способами. То, что часто называют «стандартным испытанием на отверждение», всегда выполняется путем удвоения предыдущей нагрузки на образец. Эта процедура позволяет получить кривые консолидации во времени, которые обычно позволяют наиболее точно оценить коэффициенты проницаемости и консолидации. Однако эти приращения нагрузки не всегда являются удовлетворительными для определения давления предварительного уплотнения по форме кривой соотношения пустотности и давления; для этого множитель намного меньше 2. 0 следует использовать во время инкрементальной загрузки. Кроме того, максимальная нагрузка, при которой следует продолжить испытание на уплотнение, будет зависеть от консистенции и истории напряжений грунта, а также требований проекта.

Например, если глина, которая обычно консолидировалась под эффективным давлением покрывающей породы 1 тыс. Фунтов на фут, должна быть загружена насыпью, которая будет оказывать дополнительное давление 2 тыс. выполнить цель теста.С другой стороны, сильно переуплотненная глина, которая будет нагружена насыпью значительной высоты, может потребовать продолжения испытания на отверждение до нагрузки 40 тыс.футов или более.

Еще большее разнообразие процедур испытаний существует для измерения прочности грунта, и цель испытаний должна постоянно пересматриваться, чтобы гарантировать, что результаты имеют значение с точки зрения дизайна. Однако тесты, которые не позволяют измерить четко определенные технические характеристики, такие как пределы Аттерберга, удельный вес, анализ размера зерен и уплотнение), требуют соблюдения стандартизированных процедур.Даже здесь следует признать опасность необдуманного тестирования. Например, результаты испытаний на уплотнение должны быть тщательно оценены, если материал крупнее, чем _ ”(или какой-либо другой размер) был удален стандартным методом.

Иногда могут потребоваться отклонения от этих процедур в зависимости от мнения инженеров-испытателей или инженеров-проектировщиков, их опыта работы с местными грунтами или особенностей проекта. Однако, чтобы гарантировать, что методы испытаний остаются совместимыми с целью испытаний и что результаты будут приемлемыми, каждое такое отклонение должно быть заранее обсуждено с конструкторским бюро, запрашивающим испытания.Кроме того, к данным испытаний должно прилагаться описание любой нетрадиционной процедуры.

Роль интерфейса между распределенным оптоволоконным датчиком деформации и почвой в измерении деформации грунта

Характеристики поверхности раздела волокна и почвы подвержены изменениям окружающей среды

Ранее мы показали, что OP является критическим фактором, влияющим на свойства поверхности раздела волокна и почвы ^{27 , 28,29} . Здесь мы остановились на влиянии плотности и влажности почвы.Типичные кривые вытягивающее усилие – смещение при различной плотности сухого вещества и влажности почвы показаны на дополнительном рисунке S2. Пиковая и остаточная межфазная прочность на сдвиг (ISS) увеличивалась с увеличением плотности почвы в сухом состоянии (рис. 2a и дополнительный рис. S3a), что указывает на то, что при высокой плотности почвы межфазная связь волокна и почвы значительно усиливается. В соответствии с этим увеличение плотности сухого грунта сопровождалось увеличением эффективных и остаточных смещений (рис. 2b и дополнительный рис.S3b). Это говорит о том, что диапазон измерения оптического волокна расширяется при высокой плотности почвы. И наоборот, увеличение содержания воды в почве вызвало сокращение пиковых и остаточных МКС, а также эффективных и остаточных смещений (рис. 2f, g и дополнительный рис. S3c, d). Примечательно, что на эту тенденцию не повлияла оптимальная влажность почвы. Это наблюдение указывает на то, что содержание воды в почве играет крайне отрицательную роль в межфазной связи волокна-почва.

Рисунок 2

Влияние сухой плотности и влажности почвы на межфазное поведение волокна и почвы.

Для каждой плотности в сухом состоянии или содержания воды были исследованы избыточные давления (ОП) в диапазоне от 0 до 60 кПа. Для каждой плотности в сухом состоянии содержание воды составляло 10%. Для каждого содержания воды плотность в сухом состоянии составляла 1,8 г / см ³ . Пиковое межфазное напряжение сдвига (ISS) (a, f) , эффективное смещение (b, g) и отношение остаточного напряжения к пиковому ISS (c, h) были инвертированы из кривых усилия отрыва-смещения. (Дополнительный рис. S2) с использованием явной модели ²⁵ .Коробчатые диаграммы в (c, h) отображают все данные для каждой плотности в сухом состоянии или содержания воды. Когезия (d, i) и угол трения (e, j) были получены из соотношений ISS — OP с линейными линиями (дополнительный рисунок S4 и дополнительная таблица 1). Серая пунктирная линия указывает оптимальную влажность почвы.

Отношение остаточного ISS к пиковому считается важным показателем при мониторинге деформации грунта, поскольку этот параметр помогает нам определить, находится ли оптическое волокно в допустимом рабочем состоянии с точки зрения полевого мониторинга ^28,29 .Ранее мы продемонстрировали, что отношение остаточного ISS к пиковому не коррелировало с OP, в то время как межфазная связь была высокочувствительной к OP ²⁹ . Неудивительно, что отношение остаточного количества к пиковому ISS оказалось также независимым от плотности в сухом состоянии и содержания воды (рис. 2c, h). Однако это наблюдение требует дополнительных специальных исследований.

Зависимости ISS – OP при различной плотности сухого и влажного грунта хорошо описывались линейными линиями (дополнительный рис.S4). Это указывает на то, что поверхность раздела волокно-грунт подчиняется хорошо известному критерию разрушения Мора-Кулона. Подгоняемые линии использовались для получения когезий и углов трения на границе раздела волокон и почвы (дополнительная таблица S1). Как и в случае с ISS, сцепление и углы трения увеличивались с увеличением сухой плотности почвы, в то время как увеличение содержания воды в почве приводило к снижению этих двух параметров. В совокупности наши результаты показывают, что межфазные характеристики волокна и почвы чувствительны к давлению покрывающих пород, плотности и влажности почвы.

Измерение эволюции распределения деформации во время прогрессирующего разрушения границы раздела волокна и почвы

Затем мы попытались исследовать эволюцию распределения деформации вдоль оптического волокна в процессе разрушения поверхности раздела. Оптическое волокно длиной 1200 мм и диаметром 2 мм было испытано в резервуаре с песком (дополнительный рисунок S5), где данные о деформации оптического волокна были получены с использованием демодулятора оптического анализа во временной области Бриллюэна (BOTDA) с пространственным разрешение 50 мм и интервал выборки 10 мм, что позволяет получать 100 точек данных на расстоянии 1 м. Подробная процедура эксперимента описана в разделе «Материалы и методы». Результаты экспериментов показаны на рис. 3. Приложенные усилия отрыва, измеренные датчиком силы ( P _FG ), хорошо согласуются с рассчитанными с использованием значений деформации волоконно-оптического кабеля на головке волокна ( P _FOS ). ) (Рис. 3b), что указывает на надежность экспериментальной установки и точность измерений деформации оптического волокна. Взаимосвязь между силой вытягивания и смещением вытягивания имеет некоторые важные особенности (рис.3а). До пика усилие отрыва увеличивалось с увеличением смещения, и кривая была очень нелинейной. Иными словами, вытягивающая сила имела тенденцию оставаться стабильной после пика, несмотря на непрерывное увеличение смещения.

Рисунок 3

Эволюция распределения деформации во время прогрессирующего разрушения границы раздела волокна и почвы.

(a) График зависимости усилия отрыва от смещения. (b) Корреляция между усилиями отрыва, измеренными датчиком усилия ( P _FG ), и теми, которые рассчитаны с использованием данных измерения деформации оптоволокна ( P _FOS ).Сплошная линия показывает соотношение 1: 1. (c) Эволюция распределения деформации вдоль оптического волокна при инкрементных смещениях. Красные пунктирные линии в (a, c) показывают результаты, предсказанные моделью взаимодействия волокна и почвы, предложенной в этом исследовании. (d) Корреляция между силой отрыва и подвижной длиной (нормализованная). Пунктирная линия указывает на линейные посадки. Вытягивающее усилие в (a, d) относится к P _FG .

Осевые деформации волокна получены при 12 этапах смещения (рис.3в). Примечательно, что деформации возникали в точке нагружения, а затем распространялись к дальнему концу волокна с увеличением вытягивающего смещения. Деформации были полностью мобилизованы при смещении 5,36 мм, что соответствует усилию отрыва 10,8 Н. До этого мобилизованная длина коррелировала с силой отрыва, и их кривая зависимости была построена с использованием линейной линии (рис. . 3d). Кроме того, в пределах мобилизованной длины были идентифицированы две отличительные зоны. Распределение деформации в первой зоне можно аппроксимировать прямой линией, а в остальной части — нелинейной кривой.Прямой участок увеличивался с приложенным смещением и в конечном итоге распределялся по всей длине волокна. Важно отметить, что, поскольку дифференциация осевой деформации в зависимости от положения может привести к ISS, наши результаты показывают, что пластическая зона или зона разрушения, характеризующаяся постоянным значением ISS, распространялась по направлению к носку волокна с увеличением вытягивающего смещения и, наконец, занимает всю длину волокна. В сочетании с взаимосвязью между силой отрыва и смещением отрыва эти наблюдения показывают, что во время процесса прогрессирующего разрушения поверхностное поведение волокна и грунта можно описать с помощью идеальной упруго-пластической модели.

Интерпретация экспериментальных результатов с использованием упрощенной модели взаимодействия волокна с грунтом

Здесь мы предложили упрощенную модель для описания и интерпретации поведения на границе раздела волокон и грунта в процессе прогрессирующего разрушения (рис. 4). Мы предположили, что упруго-пластическое напряжение-деформация сдвига для границы раздела волокно-грунт:

Рисунок 4

Упрощенная модель, предложенная для описания поведения поверхности раздела волокно-грунт во время процесса прогрессирующего разрушения.

(a) Взаимосвязь между напряжением сдвига и деформацией сдвига на границе раздела волокон и почвы. OA и AB обозначают упругую и пластическую ветви соответственно. (b) Эволюция распределения межфазного напряжения сдвига и осевой деформации вдоль волокна, чувствительного к деформации, в процессе разрушения. (c) Типичная кривая вытягивающего усилия – смещения, полученная на основе модели. Обозначены три фазы извлечения (т.е. фазы I, II и III), а также три рабочих состояния (т.е.е. эффективные, частично эффективные и недопустимые состояния) чувствительного к деформации волокна заштрихованы для ясности. « P » указывает усилие отрыва, приложенное к головке волокна.

, где τ и γ — межфазное напряжение сдвига и деформация соответственно; γ ₁ — деформация межфазного сдвига, соответствующая пику ISS, τ _max ; и G — жесткость на сдвиг границы раздела волокно-грунт. Кривая имеет упругую ветвь до пика ISS (обозначает идеально соединенную границу раздела), за которой следует горизонтальная ветвь, указывающая, что граница раздела волокно-грунт полностью разделена (рис.4а).

С увеличением вытягивающего усилия, прилагаемого к головке волокна, постепенно увеличивается ISS и осевая деформация. Сначала не происходит отслоения интерфейса (рис. 4b, левая панель). Как только ISS на головке волокна достигает τ _max , начинается отслоение границы раздела фаз, которое распространяется от головки волокна к кончику. На этом этапе вдоль оптического волокна существует как упругое, так и пластическое напряженное состояние границы раздела (рис. 4b, средняя панель). Когда ISS достигает пика на носке волокна, интерфейс полностью разрывается (рис.4б, правая панель). Таким образом, мы разделили весь процесс вытягивания на три фазы (рис. 4c), то есть чисто упругую фазу (фаза I), упруго-пластическую фазу (фаза II) и чисто пластическую фазу (фаза III). Мы вывели соотношение между усилием отрыва P и смещением отрыва u ₀ для каждой фазы отрыва как

, где D , L , A и E являются диаметр, длина, площадь поперечного сечения и модуль Юнга оптического волокна соответственно; G ^* — коэффициент сдвига границы раздела волокон и грунта, определяемый как G ^* = 2 G / h ; h — толщина полосы сдвига вдоль волокна; β — коэффициент, определяемый как; и L _p — длина зоны пластика. Кроме того, мы также получили распределения осевой деформации, межфазного напряжения сдвига и смещения вдоль оптического волокна для каждой из трех фаз вытягивания. Подробные формулировки представлены в дополнительной информации.

Модель использовалась для моделирования экспериментальных результатов с использованием следующих параметров: D = 2 мм, L = 1,2 м, E = 0,34 ГПа, G ^* = 20 МПа / м, и τ _макс = 1.53 кПа. Первые два параметра ( D и L ) были фактическими размерами волокна. Модуль Юнга E волокна был получен с помощью серии стандартных испытаний на одноосное растяжение. Последние два параметра ( G ^* и τ _max ) были получены путем подгонки предложенной модели к экспериментальным данным с использованием метода наименьших квадратов. Прогнозируемые результаты, полученные при моделировании, достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными (рис.3а, в, красные пунктирные линии). Примечательно, что осевая деформация по отношению к расстоянию является гиперболической функцией и линейной функцией в упругой зоне и пластической зоне соответственно (см. Уравнения (S6) и (S10) в дополнительной информации), что согласуется с нашими предыдущими описание двух отличительных зон распределения деформации. Таким образом, наша модель может рационально описать прогрессирующее поведение разрушения на границе раздела волокно-грунт и точно предсказать эволюцию распределения деформации.

На этой основе мы далее предположили, что три рабочих состояния чувствительного к деформации волокна могут быть идентифицированы во время разрушения границы раздела волокно-грунт, а именно: эффективное состояние, частично эффективное состояние и недопустимое состояние (рис. 4b). В эффективном рабочем состоянии поверхность раздела волокно-грунт находится в состоянии упругого напряжения, и измерения деформации считаются надежными. И наоборот, в недопустимом рабочем состоянии интерфейс находится в состоянии пластического напряжения, и измеренные данные следует рассматривать как недопустимые. Для конкретного сегмента оптического волокна надежность измерений деформации может быть определена в соответствии с рабочим состоянием интерфейса этого сегмента, которое можно оценить, используя простой подход в инженерной практике ^27,30 . При таком подходе ISS можно выразить как

, где d ε / d x — градиент деформации вдоль сегмента волокна. Если вычисленное значение ISS τ меньше, чем пиковое значение ISS τ _max , измеренные данные деформации можно считать действительными.

Границы | Взаимосвязи и связи между механикой грунта, физикой пористых сред, физико-химической теорией и теорией эффективной среды

Введение

Геотехническая инженерия — это часть инженерных проблем, связанных с гидромеханическим (или термогидромеханическим) поведением грунтов. В классической механике грунтов (геотехническая инженерия) используются следующие основные принципы:

• Равновесие (сохранение количества движения)

• Баланс массы (Сохранение массы)

• Тепловой баланс (сохранение энергии)

• Принцип эффективного напряжения (Terzaghi или Bishop) для напряжения, переносимого скелетом почвы и ответственного за деформацию.

• Материальные отношения между напряжением и деформацией

• Поток Дарси для поровой жидкости (ей)

• Закон Фурье для теплопроводности

Континуальный подход является наиболее часто используемым подходом для удовлетворения уравнений баланса количества движения, совместимости, баланса массы и теплового баланса. Деформация и / или напряжения (силы), действующие на конструкции, являются одной из основных проблем, которую должен решить инженер-геолог. В насыщенных воздухом почвенных системах (сухих грунтах), когда степень нагрузки не слишком высока (например, нагрузка от взрыва), уравнение равновесия является единственным уравнением, которое необходимо решить.В водонасыщенных системах (а также в частично насыщенных системах) объемная деформация системы напрямую связана со способностью пористой системы дренировать / поглощать воду, поэтому уравнение баланса массы также должно быть принято во внимание. Практические инженерные задачи, связанные с неизотермическими условиями, например, проекты искусственного промерзания грунта, также требуют учета уравнения теплового баланса.

В классической механике грунтов, предполагая несжимаемые зерна, деформация системы рассматривается как результат процесса проскальзывания, расширения и замыкания между частицами зернистой среды.Проскальзывание, расширение и закрытие гранулированных материалов будет продолжаться до достижения заблокированного состояния. Инженеры-геотехники называют это состояние «критическим состоянием» почвы. При наступлении критического состояния громкость системы будет заблокирована и систему можно будет только искажать. Критическое состояние — это своего рода геометрическое состояние, которое можно найти аналитически. Однако инженеры-геотехники находят это состояние экспериментально и используют механическую конструктивную основу, чтобы связать градиенты деформации с эффективной мерой напряжения системы [1].

Механическая конститутивная модель — ключевой аспект вычислительной геотехнической инженерии. Традиционно в классической геотехнике эти модели разрабатываются в рамках теории пластичности. Однако также возможно найти связи между градиентом деформации и эффективным напряжением на основе теории эффективной среды. Для читателя, не знакомого с терминологией, теория эффективной среды (EMT) — это способ описания макроскопических свойств композитного материала на основе некоторого усреднения нескольких значений составляющих этого композита (например,г., [2–5]). Свойства системы рассчитываются на основе свойств компонентов, зная объемную долю компонентов и геометрические детали. Обычно это используется для определения удельной проводимости (гидравлической, тепловой или электрической) в композитных системах. В случае механических свойств материала, такого как горные породы, EMT может использоваться для определения модулей упругости композита из модулей упругости составляющих (например, [6]). Объемная доля и индивидуальные свойства составляющих часто легко установить, однако геометрию расположения составляющих оценить трудно [7, 8]. Следовательно, эффективная теория среды часто приводит к строгим верхним и нижним границам из крайних предположений о геометрическом расположении и представительной модели между этими двумя крайностями, которая требует экспериментальной калибровки.

В этой статье будут приведены некоторые соотношения между макроскопическим поведением материала (т. Е. Определяющими законами) и эквивалентными свойствами, которые могут быть получены из теории эффективной среды. Основная попытка сделана на механических конститутивных отношениях; однако в нем также будут рассмотрены возможности использования соотношений, полученных в результате использования теории эффективной среды, для расчета гидравлической и теплопроводности смеси.

Теория эффективных сред и деформационные свойства сухих грунтов

В качестве примера теории эффективной среды и ее применения к грунту в качестве отправной точки выбран случай сжимаемости / жесткости. В случае грунтов или того, что в физике пористых сред часто называют «неконсолидированными» пористыми материалами, несколько исследователей применили теорию эффективной среды, например, чтобы установить объемную сжимаемость в сухом состоянии и модуль сдвига композита, предполагая, что система сфер и контактная модель Герца-Миндлина (e.г., [9, 10]). В инженерно-геологическом сообществе была предпринята аналогичная попытка, но под другим названием «метод дискретных элементов», для определения деформационных характеристик композита (например, [11–13]).

Объемная сжимаемость в сухом состоянии, полученная из теории эффективной среды, которая будет функцией среднего (эффективного) напряжения и / или пористости (или коэффициента пустотности) в дополнение к контактной жесткости (сжимаемости зерен) модели Герца-Миндлина, кажется, быть в относительном соответствии с измеренными значениями для крупнозернистых почв (например,г., [14]). Как видно из традиционных геотехнических испытаний образцов песка в условиях изотропного напряжения, объемная сжимаемость в сухом состоянии или обратное свойство, являющееся объемной жесткостью, являются функцией пористости и / или среднего напряжения [1]. Эмпирические данные обычно показывают, что объемная жесткость песка изменяется пропорционально квадратному корню из среднего напряжения, по крайней мере, при уровнях рабочего напряжения, обычно встречающихся в инженерно-геологической практике. Houlsby et al. [15] получили гиперупругую формулировку, предложив функцию для энергии упругой деформации (свободная энергия Гельмгольца) и / или дополнительной свободной энергии Гиббса.Вывод из Houlsby et al. [15] дает не только изменение объемной жесткости в изотопических условиях как функцию среднего напряжения, но также и остальную часть тензора жесткости 4-го порядка и его зависимость от напряжения. Как следует из описания гиперупругости, в условиях общего напряжения жесткость зависит от общего напряженного состояния, а не только от среднего напряжения. Однако формулировка дает, в предположении изотропных условий, объемную жесткость, зависящую от среднего напряжения, которая затем очень хорошо согласуется с результатами, полученными с помощью теории эффективной среды [14].Стоит отметить, что зависимость мощности от гиперэластичности может варьироваться от единицы (линейное изменение) до нуля (постоянная жесткость), как экспериментальное открытие, например, Джанбу [16]. Теория эффективной среды в неизотропных условиях показывает, как, например, замечено Норрисом и Джонсоном [17], что объемная сжимаемость станет функцией тангенциального смещения скольжения в контактах и ​​тангенциальной контактной жесткости в модели Герца-Миндлина. Это связано с общей зависимостью напряжения (сдвига), обнаруженной Houlsby et al.[15] и также будет генерировать условия связи между объемной жесткостью и жесткостью на сдвиг в среде аналогичным образом.

Принцип эффективного напряжения в почвах, влияние поровой жидкости

В приведенном выше разделе показано, что теория эффективной среды по существу дает те же результаты для сухой зернистой среды, что и те соотношения, которые уже используются в механике грунтов, когда дело касается деформации среды. Следующим естественным шагом было бы увидеть взаимосвязь между теорией эффективной среды и эффективной мерой напряжения в полностью насыщенных почвах.Это важно, поскольку в геотехнической инженерии эффективное напряжение рассматривается как единственная переменная напряжения, контролирующая деформацию почвы. На основе экспериментальной работы и теории хорошо установлено, что для насыщенных условий и для грунтов с плотной структурой (например, песка и гравия) действует принцип эффективного напряжения Терзаги (см., Например, [18]). Ниже кратко излагается эта концепция. В условиях насыщения из-за небольшой площади контакта между относительно крупными зернами можно просто записать уравнение (1), учитывающее одну составляющую нормального напряжения и плавучесть зерен в воде.

σ ′ = 1A · (A · σ-Aw · (pw-pam) -A · pam) = σ-pam + AwA · (pam-pw) (1)

Где A — это общая площадь поперечного сечения, проходящего через точки контакта, A _w — это площадь, покрытая водой (обратите внимание, что вода может быть заменена любыми другими инертными поровыми жидкостями) , σ ‘и σ — эффективное и полное нормальное напряжение соответственно, p _w и p _am — давление воды и окружающей среды.Это соответствует выражению, найденному Бишопом [19]. Дальнейшая установка A _w / A = 1 (т.е. игнорирование площади контакта между зернами) и переопределение общего напряжения как σ — p _am , а поровое давление как p _w — p _am , дает эффективное напряжение Терзаги как:

Обратите внимание, что выше сжатие и давление считаются положительными.

Де Бур и Элерс [20] использовали концепцию теории смеси , и свободную энергию, чтобы показать, что, когда составляющие рассматриваются как несжимаемые (несжимаемые зерна и несжимаемая жидкость) и что жидкость считается имеющей пренебрежимо малое напряжение сдвига, Тензор полных парциальных напряжений в твердом теле (действующий по всей площади) аддитивно разлагается на давление поровой жидкости и уравнение тензора эффективных напряжений (3). Вышеупомянутое предположение выполняется, поскольку жесткость на сдвиг жидкости равна нулю для ньютоновских жидкостей, а вязкость, умноженная на скорость деформации сдвига, в жидкости пренебрежимо мала или равна нулю (что справедливо для предположения о потоке Дарси).

σijS = σ′ijS + nS · pF · δij (3)

Где n ^S — объемная доля твердого вещества, а p _F — давление жидкости.

Аналогично тензору парциальных напряжений поровой жидкости (действующему по всей площади) уравнение де Бура и Элерса дает:

σijF = nF · pF · δij (4)

, где n ^F — объемная доля жидкости, которая в геотехнике в случае насыщенной среды называется пористостью n (соотношение между объемом пор и общим объемом).

При объединении уравнений (3, 4) в полное напряжение эффективной среды получается следующее, поскольку для случая насыщения n ^S + n ^F = 1:

σij = σijS + σijF = σ′ijS + (nS + nF) · pF · δij = σ′ijS + pF · δij (5)

Это дополнительно уточняет классическое эффективное напряжение Терзаги [21], заменяя жидкость водой и опуская индекс S для твердого тела:

σ′ij = σij-pw · δij (6)

Именно для этого эффективного напряжения должно быть сформулировано определяющее уравнение механического поведения насыщенной смеси.

Для случая частично насыщенного грунта (который может быть расширен на случай более чем одного типа поровой жидкости) Nikooee et al. [22], полученный на основе термодинамического подхода, напряжение, аналогичное эффективному напряжению Бишопа [23]:

σ′ij (B) = σij-pa · δij + χ · (pa-pw) · δij (7)

, где p _a — поровое давление воздуха. Уравнение вводит параметр эффективного напряжения χ. Параметр χ является функцией водонасыщенности (включая значение входящего воздуха) и удельной поверхности раздела воздух-вода.Обратите внимание на сходство уравнений (7) с установкой χ = A _w / A . Другие работы, такие как работа Борха [24], показывают, используя теорию смеси, что параметр χ может быть установлен равным степени водонасыщенности ( S _w ), что означает, что удельный воздух -водная межфазная площадь будет зависеть только от почвы и степени насыщения, а не от того, подвергается ли почва увлажнению или высыханию. Это, вероятно, предположение, которое в действительности неверно и легко оказывается неверным путем экспериментального тестирования (например,· (Αij-δij)) (8)

Где A вводится для учета анизотропного эффекта всасывания из-за тензора ткани α _ij . Последствия загрязнения ткани приводят к эффективному измерению напряжения, которое зависит от переменной состояния (ткани). Следовательно, было бы более уместно работать с определением эффективного напряжения Терзаги, уравнением (6) и всасыванием ( p _a — p _w ) в качестве независимой переменной напряжения при конституционный уровень.

Поскольку эффективное напряжение — это хорошо зарекомендовавшая себя основа, хорошо работающая для крупнозернистых грунтов и имеющая твердые теоретические объяснения, следующим шагом будет изучение более мелкодисперсных грунтов, таких как глина. Такие авторы, как Осипов [30], подчеркивают, что приведенный выше принцип эффективного напряжения не учитывает влияние каких-либо физико-химических сил на эффективное напряжение. Митчелл и Сога [31] обнаружили, что принцип эффективного напряжения можно модифицировать, чтобы включить в него электростатические силы притяжения и отталкивания «на большом расстоянии» и химические ограничения на близком расстоянии.После интеграции эффекта тесной химической связи и контактных напряжений это приводит к следующему выражению для эффективного напряжения:

σ′ij = σij + A-pw · δij (9)

, где A (заглавная α, а не латинское A ) представляет собой интеграл сил электростатического притяжения, деленный на площадь. Однако реальное значение A очень сложно оценить. Размер и знак которых будут зависеть от ориентации частиц и расстояния, толщины двойного слоя и т. Д. Для водонасыщенных глин без прямого контакта между частицами, как в мягких природных глинах с полностью открытой пористой структурой, A равно интеграл по местному чистому разъединяющему / притягивающему давлению по рабочим зонам, деленный на общую площадь.Таким образом, чистая величина A является функцией расстояния между частицами, которое в среднем представлено пористостью глины (то есть объемной долей свободной воды). Связь между этим и классической геотехнической терминологией — это то, что мы ощущаем как эффект консолидации до — напряжения , p _c ′ глины. С точки зрения конститутивного моделирования это позволяет использовать два варианта: конститутивная модель, сформулированная в терминах эффективного напряжения с учетом «A»; или используя предыдущее определение эффективного напряжения для насыщенных грунтов и добавив дополнительную переменную состояния, являющуюся напряжением перед консолидацией.Последнее — то, как это часто делается сегодня в механике грунтов. В качестве альтернативы в качестве переменной состояния можно использовать меру пористости. Для более плотной глины могут образоваться закрытые поры. В таком случае даже для состояния насыщения параметр χ (как отношение « A _w / A ») может локально интерпретироваться как меньше единицы; и местное поровое давление может быть выше, чем гидростатическое давление, так как местное герметичное давление не может консолидироваться.Такое поведение характерно, например, для глин, богатых смектитом (набухающих глин). Однако это поведение также можно рассматривать на конститутивном уровне с учетом эффективного напряжения Терзаги [32], поскольку локальное эффективное напряжение не требуется для рассмотрения макроскопического поведения глинистых агрегатов, а микроскопические эффекты (взаимодействие частиц с частицами) могут быть включены переменными состояния в модели (т. е. через ткань).

Основное моделирование и выбор эффективной меры напряжения

Отношения между двумя физическими величинами, заданными для материала, называются определяющими отношениями.Примерами определяющих соотношений являются отношения между разностью потенциалов и средними потоками (текучая среда, электричество, тепло и т. Д.) Или между градиентами деформации и напряжениями (механическое поведение). Что касается почв, то в контексте механики почв необходимо рассмотреть три основных определяющих отношения. А именно, для гидравлической части (гидравлическая проводимость, т. Е. Поток жидкости из-за градиента гидравлического потенциала, закон Дарси, т. Е. Тензор 2-го порядка, k ), для тепловой части (теплопроводность, т.е.е., тепловой поток из-за градиента температуры, закон Фурье, т. е. тензор 2-го порядка λ) и для механической части (изменение эффективного напряжения в зависимости от изменения деформации, т. е. тензор тангенциальной жесткости 4-го порядка, D ).

Гидравлическая проводимость, k , является функцией проницаемости почвы (как функция пористости и анизотропии ) и вязкости жидкости (как функции температуры ). Кроме того, градиент гидравлического потенциала связан через градиент давления и плотность (плотность жидкости также является функцией температуры).

Несмотря на то, что точное описание на макроуровне для установления эффективных тензоров гидравлической и теплопроводности является сложным, с точки зрения теории эффективной среды, его вывод одинаков как для консолидированных, так и для неконсолидированных пористых сред.

Деформационные свойства сухой пористой среды обсуждались в предыдущем разделе. Принимая во внимание, что эффективное напряжение будет единственной переменной напряжения, ответственной за механическое поведение, к насыщенным или частично насыщенным почвам будут применяться те же основные правила, что и к сухим почвам.Следовательно, соотношения упругой жесткости, полученные из теории эффективной среды, применимы и здесь. Однако на самом деле упругая деформация рыхлой пористой среды (то есть упругая часть деформации в материале грунта) обычно вносит небольшой вклад в общую деформацию. Фактически, большинство деформаций в почвенном материале будут пластическими деформациями (деформацией, которая не способствует увеличению внутренней обратимой энергии).

Исходя из предположения о несжимаемости твердых компонентов, как показано e.g., Gajo [33], пластические деформации в среде (скелете почвы) могут быть найдены из формулировки, учитывающей текучесть и потенциальную поверхность, которые сформулированы в терминах эффективных напряжений, определенных в предыдущем разделе.

В случае сжимаемых компонентов традицией в сообществе механиков грунтов и горных пород является использование так называемого определения эффективного напряжения Био вместо эффективного напряжения Терзаги. В соответствии с Био и Уиллисом [34], эффективное напряжение Био, σ ″ _ij , определяется уравнением.

σ ∙ ″ ij = σ ∙ ij-α · p ∙ w · δij (10)

Где α — параметр Био (принимаемый здесь как константа). Обратите внимание, что когда и каркас почвы, и твердые зерна ведут себя изотропно-упруго, объемная деформация твердых частиц может быть включена в параметр Био, исходя из отношения объемной жесткости зерновой системы каркаса почвы к объемной жесткости твердых частиц. . Что тогда в насыщенном состоянии будет:

, где K ″ — объемная жесткость твердой системы (каркаса и зерен), а K _S — жесткость твердых зерен.Тогда объемную деформацию системы можно просто рассчитать как:

p ∙ v = p ∙ ″ K ″ (12)

, где p ″ — среднее эффективное напряжение Био ( p ″ = σ ″ _ii /3).

Другой вариант — использовать принцип эффективного напряжения Терзаги для каркаса грунта и теорию эффективной среды, чтобы найти влияние сжимаемых составляющих на конститутивном уровне. В этом случае общая объемная деформация в системе распределяется на объемную деформацию в самих твердых частицах и объемную деформацию каркаса почвы.В то время как объемная деформация в скелете почвы связана с изменением эффективного среднего напряжения ( p ′), объемная деформация в твердых частицах связана с изменением среднего напряжения твердых частиц ( p _s ). Согласно уравнению (3) напряжение в твердых зернах зависит как от эффективного напряжения, p ‘, так и от порового давления, p _w . Однако напряжение твердого тела в уравнении (3) действует по всей площади, и его можно масштабировать на твердой поверхности, формируя напряжение σ _S :

(σS) ij = σijS1-n = σ′ijS1-n + pF · δij (13)

Это уравнение можно переписать в терминах средней скорости напряжения как

p ∙ S = p ∙ ′ 1-n + p ′ (1-n) 2 · n ∙ + p ∙ w (14)

, где используется определение Терзаги:

и p — полное среднее напряжение, а p ′ — эффективное среднее напряжение.

Прирост объемной деформации в частицах связан с p _S через объемную жесткость твердого компонента, если твердые зерна ведут себя изотропно упругими.

(ε ∙ S) v = p ∙ SK′S (16)

, где ( ε _s ) _v — объемная деформация частиц, а K S ′ — фактическая эффективная объемная жесткость твердого материала.

Увеличение объемной деформации в каркасе связано с p ′ через объемную жесткость каркаса, если каркас ведет себя изотропно упругий.

ε ∙ ′ v = p ∙ ′ K ′ (17)

, где ε ‘ _v — объемная деформация каркаса, а K ′ — эффективная объемная жесткость каркаса грунта. Тогда общая объемная деформация системы может быть рассчитана как

. ε ∙ v = (1-n) · (ε ∙ S) v + ε ∙ ′ v (18)

Теперь можно связать параметры жесткости по Био с параметрами эффективной жесткости через: (полный вывод дан в Приложении)

KS = K′S1-n · (1-p′K′S · n1-n) K ″ = (1-p′K′S · n1-n) · ((1-p′K′S · 11- n) · 1K ′ + 1K′S) -1 | (19)

Обратите внимание, что обычно и K ″, и K ′ являются функцией n и / или p ′.Если K S ‘ p ‘, то отношения упрощаются до уравнения (20), и присутствует только зависимость от пористости.

КС≃11-н · К′СК ″ ≃ (1К′С + 1К ′) — 1 (20)

Получим коэффициент Био как функцию пористости следующим образом:

α≃K′S + n · K′K′S + K ′ (21)

Разница между использованием меры эффективного напряжения Био и эффективного напряжения Терзаги состоит в том, чтобы просто использовать K ′ или K ″ для объемной жесткости только каркаса почвы или для твердой системы в целом, соответственно, и K _S или K S ′ для зерна.Это означает, что выбор меры напряжения — это выбор, если рассматривать эффекты на конститутивном уровне. Обратите внимание, что указанная выше связь с определением эффективного напряжения Терзаги может быть расширена до анизотропной упругости для зерен грунта или каркаса грунта путем модификации Уравнений или соответственно. В таблице 1 дается краткое изложение трех показателей стресса, указанных в статье, и их связи с необходимыми переменными.

Таблица 1 . Сводная таблица некоторых мер стресса.

Поскольку почва на самом деле не ведет себя изотропно линейно-упругим образом (см. Раздел, посвященный теории эффективной среды и деформационным свойствам сухих грунтов), определение эффективного напряжения Био будет зависеть от реакции. Следовательно, для нелинейного, анизотропного и / или неупругого отклика материала более удобно иметь эффективную меру напряжения, которая не зависит от реакции (уравнение 6), то есть определение эффективного напряжения Терзаги и напряжение твердого тела как напряжение переменные состояния для механической конститутивной модели.

Конститутивное моделирование, выбор функций и переменных состояния

Например, для мягких глин часто обнаруживается линейная зависимость между средним эффективным напряжением и упругой объемной жесткостью при небольшом изменении пористости. Такое наблюдение и другие подобные наблюдения — важная информация, позволяющая сформулировать основные модели механического поведения почв. Однако определяющие уравнения не могут быть сформулированы произвольно, должно применяться следующее (не в специально упорядоченном порядке):

1.Ведите себя детерминированно или более строго, как описано: Принцип причинности

2. Соблюдайте 2-й закон термодинамики (принцип энтропии)

3. Вести себя объективно (Принцип материального безразличия)

4. Сохраняйте симметрию материала, что означает соответствие между симметрией материала и определяющим уравнением.

5. Принцип равноприсутствия, означающий, что все определяющие уравнения должны включать все одинаковые переменные состояния.Если только не будет показано, что они не действуют. Или что такое присутствие нарушает законы физики (то есть сокращается другими принципами).

6. Наконец, необходимо описать конститутивное поведение на местном уровне (принцип местного действия). Это означает, что только действие в бесконечно малом пространстве дает эффект в этом бесконечно малом пространстве. Однако в некоторых случаях допускается отклонение от этой точки, например, для использования континуального описания локального явления.

Конститутивная модель механического поведения

Хоулсби и Пузрин [35] используют тот факт, что для получения гиперэластопластического описания механического поведения материала определяющие уравнения должны быть сформулированы на основе 1-го и 2-го закона термодинамики.Как следствие их происхождения, можно придумать формулировку так называемых поверхностей текучести и потенциальных поверхностей, сформулированных в обычном пространстве напряжений (т. Е. В терминах σij ‘, p _w , p _a , θ, ∇θ, dθ / dt , ∇ ( dθ / dt ), κ ). Где θ — температура, а κ — набор внутренних переменных состояния. В простейшей форме κ выражается просто тензором пластической деформации εijp.Обратите внимание, что Хоулсби и Пузрин используют диссипативное обобщенное напряжение « X _ij », чтобы сформулировать основу в своей статье, а также предполагают, что сама механическая работа должна быть диссипативной (чтобы подчиняться 2-му закону термодинамики). Однако возможно преобразование между формулировкой в ​​терминах диссипативного обобщенного напряжения и обычного тензора напряжений. Обычно упругопластическое описание грунтовых материалов основывается не на энергетических потенциалах и функциях диссипации, а скорее на предложенных выражениях для поверхностей текучести, потенциальных поверхностей и правил упрочнения для пластической или вязкопластической части.Для эластичной части некоторые используют гипоэластичное описание, в другом случае — гиперэластичное описание (где последнее определенно предпочтительнее).

Материальные соотношения для потока жидкости

Закон Дарси для квазистатического состояния (установившегося состояния) однофазного потока в насыщенных пористых средах дает, что тензор скорости жидкости w по всей площади относительно системы зерен почвенного каркаса равен пропорционально разнице гидравлических потенциалов:

w = -kρw · g · (∇pw-ρw · g) (22)

Где:

и k — это тензор гидравлической проводимости (в геотехнике, называемый тензором проницаемости, который для изотропных условий заменяется одним значением k ), v _w — тензор фактической скорости вода, v — тензор скорости системы скелетных зерен, ρ _w — массовая плотность воды, г — тензор гравитации [0 0 –g] ^T .Гидравлическая проводимость находится по формуле:

. k = κ · ρw · gμw (24)

, где κ — тензор абсолютной проницаемости, а μ _w — динамическая вязкость воды. Ожидается, что тензор абсолютной проницаемости будет функцией пористости n и анизотропии / ткани α . μ _w и ρ _w являются функциями температуры (θ) [и давления жидкости ( p _w )].Инженерно-геологическая практика устанавливает это экспериментально. Однако для установления такой взаимосвязи можно использовать теорию эффективной среды. В случае частично насыщенного грунта обычно используется концепция относительной проницаемости, описанная у Брукса и Кори [36]. Концепция легко распространяется на анизотропную среду, например, [37].

Материальное соотношение для теплового потока

В отличие от гидравлической проводимости, которая зависит от тензора абсолютной проницаемости, свойств порового пространства и свойств жидкости, теплопроводность зависит от структуры каркаса, свойств твердой части, структуры пор и свойств жидкости. поровая жидкость.Wang et al. [38] и Gong et al. [39] рассмотрел изотропный представительный объем и показал, что единое уравнение для модифицированной модели теории эффективной среды для теплопроводности двухфазной системы (частный случай многофазной системы) соответствует уравнению (25).

λ ′ = λS · λw + 2λm · ((1-n) · λS + n · λw) (1-n) · λw + n · λS + 2λm (25)

где λ ′ — эффективная теплопроводность, λ _S и λ _w — теплопроводность твердого тела и жидкости (воды) соответственно, λ _м — неизвестный эффективный параметр проводимости среды. что дает связь, крайние значения которой являются последовательной или параллельной связью (λ _м = 0 или λ _м = ∞).Установив λ _m = λ ′, можно получить более оригинальную форму модели ТЭИ (для электропроводности со сферическими включениями) Ландауэра [40]. Обратите внимание, что λ _м , вероятно, сама будет зависеть от пористости, но эта зависимость не имеет значения, как обсуждается, например, в Gong et al. [39] для случая песка, где эмпирические данные хорошо согласуются с использованием уравнения (25). Однако в целом в почве ожидается, что теплопроводность может быть не изотропной, а выражаться тензором ( λ ‘).Которая, как и гидравлическая проводимость, зависит от тензора ткани α . Установление полного тензора λ ‘ можно выполнить, следуя процедуре модифицированного ТЭИ с различной структурой в разных направлениях, но в литературе можно найти мало ссылок на такую ​​работу. Даже с экспериментальной точки зрения измерение анизотропной теплопроводности является сложной задачей [41]. Наконец, закон Фурье дает, что тепловой поток q выражается как:

q = -λ ′ · ∇θ (26)

Обратите внимание, что в приведенном выше описании предполагается, что свойства K ′ S и λ _S отражаются одним минералогическим составом.Однако естественная почва состоит из множества различных минералов с разной величиной K _S и λ _S . Расчет этих двух средних величин для основной массы зерна является идеальным упражнением при использовании ЕМТ. Для случая эффективной объемной жесткости твердого тела такое соотношение будет иметь форму уравнения (27) после модификации и расширения соотношения Ландауэра [40].

∑ (niS · K′S-KSif · K′S + KSi) = 0 (27)

Где n iS — объемная доля твердого компонента, i и f — геометрический коэффициент от нуля до бесконечности.Для эффективной (комбинированной) теплопроводности твердого тела λ′S можно использовать следующее соотношение:

∑ (niS · λ′S-λSif · λ′S + λSi) = 0 (28)

Уравнения (27, 28) не являются точной формой эффективных величин для твердого тела, потому что они не отражаются на анизотропии, но это простое предложение в качестве отправной точки.

Тепловое расширение

В зависимости от отдельного компонента объемное тепловое расширение соответствует уравнению (29)

ε ∙ θ, v = -∑i (ni · αi) · θ ∙ (29)

, где α _i — объемное тепловое расширение компонента.Однако для твердых зерен, когда они объединены в систему зерен скелета почвы, состоящую из нескольких различных минералов, коэффициент теплового расширения не обязательно является изотропным.

Окончательные управляющие уравнения

Основные уравнения для насыщенной пористой среды в тензорной форме представлены ниже. Уравнение баланса массы записано с эйлеровым описанием жидкой фазы по отношению к лагранжевому твердому телу:

nρ ∙ w-ρw (ε ∙ ′ v-ε ∙ θ, v) + ∇. (ρwww) = 0 (30)

Первый член в уравнении (30) можно найти по модулю объемной упругости воды ( K _w ):

ρ ∙ w = p ∙ wK′w (31)

Подставляя уравнения (18, 31, 29) в уравнение (30), получаем:

nK′wp ∙ w-ρw [ε ∙ v- (1-n) · (ε ∙ S) v + ((1-n) · α′S, v + n · αw) · θ ∙] + ∇.(ρwww) = 0 (32)

С учетом уравнений (16, 32) можно переписать как:

nK′wp ∙ w-ρw [ε ∙ v- (1-n) · p ∙ sK′s + ((1-n) · α′S, v + n · αw) · θ ∙] + ∇. (ρwww) = 0 (33)

Где общая объемная деформация находится по формуле:

ε ∙ v = -∇ · v (34)

Вводя уравнения (14, 34) в уравнение (33) и переставляя, можно найти окончательную форму уравнения баланса массы как:

(∇ · v + p˙ ′ + p′1 − n · n˙K′S + (1 − nK′S + nKw) · p˙w — ((1 − n) · α′S, v + n · αw ) · Θ˙) · ρw + ∇ · (ρw · w) = 0 (35)

Где α ‘ _{S, v} и α _w — эффективный объемный коэффициент теплового расширения твердого тела и коэффициент теплового расширения воды, соответственно.Конкретная форма уравнения (35) выбрана так, чтобы она включала в себя относительное изменение давления жидкости к напряжению твердого тела через уравнение (14) за счет изменения эффективного среднего напряжения и / или из-за изменения пористости.

Уравнение равновесия записывается с использованием определения эффективного напряжения Терзаги плюс напряжение твердого тела, что соответствует гидромеханическому поведению полностью насыщенной системы.

∇ · σ ′ + ∇pw-ρ · g = 0 (36)

И, наконец, для теплового баланса:

((1-n) · ρS · CS + n · ρw · Cw) · θ ∙ + ρw · Cw · w · θ + ∇ · q-Q = 0 (37)

, где Q — общий отпуск (или потери) тепла. C _S и C _w — теплоемкость твердого тела и жидкости соответственно.

Заключение

В этой статье делается попытка связать использование различных концепций физики пористых сред, таких как теория эффективной среды, с классическими концепциями механики грунтов / геотехники. В статье показано, что использование принципа эффективного напряжения Терзаги справедливо для всех типов геоматериалов при условии, что определяющая модель поведения материала учитывает все соответствующие переменные состояния.Это означает, что нет реальной необходимости в эффективном стрессе Био или Бишопа или в какой-либо модификации такого эффективного стресса, чтобы учесть, например, физико-химические силы, сжимаемость зерна или капиллярное всасывание в частично насыщенной почве. Тем более, что параметр Био в любом случае не является постоянным, но зависит от деформации, физико-химические силы не могут быть оценены должным образом, и капиллярное всасывание в любом случае должно рассматриваться как переменная состояния на конститутивном уровне для учета ткани почвы.Для случая сжимаемых зерен в этой статье предлагается модифицированное уравнение баланса массы, в которое включено напряжение твердого тела (а не параметр Био). Понимание геоматериалов, полученное из теории эффективных сред и термодинамики, показывает, что традиционная методология, используемая в современном численном моделировании в инженерно-геологической практике, теоретически обоснована. Сюда входят такие вещи, как эффективная жесткость, зависящая от напряжения, для механической части, а также описание гидравлической и теплопроводности, где эмпирические значения хорошо согласуются с теоретическими исследованиями EMT, как указано в различной литературе.

Доступность данных

Никаких наборов данных для этого исследования не создавалось и не анализировалось.

Авторские взносы

Все авторы внесли существенный вклад в концепцию или дизайн работы, а также участвовали в составлении проекта работы или критическом пересмотре ее на предмет важного интеллектуального содержания, тем самым одобрив публикацию содержания. Все авторы соглашаются нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя, что вопросы, связанные с точностью или целостностью любой части работы, должным образом исследованы и решены.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа поддерживается Исследовательским советом Норвегии через его схему финансирования центров передового опыта, номер проекта 262644.

Список литературы

1. Скофилд А., Рот П. Механика критических состояний грунта. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл (1968).

Google Scholar

2. Джонсон Д.Л., Коплик Дж., Дашен Р. Теория динамической проницаемости и извилистости в флюидонасыщенных пористых средах. J Fluid Mechan. (1987) 176 : 379–402. DOI: 10.1017 / S0022112087000727

CrossRef Полный текст | Google Scholar

3. Бурганос В.Н., Сотирчос С.В. Диффузия в поровых сетях: теория эффективной среды и приближение гладкого поля. AICHE J. (1987) 33 : 1678–89.DOI: 10.1002 / aic.6

011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Brinkman HC. Расчет вязкой силы, оказываемой текущей жидкостью на плотный рой частиц. Appl Sci Res. (1947) A1 : 27.

Google Scholar

5. Харрис СК. Применение обобщенной теории эффективной среды к транспорту в пористых средах. Транспортная пористая среда . (1990) 5 : 517–42. DOI: 10.1007 / BF01403480

CrossRef Полный текст | Google Scholar

6.Kuster GT, Toksöz MN. Скорость и затухание сейсмических волн в двухфазных средах: часть i. Теоретические постановки. Геофизика . (1974) 39 : 587–606. DOI: 10.1190 / 1.1440450

CrossRef Полный текст | Google Scholar

7. Максе Х.А., Гланд Н., Джонсон Д.Л., Шварц Л.М. Почему теория эффективной среды не работает в сыпучих материалах. Phys Rev Lett. (1999) 83 : 5070–3. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.83.5070

CrossRef Полный текст | Google Scholar

8.Гарбоци Э. Дж., Берриман Дж. Г.. Модули упругости материала, содержащего композиционные включения: теория эффективной среды и конечно-элементные расчеты. Mech Mater. (2001) 33 : 455–70. DOI: 10.1016 / S0167-6636 (01) 00067-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

9. Goddard JD. Нелинейная упругость и зависящие от давления скорости волн в сыпучих средах. Proc R Soc London Series A Math Phys Sci. (1990) 430 : 105. DOI: 10.1098 / RSPA.1990.0083

CrossRef Полный текст | Google Scholar

10. Максе Х.А., Гланд Н., Джонсон Д.Л., Шварц Л. Очевидный провал теории эффективной среды в зернистых материалах. Phys Chem Earth Part A Геодезия твердой Земли . (2001) 26 : 107–11. DOI: 10.1016 / S1464-1895 (01) 00033-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

11. Добрый Р., Танг-Тат Н.Г. А. Дискретное моделирование напряженно-деформированного поведения сыпучих сред при малых и больших деформациях. Eng Comp. (1992) 9 : 129–43. DOI: 10.1108 / eb023853

CrossRef Полный текст | Google Scholar

12. Тинг Дж. М., Ходжа М., Мичам Л. Р., Роуэлл Дж. Д.. Модель дискретных элементов на основе эллипса для сыпучих материалов. Int J Numer Anal Methods Geomechan. (1993) 17 : 603–23. DOI: 10.1002 / nag.1610170902

CrossRef Полный текст | Google Scholar

13. О’Салливан К. Моделирование дискретных элементов на основе частиц: перспектива геомеханики. Int J Geomech. (2011) 11 : 449–64. DOI: 10.1061 / (ASCE) GM.1943-5622.0000024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

14. Джонсон Д.Л., Максе Х.А., Гланд Н., Шварц Л. Нелинейная упругость сыпучих сред. Физика В Конденсированном Материи . (2000) 279 : 134–8. DOI: 10.1016 / S0921-4526 (99) 00700-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

15. Хоулсби Г.Т., Амороси А., Рохас Э. Модули упругости грунтов в зависимости от давления: гиперупругая формулировка. Géotechnique . (2005) 55 : 383–392. DOI: 10.1680 / geot.55.5.383.66021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

16. Джанбу Н. Сжимаемость грунта, определенная с помощью одометра и трехосных испытаний. Proc. ECSMFE Висбаден . (1963) 1 : 19–25.

Google Scholar

18. Laloui L, Hutter K, Vulliet L. Термодинамика насыщенных и ненасыщенных почв. В: Конференция Биот по поромеханике. Лувен-ла-Нев (1998).п. 93–97.

Google Scholar

19. Епископ А.В. Принцип эффективного стресса. Текниск Укеблад . (1959) 39 : 859–63.

Google Scholar

20. де Бур Р., Элерс В. Развитие концепции эффективных напряжений. Acta Mech. (1990) 83 : 77–92. DOI: 10.1007 / BF01174734

CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Терзаги К. Erdbaumechanik Auf Bodenphysikalischer Grundlage. Лейпциг: Ф. Дойтике (1925).

22. Никоои Э., Хабибагахи Г., Хассанизаде С.М., Гахрамани А. Эффективное напряжение в ненасыщенных почвах: термодинамический подход, основанный на межфазной энергии и гидромеханической связи. Транспортная пористая среда . (2013) 96 : 369–96. DOI: 10.1007 / s11242-012-0093-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

23. Епископ А.В., Блайт Г.Е. Некоторые аспекты эффективного стресса в насыщенных и частично насыщенных почвах. Géotechnique . (1963) 13 : 177–97. DOI: 10.1680 / geot.1963.13.3.177

CrossRef Полный текст | Google Scholar

24. Borja RI. О механической энергии и эффективном напряжении в насыщенных и ненасыщенных пористых сплошных средах. Int J Solids Struc. (2006) 43 : 1764–86. DOI: 10.1016 / j.ijsolstr.2005.04.045

CrossRef Полный текст | Google Scholar

25. Фредлунд Делвин Г. Механика ненасыщенных грунтов в инженерной практике. J Geotech Geoenviron Eng. (2006) 132 : 286–321. DOI: 10.1061 / (ASCE) 1090-0241 (2006) 132: 3 (286)

CrossRef Полный текст | Google Scholar

26. Цзян Ю., Эйнав И., Лю М. Термодинамическая обработка частично насыщенных почв, раскрывающая структуру эффективного напряжения. Дж. Физика твердого тела . (2017) 100 : 131–146. DOI: 10.1016 / j.jmps.2016.11.018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

27. Хуйге Дж. М., Никоо Э., Хассанизаде С. М..Соединение уравнений эффективного напряжения и удержания влаги в почве при деформировании ненасыщенных пористых сред: термодинамический подход. Транспортная пористая среда . (2017) 117 : 349–365. DOI: 10.1007 / s11242-017-0837-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

28. Molenkamp F, de Jager RR F.A.Mathijssen JM. Напряжения, влияющие на деформацию сыпучих материалов. Зона Вадос J. (2014) 13 . DOI: 10.2136 / vzj2013.07.0130

CrossRef Полный текст | Google Scholar

29.Манахило К.Н., Мухунтан Б., Ликос В.Дж. Формула эффективного напряжения на основе микроструктуры для ненасыщенных сыпучих грунтов. Int J Geomech. (2016) 16 : D4016006. DOI: 10.1061 / (ASCE) GM.1943-5622.0000617

CrossRef Полный текст | Google Scholar

30. Осипов В.И. Физико-химическая теория эффективных напряжений, Физико-химическая теория эффективных напряжений в почвах . Чам: Springer International Publishing (2015). п. 39–54.

31. Митчелл Дж. К., Сога К. Основы поведения почвы , 3-е изд. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley and Sons Inc. (2005).

32. Машин Д., Халили Н. Явления набухания и эффективное напряжение в уплотненных экспансивных глинах. Can Geotech J. (2015) 53 : 134–47. DOI: 10.1139 / cgj-2014-0479

CrossRef Полный текст | Google Scholar

33. Гайо А. Гиперэластопластическое моделирование конечных деформаций насыщенных пористых сред с сжимаемыми компонентами. Int J Solids Struc. (2011) 48 : 1738–53. DOI: 10.1016 / j.ijsolstr.2011.02.021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

34. Био М., Уиллис Д. Коэффициенты упругости теории уплотнения. J Прикладной механизм . (1957) 15 : 594–601.

Google Scholar

35. Хоулсби Г.Т., Пузрин А.М. Термомеханическая основа для конститутивных моделей для диссипативных материалов, не зависящих от скорости. Int J Пластик. (2000) 16 : 1017–47.DOI: 10.1016 / S0749-6419 (99) 00073-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

36. Брукс Р., Кори Т. HYDRAU uc Свойства пористой среды . Документы по гидрологии, Государственный университет Колорадо (1964 г.). 24:37.

37. Медведь Дж., Бестер С., Менье П.С. Эффективная и относительная проницаемости анизотропных пористых сред. Транспортная пористая среда . (1987) 2 : 301–16. DOI: 10.1007 / BF00165786

CrossRef Полный текст | Google Scholar

38.Ван Дж., Карсон Дж. К., North MF, Cleland DJ. Новый подход к моделированию эффективной теплопроводности гетерогенных материалов. Инт Дж. Тепло-массообмен . (2006) 49 : 3075–83. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2006.02.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

39. Гонг Л., Ван И, Ченг Х, Чжан Р., Чжан Х. Новая теория эффективной среды для моделирования теплопроводности пористых материалов. Инт Дж. Тепло-массообмен . (2014) 68 : 295–8.DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2013.09.043

CrossRef Полный текст | Google Scholar

40. Ландауэр Р. Электрическое сопротивление бинарных металлических смесей. J Appl Phys. (1952) 23 : 779–84. DOI: 10.1063 / 1.1702301

CrossRef Полный текст | Google Scholar

41. Li M, Kang JS, Hu Y. Измерение анизотропной теплопроводности с использованием нового метода термоотражения с асимметричным лучом во временной области (AB-TDTR). Rev Sci Instr. (2018) 89 : 084901.DOI: 10,1063 / 1,5026028

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Приложение

Вывод уравнения отношения жесткости (19).

Установка скорости общего напряжения в уравнении (10) равной скорости полного напряжения, полученной из уравнения (6) в сочетании с уравнением (11), дает:

σ ∙ ij ′ = σ ∙ ij ″ -K ″ KS · p ∙ w · δij (A1)

Построение кривой и вставка уравнений (12, 17)

K ′ · ε ∙ v ′ = K ″ · ε ∙ v-K ″ KS · p ∙ w (A2)

в сочетании с уравнением (18)

K ′ · ε ∙ v-K ′ · (1-n) · (ε ∙ S) v = K ″ · ε ∙ v-K ″ KS · p ∙ w (A3)

Запись изменения пористости как:

n ∙ = -ε ∙ v ′ + n · ε ∙ v (A4)

Вставка уравнения (A4) в уравнение (14) и объединение с уравнением (16, 17)

KS ′ · (ε ∙ S) v = K ′ · ε ∙ ′ v1-n + p ′ (1-n) 2 · (-ε ∙ ′ v + n · ε ∙ v) + p ∙ w (A5)

Тогда замена εν ′ уравнением (18) дает:

KS ′ · (ε ∙ S) v = K ′ · (ε ∙ v- (1-n) · (ε ∙ S) v) 1-np′1-n · (ε ∙ v- (ε ∙ S) v ) + p ∙ w (A6)

Что решено для (ε ∙ ν), дает:

(ε ∙ S) v = (K′-p ′) · ε ∙ v + (1-n) · p ∙ w (1-n) · K′S + (1-n) · K′-p ′ (A7)

Вставка полученного уравнения (A7) в уравнение (A3) и перестановка дает:

(K′S-n1-n · p′K′S + K′-p′1-n) · K ′ · ε ∙ vK ′ · (1-n) K′S + K′-p′1-n · P ∙ w = K ″ · ε ∙ vK ″ KS · p ∙ w (A8)

Где, по группировке:

(K′S-n1-n · p′K′S + K′-p′1-n) · K ′ = K ″ и K ′ · (1-n) K′S + K′-p′1-n = K ″ KS (A9)

Что в итоге дает уравнение (19).

6-й Международный симпозиум по деформационным характеристикам геоматериалов

Объявление
Опираясь на успех предыдущих симпозиумов, мы рады объявить о проведении 6-го Международного симпозиума по деформационным характеристикам геоматериалов!

Международное общество механики грунтов и инженерной геологии (ISSMGE), Технический комитет TC 101, Sociedad Argentina de Ingeniería Geotécnica (SAIG) и местный организационный комитет рады пригласить вас в город Буэнос-Айрес, Аргентина, на Шестой международный симпозиум по деформационным характеристикам грунтов с 15 по 18 ноября 2015 года.