Прочность на сдвиг (грунт)

редактировать

Типичная кривая напряжения-деформации для осушенного дилатантного грунта

Прочность на сдвиг составляет термин, используемый в механике грунта для описания величины напряжения сдвига, которое может выдержать грунт. Сопротивление почвы сдвигу является результатом трения и сцепления частиц, а также, возможно, цементации или сцепления в местах контакта частиц. Из-за блокировки материал в виде частиц может расширяться или сжиматься в объеме, поскольку он подвержен деформации сдвига. Если грунт расширит свой объем, плотность частиц уменьшится, а прочность снизится; в этом случае за пиковым значением прочности следует снижение напряжения сдвига. Взаимосвязь между напряжением и деформацией выравнивается, когда материал перестает расширяться или сжиматься, а также при разрыве межчастичных связей. Теоретическое состояние, при котором напряжение сдвига и плотность остаются постоянными, в то время как деформация сдвига увеличивается, можно назвать критическим состоянием, устойчивым состоянием или остаточной прочностью.

Линия критического состояния разделяет дилатантное и сжимающее состояния грунта

Поведение изменения объема и трение между частицами зависят от плотности частиц, сил межкристаллитного контакта и, в несколько меньшей степени, от других факторов, таких как скорость сдвига и направление напряжения сдвига. Средняя нормальная сила межкристаллитного контакта на единицу площади называется эффективным напряжением.

. Если воде не разрешено течь внутрь или из почвы, траектория напряжения называется недренированной траекторией напряжения. Если во время недренированного сдвига частицы окружены почти несжимаемой жидкостью, такой как вода, то плотность частиц не может измениться без дренажа, но давление воды и эффективное напряжение изменится. С другой стороны, если жидкости могут свободно стекать из пор, поровые давления останутся постоянными, и испытательный путь называется путем дренирования напряжения. Почва может расширяться или сжиматься во время сдвига, если почва осушена. На самом деле почва частично осушена, что-то среднее между идеально недренированными и осушенными идеализированными условиями.

Прочность почвы на сдвиг зависит от эффективного напряжения, условий дренажа, плотности частиц, скорости деформации и направления деформации.

Для недренированного сдвига с постоянным объемом, теория Треска может использоваться для прогнозирования прочности на сдвиг, но для дренированных условий может использоваться теория Мора – Кулона.

Две важные теории сдвига грунта - это теория критического состояния и теория устойчивого состояния. Существуют ключевые различия между условием критического состояния и условием устойчивого состояния и результирующей теорией, соответствующей каждому из этих условий.

Содержание

1 Факторы, контролирующие прочность грунта на сдвиг
2 Недренированную прочность
3 Прочность на сдвиг после дренажа
4 Теория критического состояния
5 Устойчивое состояние (сдвиг грунта на основе динамических систем)
6 См. Также
7 Ссылки
8 Внешние ссылки

Факторы, контролирующие прочность грунта на сдвиг

На соотношение напряжение-деформация грунта и, следовательно, сопротивление на сдвиг, влияет (Poulos 1989):

состав почвы (основной материал почвы) : минералогия, размер зерна и гранулометрический состав, форма частиц, тип поровой жидкости и содержание ионов на зерне и в порах текучей среде.
состояние (исходное) : определяется исходным коэффициентом пустотности, эффективным нормальным напряжением и напряжением сдвига (напряжение история). Состояние можно описать такими терминами, как: рыхлый, плотный, переуплотненный, нормально уплотненный, жесткий, мягкий, сжимающийся, расширяющийся и т. Д.
структура: Относится к расположению частиц в массиве почвы; способ упаковки или распределения частиц. Такие элементы, как слои, стыки, трещины, поверхности скольжения, пустоты, карманы, цементация и т. Д., Являются частью структуры. Структура грунта описывается такими терминами, как: ненарушенный, нарушенный, переформованный, уплотненный, зацементированный; хлопьевидный, однокомпонентный; флокулированный, дефлокулированный; слоистые, слоистые, ламинированные; изотропный и анизотропный.
Условия нагружения: эффективный путь напряжения, т. Е. Осушенный и недренированный; и тип нагрузки, т. е. величина, скорость (статическая, динамическая) и история во времени (монотонная, циклическая).
Ограничивающее напряжение также влияет на прочность почвы на сдвиг, поскольку для разрушения требуется большее девиаторное напряжение случай грунта под высоким ограничивающим давлением.

Недренированная прочность

Этот термин описывает тип прочности на сдвиг в механике грунта в отличие от дренированной прочности.

Концептуально не существует такой вещи, как недренированная прочность почвы. Это зависит от ряда факторов, основными из которых являются:

Ориентация напряжений
Траектория напряжений
Скорость сдвига
Объем материала (как для трещиноватых глин или горного массива)

Недренированная прочность обычно определяется по теории Трески, основанной на круге Мора как:

σ1- σ 3 = 2 S u

Где:

σ1- главное главное напряжение;

σ3- меньшее главное напряжение;

$τ {\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ - прочность на сдвиг (σ 1 - σ 3) / 2

, следовательно, $τ {\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ = S u (или иногда c и), недренированная сила.

Он обычно применяется при анализе предельного равновесия, когда скорость нагрузки намного больше, чем скорость, с которой может рассеиваться поровое давление воды, возникающее в результате сдвига почвы. Примером этого является быстрая загрузка песков во время землетрясения или обрушение глиняного откоса во время сильного дождя, и это применимо к большинству аварий, возникающих во время строительства.

Как следствие недренированного состояния, не возникает упругих объемных деформаций, и поэтому предполагается, что коэффициент Пуассона остается равным 0,5 на протяжении всего периода сдвига. Модель почвы Tresca также предполагает отсутствие пластических объемных деформаций. Это важно для более сложных анализов, таких как анализ методом конечных элементов. В этих расширенных методах анализа для моделирования недренированного состояния могут использоваться модели почвы, отличные от Tresca, включая модели почвы Мора-Кулона и критического состояния, такие как модифицированная модель каменно-глина, при условии, что коэффициент Пуассона поддерживается на уровне 0,5.

Одним из соотношений, широко используемых практикующими инженерами, является эмпирическое наблюдение, что отношение недренированного сопротивления сдвигу c к исходному напряжению консолидации p 'является приблизительно постоянным для данного коэффициента избыточного уплотнения (OCR). Эта взаимосвязь была впервые формализована (Henkel 1960) и (Henkel Wade 1966), которые также расширили ее, чтобы показать, что характеристики напряжения-деформации повторно формованных глин также могут быть нормализованы по отношению к исходное напряжение консолидации. Постоянное соотношение c / p также может быть получено из теории механики грунтов как в критическом, так и в установившемся состоянии (Joseph 2012). Это фундаментальное свойство нормализации кривых напряжения-деформации обнаружено во многих глинах и было усовершенствовано в эмпирическом методе SHANSEP (история напряжений и нормализованные инженерные свойства грунта) (Ladd Foott 1974).

Прочность на сдвиг в дренированном состоянии

Прочность на сдвиг в дренированном состоянии - это прочность почвы на сдвиг, когда давление поровой жидкости, создаваемое в процессе сдвига почвы, может рассеиваться во время сдвига. Это также применимо, когда в почве нет поровой воды (почва сухая) и, следовательно, давление поровой жидкости незначительно. Обычно его аппроксимируют с помощью уравнения Мора-Кулона. (Карл фон Терзаги в 1942 году назвал его «уравнением Кулона».) (Терзаги 1942) сочетал его с принципом эффективного напряжения.

С точки зрения эффективных напряжений прочность на сдвиг часто приблизительно определяется следующим образом:

$τ {\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ = σ 'tan (φ') + c '

Где σ '= (σ - u), определяется как эффективное напряжение. σ - полное напряжение, приложенное перпендикулярно плоскости сдвига, а u - давление поровой воды, действующее в той же плоскости.

φ '= эффективный угол трения напряжения или «угол внутреннего трения» после кулоновского трения. Коэффициент трения $μ {\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ равен tan (φ '). Могут быть определены различные значения угла трения, включая пиковый угол трения φ 'p, угол трения в критическом состоянии φ' cv или угол остаточного трения φ '<138.>c '= называется когезией, однако обычно оно возникает как следствие принуждения прямой линии, чтобы соответствовать измеренным значениям (τ, σ'), даже если данные фактически попадают на кривую. Пересечение прямой линии на оси напряжения сдвига называется сцеплением. Хорошо известно, что результирующее пересечение зависит от диапазона рассматриваемых напряжений: это не фундаментальное свойство грунта. Кривизна (нелинейность) области разрушения возникает из-за того, что дилатансия плотно упакованных частиц грунта зависит от ограничивающего давления.

Теория критического состояния

Более глубокое понимание поведения почвы при сдвиге привело к развитию теории критического состояния механики грунта (Roscoe, Schofield Wroth 1958). В механике критического состояния грунта определенная прочность на сдвиг определяется там, где грунт, подвергающийся сдвигу, делает это при постоянном объеме, также называемом «критическим состоянием». Таким образом, обычно выделяют три значения прочности на сдвиг для грунта, подвергающегося сдвигу:

Пиковая прочность $τ {\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ p
Критическое состояние или прочность при постоянном объеме $τ {\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ cv
Остаточная прочность $τ {\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ r

Пиковая прочность может иметь место до или в критическом состоянии, в зависимости от начального состояния срезаемых частиц почвы:

Рыхлый грунт будет сокращаться в объеме на сдвиг и может не развивать пик прочности выше критического состояния. В этом случае «пиковая» прочность будет совпадать с критическим состоянием прочности на сдвиг после того, как грунт перестанет сокращаться в объеме. Можно сказать, что такие почвы не демонстрируют отчетливой «максимальной прочности».
Плотный грунт может немного сжиматься до того, как гранулированная блокировка предотвратит дальнейшее сжатие (гранулированная блокировка зависит от формы зерен и их первоначальной упаковки договоренность). Для продолжения стрижки после образования гранулированного сцепления почва должна расширяться (увеличиваться в объеме). Поскольку для расширения грунта требуется дополнительная сила сдвига, возникает «пиковая» прочность. Как только эта пиковая прочность, вызванная расширением, преодолевается за счет продолжающегося сдвига, сопротивление, оказываемое грунтом приложенному напряжению сдвига, уменьшается (так называемое «разупрочнение»). Деформационное размягчение будет продолжаться до тех пор, пока не перестанет происходить дальнейшее изменение объема почвы при продолжении стрижки. Пиковая прочность также наблюдается в переуплотненных глинах, где естественная ткань почвы должна быть разрушена до достижения постоянного объема сдвига. Другие эффекты, которые приводят к пиковой прочности, включают цементацию и связывание частиц.

Сила сдвига при постоянном объеме (или критическом состоянии) считается внешней по отношению к грунту и не зависит от начальной плотности или расположения зерен грунта. В этом состоянии измельчаемые зерна, как говорят, «падают» друг на друга, без значительного зацепления гранул или развития плоскости скольжения, влияющих на сопротивление сдвигу. На этом этапе никакая унаследованная ткань или сцепление зерен почвы не влияет на прочность почвы.

Остаточная прочность возникает для некоторых грунтов, где форма частиц, составляющих грунт, выравнивается во время сдвига (образуя поверхность скольжения ), что приводит к снижению сопротивления продолжающемуся сдвигу (дальнейшая деформация смягчение). Это особенно верно для большинства глин, содержащих пластинчатые минералы, но также наблюдается в некоторых зернистых почвах с зернами более удлиненной формы. Глины, не содержащие пластинчатых минералов (например, аллофановые глины ), не проявляют остаточной прочности.

Использование на практике: если нужно принять теорию критического состояния и принять c '= 0; $τ {\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ pможет использоваться, если учитывается уровень ожидаемых деформаций и учитываются эффекты потенциального разрыва или деформационного смягчения до критических значений прочности. При большой деформации деформации следует учитывать возможность образования гладкой поверхности с φ 'r (например, забивка свай).

Критическое состояние возникает при квазистатической скорости деформации. Он не учитывает различия в прочности на сдвиг в зависимости от различных скоростей деформации. Также в критическом состоянии отсутствует выравнивание частиц или специфическая структура почвы.

Практически сразу после своего появления концепция критического состояния стала предметом большой критики - в первую очередь из-за ее неспособности сопоставить легко доступные тестовые данные, полученные при тестировании самых разных почв. В первую очередь это связано с неспособностью теорий учесть структуру частиц. Основным следствием этого является невозможность моделирования постпика деформационного размягчения, обычно наблюдаемого в усадочных почвах с анизотропными формами / свойствами зерен. Кроме того, обычно делается допущение, чтобы сделать модель математически управляемой, что напряжение сдвига не может вызывать объемную деформацию, а объемное напряжение не может вызывать деформацию сдвига. Поскольку на самом деле это не так, это дополнительная причина плохого совпадения с легкодоступными эмпирическими данными испытаний. Кроме того, упругопластические модели критического состояния предполагают, что упругие деформации вызывают изменения объема. Поскольку это тоже не относится к реальным грунтам, это предположение приводит к плохому согласию с данными об изменении объема и порового давления.

Устойчивое состояние (сдвиг грунта на основе динамических систем)

Усовершенствованием концепции критического состояния является концепция устойчивого состояния.

Прочность в установившемся режиме определяется как прочность грунта на сдвиг, когда он находится в состоянии устойчивого состояния. Состояние установившегося состояния определяется (Poulos 1981) как «состояние, в котором масса непрерывно деформируется при постоянном объеме, постоянном нормальном эффективном напряжении, постоянном напряжении сдвига и постоянной скорости». Стив Дж. Поулос, тогда доцент кафедры механики грунтов Гарвардского университета, построил гипотезу, которую Артур Касагранде формулировал ближе к концу своей карьеры (). Poulos 1981) Механика грунтов, основанная на установившемся состоянии, иногда называется «механикой грунтов Гарварда». Состояние устойчивого состояния не то же самое, что состояние «критического состояния».

Устойчивое состояние наступает только после полного разрушения частиц, если оно завершено, и все частицы ориентированы в статистически устойчивом состоянии, и поэтому напряжение сдвига, необходимое для продолжения деформации с постоянной скоростью деформации, не изменяется.. Это относится как к осушенному, так и к недренированному корпусу.

Устойчивое состояние имеет немного другое значение в зависимости от скорости деформации, при которой оно измеряется. Таким образом, установившаяся прочность на сдвиг при квазистатической скорости деформации (скорость деформации, при которой определяется критическое состояние), по-видимому, соответствует критической прочности на сдвиг. Однако между этими двумя состояниями есть дополнительная разница. Это то, что в состоянии стационарного состояния зерна позиционируют себя в структуре стационарного состояния, тогда как в критическом состоянии такая структура не возникает. В случае сдвига до больших деформаций для грунтов с удлиненными частицами эта структура стационарного состояния является структурой, в которой зерна ориентированы (возможно, даже выровнены) в направлении сдвига. В случае, когда частицы сильно выровнены в направлении сдвига, установившееся состояние соответствует «остаточному состоянию».

Три распространенных заблуждения относительно устойчивого состояния заключаются в том, что а) оно совпадает с критическим состоянием (это не так), б) что оно применимо только к недренированному случаю (применяется ко всем формам дренажа) и c) что это не относится к пескам (это относится к любому зернистому материалу). Введение в теорию устойчивого состояния можно найти в отчете Поулоса (Poulos, 1971). Его использование в сейсмической инженерии подробно описано в другой публикации Поулоса (Poulos 1989).

Разница между устойчивым состоянием и критическим состоянием - это не просто семантика, как иногда думают, и неправильно использовать эти два термина / понятия как взаимозаменяемые. Дополнительные требования строгого определения устойчивого состояния сверх критического, а именно. постоянная скорость деформации и статистически постоянная структура (структура установившегося состояния) помещают состояние установившегося состояния в рамки теории динамических систем. Это строгое определение устойчивого состояния использовалось для описания сдвига грунта как динамической системы (Joseph 2012). Динамические системы вездесущи по своей природе (например, Большое красное пятно на Юпитере), и математики тщательно изучали такие системы. В основе динамической системы сдвига грунта лежит простое трение (Joseph 2017).

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки