Угол внутреннего трения грунта физический смысл: Научное обоснование физической, механической и математической сущности угла внутреннего трения грунта Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Содержание

Научное обоснование физической, механической и математической сущности угла внутреннего трения грунта Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.131

DOI: 10.14529/build170204

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ, МЕХАНИЧЕСКОЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СУЩНОСТИ УГЛА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ГРУНТА

Л.М. Борозенец

Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти

Приведены результаты ретроспективных исследований физической сущности угла внутреннего трения грунта. Определена триединая сущность угла внутреннего трения грунта: физическая, механическая и математическая. Анализом исходных данных нормативных прочностных характеристик различных видов грунтов и их теоретическим исследованием выявлены факторы, представляющие физическую сущность угла внутреннего трения грунта ф; открыты новые разновидности классификации пылевато-глинистых грунтов: суглинопесь и супылепесь; впервые обнаружены значения показателей степени функции тангенса угла внутреннего трения грунта, определяющих значения сил сопротивления зацепляемости при сдвиге суглинопесей, супесей, супылепесей и песков. С использованием моделей наклонно-плоскостных механизмов определены факторы механической сущности угла внутреннего трения грунта. Математическая сущность угла внутреннего трения грунта представляется тем, что он определяется обратной степенной функцией тангенса с аргументом отношения предельного касательного напряжения сдвига грунта к постоянному нормальному напряжению его сжатия при сдвиге. Сделаны выводы по содержанию результатов исследования.

Ключевые слова: механика, угол, сущность, трение, степень, функция, информация, равновесие, связность, сцепление, зацепляемость, площадка, скольжение, сила, грунт, глина, суглинок, супесь, песок, напряжение.

1. Результаты ретроспективных исследований физической сущности угла внутреннего трения грунта

Механика грунтов изучает напряжение и деформацию в грунтах при приложении к ним силовых воздействий. Модели механики грунтов базируются на теоретических положениях физики. Каждому методу принадлежит соответствующая механическая модель. Механические модели описываются с помощью математики. Показатели механических характеристик грунтов в математических уравнениях имеют определяющее значение для разработки объективных методов расчета. Поэтому исследование сдвиговых прочностных характеристика грунта является важнейшей проблемой.

Известные прочностные параметры ф - угол внутреннего трения и с - удельное сцепление грунта применяются с 1773 года, со времени введения этих характеристик французским ученым Ш. Кулоном. Несмотря на то, что проблемой раскрытия физической сущности занимались как сам Кулон, так и его многочисленные последователи, она до сих пор остается нерешенной. Наибольшее распространение в мировой практике имеет метод определения сдвиговых прочностных характеристик Кулона - Терцаги, называемый методом кон-солидированно-дренированных испытаний. Параметры ф и с зависимости предельных касательных напряжений от постоянных нормальных в этом случае определяются из графического построения и называются авторами «кажущимися» углом трения и сцеплением. Как отмечают многие исследо-

ватели по данным В.Д. Казарновского [1] в кажущиеся показатели ф и с нельзя вкладывать физический смысл угла внутреннего трения и сцепления. Другой метод консолидированно-недренированных испытаний используется для определения «истинных» угла трения и сцепления. Идея заключается в том, чтобы приблизить характеристики ф и с к параметрам, которым можно придать физический смысл.

Построения по методам М. Хворслева [2] и К. Терцаги [3] для определения угла внутреннего трения по мнению И. Одэ [4] имеют чисто геометрическую природу и не несут его физической сущности.

По мнению В.Д. Казарновского, параметру ф нельзя придать определенного смысла с точки зрения положений теории трения. По результатам исследования Н.Н. Маслов [5] считает, что угол ф следует называть «углом трения и связности». По заключению Е.М. Сергеева [6], угол внутреннего трения с шероховатыми поверхностями скальных грунтов включает две компоненты, а несвязанных грунтов - три составляющие. Кроме рассмотренных мнений, определением физической сущности угла внутреннего трения занимались и многие другие известные исследователи.

Результаты заключения получились весьма противоречивыми: с одной стороны, утверждение в отсутствии физического смысла в сдвиговых прочностных характеристиках грунта; с другой стороны - его наличие. В связи с этим установление истины является одной из главных целей данной научно-исследовательской работы.

2. Физическая сущность угла внутреннего трения грунта

В практике для определения касательных напряжений сопротивления песчаных грунтов сдвигу используется равенство Кулона

т = а tg ф, (1)

где а - постоянное нормальное напряжение сжатия исследуемого образца грунта, ф - угол внутреннего трения грунта.

Для пылевато-глинистых грунтов для этой цели применяется равенство Кулона - Навье

т = а tg ф + с , (2)

где с - удельное сцепление грунта.

В равенствах (1) и (2) функция тангенса имеет первую степень для всех видов грунтов. Расчетными исследованиями, базирующимися на экспериментальных данных, автором получено равенство для определения значений коэффици-

С кПа,

ентов внутреннего трения грунта по значениям их углов [7].

k = tgп ф1, (3)

где п - показатель степени функции тангенса, изменяющейся от единицы до двух, в зависимости от вида грунта, г = 1.. .5 - номер состояния предельного равновесия грунта.

С целью определения значений показателей степени п на рис. 1 выполняется построение графика зависимости его значений от удельного сцепления с и угла внутреннего трения ф. При построении графика используются максимальные значение ф и с, и значения е, взятые из нормативного источника [8], см. табл. 1.

Показатели степени п коэффициентов внутреннего трения грунта определены графоаналитическим методом для единичных значений с от 29 до 2 кПа.

а)

б)

Рис. 1. Графики зависимости показателя степени п коэффициентов внутреннего трения грунта от удельного сцепления с и угла внутреннего трения ф по классификации грунтов: а - традиционной, б - новационной, 1 - суглинопеси, 2 - супылепеси

Нормативные значения удельного сцепления с и угла внутреннего трения грунта ф

Таблица 1

Вид грунта Значения max min Показатель консистенции JL Коэффициент пористости е Удельное сцепление с, кПа Угол внутр. трения ф, град

Глина max 0 < JL < 0,25 0,55 81 21

min 0,5 < JL < 0,75 1,05 29 7

Суглинок max min 0 < JL < 0,25 0,5 < JL < 0,75 0,45 1,05 47 12 26 12

Супесь max min 0 < JL < 0,25 0,25 < JL < 0,75 0,45 0,85 21 9 30 18

Пески пылеватые max min - 0,45 0,75 8 2 36 26

Пески мелкие max min - 0,45 0,75 6 0 38 28

Пески средней max - 0,45 3 40

крупности min - 0,65 1 35

Гравелистые max - 0,45 2 43

и крупные пески min - 0,65 0 38

Участок графика а-в является линейным и определяет показатель степени для глин и суглинков п = 1: при с равном от 81 кПа до 29 кПа для глин и для суглинков на части участка б-в при с равном от 47 кПа до 29 кПа; для участка в-е суглинков показатель степени п изменяется от 1,0 до 1,38 при с равным от 29 до 12 кПа; для участка г-д супесей при с равном от 21 до 9 кПа показатель степени п изменяется от 1,133 до 1,497; на участке к-н для пылеватых песков при с равном от 8 до 2 кПа показатель степени п изменяется от 1,534 до 2,0; для мелких песков при с равном от 5 до 2 кПа показатель степени п изменяется от 1,680 до 2,0; для песков средней крупности при с равном от 3 до 2 кПа показатель степени изменяется от 1,820 до 2,0; для гравелистых и крупных песков при с = 2 кПа показатель степени п = 2,0. неразрезных структурных цементационных связей физико-химической природы из затвердевших гелей осадков проявляется при их разрушении сжатием и сдвигом минеральных частиц глинистых грунтов.

В суглинопесях при с равном от 29 до 12 кПа, в супесях при с равном от 21 до 9 кПа, в супыле-песях при с равном от 12 до 8 кПа и в песках при с равном от 8 до 2 кПа в процессах их сдвига сопротивляются факторы их прочности: связность С№, сцепление С,я, С82 и зацепление С2. При этом в суглинопесях, супесях и супылепесях наряду с сопротивлением сцепления Он цементационных связей глинистых грунтов сопротивляется сцепление С82 разрезных кристаллизационных связей из материалов смежных, сжимаемых и сдвигаемых минеральных частиц песка по плоскостям площадок скольжения, наклонённых под углом ф к главным исходным плоскостям ортогональным к направлению действия максимального главного нормального напряжения сжатия С1 = с<1 по принципу наклонно-плоскостных механизмов. В сугли-нопесях, супесях и супылепесях значения показателей степени п увеличиваются от 1,0 до 2,0 пропорционально повышению содержания в их минералогических составах количества песчаных частиц и, наоборот, значения удельных сцеплений с уменьшаются от 81 до 2 кПа, а значения углов внутреннего трения ф увеличиваются от 12° до

Таблица 2

Дополненные и исправленные нормативные значения удельного сцепления с и угла внутреннего трения ф

и разновидности пылевато-глинистых грунтов

Вид грунта Значения тах тт Показатель консистенции JL Коэффициент пористости е Удельное сцепление с, кПа Угол внутр. трения ф,град

Глина тах тт 0 < JL < 0,25 0,5 < JL < 0,75 0,55 1,05 81 29 21 7

Суглинок тах тт 0 < JL < 0,25 0,5 < JL < 0,75 0,45 1,05 47 29 26 12

Суглинопесь тах тт 0,25 < JL < 0,25 0,5 < JL < 0,75 0,65 1,05 29 12 28 15

Супесь тах тт 0 < JL < 0,25 0,25 < JL < 0,75 0,45 0,85 21 9 30 18

Супылепесь тах тт 0,25 < JL < 0,75 0,20 < JL < 0,70 0,75 0,85 12 8 33 22

Пески пылеватые тах тт - 0,45 0,75 8 2 36 26

Пески мелкие тах тт - 0,45 0,75 5 2 38 28

Пески средней крупности тах тт - 0,45 0,65 3 2 40 35

Гравелистые и крупные пески тах тт - 0,45 0,65 2 2 43 38

43°. Для песков значение показателя степени коэффициента внутреннего трения, ввиду действия по наклонной плоскости скольжения двух факторов прочности: одного суммарного, связности и сцепления С8г, и второго, зацепления Сг при одном значении максимального главного нормального напряжения сжатия сть получается суммарно увеличенным, т. е. п = 1,534.2,0 по количеству участвующих степенных коэффициентов внутреннего трения связности С№ при п = 1,0 и зацепления С2 при п = 0,534.1,0.

Дополненные и измененные значения удельного сцепления с, угла внутреннего трения грунта ф и значений показателей степени п показаны в табл. 3.

Таким образом, впервые введён показатель степени функции тангенса угла внутреннего трения грунта. Установлено, что показатель степени п = 1, применяемый до настоящего времени, действителен только для глин и частично для суглинков. Для остальных видов грунтов: суглинопесей, супесей, супылепесей и песков здесь определены и введены новые, ранее неизвестные показатели степеней функции тангенса угла внутреннего трения грунта 1 < п < 2, при этом открыта новая разновидность суглинков - суглинопесь и супесей -супылепесь. Открыто, что показатели степени более единицы учитывают силу сопротивления заце-пляемости С в процессе сдвига грунта, о которой до сих пор все говорили, но не находили решения для её определения. Полученные результаты исследований позволили сформулировать физический смысл угла внутреннего трения грунта. Физическая сущность угла внутреннего трения грунта состоит в том, что он является носителем закодированной информации в степенной функции тангенса, или степенного коэффициента внутреннего трения грунта, скрытой информации о наступлении состояний предельных равновесий на плоскостях площадок скольжения сжимаемых и сдвигаемых смежных минеральных частиц, отражающих

при этом значения сил сопротивления связности, удельного сцепления и зацепляемости, как составляющих величины силы трения сдвигаемого грунта; функционально значения удельного сцепления с различных видов грунтов уменьшаются, а значения показателей степени п увеличиваются при увеличении значений углов внутреннего трения грунтов ф.

3. Механическая и математическая

сущность угла внутреннего трения грунта

Механическая сущность угла внутреннего трения грунта иллюстрируется построением схемы наклонно-плоскостных механизмов, одного, при действии сдвигающего минимального главного нормального напряжения сжатия с3 параллельно главной исходной плоскости 1, ортогональной к направлению действия максимального главного нормального напряжения сжатия с1, показанного на рис. 2а, и другого, наклонно-плоскостного механизма при действии сдвигающего напряжения Р параллельно плоскости наклона 2 под углом ф к главной исходной плоскости 1, ортогональной к направлению действия максимального главного нормального напряжения сжатия ст1, представленного на рис. 2, б.

При сопротивлении связности по схеме а равенство напряжений имеет следующее выражение:

CT,h

СТ3 = — = CTj tg ф . b

(4)

Для сопротивления зацепляемости С2 по схеме 2, б равенство напряжения подается в следующем виде:

d CTih

P = —j— = CTj Sin ф .

(5)

Минимальное главное нормальное напряжение сжатия:

P

=-.

cos ф

(6)

Таблица 3

Нормативные значения удельного сцепления с и угла внутреннего трения ф и значений показателей степени п

Удельное Угол Показатель Удельное Угол Показатель Удельное Угол Показатель

сцепление внутр. степени сцепление внутр. степени сцепление внутр. степени

с, кПа трения n с, кПа трения n с, кПа трения n

ф,град ф,град ф,град

81 21 1,0 21 30,0 1,13 11 33,8 1,41

47 26,0 1,0 20 30,3 1,15 10 34,5 1,45

29 28,0 1,0 29 30,7 1,17 9 35,3 1,50

28 28,2 1,01 18 31,0 1,20 8,0 36,0 1,53

27 28,5 1,03 17 31,3 1,23 7 36,8 1,58

26 28,8 1,04 16 31,7 1,26 6 37,6 1,63

25 29,0 1,05 15 32,0 1,28 5,0 38,0 1,68

24 29,3 1,07 14 32,3 1,32 4 39,2 1,75

23 29,5 1,09 13 32,6 1,34 3,0 40,0 1,82

22 29,8 1,11 12 33,0 1,38 2,0 43,0 2,0

Рис.tg Ф, (8)

где т1 - составляющая касательного напряжения т, действующего по плоскости площадки скольжения 2.

Следовательно, механическая сущность угла внутреннего трения грунта заключается в том, что он является углом наклона плоскости площадки скольжения 2 двух минеральных частиц к главной исходной плоскости 1, перпендикулярно направленного к ней максимального главного нормального напряжения сжатия, при состоянии их предельного равновесия на плоскости площадки скольжения 2, и одновременно является углом отклонения равнодействующей R от максимального главного нормального напряжения сжатия а1.

Математическая сущность угла внутреннего трения грунта заключается в том что он определяется степенной функцией arctgw с аргументом отношения предельного касательного напряжения сдвига грунта к постоянному нормальному напряжению его сжатия при сдвиге:

Ф = arc tgи (т / а). (9)

Выводы

1. По результатам ретроспективных исследований физической сущности угла внутреннего трения грунта получены весьма противоречивые заключения. С одной стороны, утверждение в отсутствие физического смысла в прочностных характеристиках грунта, с другой стороны, его наличие без раскрытия физической сущности.

2. Впервые открыто и обосновано, что угол внутреннего трения грунта имеет физическую

сущность как носитель, закодированным в степенной функции тангенса, или степенном коэффициенте внутреннего трения грунта, скрытой информации о наступлении состояния предельного равновесия на плоскостях площадок скольжения между смежными сжимаемыми и сдвигаемыми минеральными частицами грунта, отражающей при этом значения сил сопротивления, связности, удельного сцепления и зацепляемости, составляющих значение единой силы трения сдвигаемого грунта; функционально значения удельного сцепления с различных видов грунтов уменьшаются, а значения показателей степени п увеличиваются при увеличении значений углов внутреннего трения грунтов ф.п с аргументом отношения предельного касательного напряжения сдвига грунта к постоянному нормальному напряжению его сжатия при сдвиге.

5. Раскрыты и введены новые разновидности классификации грунтов: суглинопесь и супыле-песь, которые необходимо включить в норматив-

ные положения [8] и внести в соответствующие разделы инженерной геологии, грунтоведения, механики грунтов, оснований и фундаментов.

Литература

1. Казарновский, В.Д. Оценка сдвигоустойчи-вости связных грунтов в дорожном строительстве / В.Д. Казарновский // Теоретические основы и практические методы. - М.: Транспорт, 1985. -168 с.

2. Hvorslev, M. Überdie Festigkeit - seingen-schaften gestorterbrindigerBöden / M. Hvorslev. -Y.E.C. Yad Vimmelskaflet, 32, Kopengagen, 1937.

3. Terzaghi, K. Theoretical soil mechanics / K. Terzaghi. - New-York, 1943. - P. 510.

4. Ohde, J. Überden qleitwiderstand der Erdstoffe. Veroffentlichungen der Forschungsanstalt fur Schiffart. Wasser und Grundban / J. Ohde. - Aca-demic-verlag, Berlin, 1956.

5. Маслов, Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов /Н.Н. Маслов. - М., 1982.

6. Грунтоведение / под ред. акад. Е.М. Сергеева. - Изд. 5-е пераб. и доп. - М.: МГУ, 1983. - 395 с.

7. Борозенец, Л.М. Геотехника фундаменто-строения и грунтоустойчивости: моногр. / Л.М. Борозенец. - Тольятти: Изд-во ТГУ, 2015. - 588 с.

8. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. - М.: НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, 2005. -130 с.

Борозенец Леонид Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленное и гражданское строительство», Архитектурно-строительный институт, Тольяттинский государственный университет (Тольятти), [email protected]

Поступила в редакцию 8 февраля 2017 г.

DOI: 10.14529/build170204

SCIENTIFIC BASIS OF PHYSICAL, MECHANICAL

AND MATHEMATICAL NATURE OF SOIL INTERNAL FRICTION ANGLE

L.M. Borozenets, [email protected]

Togliatti State University, Togliatti, Russian Federation

The results of retrospective studies of the physical nature of soil internal friction angle are given in the paper. The triune nature of the soil internal friction angle is determined: physical, mechanical and mathematical. With the help of the analysis of the initial data of normative strength characteristics of different types of soils and their theoretical study, the factors representing the physical nature of the soil internal friction angle 9 are identified; new types of classification of silty-clayed soils are discovered: loamy clayed sand and loamy dusty sand; the values of the degree of tangent function of the soil internal friction angle, determining the values of resistance power of adhesive bond in the shear of loamy clayed sand, loamy sand, loamy dusty sand and sand are discovered for the first time. Using the models of inclined plane mechanisms, the factors of mechanical nature of the soil internal friction angle are defined. Mathematical nature of the soil internal friction angle is represented by the fact that it is determined by the reverse tangent power function with the ratio argument of critical shear stress of soil to a constant normal stress of its compression in shear. The conclusions on the study results are made.

Keywords: mechanics, angle, nature, friction, degree, function, information, balance, cohesion, adhesive bond, site, slip, power, soil, clay, loam, loamy sand, sand, stress.

References

1. Kazamovskij V.D. Ocenka sdvigoustojchivosti svjaznyh gruntov v dorozhnom stroitel'stve (Teoreticheskie osnovy i prakticheskie metody) [Estimation of Shear Stability of Cohesive Soils in Road Construction (Theoretical Foundations and Practical Methods)]. Moscow, Transport Publ., 1985. 168 p.

2. Hvorslev M. J. [Über die Festigkeitseigenschaften Gestörter Bindiger Böden]. Samfund, Ingenirvidenska-belige Skrifter. Copenhagen, Ser. A, no. 45. 1937.

3. Terzaghi K. [Theoretical Soil Mechanics]. New-York, 1943. 510 p.

4. Ohde J. [Überden qleitwiderstand der Erdstoffe. Veroffentlichungen der Forschungsanstalt fur Schiffart. Wasser und Grundban]. Berlin, Academic-verlag, 1956.

5. Maslov N.N. Osnovy inzhenernoj geologii i mehaniki gruntov [Fundamentals of Engineering Geology and Soil Mechanics]. Moscow, 1982.

6. Сергеев Е. М., Голодковская Г. А., Зиангиров Р. С. Gruntovedenie [Ground Science]. Moscow, MGU Publ., 1983. 395 p.

7. Borozenec L.M. Geotehnika fundamentostroenija i gruntoustojchivosti [Geotechnics of Foundation Engineering and Primer Stability]. Tol'jatti, TGU Publ., 2015. 588 p.

8. SP 50-101-2004. Proektirovanie i ustrojstvo osnovanij i fundamentov zdanij i sooruzhenij [Design and Construction of Footings and Foundations of Buildings and Structures]. Moscow, NIIOSP im. N.M. Gersevanova Publ., 2005. 130 p.

Received 8 February 2017

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

Борозенец, Л.М. Научное обоснование физической, механической и математической сущности угла внутреннего трения грунта / Л.М. Борозенец // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». - 2017. - Т. 17, № 2. - С. 27-33. DOI: 10Л4529/ЬшМ170204

FOR CITATION

Borozenets L.M. Scientific Basis of Physical, Mechanical and Mathematical Nature of Soil Internal Friction Angle. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Construction Engineering and Architecture. 2017, vol. 17, no. 2, pp. 27-33. (in Russ.). DOI: 10.14529/build170204

Материалы докладов Общероссийской научно-практической конференции «Современные полевые и лабораторные методы исследования грунтов-изыскания и проектирование»

Материалы докладов Общероссийской научно-практической конференции

«Современные полевые и лабораторные методы исследования грунтов – изыскания

и проектирование»

138

• В какой степени используемые в современной практике методы

определения прочностных характеристик отражают возможные механизмы

разрушения грунтов и, как следствие, позволяют они использовать

соответствующие критерии прочности?

• Как применение линейного критерия прочности Мора-Кулона влияет

на адекватность проводимых расчетов (в частности, на расчеты устойчивости

склонов), в случаях, когда есть доказательства нелинейности прочностной

модели?

Представляется, что ответы на эти вопросы в методологическом

изменении подхода оценки прочности грунтов. И, в первую очередь,

необходимо понимание следующего факта – оценка прочности грунтов ‒ это не

просто определение неких абстрактных величин С и φ, а физический

эксперимент, который должен дать ответ, как минимум, на три вопроса:

• Каков фактический механизм разрушения грунтов?

• Какой критерий прочности наиболее адекватно его описывает?

• Какие параметры грунтов и по каким методикам следует определять

для использования выбранного критерия прочности?

В широком смысле, прочностная модель грунта определяется, помимо его

разновидности, также его состоянием и характером внешних воздействий. Этот,

на первый взгляд, очевидный факт, позволяет определить первостепенную

задачу при проектировании литотехнических систем (ЛТС) следующим

образом – ограничить изменение состояния грунтов ЛТС и характер внешних

воздействий таким образом, чтобы устойчивость проектируемой системы

описывалась именно выбранным критерием прочности.

Таким образом, стоит признать, что в современной инженерной геологии

формируется новая парадигма – осознание необходимости внедрения в

практику концепции нелинейности деформационных и прочностных

характеристик грунтов и признание этого факта серьезнейшим образом

затронет все аспекты инженерно-геологических исследований.

Список литературы

1. Зеркаль О.В., Фоменко И.К. Оценка влияния анизотропии свойств грунтов

на устойчивость склонов // Инженерные изыскания. 2013. № 9. С. 44–50.

2. Латышев О.Г., Корнилков М.В. Направленное изменение фрактальных

характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными

веществами в процессах горного производства. Екатеринбург: Изд-во

«УГГУ», 2016. 407 с.

3. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. М.:

Высшая школа, 1982. 511 с.

4. Хуан Я.Х. Устойчивость земляных откосов. М.: Стройиздат, 1983. 240 с.

Строительство начинается с грунтов

Один из специалистов-геотехников провозгласил: строительство начинается с фундаментов. Возразим: проектирование и строительство начинаются с грунтов. Это они, грунты, влияют на выбор типа фундаментов и технологию ведения работ нулевого цикла, а в целом — на экономику строительства. Недостаточно обоснованно принимаемые решения неизбежно приводят к широкому спектру последствий — от неоправданно завышенных затрат на фундаменты и, наоборот, до появления недопустимых осадок, кренов, вплоть до аварийных ситуаций с неменьшими затратами. Нет смысла останавливаться на примерах — буквально все специалисты знают особо громкие случаи наперечет.

Сооружения могут быть типовыми, но, построенные на разных площадках, они будут отличаться фундаментами. Строительство каждого сооружения сопровождается своими особенностями, связанными с грунтами, распространяться о которых не принято, за редким исключением, когда не обсуждать становится уже невозможным и возникает желание списать огрехи на грунты. Тогда появляются высказывания типа «студень петербургских грунтов», «такие непредсказуемые и непознаваемые грунты», «крутой характер питерских грунтов», а то и — «тут же грунтов нет». Иначе — инженерно-геологические изыскания были проведены, но проведены на низком уровне, механические свойства грунтов то ли не изучались, то ли изучались плохо, проектировщики и геотехники, сами не способные оценить правильность и надежность представленных материалов, им поверили, что и привело к тяжелым последствиям. На слабую работу изыскателей сетуют геотехники, хотя выполняемые ими изыскания по большому ряду причин не могут относиться к совершенным и достойным подражания. Но геотехники претендуют на проведение уникальных расчетов сооружений, необоснованность претензий которых легко доказывается: без правильно и надежно определенных исходных данных расчеты не могут быть иными, как неверными, превращаясь в упражнение в арифметике. Геофизики же утверждают, что изыскания выродились (словно они в инженерной геологии понимают больше и знают, на каком уровне изыскания были раньше) и можно жалеть инженеров-геологов, занимающихся ненужной работой.

Как-то оказалось не принятым обращать внимание на то, что отрицательную оценку работы инженеров-геологов порой дают специалисты, по уровню профессиональной подготовки не имеющие права на это, по своим знаниям не превосходящие уровень высококвалифицированных инженеров-геологов. Как само собой разумеющееся, предполагается, что в инженерной геологии, и прежде всего в грунтах, разбирается всякий, имеющий какое-либо отношение к грунтам. Как следствие, заказчик в техническом задании на изыскания перечисляет нормативные документы, требования которых следует соблюсти, характеристики грунтов (от влажности и далее), которые необходимо определить, а геотехники пишут рекламации на отчеты по изысканиям (представьте, что отправившись к врачу, вы составили ему инструкцию на лечение) Таково отношение к инженерногеологическим изысканиям и инжене- рам-геологам. Им уготовлена роль Золушки, их мнение после выпуска отчета никому не интересно: «разберемся без вас».

Инженерно-геологические организации, отстраненные от влияния на принятие проектных решений по фундаментам, оказались лишенными ответственности за качество материалов выпускаемых изысканий. У большинства организаций оно действительно низкое. Госэкспертиза дает предвзятую оценку материалам изысканий — лишь на соответствие требованиям нормативных документов, исключая обязательную проверку качества и достоверности, на что Госэкспертиза, без сомнения, при нынешнем положении дел и не способна. Как следствие, не удивительны аварии с сооружениями, в обязательном порядке прошедшими экспертизу. Много надежд возлагалось на СРО. Однако год существования этого объединения никоим образом не повлиял на качество изысканий ни отдельной организации, ни всех ее членов.

Вырисовывается довольно мрачная картина состояния инженерно-геологических изысканий. Отсюда недалек вывод о том, что проектируем и строим не на глубоком знании и научной основе, а скорее на интуитивном или очевидном опыте, всегда сопровождаемом ошибками, приводящими к тем или иным последствиям, что постоянно и наблюдается. С переходом на строительство сооружений повышенного уровня ответственности опасность принятия необоснованных, чреватых авариями, решений будет возрастать.

И вновь повторим, что плохо проведенные изыскания заведомо означают всегда неверно выполненные расчеты оснований и фундаментов.

В поисках правильных ответов на проблемы изысканий должны быть в равной степени заинтересованы ныне разобщенные, часто не понимающие друг друга инженеры-геологи, геотехники, проектировщики, строители, эксперты.

Можно утверждать, что разобщенность и непонимание сознательно поддерживаются всеми сторонами, так как позволяют бесконфликтно существовать в границах занимаемых ниш, не раскрывая свой уровень профессионализма. Неслучайно остались незамеченными наши публикации последних лет о механических свойствах грунтов и о низком уровне экспертизы. Полагаем, что если было бы что сказать в ответ, сказали бы непременно Но ведь проще смолчать, понимая, что все будет не в пользу выступающих.

И все-таки надо выступать. Надо обсуждать явную проблему. Надо писать статьи, выражая свое мнение, что и сделано в данном материале.

Итак, при проведении инженерногеологических изысканий возникает множество проблем как субъективного, так и объективного характера.

Проблемы субъективного характера. Изыскания — многоступенчатый процесс со многими исполнителями, имеющими дело со сложнейшей средой, какой являются грунты, неоднородные в разрезе по генезису, составу, состоянию, мощности и простиранию. Инженер-геолог составляет программу изысканий, соответствующую представлениям о разрезе и удовлетворяющую заказчика и требованиям нормативных документов. Буровая бригада, проявляя мастерство и совесть, вне зависимости от погоды и душевного состояния, непредсказуемости разреза, должна применить нужную технологию бурения и отбора монолитов, выделить границы слоев, произвести наблюдения и описание, сберечь и передать грунты и грунтовые воды в лабораторию. Лаборатория, несмотря на рутинность повседневной работы, обилие объектов, ограниченные сроки и обладая собственным опытом исследований, определяет физико-механические свойства грунтов и коррозионную активность грунтовых вод. Инженер- геолог сводит материалы всех исполнителей, обнаруживает и устраняет, сообразуясь с опытом и знаниями, несоответствия в фактах, готовит отчет, пытаясь предвосхитить замечания экспертизы, избежать которые, как правило, не удается, так как они просто обязаны быть.

Нетрудно представить, что любой самый малый сбой на каждом из этапов проведения изысканий сказывается на качестве изысканий. Как следствие, материалы изысканий, проведенных одной организацией в разные года или разными организациями на одной территории, могут существенно отличаться, особенно в оценке механических свойств грунтов.

Проблемы объективного характера. Нормативные документы (СП и ГОСТы) нуждаются в дополнительных разъяснениях, так как многие положения противоречивы, неоднозначны, а то и не принимаются разумом. Вот некоторые из них:

  1. Срок действия, иначе пригодности, материалов изысканий до начала проектирования — не более 2-3 лет (п. 5.2 СП 11-105-97). Но хотя интерпретация этого условия должна быть иной, экспертиза понимает его только так, чем создает большие жизненные сложности проектировщику и заказчику;
  2. Глубина бурения скважин при плитном фундаменте должна быть не менее 20 м (п. 8.6 СП 11-105-97). Но представим давление на плиту 3 и 30 т/м2, глубина бурения одинакова — 20 м и не зависит от грунтов основания, будь то слабые грунты или кембрийские глины;
  3. Глубина бурения скважин при свайно-плитном фундаменте должна превышать предполагаемую глубину погружения свай не менее чем на 15 м(п. 5.12 СП 50-102-2003). Ниже острия несущего слоя должно оставаться не менее 1,5 м (п. 12.5.ТСН 50-302-2004). Количество определений физико-механических свойств грунтов ограничивается числом, достаточным для статистической обработки, т. е.6-10 (п. 5.13 СП 50-102- 2003). Но, как видим, не ясно, зачем бурить на 15 м, если требуется опорный слой 1,5 м, и нет сомнений, что и ниже этих 1,5 м будет находиться грунт. Отсутствие требования по обязательному опробованию по глубине в пределах 15 м подводит к мысли: нужно ли бурить — проще нарисовать;
  4. Расстояние между скважинами для объектов I уровня ответственности и III категории сложности инженерно-геологических условий не должно превышать 25-20 м (п. 8.4 СП 11 — 105-97). Но представим в качестве опорного слоя для свай под высокую нагрузку протерозойские глины, бурение по которым предстоит на глубину 20-50 м. Что даст бурение через 20 м? Ничего, кроме «дырок» и желания слукавить.

Это немногие примеры несовершенства требований нормативных документов, за которыми часто стоят ненужные моральные, материальные и временные затраты.

Однако главной и основополагающей проблемой инженерной геологии и механики грунтов остается проблема механических свойств грунтов, положение с определением которых еще в 1973 г. на Международном конгрессе признано критическим. С той поры оно не изменилось, скорее, наоборот, закрепилось, а порочные взгляды получили дальнейшее признание и развитие. Официально характеристиками деформируемости и прочности являются модуль деформации, угол внутреннего трения и сцепление.

Модуль деформации, как в законе Гука, связывает линейной зависимостью напряжения и деформации грунта данного состояния. Как-то случилось, что для определения модуля деформации стали применять компрессионные испытания, до тех пор проводившиеся из любопытства для изучения поведения грунта под нагрузками (даже не конкретными от веса сооружения с учетом рассеяния напряжений с глубиной). Уплотнение ступенями доводится, к примеру, до 6 кг/см2, ступенями производится разгрузка. Строится зависимость между давлениями уплотнения и новыми состояниями грунта (в виде коэффициента пористости, а можно было — в виде плотности). Понятно, что каждая точка компрессионной кривой соответствует другому состоянию, отличному от исходного. Но как-то принято наклон кривой в том или ином диапазоне давлений связать с модулем деформации грунта исходного состояния, вводя поправки в 2-6-й, а то и в 10-й раз, без какой-либо уверенности в том, что получили что-то близкое к штамповому модулю. Компрессионные испытания не предназначены для определения модуля деформации грунта исходного состояния, но по недоразумению продолжают использоваться. Надо признать, что иной метод лабораторного определения модуля деформации отсутствует.

Аналогичная ситуация сложилась с прочностными свойствами. Два метода используются для определения прочностных свойств грунтов — сдвиговые и 3-осные (стабилометрические) испытания. Это методы с двумя внешними усилиями. До начала испытания к образцу грунта необходимо приложить нормальное (или боковое) давление, а значит — задуматься, каким оно должно быть. Вот этого и не произошло. На заре становления механики грунтов (20-е годы 20-го века) восторжествовали взгляды, необъяснимые со здравой точки зрения, по которым каждый из трех образцов грунта исходного состояния, подготовленных к сдвиговым испытаниям, уплотнялся и сдвигался (медленно) под своим давлением.

Методика получила название консо- лидированно-дренированного (КД) испытания. Эта методика стала единственной официальной методикой (ГОСТ 12248-66), просуществовавшей до 1978 г. и остающейся одной из основных в настоящее время (ГОСТ 12248-2010). По мнению приверженцев методики КД, методика отражает работу грунта в стабилизированном состоянии. Найдется кто-нибудь, способный объяснить, что это за состояние? Как оно возникает в слоях разреза? Почему не зависит от давления от веса сооружения с учетом рассеяния? Почему образцы грунта уплотняются разными давлениями, иначе — испытываются три разных по состоянию грунта, ничего общего не имеющие с грунтом исходного состояния, для которого, собственно, и задумано определение прочностных свойств? Не надо обманывать себя и других: получаемые параметры, являясь результирующими к ряду состояний грунта единого гранулометрического состава, не могут называться углом внутреннего трения и сцеплением, методика КД не может проявиться в природе, она абсурдна, так как бездоказательна и не имеет права на существование.

За десятилетия«торжества» методики КД ее сторонники имели возможность утвердиться или усомниться в своих взглядах бурением скважин в пределах пятна после постройки здания. А можно было простейшим расчетом и наблюдениями показать, что осадки от гипотетического уплотнения всей толщи грунтов должны во много раз превышать предельные, что означало бы, что воспользоваться параметрами методики КД все равно не удастся.

Был период, когда из-за неудовлетворенности методикой КД предлагались без должного обоснования самые разные методики сдвиговых испытаний, собранные из способа подготовки образцов грунтов к испытанию, способа и времени проведения испытания. Понятно, что каждая методика приводила к своим результатам, что послужило основанием ко всеобщему выводу о том, что прочностные свойства грунтов не имеют физического смысла. Многим мысль и по настоящее время кажется удобной — прочностные свойства грунтов непознаваемы, «вещь в себе», зависят от условий работы в основании сооружения, какими они должны быть никто не знает и знать не может. Отсюда напрашивается вывод: в отчетах приводите любые, самые нелепые значения прочностных свойств, никто (ни проектировщик, ни эксперт) не возразит, не осудит. Что и наблюдается в отчетах по материалам инженерно-геологических изысканий. Не найдется организации, приводящей обоснованно «выстраданные» значения прочностных свойств грунтов. В качестве примера нами многократно упоминались два источника с равными значениями угла внутреннего трения и сцепления для протерозойских глин и торфов. А ведь это свидетельство глубочайшего кризиса инженерной геологии и механики грунтов с равнодушно взирающими специалистами, не желающими или не умеющими исправить положение с прочностными свойствами грунтов.

Положение в лучшую сторону не изменилось с изложением в последующих за ГОСТ 12248-66 методики неконсолидированно-недренированного (НН) сдвигового испытания, методик неконсолидированно-недренированного (НН), консолидированно-недренированного (КН) и консолидированно-дренированного (КД) 3-осных (стабилометрических) испытаний.

Разумных разъяснений, что означает, когда должна применяться каждая из методик, не найти. Отношение к методике КД определено — это большая ошибка. Методика НН распространяется на грунты с показателем текучести свыше 0,5 и относится к грунтам в нестабилизированном состоянии. Кому-то ясно, что это за нестабилизи- рованное состояние? Почему грунты и без того твердой консистенции требуют испытывать с предварительным уплотнением разными нагрузками? Может быть, методика НН ближе характеризует прочность грунта исходного состояния? Ясного ответа нет, но что- то тревожное, опасное, а потому недопустимое заложено в самом определении — «нестабилизированное состояние». Методика НН не может характеризовать естественное сложение грунта, потому что жестко заданы давления, всегда способные привести к изменению исходного состояния грунта. Как следствие, методика НН, за редким исключением, дает результаты, не относящиеся к грунту исходного состояния.

Нет необходимости останавливаться на методиках 3-осных испытаний, они также не обоснованы, если не менее, чем методики сдвиговых испытаний. Для сравнения обратим внимание на то, что результаты сдвиговых испытаний по методике НН подводят к определению угла внутреннего трения и сцепления, тогда как результатом 3-осных испытаний по той же методике является определение сопротивления недренированному сдвигу (как если бы угол внутреннего трения равен нулю).

Такова безрадостная картина, тем не менее,признанная классикой, с определением механических (деформативных и прочностных) свойств глинистых грунтов. Не станем касаться проблемы определения механических свойств песчаных грунтов, она также существует и далека от решения. Сегодня механические свойства песков не определяются, а назначаются на сомнительной основе, поэтому нуждаются в изучении заново. Не станем касаться проблемы определения несущей способности свай, она находится в удручающем состоянии. Пробные испытания свай лишь в 1 случае из 100 подтверждают требуемую нагрузку на сваю, а точность расчета по основной формуле СП составляет ±2-6 раз.

Предвидим возражения: строительство зданий и сооружений, в т. ч. уникальных, ведется успешно на существующей нормативной базе, аварийные ситуации возникают лишь изредка, выполняются самые совершенные расчеты с привлечением передового зарубежного опыта, наконец, отрицая практически все предшествующие взгляды на определение механических свойств грунтов. Тогда взамен этого отрицания, что же у нас есть?

Вновь отвечаем. Сейчас мы строим на очевидной или интуитивной основе, вопреки нормативным документам, расчетам не доверяем, с опасением ожидаем осадок, кренов и деформаций, часто принимаем меры по пересмотру решений и по усилению фундаментов, (что приводит к увеличению материальных и временных затрат), не способны дать нужного объяснения в случае возникновения аварийной ситуации и т. д. Появились новые методы расчета оснований (старые не устраивают), требующие несовместимых характеристик грунтов, взятых из компрессионных испытаний по ветвям загрузки и разгрузки, КД сдвигового и 3-осного испытаний, НН 3-осного испытания. То есть все в свалено в одну кучу. Утверждают, что иначе метод расчета не работает, хотя вывод должен быть иным — методика неверна и не может применяться. Но расчеты нужны, их требуют, и они ведутся, при том, что расхождения между расчетами и наблюдениями, как правило, бывают значительными. Всегда найдется объяснение: грунт есть грунт, он же непредсказуем.

Итак, компрессионные испытания в современной интерпретации недопустимо применять для определения модуля деформации грунтов. Здесь выход — в проведении компрессионного испытания одним первым давлением. Либо надо вернуться к проведению лабораторных испытаний малым штампом.

Существующие методы определения прочностных свойств грунтов не отражают работу грунтов в основании сооружения, не характеризуют грунты естественного сложения, стали причиной стойкого взгляда на прочностные свойства как лишенные физического смысла, что породило безответственное отношение к изысканиям.

Надо научиться определять прочностные свойства грунтов исходного состояния (естественную прочность)и максимально использовать несущую способность грунта естественного сложения. Большее давление грунт не позволит передать на него, последуют осадки и разрушение. Хотите больше — изменяйте состояние грунта, иными словами, делайте другой грунт. С поверхности такое возможно, на глубине — нет.

Методика проведения сдвиговых и 3-осных испытаний для определения прочностных свойств грунтов исходного состояния неоднократно излагалась в наших публикациях. Смысл методики — в проведении испытаний в диапазоне давлений (нормальных или боковых), зависимом от исходного состояния грунта. Выбору диапазона способствует проведение пенетрационных испытаний для грунтов всех состояний, одноосного сжатия для твердых грунтов и опыт. Применение комплекса методов значительно повышает достоверность и надежность определения угла внутреннего трения и сцепления, обретающих наконец-то физический смысл.

Признаемся, что последователей наших взглядов, как и противников, не нашлось. Никто не заявил о себе. Вновь призываем всех сознающих, хотя бы частично, что что-то не правильно в инженерных изысканиях и расчетах оснований, всех заинтересованных в изменении положения — инженеров- геологов, геотехников, проектировщиков фундаментов, руководителей строительных организаций — объединить усилия, честно признать, что проблема существует, высказать свое мнение. Иначе проблему не решить. Положение с определением механических свойств грунтов критическое, торжествует абсурд. Сегодня все, что происходит с определением механическими свойствами грунтов, напоминает сюжет сказки о голом короле.

Е. Н. Богданов, к. т. н.

Список литературы:

  1. Богданов Е. Н. О несовершенстве инженерногеологических изысканий, нормативной и расчетной базы для проектирования сооружений повышенного уровня ответственности. — Тезисы межрегиональной конференции «Особенности инженерно-геологических изысканий и определения физико-механических свойств грунтов для проектирования зданий и сооружений повышенного уровня ответственности». С.-Петербург, 2008, с. 51-54.
  2. Богданов Е. Н. К изучению механических свойств грунтов. — Тезисы межрегиональной конференции «Особенности инженерно-геологических изысканий и определения физико-механических свойств грунтов для проектирования зданий и сооружений повышенного уровня ответственности». С.-Петербург, 2008, с. 96-102.
  3. Богданов Е. Н. Риск, незнание или безответственность? Определение механических свойств грунтов, непосредственно влияющих на качество строительства, находится на низком уровне.- Строительство и городское хозяйство, С.- Петербург, 2007. № 95. с. 83-84.
  4. Богданов Е. Н. Механические свойства грунтов. Знаем? Скорее нет. — Строительство и городское хозяйство, С. — Петербург, 2007. № 97. с. 64-65.

Также читайте:

Оконная фурнитура | Двери межкомнатные | Деревянные окна | Фурнитура для межкомнатных дверей

Похожее

Угол трения

Угол трения грунта - это параметр прочности грунта на сдвиг. Его определение выводится из критерия разрушения Мора-Кулона и используется для описания сопротивления грунта сдвигу при трении вместе с нормальным эффективным напряжением. Угол трения грунта равен параметр прочности грунтов на сдвиг.Его определение основано на критерии разрушения Мора-Кулона и используется для описания сопротивления грунта сдвигу трением вместе с нормальным эффективным напряжением.

В плоскости напряжения нормального напряжения, эффективного по напряжению сдвига, угол трения почвы представляет собой угол наклона по отношению к горизонтальной оси линии сопротивления сдвигу Мора-Кулона.

Типовые значения угла трения о грунт


Некоторые типичные значения угла трения грунта приведены ниже для различных типов грунта USCS в нормально уплотненном состоянии, если не указано иное. Эти значения следует использовать только как ориентир для геотехнических проблем; однако для правильного выбора геотехнических параметров часто необходимо учитывать конкретное состояние каждой инженерной проблемы.

Описание USCS Угол трения о грунт [°] Артикул
мин. макс Удельное значение
Гравий с хорошей сортировкой, песчаный гравий с небольшим количеством мелких частиц или без них ГВт 33 40 [1], [2],
Гравий с плохой сортировкой, песчаный гравий с небольшими или нулевыми мелкими частицами GP 32 44 [1],
Песчаный гравий - рыхлый (GW, GP) 35 [3 цитируется в 6]
Песчаный гравий - Плотный (GW, GP) 50 [3 цитируется в 6]
илистый гравий, илистый песчаный гравий GM 30 40 [1],
Глинистый гравий, глинистый песчаный гравий GC 28 35 [1],
Песок с хорошей сортировкой, гравийный песок, с небольшими или нулевыми мелкими частицами SW 33 43 [1],
Песок чистый, гравийно-песчаный - уплотненный SW 38 [3 цитируется в 6]
Песок крупнозернистый с угловатыми зернами - рыхлый (SW) 33 [3 цитируется в 6]
Песок крупнозернистый с угловатыми зернами - Плотный (SW) 45 [3 цитируется в 6]
Пески с плохой сортировкой, гравийные пески, с небольшими или нулевыми мелкими частицами SP 30 39 [1], [2],
Плохо обработанный чистый песок - уплотненный SP 37 [3 цитируется в 6]
Песок однородный, с круглым зерном - сыпучий (СП) 27 [3 цитируется в 6]
Песок однородный, с круглым зерном - Плотный (СП) 34 [3 цитируется в 6]
Песок SW, SP 37 38 [7],
Песок рыхлый (SW, SP) 29 30 [5 цит. В 6]
Песок средний (SW, SP) 30 36 [5 цит. В 6]
Плотный песок (SW, SP) 36 41 [5 цит. В 6]
илистые пески SM 32 35 [1],
Глины алевритовые, песчано-иловая смесь - уплотненная SM 34 [3 цитируется в 6]
илистый песок - рыхлый SM 27 33 [3 цитируется в 6]
илистый песок - плотный SM 30 34 [3 цитируется в 6]
Пески глинистые SC 30 40 [1],
Пески известняковые, песчано-глинистая смесь - уплотненная SC 31 [3 цитируется в 6]
Песок супесчаный, супесчаный Суглинок SM, SC 31 34 [7],
Неорганические илы, илистые или глинистые мелкие пески, с небольшой пластичностью мл 27 41 [1],
Ил неорганический - рыхлый мл 27 30 [3 цитируется в 6]
Ил неорганический - плотный мл 30 35 [3 цитируется в 6]
Глины неорганические, илистые, глины песчаные малопластичные класс 27 35 [1],
Глины низкой пластичности - уплотненные класс 28 [3 цитируется в 6]
Илы органические и глины органические малопластичные ПР 22 32 [1],
Илы неорганические высокой пластичности MH 23 33 [1],
Илы глинистые уплотненные MH 25 [3 цитируется в 6]
Илы и илы глинистые уплотненные мл 32 [3 цитируется в 6]
Глины неорганические высокой пластичности CH 17 31 [1],
Глины высокой пластичности - уплотненные CH 19 [3 цитируется в 6]
Глины органические высокой пластичности OH 17 35 [1],
Суглинок ML, OL, MH, OH 28 32 [7],
Илистый суглинок ML, OL, MH, OH 25 32 [7],
Суглинок илистый суглинок ML, OL, CL, MH, OH, CH 18 32 [7],
Глина илистая OL, CL, OH, CH 18 32 [7],
Глина CL, CH, OH, OL 18 28 [7],
Торф и другие высокоорганические почвы Pt 0 10 [2],

Корреляция между значением SPT-N, углом трения и относительной плотностью


Корреляция между значением SPT-N и углом трения и относительной плотностью (Meyerhoff 1956)
SPT N3
[Удары / 0.3 м - 1 фут]

Сойская упаковка

Относительная плотность [%]

Угол трения
[°]

<4

Очень рыхлый

<20

<30

4-10

Свободные

20-40

30–35

10–30

Компактный

40–60

35–40

30–50

плотный

60–80

40–45

> 50

Очень плотная

> 80

> 45

Ссылки


  1. Швейцарский стандарт SN 670 010b, Характеристические коэффициенты почв, Швейцарский стандарт Швейцарских инженеров по дорогам и дорожному движению Швейцарский стандарт SN 670 010b, Характеристические коэффициенты почв, Ассоциация швейцарских инженеров по дорогам и дорожному движению
  2. JON W.КОЛОСКИ, ЗИГМУНД Д. ШВАРЦ и ДОНАЛЬД В. ТАББС, Геотехнические свойства геологических материалов, Инженерная геология в Вашингтоне, том 1, Вашингтонское отделение геологии и ресурсов Земли, Бюллетень 78, 1989, ссылка
  3. Картер М. и Бентли С. (1991). Соотношения свойств почвы. Издательство Penetech Press, Лондон.
  4. Мейерхоф, Г. (1956). Испытания на проникновение и несущую способность несвязных грунтов. J Отделение механики грунтов и фундаментов ASCE, 82 (SM1).
  5. Пек, Р., Хэнсон, В., и Торнберн, Т. (1974). Справочник по фундаментальной инженерии. Wiley, Лондон.
  6. Обрзуд Р. и Трати А. МОДЕЛЬ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ - ПРАКТИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО Отчет Z Soil.PC 100701, отредактированный 31.01.2012
  7. Министерство транспорта Миннесоты, Дизайн тротуаров, 2007

Свойства почвы

Свойства почвы

Классификация грунтов

  • Почва классификация по размеру частиц.

  • Почва, которая грунт диаметром менее 0,067 мм называется связным грунтом и состоит из глины и ил.

  • Почвенный диаметр частиц более 0,067 называется менее сцепленным с грунтом и состоит из из песка, гравия и камня

Ограничение размера отдельного почвы как :

Камень> 60 мм

Гравий Грубый гравий 20 60 мм
Середина гравий 6 20 мм
Мелкий гравий 2 6 мм
Песок Крупнозернистый песок 0.6 2 мм
Средний песок 0,2 0,6 мм
Песок мелкий 0,06 0,2 мм
Ил Крупный ил 0,02 0,06 мм
Ил средний 0.006 0,02 мм
Ил мелкий 0,002 0,006 мм

Глина <0,002

Набросайте классификацию грунт в соответствии с размером диаметра, показанным на рис. (1)

  1. Органическая почва

  2. Неорганический грунт, состоящий из связного грунта (глина - ил) и слабосвязный грунт (песок - гравий - камень)

Свойства почвы :

Между почвой частицы - это внутренние силы, которым почва может противостоять провал и долгое скольжение любой плоскости внутри него.Один из них сплоченный прочность (C), а другой - угол внутреннего трения (φ).

Когезионная сила отчетливо проявляются в связной почве, больше, чем связность, менее почва вызывается это вынуждает ..

Связная почва называется почвой C и

Когезия меньше почвы называется φ почва

Но почва в вообще называется C φ почвой.

Определение почвы свойства (прочность на сдвиг) :

Прочность на сдвиг параметры грунта можно определить в лабораторных условиях преимущественно по трем типам тестов. Испытание на прямой сдвиг, испытание на трехосное и неограниченное сжатие.

1. Испытание на прямой сдвиг :

Это самый старый и простейшая форма испытания на сдвиг.Испытательное оборудование состоит из металлической коробки для сдвига в в который помещается образец, как показано на рис. (2).

Коробка разделена по горизонтали на две половины. Нормальное усилие на образец прикладывается сверху коробки сдвига собственным весом. Сдвигающая сила приложена к боковой стороне верха половина ящика, чтобы вызвать разрушение образца почвы. Для данного теста. В нормальное напряжение можно рассчитать как: -

σ = нормальное напряжение = =

и напряжение сдвига может рассчитывается как:

τ = напряжение сдвига = =

σ 1 =

τ 1

=

Тест повторяется более 3 раз. время с другим значением силы P (нормальная сила).Отсюда следует, что значение разницы для силы T (сила сдвига).

Поместите результаты в таблицу и эскиз, как показано на рис. (3).

Номер теста

τ =

1 τ 1 σ 1
2 τ 2 σ 2
3 τ 3 σ3

Рис. (3) A: Результаты в таблице сдвига напряжение

Значение прочности на сдвиг может определяется, как показано, где

φ = Угол внутреннее трение.

C = когезионный напряжение или адгезионное напряжение

Уравнение для средняя линия, полученная по результатам экспериментов, называется законом Кулона.

S = C + σ загар φ

Где:

S: сдвиг прочность

C: адгезия стресс

φ: трение угол

σ: нормальный стресс

1. Испытание на трехосное сжатие :

Испытание на трехосное сжатие - один из наиболее распространенных методов определения параметры прочности на сдвиг или C и φ для грунта.

В размеры образца составляют 1,5 дюйма и 3 в диаметре и длине, как показано на рис. (4) образец заключен в тонкую резиновую мембрану и помещен внутрь пластика. цилиндрическая камера, обычно заполненная водой под давлением, на образец действует осевая нагрузка, вызывающая осевое напряжение.Осевой приращение напряжения до разрушения образца и измерение осевой деформации по стрелочному индикатору Δ σ, как показано на рис (5), образец грунта подвергается всестороннему ограничивающему давлению σ 3 .

Где:

σ 3 = поры давление воды на ограничивающее напряжение

σ 1 = Общее осевое напряжение при разрушении

σ 3 = σ 3 + Cσ 1

Рис. (5): Приложение напряжения

Где:

σ 3 : Давление поровой воды на ограничивающее напряжение

σ 1 : Общее осевое напряжение при отказе

σ 1 = σ 3 + Δ σ

в трехосном тест σ 1 главный главный стресс и σ 3 - испытание на несколько малых нагрузок на аналогичных образцах можно проводить, варьируя ограничивающее давление, при этом основные и второстепенные основные напряжения при отказе для каждой оболочки можно получить следующее соотношение показывает рис.(6) и рис. (7)

Рис. (6): Круг Мора

Номер теста (1) (2) (3)

σ 3

′ Σ 3

3

′ "Σ 3

Δ σ

Δ′σ

Δ "σ

Δ ′ "σ

σ 1 ′ Σ 1 1 ′ "Σ 1

Рис. (7): Таблица результатов

Как показано на рис. (6) план уклонения от отказа Θ с основным Принципиальный самолет.

Θ = 45 +

Где:

φ: угол внутреннее трение

И прочность на сдвиг уравнение можно записать как

S = C + σ тангенс φ

Пример :

Трехосный Был проведен тест на сжатие, и результаты были следующими.Определить сдвиг прочностные параметры грунта.

300 200 100

Cell Pressure (Давление в ячейке) σ 3 кН / м 2

280 205 130

Девиатор Напряжение при отказе Δ σ

Решение :

300 200 100 σ 3 кН / м 2
280 205 130 Δ σ кН / м 2
580 405 230 σ 1 знак равно σ 3 + Δ σ

Рис. (8): Из кривой мы можем измерить C и Q

3. Испытание на неограниченное сжатие :

Этот особый тип теста использованный для образца глины, как показано на рис. (9), где φ = 0 в этом испытании сдерживающее давление σ 3 равен нулю, быстро прикладывается осевая нагрузка, вызывающая отказ, при отказе незначительная основное напряжение σ 3 = 0 и главное главное напряжение σ 1 , соотношение между напряжениями, сдвигом и нормалью, как показано на рис.(10). Таким образом, неограниченная когезионная сила равна (Cu).

Рис. (9): Неограниченное сжатие Тест

Cu = = = τ

Где:

σ 1 = незначительное напряжение, называемое неограниченным напряжением q u

Фиг.(10): подчеркивает соотношения для испытание на неограниченное сжатие.

Что такое внутреннее трение? - Определение, угол и коэффициент

Угол и коэффициент

Коэффициент м называется внутренним коэффициентом трения . Значение этого коэффициента зависит от типа материалов и их частиц. Например, коэффициент трения стали больше, чем коэффициент трения дерева.А коэффициент трения глинистой массы грунта обычно меньше, чем коэффициент трения гравийной массы грунта. Фактически, частицы глинистой почвы могут противостоять меньшему количеству напряжения сдвига, и их частицы будут легче скользить друг по другу по сравнению с частицами гравийной почвы.

Теперь, когда мы определили внутреннюю силу трения и коэффициент трения, давайте поговорим об угле трения . Возвращаясь к примеру сплошного блока (см. Рисунок), мы видим, что существует угол наклона, на котором эти два блока сидят и действуют друг на друга (угол E ).

Очевидно, что чем круче угол наклона, тем легче верхнему блоку будет скользить и двигаться вниз по склону. Это в точности то же самое, что и частицы твердого материала, например, почвенной массы. Чтобы лучше понять концепцию угла трения, давайте рассмотрим два разных типа грунта (гравий и глинистый грунт), которые будут откладываться на земле. Как и следовало ожидать, гравийный грунт имеет более крутой угол естественного откоса, чем другой тип грунта. Фактически, угол трения гравийного грунта больше, чем угол трения другого грунта.

Краткое содержание урока

Сила внутреннего трения - это сила, которая выдерживает движение между частицами твердого материала, подверженного деформации из-за внешних сил или изменений температуры. Коэффициент трения - это коэффициент отношения между нормальными силами и силами трения, действующими между внутренними частицами твердого материала. И, наконец, внутренний угол трения - это угол естественного откоса внутренних частиц материала, который необходим для удержания частиц на месте относительно друг друга.

Экспериментальное исследование основных физических параметров, контролирующих прочность ненасыщенного лесса на сдвиг

Особенно важно изучить прочность ненасыщенного лесса, и ее точное определение имеет решающее значение для анализа устойчивости откосов грунта и фундамента и расчета давления грунта. Для выявления механизма управления физическими параметрами прочности ненасыщенного лёсса на сдвиг в качестве объекта исследования были использованы интактный и переформованный лёсс; в качестве контраста использовались песчаный ил, кварцевая мука и кварцевый песок; Были проведены систематические испытания на прямой сдвиг ненасыщенного лёсса, песчаного ила и кварцевого песка при различных условиях водности, сухой плотности и глинистости.Результаты показывают, что когезия, угол внутреннего трения и прочность на сдвиг ненасыщенного лесса кусочно функционально уменьшаются с увеличением содержания воды, его прочность на сдвиг линейно возрастает с увеличением плотности в сухом состоянии, а угол внутреннего трения демонстрирует зависимость квадратичной функции, направленную вверх. с увеличением глинистости. Результаты по закону сравнения песчаного ила, кварцевой муки и кварцевого песка с лёссом с учетом содержания воды и плотности в сухом состоянии одинаковы; поэтому уравнение прочности на сдвиг ненасыщенного лёсса предлагается для практических инженерных справок, и с помощью анализа первой производной уравнения можно определить контрольную долю трех параметров прочности на сдвиг ненасыщенного лёсса.Наблюдается ступенчатая разница между тремя контрольными пропорциями в зависимости от сочетания вариаций содержания воды и содержания глины.

1. Введение

Лесс - это отложения, образовавшиеся в четвертичный период. Китай - страна с наиболее совершенным лессовым топографическим развитием, самым обширным распространением и самой большой площадью в мире. В процессе отложения лёсса геологический агент, генеративная среда и материальный источник являются уникальными факторами, которые формируют очевидные структурные характеристики лёсса с множеством пор и слабой цементацией [1, 2].Плато Лесс является отправной точкой строительства экономического пояса Шелкового пути Китая. Между тем, при всестороннем развитии урбанизации возникнут различные инженерные проблемы. Уровень подземных вод в этих районах относительно высок, и большая часть лёсса находится в ненасыщенном состоянии. Поэтому особенно важно изучить прочность ненасыщенного лесса, и ее точное определение имеет решающее значение для анализа устойчивости откосов грунта и фундамента и расчета давления грунта [3].

В последние годы многие ученые провели некоторые исследования прочности на сдвиг насыщенного лесса, основанные на различных подходах и методах, и достигли результатов поэтапных исследований, которые применялись в определенном диапазоне. Dang et al. [4] изучили корреляцию между сцеплением и прочностью на сдвиг ненасыщенного лёсса и всасыванием матрицы и дали формулу для расчета критического всасывания матрицы; Ли и др. [5] изучили правила изменения матрицы всасывания, сцепления и угла внутреннего трения при разном содержании воды и предложили модель прочности на сдвиг ненасыщенного лёсса; Fredlundet al.[6, 7] изучали взаимосвязь между присасыванием массива грунта и его прочностью на сдвиг; Юань и др. [8], Hu et al. [9], Kayadelen et al. [10], Pujiastut et al. [11], а также Lin et al. [12] провели испытания на основе недавно разработанного устройства прямого сдвига для ненасыщенного грунта и получили правила изменения силы всасывания матрицы и прочности на сдвиг ненасыщенного лёсса. Однако измерение и расчет всасывания матрицы сложны и труднодоступны [13]. В практической инженерии очень легко определить содержание воды или значение насыщенности.Zhang et al. [14] изучали закон изменения прочности ненасыщенного грунта в зависимости от содержания воды путем замены всасывания содержанием влаги; Ли и Мяо [15] изучали взаимосвязь между напряжением прочности на сдвиг и деформацией лёсса при разном возрасте отложения и разном содержании воды с помощью лабораторных и полевых испытаний. Sun et al. [16] предположили, что различия в прочности грунта на сдвиг включают неоднородные различия в других физических параметрах, таких как содержание воды, плотность и градация.

Кроме того, ученые в Китае и за рубежом провели большое количество исследований прочности лесса на сдвиг.Методы исследования - это, в основном, испытание на прямой сдвиг в помещении и трехосное испытание. Объектами исследования являются, в основном, интактный лёсс и восстановленный лёсс [17–25], лигнин [26], лёсс улучшенный известью [27]. Условиями исследования являются сухой-влажный цикл [28] и цикл замораживания-оттаивания [29], которые обогащают результаты исследований прочности лесса на сдвиг.

Судя по результатам текущих исследований, редко удается всесторонне изучить влияние различных физических параметров на сопротивление сдвигу ненасыщенного лесса.Исходя из этого, автор намеревается изучить эту проблему с простой и фундаментальной точки зрения, то есть, исходя из идеи «наука выступает за простоту» [30], вместо того, чтобы рассматривать то, как внутренние силы делят общую прочность на сдвиг, рассматривая только контроль влияния параметров физических свойств грунта на сопротивление сдвигу; Следовательно, необходимо проанализировать факторы контроля и механизм контроля прочности на сдвиг ненасыщенного лёсса.

Обобщены три управляющих физических параметра прочности ненасыщенного лёсса на сдвиг, а именно: содержание воды, плотность в сухом состоянии и содержание глины.В данной работе в качестве объекта исследования взят ненасыщенный лёсс, в том числе неповрежденный лёсс и повторно отформованный лёсс, а в качестве сравнительного теста - песчаный ил, кварцевая мука и кварцевый песок; то есть, закон управления тремя параметрами прочности на сдвиг ненасыщенного лесса анализируется с помощью метода управляющих переменных и определяется пропорция управления для каждого параметра.

2. Лабораторные исследования и данные испытаний
2.1. Схема испытаний

В лабораторных испытаниях используются образцы Q 3 лесса и песчаного ила шестой террасы реки Хуанхэ на платформе Цзючжоу в Ланьчжоу, Китай.Место отбора проб и стратиграфическое распределение показаны на Рисунке 1, слои почвы сверху вниз: Q 3 лёсс, песчаный ил, песок и галечный слой, глубина отбора проб Q 3 лёсс 6 м, Глубина отбора песчаного ила - 8 м. Для проведения сравнительного исследования характеристик лёсса были выбраны песчано-ил и кварцевая мука 400 меш с аналогичным гранулометрическим составом. Для изучения факторов, влияющих на содержание глины, в качестве материала для смешивания глины была выбрана кварцевая мука размером 2500 меш, а для проведения соответствующего испытания для изучения влияния размера частиц на прочность на сдвиг был выбран кварцевый песок 40–70 меш.Кварцевый песок (мука) использует месторождение кварцевой руды в качестве сырья посредством механического дробления, прокатки, промывки, просеивания, сушки, сортировки по вибрации и других процедур, в результате чего образуется кварцевый песок (мука) с различным числом ячеек. Материалы для сравнительных испытаний показаны на рисунке 2, а основные физические свойства грунта для испытаний показаны в таблице 1.



Тип грунта Удельный вес Предел жидкости ( %) Предел пластичности (%) Индекс пластичности

Лесс 2.72 24,5 14,6 9,9
Песчаный ил 2,69 - - -
Кварцевая мука 2,65 - - -

Лазерный анализатор размера частиц Master400 использовался для анализа размера частиц исследуемых образцов почвы. Результаты испытаний показаны на рисунке 3. Можно видеть, что гранулометрический состав лесса Q 3 находится между песчаным илом и кварцевой мукой 400 меш, и три гранулометрических состава относительно близки.Кварцевая мука размером 2500 меш в основном состоит из частиц глины, а кварцевый песок размером 40–70 меш состоит в основном из частиц песка, что соответствует требованиям сравнительного испытания.


Для анализа факторов управления и механизма управления, которые влияют на прочность на сдвиг ненасыщенного лёсса, было использовано четырехзвенное устройство прямого сдвига с регулируемой деформацией для получения данных об угле внутреннего трения образцов и сплоченность при различных физических параметрах.

Процесс подготовки образца следующий: неповрежденный образец лесса вырезается и имплантируется в врезное кольцо, а необходимое для испытания содержание воды контролируется смачиванием или сушкой. После повторной формовки лёсса образцы песчаного ила и кварцевого порошка были смешаны с определенным содержанием воды; они утрамбовывались в образцы в врезном кольце и доводились до необходимого содержания воды путем смачивания и сушки. Кварцевый песок 40–70 меш забивался непосредственно в образцы в приборном ящике.Процесс испытания показан на рисунке 4.

В испытании был использован метод быстрого сдвига, испытание на прямой сдвиг в соответствии со «стандартом для геотехнического метода испытаний, GBT 50123–2019» [31], со скоростью сдвига 1,2. мм / мин, а в каждой группе по четыре образца. Все образцы почвы будут вырезаны через 3-5 минут, а вертикальное давление составило 100 кПа, 200 кПа, 300 кПа и 400 кПа соответственно. Если во время испытания стрелка на динамометре не движется вперед или наблюдается явный откат назад, это означает, что образец вырезан; он прекращается, когда деформация сдвига достигает 4 мм, но если стрелка датчика продолжает увеличиваться после того, как смещение сдвига достигает 4 мм, деформация сдвига должна достичь максимального значения сдвига инструмента, равного 6 мм.Во время категоризации данных испытаний в соответствии с критерием Мора-Кулона пиковая прочность образца при каждой стадии давления берется из точки пика на кривой напряжения-деформации. Если на построенной кривой «напряжение-деформация» нет явной точки пика, то значение прочности, соответствующее сдвиговому смещению 4–6 мм, принимается в соответствии с фактическими данными испытаний.

2.1.1. Путем установки разного содержания воды

Мы использовали неповрежденный лёсс и повторно формованный лёсс в испытании на прямой сдвиг.В ходе испытания сухая плотность контролировалась на одном и том же значении, сухая плотность неповрежденного лёса была почти одинаковой, а содержание воды в образцах почвы контролировалось на уровне 0%, 5,8%, 10%, 15%, 20%. , 25% и 35%. Во время испытания, когда стрелка датчика на динамометре не движется вперед или наблюдается явный поворот назад, это указывает на то, что образец почвы вырезан. В таблице 2 показаны физические параметры и результаты испытаний на прямой сдвиг неповрежденного и повторно отформованного лёсса при различных условиях содержания воды.

900

Содержание воды (%) Плотность (г / см 3 ) Плотность в сухом состоянии (г / см 3 ) Коэффициент пустот Угол внутреннего трения ( °) Сцепление (кПа)

Неповрежденный лёсс
0 1,29 1,29 1,11 35,95 30,60
5.8 1,35 1,27 1,14 29,31 25,20
10 1,4 1,27 1,14 26,24 21,92
15 1,472 1,28 24,81 18,70
20 1,557 1,28 1,125 22,60 16,90
25 1.642 1,28 1,125 19,42 13,80
35 1,728 1,28 1,125 18,83 13,00

Удаленный лесс 1,29 1,29 - 32,2 23,05
5,8 1,35 1,27 - 25,8 20.15
10 1,4 1,27 - 22,97 17,6
15 1,472 1,28 - 20,89 15,12
20 1,557 1,28 - 19,62 12,89
25 1,642 1,28 - 16.80 11,64
35 1.728 1,28 - 15,77 10,95

2.1.2. Путем установки различной сухой плотности

Мы подготовили повторно формованные образцы Q 3 лёсса и песчаного ила с разной сухой плотностью, песчаный ил был использован для сравнительного испытания, содержание воды установлено на 0% и 10%, и такое же прямое были проведены испытания на сдвиг, как указано выше. Физические параметры и результаты испытаний на прямой сдвиг переформованного лесса и песчаного ила показаны в таблице 3.


Содержание воды (%) Плотность в сухом состоянии (г / см 3 ) Плотность (г / см 3 ) Степень уплотнения Угол внутреннего трения ( °) Сцепление (кПа)

Восстановленный лёсс
0 1,28 1,28 - 32,2 23,05
0 1.37 1,37 - 35,1 27,3
0 1,43 1,43 - 36,2 29,1
0 1,51 1,51 - 37,4 30,7
10 1,28 1,4 - 22,97 17,6
10 1,37 1,5 - 24.55 19,8
10 1,43 1,57 - 25,3 20,7
10 1,51 1,66 - 26 21,6

Песчаный ил
0 1,638 1,638 90% 28,8 7,5
0 1,69 1.69 93% 33,5 9,3
0 1,75 1,75 96% 36 11,2
0 1,82 1,82 100% 39,2 12,4
10 1,638 1,8 90% 22,6 3,8
10 1,69 1,859 93% 27.2 5,3
10 1,75 1,925 96% 29,8 6,47
10 1,82 2 100% 32,74 7,45

2.1.3. Путем установки разного содержания глины

В эксперименте мы добавляли глины в количестве 3%, 5%, 10%, 20%, 25%, 30% и 40% от общей массы отдельно в песчаный ил. и соответствующее компенсирующее количество кварцевой муки размером 2500 меш было также добавлено, чтобы обеспечить постоянство плотности в сухом состоянии для однородно смешанных образцов почвы с содержанием глины, с целью устранения влияния плотности в сухом состоянии на прочность почвы на сдвиг.И были проведены те же испытания на прямой сдвиг, о которых говорилось выше. Параметры основных физических свойств и результаты испытаний на прямой сдвиг испытанных образцов грунта показаны в таблице 4.


Содержание глины (%) Плотность в сухом состоянии (г / см 3 ) Соотношение пустот Угол внутреннего трения (°) Сцепление (кПа)

3 1.8 0,494 32,30 3,80
5 1,8 0,494 31,68 3,75
10 1,8 0,494 29,45 3,50
20 1,8 0,494 28,18 3,40
25 1,8 0,494 27,44 0,60
30 1.8 0,494 28,34 4,75
40 1,8 0,494 34,20 7,85

2.1.4. Сравнительные эксперименты с кварцевым песком и кварцевой мукой

Чтобы доказать результаты ненасыщенного лесса Q 3 и песчаного ила, мы применили несколько испытаний на прямой сдвиг кварцевого песка 40–70 и кварцевой муки 400 меш, чтобы сделать контраст.Физические параметры и результаты испытаний на прямой сдвиг показаны в Таблице 5.


Содержание воды (%) Угол внутреннего трения (°) Плотность в сухом состоянии (г / см 3 ) Угол внутреннего трения (°)

Кварцевый песок 40–70 меш
0 37,45 1,4 35,87
5 34.98 1,5 37,45
10 33,38 1,6 40,58
15 31,2 - -
20 30,1 - -

Кварцевая мука 400 меш
0 39,83 1,4 38,11
5 38,73 1.5 39,83
10 37,56 1,6 42,09
15 36,72 - -
20 35,98 - -

3. Результаты анализа и обсуждение
3.1. Влияние содержания воды на прочность на сдвиг ненасыщенного лесса

На рисунках 5 и 6 показана взаимосвязь между содержанием воды и углом внутреннего трения, содержанием воды и когезией, содержанием воды и прочностью на сдвиг неповрежденного лесса и повторно формованного лесса.



Из рисунка 5 видно, что с увеличением содержания воды в неповрежденном лёссе и повторно формованном лёссе угол внутреннего трения постепенно уменьшается, угол внутреннего трения у формованного лёсса с таким же содержанием воды меньше. чем у нетронутого лёсса, и с увеличением содержания воды угол внутреннего трения у восстановленного лёсса и у неповрежденного лёсса имеет ту же тенденцию к уменьшению; то есть изменения тенденции двух кривых аналогичны, и угол внутреннего трения быстро уменьшается, когда содержание воды меньше 10%, и медленно уменьшается, когда содержание воды больше или равно 10%; кроме того, угол внутреннего трения двухфазного двигателя имеет линейное уменьшение.Причина в том, что увеличение содержания воды увеличивает проточную воду в образце почвы; способствует скольжению и снижает силу трения и механическую силу сцепления между частицами почвы; когда содержание воды увеличивается, скорость ее восстановления замедляется. С увеличением содержания воды угол внутреннего трения двух видов лессовых образцов также имеет тенденцию к уменьшению; когда содержание воды увеличивается более чем на 10%, скорость ее уменьшения замедляется. С увеличением содержания воды угол внутреннего трения и сцепление грунта постепенно уменьшаются, поэтому его прочность на сдвиг также постепенно уменьшается с увеличением содержания воды.Из-за особой чувствительности лёсса к воде, из рисунков 5 и 6 видно, что при одинаковом содержании воды и плотности в сухом состоянии прочность на сдвиг повторно отформованного лёсса меньше, чем у неповрежденного лёсса; Так как неповрежденный лёсс имеет более высокие структурные свойства, его устойчивость к внешним силовым повреждениям выше, в то время как структура восстановленного лёсса относительно рыхлая, поэтому прочность на сдвиг интактного лёсса выше, чем у восстановленного лёсса [18].

По результатам испытаний была рассчитана прочность на сдвиг двух видов лёсса при каждом содержании воды, когда нормальное напряжение составляет 100 кПа, мы рассчитали зависимость между содержанием воды и прочностью на сдвиг с использованием метода наименьших квадратов, и их Количественное соотношение показано на рисунке 6.Таким образом, мы можем разделить изменение прочности лёсса на сдвиг с увеличением содержания воды на две стадии: сначала она уменьшается по линейной функции, а затем уменьшается по степенной функции, а скорость сдвига уменьшается при увеличении содержания воды. контент тормозит. В соответствии с подходящей зависимостью между прочностью на сдвиг и содержанием воды на Рисунке 6 может быть дана следующая формула:

Здесь,,,, и - параметры испытания.

Уравнения (1) и (2) используются для выражения прочности на сдвиг ненасыщенного лёсса в зависимости от содержания воды.

3.2. Влияние плотности в сухом состоянии на прочность ненасыщенного лесса на сдвиг

Степень уплотнения почвы в основном оценивается по коэффициенту пустотности, в то время как коэффициент пористости почвы зависит только от плотности в сухом состоянии, а степень уплотнения почвы тесно связана с коэффициентом пустотности. прочность на сдвиг. Поэтому для изучения прочности грунта на сдвиг необходимо изучить влияние на него плотности в сухом состоянии. На рисунке 7 (a) показана кривая изменения угла сухого трения плотности повторно сформированного лёсса и песчаного ила, а на рисунке 7 (b) показана кривая изменения плотности сухого сцепления повторно сформированного лёсса и песчаного ила.

Согласно 8 кривым на рисунках 7 (a) и 7 (b), когда содержание воды является постоянным значением, угол внутреннего трения и сцепление повторно отформованного лёсса линейно возрастают с увеличением плотности в сухом состоянии, что также указывает на то, что влияние плотности в сухом состоянии на прочность на сдвиг не зависит от содержания воды. Угол внутреннего трения и сцепление повторно отформованного лесса с содержанием воды 10% меньше, чем у высушенного повторно отформованного лесса, что согласуется с результатами предыдущих испытаний на содержание воды.Песчаный ил - это то же самое, что и восстановленный лёсс; при изменении содержания воды угол внутреннего трения и сцепление увеличиваются с увеличением плотности в сухом состоянии. Однако сцепление песчаного ила очень мало, поэтому величина его изменения очень мала, и угол внутреннего трения явно изменяется. При нормальном напряжении 100 кПа была рассчитана зависимость между прочностью на сдвиг и плотностью в сухом состоянии, как показано на рисунке 8.


Из рисунка 8 видно, что с увеличением плотности в сухом состоянии прочность грунта на сдвиг увеличивается. увеличивается линейно.Сравнивая с результатами испытаний песчаного ила, мы можем выяснить, чем выше степень уплотнения почвы, тем меньше доля пустот в почве; частицы почвы расположены ближе, и степень поглощения частиц лучше, чем увеличивается сопротивление поверхностному трению между частицами почвы, поэтому сопротивление, преодолеваемое силой разрушения при сдвиге, в то же время больше, что проявляется в большем угле внутреннего трения. Для ненасыщенного лёсса, когда сухая плотность почвы выше, дисперсия будет ниже, а гидрофильные свойства почвы относительно слабые.Поскольку поверхность частиц почвы окружена гидратированной пленкой, уменьшение количества воды уменьшает толщину гидратированной пленки, что увеличивает сцепление. Следовательно, два вышеупомянутых аспекта работают вместе для увеличения плотности в сухом состоянии, а прочность на сдвиг ненасыщенного лёсса выше.

Как видно из рисунка 8, линейная зависимость между прочностью на сдвиг и плотностью в сухом состоянии может быть выражена следующим уравнением:

Здесь и - параметры испытания.

3.3. Влияние содержания глины на сопротивление сдвигу ненасыщенного грунта

Для несвязного грунта его прочность на сдвиг в основном зависит от угла внутреннего трения. Угол внутреннего трения зависит не только от степени диспергирования, но и от формы, размера частиц и содержания глины в почве. В этой части в основном изучается влияние разного содержания глины на прочность песчаного ила на сдвиг; По результатам испытаний проанализированы возможные причины влияния содержания глины на прочность на сдвиг.

Взаимосвязь между содержанием глины и углом внутреннего трения показана на Рисунке 9. Из Рисунка 9 видно, что угол внутреннего трения постепенно уменьшается с увеличением содержания глины вначале и становится минимальным, когда глина содержание достигает примерно 24%, а затем постепенно увеличивается с увеличением содержания глины.


Из анализа видно, что при содержании глины менее 24%, поскольку поверхность кварцевой муки размером 2500 меш очень гладкая, кварцевая мука, заполненная в середине частиц почвы, будет действовать как шар, в то время как почва измельчается, благодаря чему частицы почвы относительно легко скользят.С увеличением содержания глины тенденция скольжения становится все более очевидной, поэтому угол внутреннего трения грунта постепенно уменьшается, и когда содержание глины равно 24%, угол внутреннего трения достигает минимума, а затем внутреннее трение Угол постепенно увеличивается с увеличением глинистости. Автор считает, что с постоянным увеличением количества частиц глины, она будет постепенно заполняться между крупными частицами, и частицы кварцевой муки постепенно станут играть роль частиц глины.При постоянном увеличении количества частиц глины физические и химические свойства поверхности глины улучшаются, флокуляция очевидна, а угол внутреннего трения будет постепенно увеличиваться и увеличиваться быстрее. В соответствии с соотношением между углом внутреннего трения и содержанием глины на Рисунке 9 может быть дано следующее уравнение:

Здесь уравнение (4) представляет собой уравнение прочности грунта на сдвиг, выраженное содержанием глины, где, и - испытание. параметры и (%) - содержание глины.

3.4. Сравнение прямого испытания на сдвиг с кварцевым песком и кварцевой мукой

Структура лёсса в природе очень сложна. Поэтому, если мы хотим изучить влияние определенного фактора на прочность грунта на сдвиг, результаты испытаний могут быть неточными. Поэтому автор хотел бы провести несколько испытаний кварцевого песка и кварцевой муки, чтобы подтвердить результаты предыдущих испытаний и изучить взаимосвязь прочности на сдвиг для грунтов с различным размером частиц; Характеристики кварцевого песка и кварцевой муки заключаются в том, что их градация, форма частиц и распределение очень однородны, поэтому последовательность обработки данных испытаний очень высока, что имеет определенное эталонное значение для изучения почвы в природе.

Результаты экспериментов показывают, что, когда плотность в сухом состоянии является постоянной величиной, угол внутреннего трения кварцевого песка и кварцевой муки уменьшается с увеличением содержания воды, и оба они показывают линейную тенденцию (соответствие степенной функции также больше последовательный). Напротив, когда содержание воды является постоянным значением, угол внутреннего трения кварцевого песка и кварцевой муки увеличивается с увеличением сухой плотности, и оба они показывают линейную тенденцию. При нормальном напряжении 100 кПа линейное уравнение, описывающее содержание воды и сопротивление сдвигу кварцевого песка и кварцевой муки, и линейное уравнение, соответствующее плотности в сухом состоянии и прочности на сдвиг, показаны на Рисунке 10 (a) и Рисунке 10 (b). индекс совпадения подгонки очень высок, что тесно связано со стандартной структурой кварцевого песка и кварцевой муки, и показания более точны из-за однородности текстуры во время испытания.Экспериментальные результаты по содержанию воды и сухой плотности кварцевого песка и кварцевой муки согласуются с результатами для лёсса и песчаного ила.

Из-за стандартизации кварцевого песка и кварцевой муки полученные образцы почвы могут быть почти одинаковыми, и другие неопределенные факторы могут быть исключены, поэтому ошибка невелика; следовательно, прочность на сдвиг грунтов с различным размером частиц грунта может быть проанализирована с использованием результатов испытаний на прямой сдвиг для двух разных размеров частиц кварцевого песка и кварцевой муки.Из результатов испытаний мы можем выяснить, что угол внутреннего трения кварцевой муки размером 400 меш больше, чем у кварцевого песка 40–70 меш при том же содержании воды и плотности в сухом состоянии. По результатам анализа мы можем выяснить, что размер частиц кварцевой муки 400 меш меньше, комбинация между частицами более близка при одинаковой сухой плотности, а эффективная площадь контакта между частицами больше, поэтому чем больше сопротивление трения, тем выше соответствующая прочность на сдвиг в процессе разрушения при сдвиге и сопротивления внешней силе.Автор считает, что этот вывод применим и к лёссам в природе.

3.5. Количественный анализ механизма контроля прочности на сдвиг

Что касается прочности на сдвиг ненасыщенного грунта, влияющие факторы не просто один или два, а определяются комплексными факторами в процессе образования грунта. Как и все, что было разработано, несколько факторов в этой статье играют определяющую роль в факторах, влияющих на прочность почвы на сдвиг. Путем сравнения и анализа результатов испытаний песчаного ила, кварцевого песка и кварцевой муки можно предложить следующую формулу прочности на сдвиг, содержащую вышеуказанные элементы управления, для влияния содержания воды, плотности в сухом состоянии и содержания глины на прочность на сдвиг ненасыщенных лесс.

Чтобы сравнить степень влияния трех доминирующих факторов прочности на сдвиг на сопротивление сдвигу, скорость изменения трех функций может быть рассчитана путем вывода, а затем степень влияния трех функций на ненасыщенный лёсс может быть проанализирована качественно. .

Для содержания воды уравнения (1) и (2) выводятся следующим образом:

Для плотности в сухом состоянии выводится уравнение (3):

Для содержания глины выполняется разложение в ряд Тейлора уравнения (4). первый для удобства сравнения:

Для сравнения взяты только первые два элемента:

Вывод выглядит следующим образом:

Потому что,

Итак, и сравниваются для определения степени контроля или влияния содержания воды, сухая плотность и глинистость ненасыщенного лёсса.

В соответствии с приведенными выше результатами испытаний и расчетом коэффициента по формуле подгонки можно сделать вывод, что при содержании воды менее 27% содержание глины более 12% и менее 28% изменение воды содержание имеет наибольшее влияние на прочность на сдвиг, плотность в сухом состоянии занимает второе место, а влияние содержания глины наименьшее. Когда содержание воды меньше 27%, содержание глины меньше 12% или больше 28%, влияние плотности в сухом состоянии меньше всего, а разница влияния между содержанием воды и содержанием глины незначительна.Когда содержание воды больше 27% и содержание глины больше 12% и меньше 28%, плотность в сухом состоянии оказывает наибольшее влияние на прочность на сдвиг, а влияние содержания воды мало отличается от содержания глины.

Таким образом, пропорции этих трех основных факторов управления связаны с содержанием физических параметров лёсса. При низком содержании воды изменение содержания воды оказывает наибольшее влияние на сопротивление сдвигу ненасыщенного лесса, что связано с его особой чувствительностью к воде.Изменение плотности в сухом состоянии из-за высокого содержания воды оказывает наибольшее влияние на сопротивление сдвигу ненасыщенного лесса. Это показывает, что влияние каждого фактора имеет характеристики этапов.

4. Заключение

(1) При рассмотрении механизма управления физическими параметрами ненасыщенного лесса на его прочность на сдвиг были выбраны три основных фактора, а именно: содержание воды, плотность в сухом состоянии и содержание глины. Путем экспериментального исследования мы выяснили, что указанные выше три параметра имеют существенное влияние на прочность на сдвиг ненасыщенного лесса, а изменение прочности на сдвиг с увеличением одного фактора существенно отличается.(2) Установлена ​​взаимосвязь между лёссом прочности на сдвиг и содержанием воды, плотностью в сухом состоянии и содержанием глины в ненасыщенном лёссе, и дано уравнение аппроксимации. Результаты показывают, что зависимость между прочностью на сдвиг и содержанием воды является нелинейным уменьшением, которое может быть охарактеризовано кусочной функцией; соотношение между прочностью на сдвиг и сухой плотностью увеличивается линейно. В эксперименте по контролю за изменением содержания глины изучалось только влияние угла внутреннего трения, и его связь с содержанием глины можно было охарактеризовать квадратичной функцией с раскрытием вверх.(3) Экспериментальные результаты по содержанию воды и сухой плотности песчаного ила, кварцевого песка и кварцевой муки согласуются с результатами для лёсса. Следовательно, уравнение прочности на сдвиг ненасыщенного лесса с учетом вышеуказанных факторов управления может быть использовано в качестве справочного материала для практического проектирования. (4) Механизм управления и соотношение трех параметров анализируются единым образом, а метод анализа производных значений Уравнение прочности на сдвиг, предложенное в этой статье, выполнимо. Контрольная пропорция трех параметров прочности на сдвиг ненасыщенного лесса имеет разные стадии; то есть пропорция каждого параметра варьируется в зависимости от содержания воды и глины.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Это исследование финансировалось проектами программы Seismological Science and Technology Spark Program, CEA (№ Xh28049SX), Института прогнозирования землетрясений, Управление землетрясений Китая (№№.2017IESLZ06 и 2019IESLZ04) и Национальный фонд естественных наук Китая (номера 51779234 и 51778275).

Основные факторы, влияющие на механические характеристики почвы в условиях гравитационной эрозии в засушливой жаркой долине реки Цзиньша

Район засушливой и жаркой долины считается одной из самых экологически чувствительных зон в Китае, проблема эрозии почвы имеет решающее значение в региональной экологической среде, механические свойства почвы являются одним из основных факторов, ограничивающих возникновение эрозии, и им придается решающее значение при установлении характеристик и основных факторов механики почвы, а также способов предотвращения и контроля эрозии почвы в засушливых районах. красная почва область засушливой жаркой долины.Посредством наблюдения за расположением поля и непосредственными рассечками были установлены механические характеристики почвы и основные факторы, влияющие на массовую эрозионную среду в бассейне. Результат показывает: (1) Влагосодержание почвы, сцепление и угол внутреннего трения, очевидно, коррелируют друг с другом, подчиняясь степенной функции, соотношение между сцеплением почвы, углом внутреннего трения и объемным содержанием влаги выглядит следующим образом:

(2) Грунты с большим радиусом пор различаются по количеству и распределению, очевидно, в зависимости от структуры и степени разрушения ( P <0.05). Агрегация грунта также значительно различалась (P <0,05): с увеличением интенсивности разрушения конструкции прочность грунта на сдвиг уменьшалась, а вероятность повреждения увеличивалась по мере увеличения внешней нагрузки. (3) Распад почвы может быть эффективно замедлен, а способность почвы к распаду может быть усилена корневой системой. Влияние корневой системы растений на прочность почвы на сдвиг уменьшалось по мере того, как почва становилась глубже, более чем на определенную глубину можно не принимать во внимание; Влияние корневой системы растений на мелкомасштабную гравитационную эрозию было особенно очевидным, тогда как влияние крупномасштабной массовой эрозии было сравнительно небольшим.Способность корней растений оптимизировать устойчивость почвы проявлялась в основном благодаря корням короче 2 мм, эффективные волокнистые корни в почве Leucaena Benth и Dodonaea angustifolia были сравнительно небольшими, а корень травянистых растений был невысоким. сравнительно большой.

1 Введение

Эрозия почвы относится к процессу разрушения, обнажения, переноса и отложения почвы и ее основного материала под действием гидравлических сил, ветра, морозного таяния или гравитации [1, 2].Эрозия почвы должна привести к потерям почвы и воды, представляя серьезную угрозу для окружающей среды и вызывая беспокойство общественности в настоящее время [3, 4, 5]. Район засушливой и жаркой долины считается одной из самых экологически чувствительных зон Китая. Он характеризуется высокой температурой, большим испарением, ясными, сухими и влажными условиями и т. Д. Следовательно, поверхностная растительность в этой области почти не растет. Эрозия почв лежит в основе построения экологической среды региона [6, 7]. В настоящее время исследования эрозии почв в засушливой жаркой долине в первую очередь интересуют механизм эрозии почв и влияние эрозии почв на окружающую среду [7, 8, 9].Исследования эрозии почв в засушливой жаркой долине в первую очередь сосредоточены на овражной эрозии и механизме массовой эрозии [2, 7, 8,10, 11, 12, 13], и были предварительно проанализированы овражная эрозия и массовая эрозия; Что касается воздействия на окружающую среду, оказываемого эрозией почвы, акцент смещается с воздействия, оказываемого качеством почвы и продуктивностью почвы, на механический механизм массовой эрозии почвы [9, 14, 15]. Механические свойства почвы в первую очередь ограничивают гравитационную эрозию [16, 17].В настоящее время исследования механических свойств грунта в отношении эрозии почвы в основном проводились путем анатомирования прочности на сдвиг. Прочность грунта на сдвиг воспринимается как первичный показатель механических свойств грунта, прямо указывающий на степень сложности деформирования грунта под действием внешней силы. Дополнительно величина значения определяет степень эрозии [18].

При определении прочности грунта на сдвиг в первую очередь уделяется внимание методу определения прочности грунта на сдвиг, регулярности распределения и факторам влияния.Как показывают исследования, прочность на сдвиг ненарушенного грунта и нарушенного повторно сформированного грунта в разных лесных почвах, очевидно, различается при испытании на прямой сдвиг [19]. Ненарушенная почва на Лессовом плато и прочность на сдвиг уплотненного лёсса были определены Цзян [20] с макроскопической точки зрения, подчеркнув, что это изменение уровня. Как показано, сцепление почвы прогрессивно возрастало с севера на юг, угол внутреннего трения с севера на юг постепенно уменьшал тенденцию к продольному изменению закона, и с увеличением глубины почвы, по мере увеличения объемной плотности почвы, также была оптимизирована прочность на сдвиг.Исследования о факторах воздействия включали потерю насыпной плотности почвы, песка / глины / порошка, содержания влаги, содержания органических веществ, кислотности и индекса физических и химических факторов почвы, которые были указаны в основных факторах прочности на сдвиг. и почва в процессе [18, 21]. Степень кислотности и щелочности влияла на активность почвенных микроорганизмов, повышение содержания гуминовой кислоты в почве и сопротивление почвы сдвигу [22, 23, 24]. Кроме того, влияние корней растений на прочность почвы на сдвиг также было заметным, включая биомассу корня растений, морфологию корня, длину корня, плотность поверхности корня и т. Д.Механические свойства корневого почвенного комплекса оптимизируются корнями растений за счет закрепления, усиления и оптимизации физических свойств почвы [25, 26, 27, 28, 29]. Хотя в соответствующих исследованиях были достигнуты некоторые успехи, интенсивные исследования редко проводились в районах засушливых и жарких долин, в первую очередь в климатических районах, включая Лессовое плато и субтропические леса [19, 27, 29, 30].

Гравитационная эрозия склона оврага серьезно разрушается в сухой и жаркой долине Юаньмоу, особенно из-за обвала воды и тепла, что привело к большой степени эрозии почвы.Эрозия и обрушение оврага являются основным источником наносов в верховьях реки Янцзы [2, 16, 31]. Таким образом, это исследование, в соответствии с характеристиками среды эрозии области эрозии массивов сухой жаркой долины в Юаньмоу в бассейне реки Цзиньша, устанавливает основной фактор влияния механики и характеристик почвы, чтобы обеспечить определенную теоретическую основу и техническую поддержку для региональных почв. борьба с эрозией и устойчивое развитие.

3 Результаты и обсуждение

3.1 Воздействие содержания влаги на прочность почвы на сдвиг

Содержание влаги в почве воспринимается как значительный фактор, влияющий на прочность почвы на сдвиг, когда она была низкой, молекулярная мембрана приблизительно частиц почвы была больше, а количество молекул воды было меньше, и тяговое воздействие, оказываемое частицами почвы. был ниже; по мере того, как количество молекул воды увеличивалось, тяговый эффект постепенно усиливался [32]. Прямое испытание на сдвиг образца ненарушенного грунта было проведено для проверки прочности на сдвиг сухого красного грунта при различном содержании воды.Результаты показаны на рисунке 4, формула прочности на сдвиг ненарушенного грунта с различным содержанием воды представлена ​​в формуле 6 ~ 9.

Рисунок 4

Линия прочности на сдвиг грунта с разной влажностью.

Формула прочности на сдвиг в ненарушенном грунте с различным содержанием воды имеет следующий вид:

ω знак равно 7 % : τ ж знак равно σ т а п 42.13 ∘ + 37,28 (6)

ω знак равно 15 % : τ ж знак равно σ т а п 31.34 ∘ + 23,45 (7)

ω знак равно 20 % : τ ж знак равно σ т а п 23.56 ∘ + 17,67 (8)

ω знак равно 25 % : τ ж знак равно σ т а п 15.47 ∘ + 6,68 (9)

Где ω - влажность объема почвы; τ f - прочность грунта на сдвиг. σ - нормальное напряжение поверхности скольжения.

Как видно из рисунка 4, влажность почвы оказывает очевидное влияние на прочность на сдвиг сухой красной почвы, а прочность почвы на сдвиг постепенно увеличивается с уменьшением содержания воды.Соответственно, по мере увеличения влажности почвы угол внутреннего трения φ и сила сцепления c явно уменьшались. В свете теории прочности ненасыщенного грунта на сдвиг, сцепление было охвачено первоначальным сцеплением и сцеплением отверждения, исходное сцепление состояло из длительного давления геологической формации, относительно стабильного; когезия отверждения возникла из-за всасывания матрицы и отрицательного порового давления. Когда содержание воды увеличивалось, всасывание матрицы уменьшалось, и когезия отверждения соответственно снижалась.Следовательно, когезия в основном соответствовала увеличению содержания воды, в то время как когезия при отверждении уменьшалась, а общая когезия соответственно уменьшалась. Это было связано с тем, что, когда содержание влаги в почве увеличивалось до определенной степени из-за увеличения толщины водной пленки вокруг частиц почвы, сила сцепления водной пленки с частицами почвы уменьшалась, перемещение между частицами почвы происходило более легко, и сила трения уменьшалась. Между тем, когда содержание влаги в почве увеличится, вода будет оказывать заклинивающее действие на цементирующий материал, в результате чего будет легче скользить между частицами почвы, и почва с большей вероятностью будет повреждена.Кроме того, влажность почвы легко приводила к изменению микробной активности почвы, что приводило к изменению химических свойств почвы, например, снижение органического вещества и емкости катионного обмена приводило к снижению плодородия почвы, ее уплотнению. и снижение прочности грунта на сдвиг [25, 26,34, 36].

Угол внутреннего трения был образован эффективным давлением, сила трения создавалась между частицами почвы, а угол внутреннего трения состоял из двух частей, а именно.

Где φ - угол трения грунта; φ 0 - основной угол трения; Ä φ - это разница между фактическим углом внутреннего трения и основным углом внутреннего трения. φ 0 просто зависит от размера и градации частиц почвы, ценность почвы в основном остается постоянной; Ä φ изменилось с изменением влажности почвы, с увеличением содержания воды, в сочетании с водной пленкой между частицами почвы толщиной, концентрация водного электролита уменьшилась, изменение окислительно-восстановительного потенциала в почвенном растворе было очевидным, и химические свойства почвы изменилось [37], расстояние между коллоидными частицами увеличилось, прочность соединения частиц грунта уменьшилась, сопротивление трения частиц почвы уменьшилось, угол внутреннего трения уменьшился.Многие исследования показали, что зависимость между влажностью почвы и силой сцепления является степенной функцией [26, 38]. В свете экспериментальных данных можно получить изменение когезии у сухой глины при разном содержании воды (Рисунок 5).

Рисунок 5

Взаимосвязь между силой сцепления и влагосодержанием сухой красной почвы.

С учетом сухой плотности ненарушенной сухой красной почвы около 1.64 г / м 3 , мы можем установить взаимосвязь между сцеплением почвы и объемной влажностью:

c знак равно 80,107 е - 5,451 ω 1,64 + ω (11)

Где c - сила сцепления; ω - объемная влажность почвы.

Видно, что сила сцепления сухого красного грунта заметно уменьшалась с увеличением содержания воды.

Аналогичным образом можно приблизительно получить изменение угла трения сухой красной почвы при различных условиях содержания воды (рис. 6). Продемонстрирована тенденция линейной подгонки. Отношение влажности почвы к объему влажности почвы может быть:

Рисунок 6

Зависимость угла трения от влажности сухой красной почвы.

ϕ знак равно 65,646 е - 3,325 ω 1,64 + ω (12)

Где c - угол трения; ω - объемная влажность почвы.

Видно, что угол трения сухого красного грунта заметно уменьшался с увеличением содержания воды.

2.2 Влияние структуры грунта на прочность грунта на сдвиг

Ненасыщенный сухой красный грунт образовал надземную структуру с крупными частицами в качестве основного каркаса во время развития, микрочастицы, коллоиды гумуса и растворимые соли в точке контакта крупных частиц вместе, образуя цементное соединение. Сухая красная почва имеет плохие химические свойства почвы, и ее плодородие, как правило, низкое.Прочность связи представляла собой структурную прочность ненасыщенного сухого красного грунта. Когда естественная структура почвы была разрушена, прочность сцепления цементированного материала постепенно терялась, и прочность почвы на сдвиг заметно уменьшалась. Индекс общего свойства агрегатных характеристик почвы в повреждении структуры почвы и индекс макропор почвы для оценки структуры почвы: чем выше интенсивность разрушения, тем больше количество пор, тем выше степень повреждения, наоборот, меньше меньше, в противном случае меньше.

Возникновение массовой эрозии было тесно связано со структурными характеристиками самой почвы, благодаря изучению склона оврага Типичной долины, прочности почвы на сдвиг при разрушении структуры почвы в различных частях массовой эрозии, разрушении структуры почвы и чтобы установить возможное влияние массовой эрозии.

Как видно из рисунка 7 и таблицы 3, из-за разницы в структуре земли и степени ее повреждения кривая проникновения воды в почву, большое число радиусов пор и диапазон распределения малого водораздела Джуны указывают на очевидное различие ( P < 0.05). Устойчивый расход почвенного потока в малом водоразделе Джуна был выше, чем у двух других водоразделов, в которых большие поры малого водораздела Наненг были хуже. Полевые наблюдения также показали, что небольшой водораздел Нанэн сравнивался с двумя другими бассейнами, и масштабы массовой эрозии превышали масштабы двух других водоразделов на том же участке крутого склона.

Рисунок 7

Кривая прорыва сухой красной почвы различной структуры в бассейне реки.

Таблица 3

Диапазон и количество пор с большим радиусом в водоразделе.

Водораздел Толщина опытного образца грунта Радиус действия Средний радиус Средний радиус Общая плотность крупных пор
(см) (мм) (мм) (мм) (инд.дм -2 )
Джуна 5 1.8⍰0,6 0,88 1,21 501,5
Лаочэн 5 1,3⍰0,5 0,715 0,985 818,5
Наненг 5 1,4⍰0,9 1,075 1,34 235

Как видно из Таблиц 4 и 5, совокупное содержание сухого и влажного сита в сухой красной почве в 3 водоразделах было самым высоким в малом водоразделе Джуна и самым низким в малом водоразделе Наненг, что говорит о том, что агломерация почвы в Малый водораздел Джуна был лучше, в то время как агломерация почвы на малом водоразделе Нанэн была сравнительно плохой.Это дополнительно подтверждается степенью повреждения конструкции, что Джуна (11,95%) <Лаочэн (16,78%) <Наненг (27,45%). Сплоченность почвы была принята для характеристики эрозионной стойкости почвы.

Таблица 4

Характеристики влажно-сухого агломерата грунта и степень его структурного повреждения.

Водораздел Размер фракции (%) MWD Степень структурного повреждения (%)
10-5 мм 5-2 мм 2-1 мм 1-0.5 мм 0,5-0,25 мм ⍰0,25 мм (мм)
Джуна 67,41 10,485 3,23 6,145 4,945 7,78 5,45 11,95
Лаочэн 61,42 18.8 3.885 3.685 1,53 10,68 5,195 16,78
Наненг 41.945 14,11 9,655 12,535 9,745 12.015 3.805 27,45
Таблица 5

Характеристики почвенных влажных сит в водоразделе.

Водораздел Размер фракции (%) MWD (мм)
10-5 мм 5-2 мм 2-1 мм 1-0,5 мм 0,5-0,25 мм ⍰0,25 мм
Джуна 41.495 8,145 5,51 11,91 13,99 18,95 3,59
Лаочэн 38,22 10,245 5,705 11,245 14.095 20,495 3,4
Наненг 32.685 10,82 8,58 15,24 11,86 20,825 3,06

Из анализа Таблицы 6 видно, что одинаковое содержание влаги в различных структурных сухих красных почвах благодаря трехосному сдвигу затвердевшего дренажного теста, выполненного на заказ, с увеличением вертикального давления по сравнению с высокой степенью повреждения почвы, начальной лункой, высотой изменение, пиковое напряжение сдвига, пик порового давления хорошей структуры и низкая интенсивность разрушения грунта, как правило, увеличивались с увеличением вертикального давления, что указывает на то, что с увеличением внешней нагрузки прочность на сдвиг также уменьшала структуру грунта плохого качества. почва, и вероятность разрушения была больше.

Таблица 6

Изменение механических свойств грунта при трехосных испытаниях консолидированного дренажа на 3 водоразделах.

Водораздел Вертикальное давление (кПа) давление в начальном отверстии (кПа) Сборный дренаж Перепад высот (мм) Пик сдвига (кПа) Пиковое поровое давление (кПа)
Лаоченг 50 3.2 0,91 0,025 341,7 2,6
100 8,7 2 0,056 390,7 11,6
200 14 2,65 0,074 576.2 16,5
300 16,7 3,73 0,105 692,3 28,3
Джуна 50 10,1 0,73 0,02 433 5,1
100 14.3 1,3 0,036 458 6.5
200 14,7 0,89 0,025 629,5 6,8
300 22,5 1,38 0,038 835.8 12,4
Наненг 50 38,9 4,03 0,113 158,1 20,5
100 91,2 6,13 0,174 198,4 46
200 184.7 8,33 0,238 307,1 96,3
300 289 9,73 0,28 472,5 157

Влажность почвы оказала очевидное влияние на прочность структуры сухого красного грунта. Кроме того, исходная плотность грунта на прочность грунта на сдвиг также оказывала более очевидное влияние, большая плотность грунта, более крупные частицы грунта между поверхностным трением и силой укуса и больший угол внутреннего трения.Между тем, чем больше плотность, тем меньше зазор между грунтом, ближе контакт и больше сцепление. Было проведено сравнение прочности на сдвиг исходных сухих красных почв с различными структурными и разрушительными показателями в разных исследуемых бассейнах (рис. 8). Влажность 3 участков контролировалась на 15%, тогда как плотность почвы была другой. Сухая плотность ненарушенной почвы в водоразделе Наненг составляла около 1,69 г / см 3 , сухая плотность малой водораздела Джуна была около 1.71 г / см 3 , а сухая плотность небольшого водораздела Лаочэн составила около 1,64 г / см 3 . Мы можем видеть, что показатель прочности на сдвиг при высокой скорости был явно выше, чем у двух других сравнительно хорошей структуры, низкая степень структурного повреждения структуры сухого красного грунта. Потеря прочности на сдвиг после разрушения конструкции грунта в первую очередь проявлялась в уменьшении сцепления, а изменение угла внутреннего трения было небольшим. В целом плохая структура сухого красного грунта стала рыхлой, прочность на сдвиг явно снизилась.В условиях атмосферных осадков плотность грунта увеличивалась, а показатель прочности на сдвиг снижался. Было легко уменьшить гравитационную эрозию, включая оползни и оползни.

Рисунок 8

Сравнение прочности на сдвиг сухого красного грунта с различными конструкциями.

3,2 Влияние корневой системы растений на прочность почвы на сдвиг

3.2.1 Прочность на сдвиг корневого почвенного комплекса

Для анализа влияния корневой системы на прочность армирования почвы на сдвиг, был добавлен опыт равнинной почвы без корневой системы. Прочность измеренного грунта на сдвиг составляла 96,53 кПа. Максимальное значение прочности на сдвиг корневой почвы было вычтено из значения прочности почвы на сдвиг, то есть прочности почвы на сдвиг, увеличенной корневой системой. В свете графика прочности на сдвиг при испытании на прямой сдвиг и прочности на сдвиг корневого почвенного комплекса была нанесена линия тренда прочности на сдвиг для достижения максимального значения прочности на сдвиг.У всех растений Leucaena Подонная корневая система показала наибольшее увеличение прочности на сдвиг, и ее значение составило 40,67 кПа. Рисунок 9 показывает взаимосвязь между общей прочностью на сдвиг корневой системы и почвы и смещением 16 растений на четырех растениях в этом эксперименте, а также разницу в усиливающем воздействии корней растений на прочность почвы на сдвиг. . Прочность на сдвиг комплекса корень-почва резко возросла в начале разрушения на сдвиг и после этого достигла максимума.Прочность на сдвиг почвенного комплекса имела тенденцию быть стабильной, а значение прочности на сдвиг должно постепенно уменьшаться после полного разрушения. Присутствие целлюлозы и гемицеллюлозы в корнях растений определяет прочность корневой системы и оказывает важное влияние на закрепление корневой системы.

Рисунок 9

Кривая зависимости между приращением прочности на сдвиг и смещением.

Когда комплекс корень-почва подвергался разрушению при сдвиге, смещение различных корней растений при достижении максимальной прочности на сдвиг было различным, площадь, образованная кривой, и положительное направление оси X были энергией, затраченной на разрушение корня. -почвенный комплекс. Возьмите Leucaena Benth в качестве примера, в эксперименте кривая силы сдвига Leucaena Benth корневой системы и смещения 6 Leucaena Benth собранных растений были разными, когда прочность на сдвиг достигала максимального значения, сдвиг 6 Leucaena Комплекс корень-почва бент был другим.Соответственно, обозначено, что, хотя у одного и того же растения из-за роста и распределения корней в почве была определенная разница, закрепляющее воздействие, оказываемое корнями, было различным.

3.2.2 Воздействие растений на устойчивость почвы к дезинтеграции

Данные по эффективной корневой плотности 6 модельных бункеров были измерены экспериментально. Результат представлен в Таблице 7. Как видно из Таблицы 7, способность корней растений оптимизировать сопротивление почвы была в основном за счет корней с функцией корня менее 2 мм, эффективная плотность корней Leucaena Benth была наименьшей, и после проведения эксперимента по дезинтеграции корень всего продукта был удален, наблюдая за распределением корневой системы, первичный корень был хорошо развит, а волокнистых корней было сравнительно мало и они имели боковой рост, поэтому эффективный корень в почвы было меньше; Heteropogon cantortus и Enlariopsis binata эффективный объем корней коры был больше, что указывает на то, что травянистые растения должны быть корнями с мелкой корневой биомассой, эффективный корень был сравнительно большим.Наличие целлюлозы и других химических компонентов в корневой системе напрямую влияет на эффект «подкрепления» [36]. Эти ингредиенты ускоряли секрецию различных химических веществ корнями, таких как: все виды органических кислот и ацетат кетона и т. Д., Химическое комплексообразование или уменьшение содержания в почве, что имеет эффекты улучшения структуры почвы и повышения стабильности прочности почвы [ 39, 40].

Таблица 7

Время полного разрушения почвы при различных условиях эффективного корневого соотношения.

Колонка грунта Типы растений Эффективное корневое отношение Время полного распада / мин
1 ничего 0 43
2 Leucaena Подставка 0,42 ± 0,06 205
3 Dodonaea angustifolia 0.65 ± 0,11 261
4 Heteropogon cantortus 0,76 ± 0,17 362
5 Enlariopsis binata 0,72 ± 0,09 324

Характеристики структуры почвы для гидравлической инфильтрации и дезинтеграции или степень сложности диспергирования и дезинтеграции почвы могут проявляться способностью к дезинтеграции почвы.Было установлено влияние, оказываемое корневой системой на дезинтеграцию почвы в сухой жаркой долине, и сравнена антиразрушающая способность простой почвы и почвы с различным соотношением корней, чтобы установить соответствующий закон влияния. При тех же водных условиях структура почвы равнинной почвы была склонна к разрушению, в течение 1 часа полностью разрушилась, а наличие корней может замедлить процесс, оказав большое влияние на время разрушения почвы. Из таблицы видно, что наименьшее время дезинтеграции для комплекса корень-почва составило 3.3 часа, а самое продолжительное время - 6 часов. Соответственно указывается, что корневая система может эффективно снижать скорость дезинтеграции почвы и повышать ее способность противодействовать дезинтеграции. Это произошло из-за того, что волокнистые корни в почве перемежались и переплетались, создавая аналогичный «усиленный» эффект почвы и способствуя агломерации частиц почвы, тем самым повышая способность почвы противостоять диспергированию и суспендированию.

Благодаря изучению результатов полевых наблюдений и основному соглашению Лю [41], наклон травянистых растений в основном распределялся по корневой поверхности почвы на глубине 40 см, экспоненциальное распределение от поверхности почвы вниз, плотность корней была близкой до нуля за пределами определенной глубины в почве (Рисунок 10).Следовательно, влияние корней растений на прочность почвы на сдвиг ослаблялось с увеличением глубины почвы, а глубина корней растений была незначительной. Влияние корней растений на мелкомасштабную массовую эрозию было очевидным, а роль крупномасштабного воздействия массовой эрозии была сравнительно небольшой.

Рисунок 10

Распределение плотности корневой системы по глубине почвы.

Индекс растительного покрова обычно использовался для оценки растительности и уменьшения водной эрозии. Существует определенная взаимосвязь между растительным покровом и количеством корней почвы и их распределением. В свете полевых проб и наблюдений на участках раскопок, текстура подстилающей поверхности была сравнительно однородной на исследуемой территории, и существует корреляция между растительным покровом и биомассой корней. То есть содержание корней было больше в растительном покрове большой откосной почвы.

Для рыхлых почв с развитием растительности обычно образуется водный транспорт. В свете различного содержания корней растений путем контроля влажности 20% образцов ненарушенной почвы с помощью теста на прямой сдвиг, как показано на Рисунке 11.

Рисунок 11

Тенденция прочности на сдвиг сухой красной почвы с различным содержанием корней растений.

Прочность почвы на сдвиг при разном содержании корней в плане составила:

Содержание корневой системы растений составляло 3.23%;

τ ж знак равно σ т а п 24,24 ∘ + 19,87 (13)

Содержание корневой системы растений составляло 1.16%;

τ ж знак равно σ т а п 21,76 ∘ + 14,75 (14)

Содержание корневой системы растений было 0;

τ ж знак равно σ т а п 19.69 ∘ + 11,85 (15)

В формуле τ f - прочность на сдвиг; σ - нормальное напряжение.

По сравнению с почвой без корней растений сопротивление сдвигу почвы с определенной корневой системой заметно увеличилось. Среди них корневая система растений в первую очередь увеличивала сцепление почвы, в то время как мало влияла на угол внутреннего трения почвы.Он может в основном игнорировать влияние корневой системы растений на угол внутреннего трения почвы. В свете эксперимента мы можем получить взаимосвязь между содержанием корневой системы почвы и связностью почвы (Рисунок 11). Взаимосвязь между сцеплением и содержанием корней почвы может быть выражена как:

c знак равно 248,19 Икс + 11.858 (16)

В формуле X - содержание корня (массовый процент).

Подводя итог, можно сказать, что химический состав корней растений способствует укреплению почвы. Корневая система растений может увеличить сопротивление почвы сдвигу, закрепляя и укрепляя почву, чтобы оптимизировать сопротивление эрозии почвы. Кроме того, растительность увеличила проницаемость почвы склонов и неровность склона, увеличилось количество инфильтрации дождевой воды и уменьшился сток на склонах.В свете наблюдений за небольшим водоразделом Лаочэн в районе, где растительный покров был лучше, осадки ниже 25 мм вряд ли могут вызвать наземный сток, связанный с функцией растительности. Даже при более чем 25 мм осадков результирующий поток был намного меньше, чем на территории без растительного покрова. Сухопутный сток часто вызывал значительную массовую эрозию в истоках оврага и крутых склонах, поэтому уменьшение сухопутного стока имело очевидный сдерживающий эффект на массовую эрозию.Кроме того, путем полевых наблюдений было установлено, что распределение натяжения на склоне имеет тенденцию к образованию плотных трещин под воздействием выветривания, осадков и изменения температуры, и в этих местах часто происходила массовая эрозия. Растительность образовала на склоне мягкий слой гумуса, который может замедлить колебания температуры и влажности нижнего слоя почвы, уменьшить образование трещин в почве и, как следствие, частоту массовой эрозии.

Ссылки

[1] Zhang H.Дж., Ченг Дж. Х., Принцип эрозии почвы, 3-е изд., Издательство Китайского лесного хозяйства, 2014. Поиск в Google Scholar

[2] Лю Г.К., Дэн В., Вэнь А.Б., Ша Й.С., Цзи Чж, Сюн Д.Х., и др., Обзор существенности и тематической направленности создания экспериментальной станции по эрозии и обрушению оврагов в долине реки Цзиньша, Journal of Mountain Science, 2010, 28 (3), 333-340. Поиск в Google Scholar

[3] Чжан X.M., Чжао В.В., Лю Ю.Х., Применение технологии дистанционного зондирования в исследовании эрозии почвы: обзор, Бюллетень по охране почв и вод, 2017, 37 (2), 228-238.Поиск в Google Scholar

[4] Ху Ю.Ф., Тиан Г.Х., Одри Л.М., Хе Р.З., Оценка риска эрозии почвы с помощью дистанционного зондирования и ГИС на водосборе водохранилища Яншань, Китай., Natural Hazards, 2015, 79 (1) , 277-289. Искать в Google Scholar

[5] Кришна Бахадур К.К., Картографирование подверженности эрозии почвы с помощью дистанционного зондирования и ГИС, Случай водораздела Верхняя Нам Ва, провинция Нан, Таиланд., Геология окружающей среды, 2009, 57 (3), 695- 705. Искать в Google Scholar

[6] Jiang J., Чжан К. Поиск в Google Scholar

[7] Xiong DH, Yang D., Zhai J., Li JJ, Su ZA, Dong YF, et al., Предварительное исследование гидродинамических характеристик наземного потока и выхода наносов в верхних частях оврагов в Yuanmou Hot -сухая долина, Журнал охраны почв и вод, 2012, 26 (6), 52-62. Искать в Google Scholar

[8] Zhou H.Ю., Ли Х.Х., Фан Дж. Р., Ян З., Оценка чувствительности эрозии почвы в сухой жаркой долине Юаньмоу, Сохранение почвы и воды в Китае, 2009, 4, 39-41. Поиск в Google Scholar

[9] Чжэнь Ц.К., Чжан XZ, Ли ТХ, Цзинь В., Лин Ч.В., Изменение характеристик и факторов, влияющих на прочность почвы на сдвиг в период выращивания кукурузы, Транзакции Китайского общества сельскохозяйственной техники, 2014 г. 45 (5), 125-130, 172. Поиск в Google Scholar

[10] Чай ZX, Предварительный анализ потерь почвы и воды в районе Паньси, География Сычуани, 1985, 7, 75-78.Поиск в Google Scholar

[11] Ян З.Й., Су Дж. Р., Ло Д., Ли Чж, Чен X. М., Прогресс и перспективы восстановления растительности в засушливой и жаркой долине, Forest Research, 2007, 20 (4), 563- 568. Искать в Google Scholar

[12] Ян Д., Сюн Д.Х., Чжай Дж., Ли Дж.Дж., Су З.А., Донг Ю.Ф., Морфологические характеристики и причины оврагов в регионе сухой жаркой долины Юаньмоу, Наука о почвенно-водосбережении, 2012, 10 (1), 38-45. Искать в Google Scholar

[13] Гиадроссих Ф., Шварц М., Коэн Д., Механические взаимодействия между соседними корнями во время выдергивания, Растительная почва, 2013, 367, 391-406. Поиск в Google Scholar

[14] Пу YL, Xie DT, Ni JP, Wei CF, Lin CW, Влияние рисунков живой изгороди на прочность почвы на сдвиг и устойчивость к растиранию на сельскохозяйственных угодьях на склонах в районе фиолетовых почв, Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47 (5), 934-945. Искать в Google Scholar

[15] Стокс А., Норрис Дж. Э., ван Бик Л. П. Х., Как растительность укрепляет почву на склонах.В: Устойчивость откосов и контроль эрозии: экологические технологические решения, Норрис Дж. Э. (ред.), Springer, Нидерланды, 2008. Поиск в Google Scholar

[16] Чен А.К., Чжан Д., Сюн Д.Х., Лю Г.К., Влияние механических свойств поверхности почвы на ее противоочищающую способность в сухой жаркой долине Юаньмоу, Труды Китайского общества сельскохозяйственной инженерии, 2012, 28 (5), 108-113. Поиск в Google Scholar

[17] Чжан XM, Ван YJ, Xia YP, Wu Y., Серый реляционный анализ и оценка устойчивости к сдвигу ненарушенной растительности почвы в горе Цзиньюнь в городе Чунцин, Исследование почв и водосбережения, 2007 , 14 (2), 145-147, 151.Поиск в Google Scholar

[18] Чжан А.Г., Ли Р., Ян К.К., Исследование интенсивности водной эрозии почвы, препятствующей сдвигу, в Китае, Бюллетень по охране почв и воды, 2001 г., 21 (3), 5-9. Искать в Google Scholar

[19] Чжан Х.М., Дин С.В., Цай К.Ф., Эффекты высыхания и увлажнения при нелинейном спаде прочности почвы на сдвиг в зоне эрозии разрушения склона, Транзакции CSAE, 2012 г., 28 (5), 241- 245. Ищите в Google Scholar

[20] Цзян Д.С., Потери почвы и воды и способы борьбы с ними на Лессовом плато, China Water Conservancy and Hydropower Press, 1997.Поиск в Google Scholar

[21] Чен Х.Х., Ли Ф.Х., Хао С.Л., Чжан Х.П., Влияние содержания влаги в почве и натурности почвы на прочность на сдвиг, Транзакции CSAE, 2007, 23 (2), 21-25. Поиск в Google Scholar

[22] Xu JM, Jiang X., Liu F., Dou S., Zhou LX, Xu RK и др. Наука о химии почв в Китае и ее перспективы, Acta Pedologica Sinica, 2008, 45 (5), 817-829. Искать в Google Scholar

[23] Yao L.D., Cheng G.H., Wang L.X., Chen H.Y. Лу Л.П. Эффекты внесения биоугля на микроорганизмы в почве. Химия окружающей среды, 2015, 34 (4), 697-704. Искать в Google Scholar

[24] Хан Л.Ф., Сун К., Кан М.Дж., Ву Ф.К., Син Б.С., Влияние функциональных групп и характеристик пор органического вещества на сорбцию гидрофобных органических загрязнителей, Химия окружающей среды, 2014, 33 ( 11), 1811-1820 гг. Поиск в Google Scholar

[25] Чжу Дж.К., Ван Й.К., Ван Й.Дж., Чжан Х.Л., Ли Ю.П., Лю Ю., Анализ корневой системы, повышающей прочность на сдвиг, на основе эксперимента и модели, Механика горных пород и грунтов, 2014, 35 ( 2), 449-457.Поиск в Google Scholar

[26] Чжан С.Б., Чен Л.Х., Цзян Дж., Вертикальное распределение корней типичных деревьев на Лёсс-Пьато, Китай, Журнал засушливых земель, 2014 г., 6 (5), 601-611. Поиск в Google Scholar

[27] Ли Дж. Х, Хе Б. Х., Чен Ю., Хуанг Р., Тао Дж., Тиан Т. К., Особенности распределения корней типичных травяных растений для защиты склонов и их влияние на прочность почвы на сдвиг, Транзакции CSAE, 2013, 29 (10), 144-152. Искать в Google Scholar

[28] Комино Э., Маренго П., Ролли В., Эффект укрепления корней различных видов трав: сравнение экспериментальных и модельных результатов, Soil & Tillage Research, 2010, 110 (1), 60-68. Поиск в Google Scholar

[29] Zhang CB, Chen LH, Liu XP, Испытание на трехосное сжатие лессовых композитов корня для оценки механического воздействия корней на укрепляющую почву, Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23 (2), 57 -60. Поиск в Google Scholar

[30] Ху П., Сонг X.G., Ву Д.Г., Экспериментальное исследование механизма усиления защиты откосов скоростной дороги с помощью гринсварда, Rock and Soil Mechanic, 2008, 29 (2), 442-444.Искать в Google Scholar

[31] Тивари Р.К., Бхандари Н.П., Ярабе Р., Метод конечных элементов новой численной схемы для оценки влияния укрепления корней на устойчивость откосов почвы, Геотехника, 2013, 63 (2), 129-139 . Искать в Google Scholar

[32] Шао М.Г., Ван QJ, Хуанг М.Б., Физика почвы, Высшее образование, 2006. Искать в Google Scholar

[33] Радулович Р., Солорзано Э., Соллинс П., Макроспора почвы распределение размеров по кривым прорыва воды, журнал Американского общества почвоведов, 1989, 53, 556-559.Искать в Google Scholar

[34] Цзян Дж., Ян З., Рен К., Сан Г. Х., Распределение окислительно-восстановительных потенциалов гуминовых кислот почвы и соответствующих количеств переноса электронов, Environmental Chemistry, 2015, 34 (2), 219-224 . Поиск в Google Scholar

[35] Цзян Дж., Капплер А., Кинетика микробного и химического восстановления гуминовых веществ: последствия для перемещения электронов, Наука об окружающей среде и технология, 2008, 42 (10), 3563-3569. Искать в Google Scholar

[36] Wang M.М., Чжоу Q.X., Воздействие биоугля на почвы и их механизмы воздействия на окружающую среду, Химия окружающей среды, 2013, 32 (5), 768-780. Поиск в Google Scholar

[37] Хуанг Т.Л., Чжоу Р.Й., Ся К., Сюй Дж.Л., Влияние окислительно-восстановительного потенциала и микроорганизмов на высвобождение фосфора из отложений, Химия окружающей среды, 2014 г., 33 (6), 930- 936. Искать в Google Scholar

[38] Данг Дж. К., Ли Дж. Влияние содержания воды на прочность ненасыщенного лесса, Acta Univ.Agric., Boreali-occidentalis., 1996, 24 (1), 57-60. Поиск в Google Scholar

[39] Wu LK, Lin XM, Lin WX, Достижения и перспективы исследований взаимодействий растений, почвы и микробов, опосредованных корневыми экссудатами, Китайский журнал экологии растений, 2014 г., 38 (3), 298- 310. Искать в Google Scholar

[40] Liu G.N. Лю X.H., Обзор воздействия почвенных коллоидов на перенос тяжелых металлов, Environmental Chemistry, 2013, 32 (7), 1308-1317. Искать в Google Scholar

[41] Liu X.П., Чен Л.Х., Сун В.Ф., Исследование прочности на сдвиг композита лесных корнеплодов, Журнал Пекинского университета лесоводства, 2006 г., 28 (5), 67-72. Поиск в Google Scholar

Глава 4 - Оценка модели грунтового материала LS-DYNA 147, ноябрь 2004 г.

PDF-файлы можно просматривать с помощью Acrobat® Reader®

Одной из самых сложных задач, связанных с моделированием методом конечных элементов, является выбор соответствующих свойств материала для точного представления физического поведения.Во многих случаях это привело к произвольной настройке моделей путем сопоставления результатов моделирования с известным физическим тестом, иногда без учета разумности входных переменных материала.

Конечно, желательно иметь возможность определять входные параметры материала непосредственно посредством физических испытаний. Чтобы определить соответствующие входные переменные материала, необходимо полностью понять физические последствия. Таким образом, следует полное обсуждение переменных и, если применимо, их физического значения.

Многие из начальных параметров грунта разработчиком были основаны на трехосных испытаниях, проведенных Инженерным корпусом армии США (USACE) на экспериментальной станции водных путей (WES). Эти данные содержатся в базе данных Material Property Query (MPQ) и доступны только задокументированным государственным подрядчикам. (9)

Цели данной главы: (1) дать представление о параметрах почвы, (2) предоставить руководящие принципы для соответствующих значений параметров и (3) определить рекомендуемые значения параметров для почвы NCHRP 350, используемой на объекте пользователя.В нижеследующих обсуждениях делается попытка предоставить техническую интерпретацию материала, чтобы можно было более легко определить соответствующие значения параметров.

Плотность почвы, RHO

RHO - плотность материала почвы. Он имеет единицы массы / объема (в данном случае килограммы на кубический миллиметр (кг / мм 3 )). Первоначальные модели разработчика включали плотность 2.35E-6 кг / мм 3 , почти максимальную сухую плотность почвы ( max = 2.37E-6 кг / мм 3 ) найдено с помощью модифицированного теста Проктера. Грунт, испытанный USACE, имел плотность макс. = 2,27E-6 кг / мм 3 , что больше подходит для плотно уплотненного заполнителя.

NCHRP 350 прочный грунт обычно имеет плотность около 2,114E-6 кг / мм 3 . Однако значения плотности от 2,082E-6 кг / мм 3 до 2,242E-6 кг / мм 3 являются приемлемыми.

Массовая проверка

Из файла испытаний гидравлического натяжения разработчика, hydten.k моделировался куб грунтового материала размером 1 мм. Расчет массы образца по плотности и объему:

(1)

Это было подтверждено в выходном файле D3HSP от LS-DYNA. Модель почвы FHWA дает правильную массу из введенной плотности. Очень важно проверить поведение функции плотности модели почвы, поскольку были задокументированы значительные инерционные эффекты, связанные с взаимодействием почвы с столбами. (5)

Параметры графика, NPLOT

Nplot позволяет отображать информацию о модели почвы. Сюда входит информация об эффективной деформации, пороге критерия повреждения, изоэнтропическом повреждении, текущем критерии повреждения и текущем угле трения. Варианты Nplot следующие:

  1. Эффективная деформация.
  2. Порог критерия повреждения.
  3. Параметр изэнтропического повреждения, (diso).
  4. Текущий критерий повреждений.
  5. Не реализовано.
  6. Текущий угол трения.

Для постобработки с использованием LS-POST значение, указанное в Nplot, сохраняется как переменная «Пластическая деформация» для построения напряжений краевых компонентов. При постобработке информация, сохраненная для пластической деформации, не будет содержать данных пластической деформации, а будет содержать данные, указанные в параметрах построения графика, Nplot.

Удельный вес, СПГРЭВ

Удельный вес твердых частиц почвы, обычно обозначаемый как G s , представляет собой отношение твердых частиц почвы к плотности воды.Хотя можно иметь диапазон значений от 2,2 до 3,5, большинство почв имеют удельный вес от 2,60 до 2,80. К любым значениям, выходящим за пределы этого последнего диапазона, следует относиться скептически, а почву следует повторно протестировать для проверки значения. Если конкретные значения недоступны, для местных почв можно принять следующие значения: (10)

Песок и гравий: G s = 2,65

Ил и глина: G s = 2,78

Следует отметить, что удельный вес G s - это не объемный удельный вес G blk материала, а, скорее, удельный вес только твердых частиц почвы.Это означает, что воздушные пустоты внутри и между частицами почвы не учитываются при расчете удельного веса. Поскольку прочный грунт NCHRP 350 обозначается как гравий, подходит удельный вес G s = 2,65. Однако необходимо провести лабораторные испытания, чтобы точно определить точный удельный вес известнякового щебня Небраски, используемого на объекте пользователя.

В модели почвы FHWA для расчета пористости используется удельный вес почвы.Пористость грунта - это отношение общего объема пустот V v к общему объему V t осадка.

Несоответствие существует в вычислении входной переменной Spgrav, поскольку она считывается LS‑ DYNA. В базовой модели использовалось значение Spgrav = 2,79. Это значение получено в результате тестирования USACE WES. В выходном файле D3HSP, созданном LS-DYNA, SPGRAV был указан как 0,1854, что представляет собой вариацию в 15 раз. Эти значения выделены жирным шрифтом в таблице 3.Другие значения входной деки точно совпадали, как показано в таблице 3. Выходные данные D3HSP от LS-DYNA показаны в таблице 4. Это несоответствие наблюдалось при обычной проверке входных дек с выходными параметрами.

Разветвления этого несоответствия до конца не изучены. Невозможно определить, считывает ли модель материала правильные значения и просто выводит неверные значения только в файл D3HSP, или же модель материала на самом деле неверно изменяет Spgrav.В этом можно убедиться только путем тщательного изучения исходного кода.

Таблица 3. Сравнение между входной декой LS-DYNA и выходом D3HSP показывает несоответствие Spgrav (выделено жирным шрифтом).

Параметр

RO

N участок

Спграв

Роват

V n

Гаммар

Входная дека

2.350E-6

3

2,79

1.0E-6

1,1

0,0

D3HSP Файл

2.350E-6

3

0,1854

1.0E-6

1,1

0,0

Параметр

Itermax

К

G

Phimax

Ахип

Coh

Входная дека

10

0.465

0,186

1,1

1.0E-7

6.2E-6

D3HSP Файл

10

0,465

0,186

1,1

1.0E-7

6.2E-6

Параметр

Eccen

A n

E т

Mcont

Pwd1

PwKsk

Входная дека

0.7

0,0

0,0

0,034

0,0

0,0

D3HSP Файл

0,7

0,0

0,0

0.034

0,0

0,0

Параметр

Pwd2

Phires

Dint

Vdfm

Дамлев

Epsmax

Входная дека

0.0

0,0E-0

2,5E-3

5,0

1,00

1,00

D3HSP Файл

0,0

0,0E-0

2,5E-3

5.0

1,00

1,00

Таблица 4. Выходной файл D3HSP (усеченный).

ПОЧВА

Номер детали ........................ 1

тип материала .............. 147

типа уравнения состояния ..... 0

песочные часы типа ............. 1

тип объемной вязкости........ 1

ден .............................. = 2.35000E-06

коэффициент песочных часов ............ = 1.00000E-01

квадратичная объемная вязкость ......... = 1.50000E + 00

линейная объемная вязкость ............ = 6.00000E-02

тип элемента ..................... = 0

ур.0: 8-узловой твердотельный элемент

ур.1: 2-узловая балка / элемент фермы

eq.2: 4-узловая мембрана / элемент оболочки

экв.3: 8-узловой элемент толстой оболочки

флаг объемной вязкости в оболочках = 0

флаг для вывода RBDOUT / MATSUM .... = 0

ур.0: RBDOUT и MATSUM

ур.1: только RBDOUT

ур.2: только MATSUM

ур.3: нет выхода

статический коэффициент трения ... = 0,00000E + 00

кинетический коэффициент трения .. = 0.00000E + 00

экспоненциальный коэффициент затухания .... = 0,00000E + 00

коэффициент вязкого трения..... = 0,00000E + 00

дополнительная толщина контакта ....... = 0,00000E + 00

факультативный масштабный коэффициент толщины .. = 0.00000E + 00

местный масштабный коэффициент штрафа ....... = 0,00000E + 00

флаг для адаптивного переподключения ...... = 0

ур.0: неактивный

ур.1: только h-адаптивная

ур.2: только r-адаптивная

коэффициент демпфирования Рэлея ..... = 0,00000E + 00

nсюжет ............................ = 3.0000E + 00

спграв ........................... = 1.8540E-01

rhowat ........................... = 1.0000E-06

v n ............................... = 1.1000E + 00

гамма ........................... = 0.0000E + 00

itermax .......................... = 1.0000E + 01

Модуль объемной упругости ..................... = 4,6500E-01

Модуль сдвига .................... = 1.8600E-01

фимакс ........................... = 1.1000E + 00

ахип ............................. = 1.0000E-07

coh .............................. = 6.2000E-06

эксцент ............................ = 7.0000E-01

a n ............................... = 0,0000E + 00

e t ............................... = 0,0000E + 00

mcont ............................ = 3,4000E-02

pwd1 ............................. = 0.0000E + 00

pwksk ............................ = 0.0000E + 00

pwd2 ............................. = 0.0000E + 00

фирес ........................... = 0,0000E + 00

динт ............................. = 2.5000E-03

vdfm ............................. = 5.0000E + 00

дамлев ........................... = 1.0000E + 00

epsmax........................... = 1.0000E + 00

Плотность воды, RHOWAT

RHOWAT - плотность воды (1,0 x 10 -6 кг / мм 3 (62,4 фунт / фут 3 )). Это используется для определения деформации воздушных пустот при расчете эффектов поровой воды.

Параметры вязкости

,

V n и GAMMAR

GAMMAR ( r ) и V n - параметры вязкости, используемые для определения прочности модели материала с повышенной скоростью деформации.Алгоритм интерполирует между упругим пробным напряжением (за пределами поверхности текучести) и невязким напряжением (напряжениями, при которых влияние вязкости материала настолько мало, что им можно пренебречь). Невязкие напряжения находятся на поверхности текучести. В форме уравнения это записывается:

где:

и

(4)

Установка GAMMAR на 0.0 устраняет любые эффекты прочности, связанные с повышением скорости деформации, независимо от любых значений, оставшихся для V n . Для определения подходящих значений этих параметров скорости деформации необходимо выполнить дополнительную работу.

Модуль объемной упругости,

K

Модуль объемной упругости K - это постоянная упругости, которая отражает сопротивление материала общему увеличению или уменьшению объема в условиях гидростатического напряжения. Если гидростатическое напряжение увеличивается, то объем будет уменьшаться, а изменение объема будет отрицательным.Если гидростатическое напряжение уменьшится, то объем увеличится.

Соотношение между модулем упругости E и объемным модулем K составляет:

(5)

Определение модуля упругости E затруднено, поскольку объемные изменения в грунте требуют точного определения порового давления.Более того, значение коэффициента Пуассона может повлиять на результаты. Коэффициент Пуассона в почвах имеет следующие приблизительные значения: (11)

= 0,5 (насыщенные водонепроницаемые грунты)

= 0,25 (проницаемые грубые материалы)

Для прочного грунта NCHRP 350 целесообразно использовать = 0,25. Исходя из этого, приведенное выше уравнение упрощается до:

(6)

Переписано,

(7)

В 1975 году Пенман провел испытания на гравии, обнаружив модуль упругости E = 15.8 МПа. (12) Пенман также нашел коэффициент Пуассона = 0,27. Это хорошо соответствует известным данным, как показано выше. Это означает, что объемный модуль упругости K = 10,5 МПа. В исходных моделях разработчика использовалось значение K = 465 МПа. Как упоминалось ранее, пересмотренное разработчиком значение модуля объемной упругости составило K = 3,25 МПа.

Модуль сдвига,

G

Так же, как модуль упругости E является мерой отношения напряжения к деформации ниже предела пропорциональности, модуль упругости при сдвиге G связывает напряжение сдвига с деформацией сдвига.Модуль сдвига также называют одной из двух постоянных Ламе, G и. Используя обычную инженерную механику, модуль сдвига можно выразить как функцию модуля упругости E и коэффициента Пуассона:

(8)

Используя значения, найденные Пенманом, (12) , модуль сдвига G = 6.Найдено 22 МПа. В исходных моделях разработчика использовалось значение G = 186 МПа. Как упоминалось ранее, пересмотренное разработчиком значение модуля сдвига составляло 1,3 МПа.

Коэффициент Пуассона

В 1987 году Траутманн и Кулхоуи обнаружили общие диапазоны коэффициента Пуассона для зернистых почв. (13) Эти значения показаны в таблице 5. Важно убедиться, что соответствующие значения коэффициента Пуассона используются в модели почвенного материала FHWA.

Таблица 5. Общий диапазон коэффициента Пуассона для сыпучих грунтов.

Тип почвы

Диапазон коэффициента Пуассона

Песок рыхлый

0,20-0,40

Песок средней плотности

0,25–0,40

Песок плотный

0.30-0,45

илистый песок

0,20-0,40

Песок и гравий

0,15–0,35

NCHRP 350 прочный грунт больше всего похож на «песок и гравий», перечисленный в таблице 5. Считается, что наиболее разумные значения будут лежать приблизительно при = 0,25, как отмечалось ранее.

Модуль объемной упругости, K ; модуль сдвига G ; Коэффициент Пуассона,; и модуль упругости E взаимосвязаны. Эти отношения могут использоваться для определения значения коэффициента Пуассона, которое разработчик использовал как в исходных моделях, так и в последующих рекомендуемых значениях. Это достигается путем решения модуля упругости E и объединения уравнений 5 и 8 следующим образом:

(9)

Переставляя, видно, что:

(10)

Подставив на = 0.25 урожайностей:

(11)

Прохождение решения дает:

(12)

Уравнение 9 также может быть решено для коэффициента Пуассона как функции объема и модуля сдвига. Для исходных значений разработчика K = 465 МПа и G = 186 МПа коэффициент Пуассона равен 0.32 можно вычислить. Аналогичным образом, с последующими рекомендациями разработчика по электронной почте, при K = 3,25 МПа и G = 1,3 МПа также может быть рассчитан коэффициент Пуассона 0,32. Это вполне разумное значение.

Важно, чтобы конечный пользователь понимал взаимосвязь между модулем сдвига и объемным модулем. Чтобы поддерживать соответствие с законами физики и традиционной инженерной механики, должны существовать разумные и подходящие значения коэффициента Пуассона.

Соответствующие значения для модулей объема и сдвига

Очень важно связать параметры модели материала с результатами физических испытаний, которые могут быть выполнены в полевых условиях. Модуль упругости был соотнесен со стандартным числом проникновения N , а также сопротивлением проникновению конуса q c различными исследователями. (14) Эти значения и соответствующие им модули объема и сдвига показаны в таблице 6.

Таблица 6.Общий диапазон модулей объемного сжатия и сдвига для = 0,25.

Тип почвы

Модуль упругости, E (МПа)

Модуль объемной упругости, K (МПа)

Модуль сдвига, G (МПа)

Песок рыхлый

10.35-24.15

6.90-16.10

4,14–9,66

Песок средней плотности

10.35-17.25

6,90-11,50

4,14–6,90

Песок плотный

17.25-27.60

11.50-18,40

6,90-11,04

илистый песок

34,50-55,20

23,00–36,80

13,80-22,08

Песок и гравий

69,00–172,50

46.00-115.00

27.60-69.00

Показания ядерного плотномера при полевых испытаниях материалов дорожного полотна дали значения модуля упругости от 26,2 МПа до 193 МПа. (15) Эти значения хорошо соответствуют значениям, найденным Das (10) , и не кажутся необоснованными по сравнению с данными Пенмана. (12)

При этих значениях может показаться, что выбор среднего значения для «песчано-гравийной» почвы будет уместным.Медианные значения будут: K = 80,5 МПа и G = 48,3 МПа для модулей объемного сжатия и сдвига соответственно. Однако эти значения вызвали слишком жесткую реакцию грунта при моделировании испытания на прямой сдвиг по сравнению с физическими испытаниями. Используя рекомендованные Пенманом значения 10,5 МПа и 6,22 МПа для модулей объемного сжатия и сдвига, соответственно, моделирование испытания на прямой сдвиг по-прежнему дает неоправданно жесткую реакцию грунта. Когда модули объемного сжатия и сдвига были отрегулированы до рекомендованных разработчиками значений 3.25 МПа и 1,3 МПа, соответственно, модель, по-видимому, обеспечивала более разумный прогноз жесткости грунта.

Угол внутреннего трения, PHIMAX, и когезия, COH

В 1900 году Мор представил теорию разрушения материалов, в которой утверждалось, что материал разрушается из-за критического сочетания нормального напряжения и напряжения сдвига, а не только из-за максимального нормального напряжения или напряжения сдвига. (16) Для большинства задач механики грунта достаточно аппроксимировать напряжение сдвига в плоскости разрушения как линейную функцию от нормального напряжения. (17) Следовательно, линейная функция может быть записана как:

(13)

где:

c = Сплоченность

= Нормальное напряжение

= Угол внутреннего трения

Предыдущее соотношение называется критерием отказа Мора-Кулона. Значения когезии c и угла внутреннего трения могут быть определены путем испытания на прямой сдвиг или испытаний на трехосное сжатие.Графическое представление критериев разрушения Мора-Кулона показано на рисунке 8.

Рис. 8. Графическое представление критериев разрушения Мора-Кулона.

Сплоченность

Когда почва удаляется из слоя сухого или полностью погруженного песка, материал по бокам выемки соскальзывает вниз. Такое поведение указывает на полное отсутствие связи между отдельными частицами песка. Скользящий материал не останавливается до тех пор, пока угол наклона откосов не станет равным определенному углу, известному как угол естественного откоса (угол трения, который представляет собой угол естественного откоса в несвязном материале, таком как песок). (18) Угол естественного откоса сухого песка не зависит от высоты откоса.

С другой стороны, траншея глубиной от 6,1 до 9,1 метра (м) (от 20 до 30 футов) с неподдерживаемыми вертикальными стенками может быть выкопана в жесткой пластичной глине. Этот факт указывает на наличие прочной связи между частицами глины. Однако, как только глубина траншеи превышает определенное значение, зависящее от интенсивности связи между частицами глины, стороны траншеи разрушаются, и наклон обломков, покрывающих дно выемки после разрушения, становится слишком большим. от вертикали.Связь между частицами почвы называется когезией . Никакой определенный угол естественного откоса не может быть назначен почве со связкой, потому что самый крутой склон, на котором может стоять такая почва, уменьшается с увеличением высоты склона. Однако даже песок, если он влажный, имеет видимую когезию из-за всасывания матрицы между песчинками.

В статье

Кулона (1773 г.) цитируется идея Мушенбрука (1729 г.) о том, что для строительных материалов прочность на растяжение (адгезия) примерно равна прочности на сдвиг без перекрывающего слоя (когезия). (19) Кулон обнаружил, что для физических испытаний на образцах известняка с поперечным сечением 1290 квадратных миллиметров (мм 2 ) (2 квадратных дюйма (дюйм 2 )) разрушающая нагрузка при растяжении составляла 1,91 кН (430 фунт-сила (фунт-сила)), а разрушающая нагрузка при сдвиге составляла 1,96 кН (440 фунтов-силы). Эти и другие испытания кирпича и дерева подтвердили идею Мушенбрука. Следовательно, если известно, что адгезия для некоторого материала мала или пренебрежимо мала, то когезию этого материала также следует принимать равной нулю.

По Кулону разрушение неповрежденных тел ненарушенной почвы и горной породы связано как с трением, так и с сцеплением; поток земли, который был разрушен и вновь нарушен, не предполагает сплоченности. Укладка насыпи за стеной включает в себя взлом земли кирками, перекопывание земли или битых камней в курганы, их подвоз к месту и опрокидывание за стену. Кулон трижды заявляет в своих расчетных расчетах для такой насыпи, что нет адгезии в недавно нарушенном грунте.

Для грунта, совместимого с измельченным известняком, такого как прочный грунт NCHRP 350, сцепление по определению равно нулю, поскольку это несвязный грунт. Это можно проверить, связав адгезию грунта с испытаниями на сцепление, растяжение на прочном грунте, которые показали бы отсутствие адгезии, поскольку нет связи между отдельными частями заполнителя.

Вместо того, чтобы вводить кажущееся сцепление грунта, которое само по себе является функцией деформации, лучше характеризовать пиковую прочность как сумму критического состояния угла естественного откоса плюс угол расширения.Эта скорость деформации блокировки зависит от эффективного давления и относительной плотности. (20)

Однако испытание на прямой сдвиг показывает наличие некоторой когезии диапазон разрушения имеет положительное значение, когда он проходит через ось давления. Однако следует отметить, что прочная почва не имеет сцепления. Это вызвано расширением образца почвы во время испытаний. Работа, вызванная этим эффектом, обозначенная Тейлором как interlocking , представляет собой совершенно иное явление, чем работа, вызванная трением. (21) Хотя блокировку можно рассматривать в общем смысле как сцепление частиц, важно проводить различие между двумя физическими явлениями.

Концепция совокупного сцепления Тейлора объясняет, как грунт может проявлять кажущееся сцепление при движении, проявлять кажущееся сцепление при максимальной прочности и при этом удовлетворять закону Кулона. С точки зрения механики, лучше всего представить материал с совокупным сцеплением; с точки зрения простоты, может быть лучше всего иметь искусственную связность, чтобы представить совокупную блокировку.

Сплоченность в модели почвы варьировалась в исследовании параметров для определения подходящих значений. Результаты представлены в таблице 7 и на рисунке 9. Напоминаем, что результаты в этой главе ограничиваются точкой, в которой сила, необходимая для сдвига почвы, достигла минимального значения (в таблицах это называется «долиной»). После этого моделирование продолжалось; однако силы начали нереалистично расти (как обсуждалось в главе 3).

Не оказалось, что существуют существенные различия между «маленькими» (т.е., любое значение менее 6,2e-7 гигапаскалей (ГПа)) и меньшие значения, как показано в таблице 7. Модель успешно работала даже при установке когезии на ноль; однако процедуры пластичности были ограничены параметром Itermax, максимальным числом итераций, которые позволяют алгоритму пластичности сходиться.

Таблица 7. Исследование параметров когезии.

Идентификатор теста

Угол внутреннего трения,

Сплоченность, Coh (ГПа)

Itermax

CPU * Время (секунды)

Пик

Долина

Disp (мм)

Усилие (кН)

Внутренняя энергия

Disp (мм)

Усилие (кН)

Внутренняя энергия

Т4

0.3 °

+ 6.2E-7

10

2 183

18,8

805

8529

24,5

473

13 044

Т5

0.3 °

+ 6.2E-6

10

2 177

18,8

805

8529

24,5

473

13 044

Т33

63 °

+6.2E-5

10

1 962

19,4

741

7257

25,7

395

11 907

Исходный

63 °

+6.2E-6

10

2 644

18,2

718

6795

24,6

385

11 450

Т6

63 °

+6.2E-7

10

3 608

17,1

689

6358

23,9

387

11 289

T7

63 °

+6.2E-8

10

4 038

17,0

708

6450

23,4

389

11 049

Т8

63 °

+6.2E-9

10

4 018

16,9

703

6335

24,4

396

11 975

Т9

63 °

+6.2E-10

10

3,775

16,9

708

6350

23,3

376

10 865

Т10

63 °

+0.0E + 0

10

3,727

16,9

704

6351

24,0

393

11,609

Т11

63 °

+0.0E + 0

50

12 717

16,7

685

5972

24,0

378

11 241

Т12

63 °

+0.0E + 0

100

21 647

17,1

691

6205

24,1

382

11 286

* Все времена CPU (центрального процессора), указанные в этом отчете, приведены для прогонов моделирования примерно 30 мс на SGI ® Origin ® 300, R14000 TM 500 мегагерц (МГц).

1 градус = 0,1592 радиана

Как показано на рисунке 9, уменьшение когезии выше 6,2E-7 ГПа, по-видимому, не имело каких-либо значительных эффектов. Однако при значениях выше этого кривая была смещена вправо, что указывает на задержку начальной урожайности почвенного материала. Это согласуется с традиционной механикой почвы. Сплоченность почвы задержит разрушение, вызванное химическим притяжением на молекулярном уровне.


а) Сила.


(б) Внутренняя энергия

Рис. 9. Вариации параметра когезии (Coh)

Рекомендуется, чтобы значения сцепления для несвязного грунта составляли приблизительно 6,2D-6 ГПа. Это значение кажется достаточно близким к нулю, но все же позволяет процедурам пластичности относительно быстро сходиться. Большие значения сплоченности быстро отклоняются от нулевого значения сплоченности. Однако более высокие значения позволяют более быструю сходимость алгоритмов пластичности.Следует также изучить, следует ли увеличить значение сцепления, чтобы компенсировать расширение почвы, вызванное блокировкой заполнителей Тейлора.

Угол внутреннего трения

Угол внутреннего трения ,, также является наклоном диапазона прочности на сдвиг и, следовательно, представляет эффект, который увеличение эффективного нормального напряжения оказывает на сопротивление сдвигу почвы. Для данного грунта, при сохранении всех остальных параметров постоянными, увеличение угла внутреннего трения должно увеличивать силу сдвига, необходимую для разрушения грунта.

Для несвязного грунта угол внутреннего трения равен углу естественного откоса - углу, под которым грунт оседает естественным образом. Визуально, если насыпать в кучу сухой песок, достигается максимальный угол наклона. Этот угол и есть угол естественного откоса.

Было проведено исследование параметров при изменении угла внутреннего трения. Эти значения показаны в таблице 8. Когезия поддерживалась постоянной при изменении угла внутреннего трения.Важно отметить, что этот параметр вводится в LS DYNA в радианах, а не в градусах.

Как показано на рисунке 10, поперечные силы увеличиваются с уменьшением углов внутреннего трения. Этот результат противоречит традиционным теориям механики грунтов, в которых известно, что поперечные силы уменьшаются с уменьшением углов внутреннего трения. Пользователь не смог определить, почему увеличение угла внутреннего трения снижает уровни силы.

Базовое значение 63 градуса (1.1 радиан) для угла внутреннего трения был определен в результате физических испытаний, проведенных пользователем. (6) Это значение рекомендуется для грунта NCHRP 350 из известнякового щебня. Другие типы грунта, соответствующие спецификациям NCHRP 350, следует тестировать отдельно.

Таблица 8. Исследование параметров внутреннего угла трения.

Идентификатор теста Угол внутреннего трения, Время процессора (с) Пик Долина
Disp (мм) Усилие (кН) Внутренняя энергия Disp (мм) Усилие (кН) Внутренняя энергия

Исходный

63 °

2644

18.2

718

6795

24,6

385

11 450

Т1

43 °

2692

18,6

768

7131

24.8

420

11 597

Т2

23 °

3077

18,9

769

7605

24,6

455

11 757

T3

3 °

2179

18.8

805

8529

24,5

473

13 044

1 градус = 0,1592 радиана

а) Сила.

(б) Внутренняя энергия.

Рисунок 10.Угол изменения внутреннего трения.

Коэффициент Друккера-Прагера,

AHYP

Критерий разрушения Мора-Кулона можно представить в виде прямой линии в пространстве ( м, , - ), как показано на рисунке 11. Точка, где линия пересекает ось м , соответствует вершине шестиугольная пирамида Мора-Кулона; именно здесь градиент поверхности текучести не определен.

Рисунок 11.Гиперболическое приближение Мора-Кулона.

Чтобы избежать такой угловатости, Друкер-Прагер ввел вписанный конус, который все еще имеет вершину, но в котором «гребешковые» углы сглажены. (22) Комбинации поверхностей текучести Мора-Кулона и Друкера-Прагера могут дать лучшее приближение реальных условий разрушения, чем одна только поверхность Друкера-Прагера (при этом все еще избегая сингулярности критерия текучести Мора-Кулона).

Разработчик реализовал гиперболическое приближение поверхности пластичности на основе работы Аббо и Слоана. (23) Модифицированная поверхность текучести определяется как:

(14)

где:

y = Поверхность выхода

P = Давление

= Угол внутреннего трения

J 2 = Второй инвариант девиатора напряжения

K () = Функция угла в девиаторной плоскости

Ahyp = коэффициент Друкера-Прагера

c = Сплоченность

Устранение вершинной сингулярности также чрезвычайно полезно для ускорения сходимости численных вычислений, особенно там, где существуют большие углы внутреннего трения и небольшие условия сцепления.Это в основном относится к критериям аварийности NCHRP 350, поскольку спецификации грунта Американской ассоциации государственных служащих автомобильных дорог и транспорта (AASHTO) предусматривают именно этот тип грунта.

Выбор подходящего значения для гиперболического коэффициента Ahyp важен для стабильности моделирования. Коэффициент Друкера-Прагера можно выбрать как функцию угла внутреннего трения и сцепления. (24) Разумное приближение, которое, как было установлено, дает хорошие результаты:

(15)

Для значений Ahyp ≤ cot () гиперболическая поверхность точно соответствует поверхности Мора-Кулона.При Ahyp = 0 восстанавливается исходная поверхность Мора-Кулона. Это также восстанавливает особенность вершины. При больших значениях Ahyp гиперболическая поверхность становится все более и более отличной от поверхности Мора-Кулона. Для численных соображений Ahyp следует установить на значения меньше c cot (). Графическое представление влияния Ahyp на поверхность текучести показано на рисунке 12.


Рисунок 12. Ahyp влияние на поверхность текучести.

Для начального моделирования Ahyp не изменялся в связи с изменением параметров сцепления и угла внутреннего трения. Было желательно изменять каждый параметр отдельно, таким образом, Ahyp оставался постоянным во время исследования параметров сцепления и угла внутреннего трения.

Было обнаружено, что значительное увеличение силы было обнаружено при увеличении Ahyp , как показано в таблице 9 и на рисунке 13.Параметр Ahyp не имеет значительных отличий от параметра Мора-Кулона, когда он установлен на очень малые значения (1.0E-7). Однако имейте в виду, что увеличение Ahyp до больших значений значительно отклоняется от огибающей разрушения Мора-Кулона.

Чтобы сохранить сходство с исходной огибающей разрушения Мора-Кулона, рекомендуются значения порядка 1.0E-7. Для внутреннего угла трения Phimax, равного 63 градусам (1,1 радиана), и сцепления 6.2E-6 ГПа, уравнение 15 дает значение Ahyp = 1,58E-7 ГПа.

Таблица 9. Влияние параметра материала Ahyp .

Идентификатор теста

Ахип (ГПа)

Процессорное время (с)

Пик

Долина

Disp (мм)

Усилие (кН)

Внутренняя энергия

Disp (мм)

Усилие (кН)

Внутренняя энергия

Т16

-1.0E-7

2636

18,2

718

6795

24,6

385

11 450

Т15

0,0

2636

18.6

730

7148

24,5

392

11,369

Исходный

1.0E-7

2644

18,2

718

6795

24.6

385

11 450

Т14

1.0E-3

3017

17,3

839

8181

28,6

653

20 416

а) Сила.

(б) Внутренняя энергия.

Рисунок 13. Варианты параметров Ahyp .

Для решения глобальной системы нелинейных уравнений пластичности часто требуется итерационный подход. Хотя существуют неитеративные методы, такие как радиальный возврат, эти алгоритмы могут привести к неточным результатам. Модель грунта FHWA реализует итеративную схему пластичности для решения уравнений пластичности.

Итерационные подходы требуются, потому что решение нелинейной системы не обязательно находится в состоянии равновесия. Деформационное упрочнение или разупрочнение могло привести к тому, что текущее напряженное состояние вышло за пределы поверхности текучести, и необходимо использовать итерационные схемы, такие как метод Ньютона-Ральфсона или другие методы, чтобы гарантировать, что модель пластичности сходится к истинной поверхности пластичности.

Itermax контролирует количество итераций процедуры пластичности. В случаях, когда когезия Coh чрезвычайно мала, получение сходимости может занять несколько итераций.Это качество присуще большинству программ пластичности и может существенно повлиять на точность и точность моделирования.

Исследование параметров было выполнено, управляя когезией, Coh, и максимальным количеством итераций для процедур пластичности, Itermax. Результаты показаны в таблице 10 и на рисунке 14.

Таблица 10. Исследование Itermax.

Идентификатор теста

Cohesion, Coh

Itermax

Процессорное время (с)

Пик

Долина

Disp (мм)

Усилие (кН)

Внутренняя энергия

Disp (мм)

Усилие (кН)

Внутренняя энергия

Т10

0.0

10

3,727

16,9

704

6351

24,0

393

11,609

Т11

0,0

50

12 717

16.7

685

5972

24,0

378

11 241

Т12

0,0

100

21 647

17.1

691

6205

24,1

382

11 286

Т29

6.2E-6

1

814

18.5

737

7412

24,3

397

11 856

Т30

6.2E-6

3

1,050

18.8

743

7449

24,5

388

11 652

Т31

6.2E-6

5

1,679

18.5

732

7135

24,7

386

11 695

T32

6.2E-6

7

1,772

18.7

739

7255

25,6

403

12 677

Исходный

6.2E-6

10

2 644

18.2

718

6795

24,6

385

11 450

Т27

6.2E-6

15

4 507

17.7

696

6331

24,2

376

10 984

Т28

6.2E-6

100

20 770

17.4

677

5818

24,2

368

10 473

(a) Сплоченность = 6.2E-06.


(б) Сплоченность = 0,0

Рисунок 14.Вариации параметров Itermax.

Пользователь не смог определить, существует ли критерий сходимости в модели грунтового материала (увеличение Itermax всегда приводило к увеличению времени выполнения, без очевидной проверки выполнения какого-либо типа критериев сходимости).

Когда когезия установлена ​​на рекомендуемое значение 6.2E-6, низкие числа Itermax (от 1 до 20) дают примерно такой же ответ. Хотя разработчик рекомендовал использовать Itermax = 10, похоже, что значительное время ЦП можно сэкономить с более низкими значениями Itermax без потери точности.Однако при Itermax = 100 наблюдается значительная разница в результатах. Этот параметр определенно нуждается в пересмотре, когда модель грунта способна справиться с ситуациями с большей деформацией (например, при возможности правильно выдержать испытание на прямой сдвиг с прогибом до 100 или 200 мм, а не только 25 мм в текущей реализации).

Eccen - параметр эксцентриситета для третьего инварианта напряжения. Чтобы обобщить форму поверхности текучести в девиаторной плоскости, разработчик изменил стандартную функцию Mohr-Coulomb K (t) на функцию, разработанную Клисински. (25-26) Функция доходности Клисинского принимает вид:

(16)

где:

(17)

J 3 = Третий инвариант девиатора напряжения

e = Отношение прочности на растяжение к прочности на сжатие (Eccen)

Отношение прочности на растяжение к прочности на сжатие, Eccen, является параметром эксцентриситета, отвечающим за третий инвариант ( J 3 ).Если Eccen установлен на 1.0, то образуется круглая коническая поверхность. Если Eccen установлен на 0,55, то образуется треугольная поверхность. Функция K () определена для значений Eccen в следующем диапазоне: 0,5 < e 1,0.

Исходные модели включали значение Eccen = 0,7. Это создает относительно гладкую поверхность текучести без чрезмерного сглаживания углов поверхности текучести. Авторам неизвестны какие-либо физические испытания или теоретические средства для определения рекомендуемых значений Eccen.

Параметры деформационного упрочнения,

A n и E t

Для моделирования нелинейного деформационного упрочнения угол внутреннего трения,,, увеличивается в зависимости от эффективной пластической деформации, eff пластик . Он увеличивается в зависимости от E t , количества желаемых эффектов нелинейного деформационного упрочнения, и A n , процента Phimax, при котором начинается нелинейное поведение.Увеличение угла внутреннего трения определяется уравнением:

(18)

Для ввода в LS-DYNA, A n выражается в виде десятичной дроби со значениями от 0 до 1,0 (от 0 до 100 процентов). E t влияет на скорость, с которой происходит нелинейное упрочнение. Авторам неизвестны какие-либо физические испытания или теоретические средства для определения рекомендуемых значений для A n или E t ..

Содержание влаги, MCONT

Повышение влажности значительно снижает прочность почвы на сдвиг. (27) Кроме того, сообщалось, что заметное снижение коэффициентов Пуассона происходит из-за увеличения содержания влаги. (28) Разработчик решает эту проблему, уменьшая второй инвариант напряжения, J 2 , чтобы получить результирующую потерю прочности на сдвиг. Важно отметить, что для того, чтобы Mcont оказывал какое-либо действие, параметры Pwd1, Pwd2 и PwKsk также должны быть активны.

Хотя NCHRP 350 не дает конкретного критерия содержания влаги, для проведения краш-тестов спецификация материала требует уплотнения при оптимальном содержании влаги или близком к нему. Как правило, оптимальное содержание влаги составляет от 4 до 5 процентов в пересчете на сухой вес. Как правило, содержание влаги после уплотнения и перед краш-тестом существенно не меняется. Для испытания на прямой сдвиг, обсуждаемого в этом отчете, влажность составляла 0 процентов.

На момент написания этой статьи эффекты влажности не учитывались в модели почвы FHWA.

Влияние поровой воды на модуль объемной упругости, PWD1

Чтобы моделировать влияние влаги и воздушных пустот, модель грунтового материала FHWA модифицирует непористый объемный модуль, используя константу, относящуюся к жесткости грунтового материала до того, как воздушные пустоты схлопнутся. В форме уравнения это:

(19)

где:

K i = Модуль непористой объемной упругости

n cur = Текущая пористость (максимум 0 или ( w - v ))

w = Объемная деформация, соответствующая объему воздушных пустот = n (1 - S )

v = Общая объемная деформация

D 1 = Параметр, контролирующий жесткость перед схлопыванием воздушных пустот (Pwd1)

n = Пористость почвы = (e, 1 + e) ​​

e = Коэффициент пустоты =

S = Степень насыщенности =

sp , m c , w = плотность почвы, удельный вес, содержание влаги и плотность почвы.

Соответствующие значения для Pwd1 должны быть больше нуля, но соответствующий верхний предел неизвестен. При Pwd1 = 0 используется стандартный линейный модуль объемной упругости K i . Если Pwd1 не установлен на 0,0, модуль объемной упругости K должен быть модулем объемной упругости в полностью сжатом состоянии. Увеличение этого значения снижает жесткость отклика почвы. Информация, предоставленная разработчиком, включала значения Pwd1 в диапазоне от 0,0 до 10,0.

Развитие избыточного порового давления в матрице почвы зависит от части порового пространства, занятой жидкостью, скорости, с которой жидкость может перемещаться через матрицу почвы, и движущей силы, перемещающей жидкость.Рассеяние избыточного порового давления является ключевым параметром для понимания динамических характеристик грунтов. В условиях частичного насыщения необходимо учитывать движение воздуха и жидкости, чтобы определить влияние избыточного порового давления на прочностные характеристики грунта. Для определения скорости рассеяния порового давления ключевым параметром является проницаемость матрицы почвы (как по жидкости, так и по воздуху). Избыточное поровое давление создается за счет уплотнения порового пространства почвы, что приводит к локальному увеличению давления жидкости / воздуха.Это давление рассеивается со скоростью, зависящей от величины давления и сопротивления потоку жидкости / воздуха в матрице почвы. В прочном грунте NCHRP 350 относительная проницаемость высока, а это означает, что эффекты избыточного порового давления имеют тенденцию быть локализованными и непродолжительными. Критерии уменьшения порового давления относительно ткани почвы не ясны из резюме технического отчета разработчика. Без учета проницаемости не было бы способа рационально решить проблему избыточного порового давления.

Избыточное давление поровой воды снижает общее давление и снижает прочность почвы на сдвиг. Большое давление поровой воды может привести к исчезновению эффективного напряжения, вызывая разжижение почвы. Чтобы смоделировать эффекты избыточного давления поровой воды, модель почвенного материала FHWA рассчитывает давление поровой воды, и , аналогично влиянию влажности на модуль объемной упругости:

(20)

где:

K sk = Модуль непористой объемной упругости

n cur = Текущая пористость (максимум 0 или ( w - v ))

w = Объемная деформация, соответствующая объему воздушных пустот = n (1 - S )

v = Общая объемная деформация

D 2 = Параметр давления поровой воды перед схлопыванием воздушных пустот (Pwd2)

n = Пористость почвы

e = Коэффициент пустоты =

S = Степень насыщенности =

, sp , mc, w = плотность почвы, удельный вес, влажность и плотность воды.

Давление поровой воды не должно становиться отрицательным. Если Pwd2 установлен относительно высоким по сравнению с Ksk , давление поровой воды не возникает до тех пор, пока объемная деформация не станет больше деформации, связанной с воздушными пустотами. Когда Pwd2 понижается, поровое давление начинает увеличиваться до того, как воздушные пустоты полностью схлопываются.

Для начальной пористости и объемных модулей параметр Pwd2 может быть рассчитан с использованием параметра давления поровой воды Скемптона B , как определено ниже:

(21)

Это позволяет напрямую рассчитать параметр поровой воды Pwd2, как показано ниже:

(22)

Опять же, комментарии из предыдущего раздела относятся к этому входу.Кроме того, предполагается, что избыточное поровое давление используется для уменьшения эффективного напряжения с соразмерным влиянием на прочность на сдвиг. С точки зрения прочности на сдвиг, отрицательные поровые давления, возникающие из-за капиллярного подъема, наблюдаемого во многих матрицах грунта (прочный грунт NCHRP 350 не будет включен в этот список), важно учитывать при разработке разумных критериев разрушения. Отрицательное поровое давление, являющееся источником кажущейся когезии в песках, может влиять на пиковую прочность на сдвиг. Однако на практике авторам неизвестны какие-либо физические испытания или теоретические средства для определения конкретных рекомендуемых значений Pwd2.

Модуль объемной упругости каркаса, PWKSK

Объемный модуль упругости каркаса - это параметр, который также определяет степень влияния давления поровой воды на объемный модуль. Чтобы исключить влияние поровой воды, этот параметр установлен на ноль.

Для песков Стивен обнаружил, что объемный модуль упругости сухого каркаса на два порядка ниже модуля объемного сжатия зерна. Единицами измерения (напряжения) модуля объемной упругости являются гигапаскали. Однако на практике авторам неизвестны какие-либо физические испытания или теоретические средства для определения конкретных рекомендуемых значений для PwKsk.

Прочность на остаточный сдвиг, PHIRES

Это угол в радианах наклона огибающей разрушения, ult . Этот диапазон разрушения определяет остаточную прочность после начала разрушения при сдвиге. Реализация этого значения зависит от материала. Другими словами, не существует фиксированной деформации, при которой подходит это значение. Как показали испытания на прямой сдвиг, проведенные пользователем, после пика прочность на сдвиг постепенно снижается.Крутизна этого уменьшения зависит от формы частиц и, в частности, от плотности. Расширение и сжатие материала играют важную роль в этой ценности. Остаточная прочность на сдвиг определяется как:

(23)

где:

с остаточная = остаточная прочность на сдвиг

'= Эффективное напряжение

ult = Остаточный угол внутреннего трения

Эту прочность легко определить для большинства материалов; однако текущее ограничение модели на расчет сверх пиковой прочности на сдвиг в испытаниях делает невозможным оценку этого параметра.Скорость изменения от до менее доступна, но может быть определена для представляющих интерес почв и соответствующих условий замкнутого пространства.

Энергия образования пустот, V DFM и объемная деформация, DINT

Когда модели материала включают смягчение деформации, необходимо использовать специальные методы для предотвращения чувствительности сетки. Чувствительность сетки - это тенденция конечно-элементной модели давать существенно разные результаты при уменьшении размера элемента. Чувствительность сетки возникает из-за того, что смягчение в модели концентрируется в одном или нескольких элементах.

Чтобы уменьшить влияние смягчения деформации на чувствительность сетки, параметр смягчения (деформация при полном повреждении) должен изменяться при изменении размера элемента. Модель почвы FHWA использует входной параметр Vdfm ( Gf ), который аналогичен энергии разрушения металлов. Параметр образования пустот - это площадь под областью размягчения кривой объемной деформации давления, умноженная на кубический корень из объема элемента, V ⅓:

(24)

где:

xo = начальная пороговая деформация повреждения, Dint

Если Gf сделать все меньше по сравнению с, размягчение станет все более хрупким.И наоборот, большее отношение Gf к приведет к тому, что разупрочнение станет более пластичным.

Dint - объемная деформация при пиковом давлении. Физически это точка, в которой начинают проявляться эффекты повреждения, так что Dint можно представить как деформацию при начальном повреждении.

Авторам неизвестны какие-либо физические испытания или теоретические средства для определения рекомендуемых значений для Vdfm или Dint.

Deletion Damage, D AMLEV, и PRINCIPAL Failure Strain, E PSMAX

По мере того, как деформационное смягчение (повреждение) увеличивается, эффективная жесткость элемента может стать очень маленькой, вызывая серьезную деформацию элемента.Одно из решений этой проблемы - удаление этих искаженных элементов. Дамлев - это процент повреждений, выраженный в десятичной дроби, которые вызывают удаление элемента. Epsmax - это максимальная основная деформация разрушения, при которой элемент удаляется. Важно отметить, что значения Damlev и Epsmax должны быть превышены, чтобы произошло удаление элемента. Если желательно отключить удаление элементов, Damlev следует установить в ноль.

В настоящей заявке эрозия элементов почвы является нестабильным процессом и не рекомендуется.Это обсуждается далее в главе 5.

Авторам неизвестны какие-либо физические испытания или теоретические средства для определения рекомендуемых значений Damlev или Epsmax.

Предыдущая | Содержание | След.

% PDF-1.5 % 1 0 объект > эндобдж 2 0 obj > поток конечный поток эндобдж 3 0 obj > / ProcSet [/ PDF / Text] / Font> / Properties >>> / MediaBox [0 0 595 808] / StructParents 1 / Rotate 0 >> эндобдж 5 0 obj > поток HWo8 ~ _tQ? -B4-nAi [[Er!% ER $ 3ÙofWo7PofWǓz ~ BiUiT) E> ة | V] ^]] Uoc9V {{uZJjGqjQ4YU * ƿJᶨ * Y + Ww (\ dn> 0 ު pde ‡ $ ^ x "9_FNqjyoWa (u? MO4u ۃ (\ q! 4aeI_ 5ϛ14KyG = I) M ޾ޮ / # = wopҹz9L ֕ 4! (/ * U4UZ] t" + Ԃ] + стр.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *