WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

С учетом трудностей относительно невозможности проведения длительных испытаний на сдвиг образцов грунта, содержащего крупнообломочные скальные частицы, нам представлялось, что более перспективной является идея ускоренного испытания образцов грунта цилиндрической формы в условиях их одноосного сжатия на динамометрическом приборе. Принципиальная схема таких испытаний была ранее рекомендована С.С. Вяловым для определения длительной прочности глинистых грунтов.

В соответствии с этой схемой, после создания на динамометре с помощью винтового пресса начального вертикального напряжения, его положение фиксируется и базовая величина, равная сумме высоты сжатого динамометра (пружина) и высоты образца, остается неизменной на весь период проведения испытания. Это условие является необходимым для реализации процесса релаксации напряжений в строгом виде. Под воздействием приложенного напряжения в образце начинают развиваться деформации ползучести, которые будут приводить к разжатию пружины динамометра и падению напряжения на образец грунта во времени. Этот процесс в свою очередь автоматически вызовет снижение скорости ползучести грунта и т.д. Поскольку процесс релаксации напряжений протекает значительно быстрее процесса ползучести, то на испытания грунта в условиях динамометрической схемы нагружения требуется значительно меньше времени, чем на обычные испытания.

Привлекательность данной методики для проведения реологических исследований для грунтов, содержащих значительное количество крупнообломочной (>2 мм) фракции, заключается в том, что ее присутствие не мешает как процессу предварительного формирования образца цилиндрической формы для испытаний, который может иметь в принципе любые размеры (диаметр и высоту), так и процессу испытания, реализуемому в условиях одноосного сжатия.

Далее, во второй главе был рассмотрен вывод уравнения состояния системы, отвечающей условиям динамометрического испытания грунта. Эта система состоит из двух основных блоков: пружины динамометра, являющегося упругим элементом тела Гука, и образца грунта, реологическая модель которого может быть в общем случае различной. Применительно к глинистым грунтам, которые содержат крупнообломочную фракцию в количестве >10 %, предполагалось, что начальное напряжение к моменту завершения процесса релаксации не снизится до нуля, а примет конечное значение. Тогда в схеме динамометрического прибора испытуемый грунт отвечает поведению вязкопластичной модели, состоящей из двух параллельно соединенных тел- пластичного тела Сен- Венана и вязкого тела Ньютона. В этом случае представлялось вполне очевидным, что последовательное соединение этих элементов (образец грунта) еще и с упругим элементом в виде пружины динамометра переводит всю систему в общую реологическую модель типа Бингама - Шведова.

При постоянной деформации этого тела в условиях одноосного сжатия начальным напряжением уравнение релаксации имеет следующий вид:

, (1)

где - время (период) релаксации, а Е - известный модуль упругости пружины динамометра. Период релаксации определяется по экспериментальной кривой релаксации и соответствует моменту времени, когда разница между начальным и конечным напряжениями (-) уменьшается в “e” раз, т.е. в 2,7 раза.

Выполненный нами анализ показал, что для практического использования данной схемы испытания грунтов необходимо так подобрать жесткость пружины динамометра, чтобы возможные абсолютные деформации динамометра в связи с релаксацией его напряжений за счет деформации образца грунта оказывались больше возможных абсолютных деформаций последнего. В противном случае, т.е. если жесткость динамометрической пружины велика, то вне зависимости от вида грунта будет достаточно очень небольшой вертикальной деформации образца, и напряжения на динамометре уменьшатся до нуля.

Третья глава диссертации содержит результаты экспериментальных исследований. Исследования по изучению динамической вязкости глинистых грунтов, содержащих более 10 % крупнообломочных (> 2мм) частиц, проводились на специальном приборе (рис.1), состоящем из 10 вертикальных винтовых динамометрических прессов. Каждый винтовой пресс (1) позволяет через шарик и круглый штамп (2) передать вертикальную начальную нагрузку (напряжение ) на образец грунта (3). Образец грунта в свою очередь помещается на основание (4), которое опирается на динамометрическую пружину (5), укрепленную на базе (6). Замер начальных деформаций сжатия динамометрической пружины (а, следовательно и напряжений ) и деформаций образца грунта осуществляется с помощью мессуры (7). Образцы грунта для исследований приготовлялись следующим образом. В качестве базового грунта был выбран суглинистый грунт со следующими характеристиками. Суммарное содержание частиц: песчаных- 55,0%, пылеватых- 32,8 %, глинистых- 13,6 %. Граница раскатки- Wp=19.9 %; граница текучести - WL=34.5 %; число пластичности Ip=14.6 %.

Рис.1. Динамометрический прибор одноосного сжатия

Грунт доводился до границы текучести и далее смешивался с гранитной дресвой (фракция 2...10 мм) в следующих пропорциях: 10; 20; 30 %. Затем полученные смеси загружались в цилиндры уплотняющего прибора и на них давалась нагрузка предварительного уплотнения, равная 0,05 МПа. После завершения процессов предварительного статического уплотнения во времени (консолидации) образцы помещались в динамометрический прибор. Для предотвращения подсыхания грунтовых образцов они заключались в полиэтиленовые пакеты.

В целях уточнения степени влияния крупнообломочной фракции на компрессионные свойства и конечное состояние испытуемых образцов грунта, особенно в части результирующей влажности тонкодисперсной (менее 2 мм) его составляющей, нами параллельно были проведены исследования и компрессионных их свойств. Результаты этих исследований представлены в форме зависимостей компрессионного модуля осадки ep [мм/м] от уплотняющей нагрузки на графике рис. 2.

Рис.2. Компрессионные кривые при различном

содержании фракции >2 мм (2...10 мм)

Его анализ показывает, что увеличение содержания крупнообломочной фракции сверх 10 % оказывает существенное влияние на величину компрессионной характеристики, а следовательно, и на сжимаемость грунта. Это влияние возрастает по мере увеличения процентного содержания крупнообломочной фракции и выражается в первую очередь в снижении сжимаемости грунта и возможности его необратимо уплотняться под воздействием постоянной статической нагрузки. Примечательно, что при наличии обломочных включений до 10 % компрессионные свойства грунта остаются неизменными, но они начинают изменяться, если количество этих включений увеличивается. Это обстоятельство в свою очередь означает, что по мере возрастания процентного содержания в грунте крупнообломочной фракции сверх 10 % конечная влажность его мелкодисперсной части должна неизбежно возрастать при той или иной постоянной уплотняющей нагрузке.

В самом деле, как показало их взвешивание, при содержании щебня до 10 % образцы потеряли в среднем 12 % влаги, а при 30 % содержании фракции 2...10 мм, эта потеря составила только 8,5 %. Если принять потерю влаги при содержании фракции 2...10 мм за 100 %, то относительная потеря влаги при наличии щебня 20 и 30 % составила соответственно 20,8 и 29,2 %, т.е. прослеживается обратная зависимость способности грунта отдавать воду при уплотнении с увеличением содержания в его составе крупнообломочной фракции.

Рис.3. Характер релаксации вертикальных напряжений, и рост деформаций образца во времени при содержании фракции 2...10 мм 20 %

В процессе исследований производились наблюдения за деформациями образцов и соответствующими им деформациями динамометрических пружин. Один из характерных результатов этих исследований представлен на рис.3, где даны кривые, описывающие релаксацию вертикальных напряжений, приложенных на образец грунта, и соответствующий характер деформирования этих образцов.

Анализ релаксационных кривых подобного вида (рис. 3), в частности, показал, что при любом содержании в образцах грунта крупнообломочной фракции 2...10 мм установившиеся напряжения в динамометрах не уменьшаются до нуля, а принимают некоторые конечные значения, величина которых возрастает по мере увеличения содержания в грунте крупнообломочной фракции 2...10мм. Если в исследуемом грунте содержится только 10 % крупнообломочной фракции, то наличие остаточных, нерелаксируемых напряжений, можно объяснить только набранной прочностью грунта после его предварительного уплотнения и ощутимой потери влаги.

Но по мере возрастания содержания в грунте крупнообломочной фракции 2...10 мм происходит увеличение ее влияния на достижимую конечную влажность грунта при его предварительном уплотнении, и поэтому увеличение значений остаточных напряжений объясняется наличием все усиливающейся роли скелетного каркаса, который все в большей и большей степени начинает воспринимать внешние напряжения, несмотря на возрастающую влажность мелкодисперсной составляющей грунта.

Наличие конечных пороговых значений напряжений прежде всего свидетельствует, что процесс ползучести и соответственно релаксации напряжений применительно к исследуемым образцам грунта происходил лишь в пределах активной части вертикальных напряжений, равных. С увеличением содержания крупнообломочной фракции от 10 до 30 % величина уменьшается от 3,7 до 1,8 Па. Данный результат вполне логичен и свидетельствует о том, что по мере увеличения в грунте содержания прочного скелетного каркаса, представленного фракцией скальных обломков 2...10 мм, резерв развития возможных деформаций ползучести в условиях одноосного сжатия уменьшается в два раза!

Фиксируя далее время уменьшения напряжений в каждом опыте (см. рис.3) в 2,7 раза, в соответствии с формулой (1) были получены сначала величины периодов релаксации напряжений Тrel, а затем вычислены величины коэффициентов динамической вязкости.

На рис.4 представлен результат этих расчетов в виде графика зависимости величины динамической вязкости грунта от содержания в грунте крупнообломочной фракции 2...10 мм. Хорошо видно, что увеличение в грунте фракции 2...10 мм от 10 до 30 % приводит к возрастанию коэффициента динамической вязкости почти на порядок, т.е. с 6·1011 до 1,6·1012 Па·с.

Четвертая глава посвящена рассмотрению путей использования полученных результатов для практического прогноза длительных деформаций обочин и ограждающих конструкций дорожных насыпей. Для изучения особенностей длительного деформирования обочин дорожных насыпей, предварительно используя дифференциальное уравнение в частных производных Э.М. Доброва, была получена формула, позволяющая определить очертания контура насыпи и возможные деформации ползучести элементов конструкции насыпи, развивающиеся во времени в период ее эксплуатации.

Рис.4. Характер изменения коэффициента динамической вязкости грунта в зависимости от наличия крупнообломочной фракции (2...10 мм) в %

На рис.5 представлены эпюры деформаций ползучести бровок откосов и обочин насыпи высотой и шириной по верху 15 м, в зависимости от величины фактора времени Dt. Анализ этих эпюр показывает, что деформации искажения контура насыпи начинают развиваться от бровки откоса, постепенно захватывая контур обочины.

Однако при одном и том же значении параметра Dt величина накопленных деформаций бровки откоса снижается с уменьшением его крутизны. Так, при Dt=0,4 м2 деформация бровки откоса крутизной 1:1 составляет 36 см, а если откос уполаживается до 1:3 – осадка уменьшается до 12 см. Характерно также, что с уположением откоса при одной и той же степени захвата обочин деформациями ползучести величина осадки бровки и общая крутизна деформированной части обочины уменьшаются.

К моменту подхода деформаций ползучести к кромке конструкции дорожной одежды сами обочины успевают претерпеть деформации, при которых происходит существенное, сверх допустимого, увеличение поперечного их уклона, а насыпь приобретает серповидный профиль.

Рис.5. Эпюры деформаций контура обочины насыпи (H=15 м, b= 7,5 м) во времени (крутизна откоса 1:1,5)

Одновременно с искажением профиля обочин происходит нарастание деформаций опускания ограждающих конструкций барьерного типа, которые согласно требованиям норм СНиП 2.05.02-85 располагаются на насыпях высотой выше 2 м при крутизне откосов 1:3 и более. В соответствии с этим документом столбики ограждающих конструкций барьерного типа устанавливаются на расстоянии не менее 0,5 м от бровки земляного полотна.

Именно этот элемент дорожной конструкции, выполняющий роль колесоотбойного механизма и обеспечивающий создание безопасных условий движения автотранспорта, первым начинает реагировать и испытывать на себе деформации ползучести обочины дорожной насыпи. Поэтому ранее (Добров Э.М., Апестин В.К., Горелышев Н.В.) было предложено ограничить максимально допустимую деформацию опускания столбиков или бруса ограждающих конструкций величиной 5...15 см в зависимости от категории дороги и за период межремонтных сроков службы покрытий 10 - 20 лет, исходя из степени их капитальности.

С учетом изложенного нами, используя эпюры деформаций ползучести обочин (рис.5), был осуществлен переход от предельно допускаемых осадок ограждений к предельно допустимым деформациям ползучести бровок откосов.

Развивая этот подход, далее целесообразном установить сначала допустимые значения коэффициента деформируемости Dдоп (табл.1), а затем и допустимые минимальные значения коэффициента динамической вязкости грунта насыпи высотой 15 м (табл.2).

В таблицах 1 - 3 представлены результаты подобных расчетов применительно к крутизне откосов насыпи 1:1,5 как наиболее часто применяемой.

Таблица 1

Предельные максимальные величины коэффициента деформируемости Dдоп для насыпей с крутизной откосов 1 : 1,5 и различных типов дорожных покрытий ()

Категория

дороги

Параметр

, м2

Максимально допустимый

коэффициент дефомируемости Dдоп, м2/год

усоверш. (капитальные)

усоверш.

жесткие

нежесткие

облегченные

I

0,75

0,0375

0,050

-

II

1,50

0,0750

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»