Прочность на сдвиг (грунт) - Shear strength (soil)

Типичная кривая напряжения-деформации для дренированного дилатант почва

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

Линия критического состояния разделяет состояние расширения и сжатия почвы.

Характер изменения объема и межчастичное трение зависят от плотности частиц, сил межзеренного контакта и, в несколько меньшей степени, от других факторов, таких как скорость сдвига и направление напряжения сдвига. Средняя нормальная сила межкристаллитного контакта на единицу площади называется эффективный стресс.

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

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

Для недренированной резки с постоянным объемом Треска теория может использоваться для прогнозирования прочности на сдвиг, но для дренированных условий Теория Мора – Кулона может быть использовано.

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

Факторы, контролирующие прочность грунта на сдвиг

На соотношение напряжения и деформации грунтов и, следовательно, на прочность на сдвиг, влияет (Поулос 1989 ) к:

1. состав почвы (основной почвенный материал): минералогия, размером с зернышко и гранулометрический состав, форма частиц, тип и содержание поровой жидкости, ионы на зерне и в порах жидкость.
2. состояние (начальное): Определяется начальным коэффициент пустотности, эффективное нормальное напряжение и напряжение сдвига (история напряжений). Состояние можно описать такими терминами, как: рыхлый, плотный, переуплотненный, нормально консолидированный, жесткий, мягкий, сжимающийся, расширяющийся и т. Д.
3. структура: Относится к расположению частиц в почвенной массе; способ упаковки или распределения частиц. Такие особенности, как слои, стыки, трещины, гладкие поверхности, пустоты, карманы, цементация и т. д., являются частью структуры. Структура грунта описывается такими терминами, как: ненарушенный, нарушенный, переформованный, уплотненный, зацементированный; хлопьевидный, соты, мелкозернистый; флокулированный, дефлокулированный; слоистые, слоистые, ламинированные; изотропный и анизотропный.
4. Условия нагрузки: Эффективный путь напряжения, т. е. осушенные и недренированные; и тип нагрузки, то есть величина, скорость (статическая, динамическая) и история во времени (монотонная, циклическая).
5. Ограничивающее напряжение также влияет на прочность грунта на сдвиг, поскольку для разрушения требуется большее отклоняющее напряжение, если грунт находится под высоким ограничивающим давлением.

Неиссякаемая сила

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

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

• Ориентация напряжений
• Путь стресса
• Скорость стрижки
• Объем материала (например, для трещиноватых глин или горной массы)

Недренированная сила обычно определяется Теория Трески, на основе Круг Мора в качестве:

σ₁ - σ₃ = 2 S_ты

Где:

σ₁ это главный главный стресс

σ₃ это незначительное основное напряжение

${displaystyle au}$ сила сдвига (σ₁ - σ₃)/2

следовательно, ${displaystyle au}$ = S_ты (или иногда c_ты), недренированная сила.

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

Как следствие недренированного состояния, нет эластичный объемные деформации происходят, и таким образом Коэффициент Пуассона предполагается, что остается 0,5 в течение всего периода резки. Модель почвы Tresca также предполагает отсутствие пластических объемных деформаций. Это важно для более сложных анализов, таких как анализ методом конечных элементов. В этих расширенных методах анализа для моделирования недренированного состояния могут использоваться модели почвы, отличные от Tresca, включая модели почвы Мора-Кулона и критического состояния, такие как модифицированная модель каменно-глина, при условии, что коэффициент Пуассона поддерживается на уровне 0,5.

Одним из соотношений, широко используемых практикующими инженерами, является эмпирическое наблюдение, что отношение недренированной прочности на сдвиг c к исходному напряжению консолидации p 'является приблизительно постоянным для данного коэффициента избыточного уплотнения (OCR). Эти отношения были впервые формализованы (Хенкель 1960 ) и (Хенкель и Уэйд, 1966 г. ), который также расширил его, чтобы показать, что характеристики напряжения-деформации повторно формованных глин также могут быть нормализованы по отношению к исходному напряжению консолидации. Постоянное соотношение c / p также может быть получено из теории как для критического состояния.^{[нужна цитата ]} и установившаяся механика грунтов (Джозеф 2012 ). Это фундаментальное свойство нормализации кривых напряжения-деформации обнаруживается во многих глинах и было усовершенствовано в эмпирическом методе SHANSEP (история напряжений и нормализованные инженерные свойства грунта) (Ladd & Foott 1974 ).

Прочность на сдвиг после истощения

Прочность на сдвиг дренированного грунта - это прочность почвы на сдвиг, когда давление поровой жидкости, возникающее в процессе сдвига почвы, может рассеиваться во время сдвига. Это также применимо, когда в почве нет поровой воды (почва сухая) и, следовательно, давление поровой жидкости незначительно. Обычно его аппроксимируют с помощью уравнения Мора-Кулона. (Это было названо "уравнением Кулона" Карл фон Терзаги в 1942 г.) (Терзаги 1942 г. ) объединил его с принципом эффективного стресса.

Что касается эффективных напряжений, прочность на сдвиг часто приблизительно определяется следующим образом:

${displaystyle au}$ = σ 'tan (φ') + c '

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

φ ' = эффективный угол трения напряжения или «угол внутреннего трения» после Кулон трение. В коэффициент трения ${displaystyle mu}$ равно tan (φ '). Могут быть определены различные значения угла трения, включая максимальный угол трения φ '_п, угол трения в критическом состоянии, φ '_резюме, или угол остаточного трения φ '_р.

c '= называется сплоченность однако это обычно возникает как следствие того, что прямая линия проходит через измеренные значения (τ, ​​σ '), даже если данные на самом деле попадают на кривую. Пересечение прямой линии на оси напряжения сдвига называется сцеплением. Хорошо известно, что результирующее пересечение зависит от диапазона рассматриваемых напряжений: это не фундаментальное свойство грунта. Кривизна (нелинейность) огибающей разрушения возникает из-за того, что дилатансия плотно упакованных частиц грунта зависит от ограничивающего давления.

Теория критического состояния

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

• Пиковая сила ${displaystyle au}$_п
• Критическое состояние или постоянная объемная прочность ${displaystyle au}$_резюме
• Остаточная прочность ${displaystyle au}$_р

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

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

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

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

Использование на практике: если принять теорию критического состояния и взять c '= 0; ${displaystyle au}$_п могут использоваться при условии, что учитывается уровень ожидаемых деформаций и учитываются эффекты потенциального разрыва или деформационного смягчения до критических значений прочности. При большой деформации деформации потенциал образования гладкой поверхности с φ '_р следует учитывать (например, забивание свай).

Критическое состояние возникает при квазистатической скорости деформации. Он не учитывает различия в прочности на сдвиг в зависимости от различных скоростей деформации. Также в критическом состоянии нет выравнивания частиц или конкретной структуры почвы.

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

Устойчивое состояние (сдвиг грунта на основе динамических систем)

Уточнением концепции критического состояния является концепция устойчивого состояния.

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

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

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

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

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

Смотрите также

• Гражданское строительство
• Испытание на прямой сдвиг
• Теория динамических систем
• Земляные работы (инженерия)
• Эффективный стресс
• Геотехническая инженерия
• Гранулированный материал
• Публикации по геотехнической инженерии
• Механика грунта
• Стабилизация почвы
• Проседание
• Испытание на трехосный сдвиг

Рекомендации

внешняя ссылка

• Типичные значения угла трения для грунтов
• Сдвиг грунта в критическом состоянии
• Критика упругопластического сдвига грунта