Способ определения гравитационного давления и коэффициентов общего бокового давления и общей относительной поперечной деформации грунтовой и торфяной среды
Патент 2565390
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Способ определения гравитационного давления и коэффициентов общего бокового давления и общей относительной поперечной деформации грунтовой и торфяной среды
Иллюстрации
Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия» весомой среды в ее массиве и на краях откосов в естественном и нарушенном состоянии. На глубине h весомого материального массива определяют на отобранных образцах среды в лабораторных условиях параметры ее угла φстр внутреннего трения, сстр - удельного сцепления. Рассчитывают по зависимостям φн=arcsin[2sinφстр/(1+sin2φстр)]-φстр, cн=cстр[2-tgφн/tgφстр] соответственно параметры угла внутреннего трения и удельного сцепления среды на глубине испытания в нарушенном по структуре состоянии, где pб=(γстрh-cстр)ctgφстр - бытовое давление на глубине h. Определяют величину тангенциального бытового давления на глубине h как τxy=px=py=γстрh·cos2φстр. По зависимости автора определяют параметры коэффициента общего бокового давления среды в состоянии покоя ζ 0 с т р = 0,5 sin 2 ϕ с т р , при нарушении естественного сложения массива ζ 0 н = 0,5 sin 2 ϕ н , в стенках открытого котлована ζ 0 а т м с т р = γ с т р h ⋅ cos ϕ с т р / [ ( γ с т р h − c с т р ) c t g ϕ с т р + p а т м ] = c с т р cos 2 ϕ с т р ( 1 + sin ϕ с т р ) c с т р cos ϕ с т р ( 1 − sin ϕ с т р ) + p а т м ( 1 + sin 2 ϕ с т р ) и в стенках открытого котлована с нарушенной структурой ζ 0 а т м н = γ н h ⋅ cos 2 ϕ н / [ ( γ н h − c н ) c t g ϕ н + p а т м ] = c н cos 2 ϕ н ( 1 + sin ϕ н ) c н cos ϕ н ( 1 − sin ϕ н ) + p а т м ( 1 + sin 2 ϕ н ) . Коэффициенты общей относительной поперечной деформации среды в массиве соответственно определяют по зависимости автора ν 0 с т р = sin 2 ϕ с т р / ( 2 + sin 2 ϕ с т р ) , ν 0 н = sin 2 ϕ н / ( 2 + sin 2 ϕ н ) , а в боковых стенках открытого котлована ν 0 а т м с т р = γ с т р h ⋅ cos ϕ с т р / [ ( γ с т р h − c с т р ) c t g ϕ с т р + γ с т р h ⋅ cos 2 ϕ с т р + p а т м ] = = c с т р cos 2 ϕ с т р ( 1 + sin ϕ с т р ) c с т р cos ϕ с т р ( 1 − sin ϕ с т р ) + c с т р cos 2 ϕ с т р ( 1 + sin ϕ с т р ) + p а т м ( 1 + sin 2 ϕ с т р ) , ν 0 а т м н = γ н h ⋅ cos ϕ н / [ ( γ н h − c н ) c t g ϕ н + γ н h ⋅ cos 2 ϕ н + p а т м ] = = c н cos 2 ϕ н ( 1 + sin ϕ н ) c н cos ϕ н ( 1 − sin ϕ н ) + c н cos 2 ϕ н ( 1 + sin ϕ н ) + p а т м ( 1 + sin 2 ϕ н ) , где pатм=1,033 кг/см2 - нормальное атмосферное давление на материальную среду, γ н = p б t g ϕ н + c н h - удельный вес среды с нарушенной структурой. Достигается повышение информативности и надежности определения. 2 з.п. ф-лы, 3 пр., 2 ил.
Реферат
Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия», конкретно к способу определения коэффициентов общего бокового давления ζ0 и общей относительной поперечной деформации ν0 (аналогичной коэффициенту Пуассона для упругой среды) связной упруговязкопластичной изотропной грунтовой и упругоэластичной торфяной анизотропной среды.
Известен способ определения коэффициента общего бокового давления ζ0 структурноустойчивого грунтового материального массива, заключающийся в том, что на заданной глубине h массива определяют в заданной точке величину активного вертикального давления pz от собственного веса вышележащих слоев среды и величину тангенциального напряжения τ, соответствующего боковому давлению px=py, например, с помощью залавливаемых плоских датчиков давления (мессдоз), коэффициент общего бокового давления среды определяют через выражение ζ0=px/pz=py/pz и набирают статистические данные о значении коэффициента ζ0 для различных видов материальной среды, а коэффициент общей относительной поперечной деформации среды на глубине h определяют по зависимости v0=εx/εz=εy/εz=ζ0/(1+ζ0), где εx=εy и εz - относительные деформации среды в точке массива в горизонтальном и вертикальном направлении [1, 2].
Испытание материальной среды в массиве с помощью залавливаемых датчиков давления (мессдоз) в вертикальном и горизонтальном направлении - трудоемкая операция, не позволяющая получать достоверные данные о давлениях в точке материального массива в вертикальном и горизонтальном направлении в связи с нарушениями естественного природного состояния массива при задавливании датчиков давления и при бурении, при необходимости, опробируемой скважины.
Статистические принимаемые для расчета данные о коэффициенте ζ0 и ν0 являются весьма отдаленными от действительных и имеют широкий разброс для одной разновидности среды.
Известен способ определения механических параметров структурноустойчивой грунтовой материальной среды в массиве на заданной глубине h, заключающийся в том, что по результатам предварительных исследований на глубине h массива среды ненарушенной структуры определяют параметр угла φстр ее внутреннего трения и удельное сцепление сстр, отличающийся тем, что значение коэффициента общего бокового давления определяют по зависимости Й. Яки для песчаных грунтовых сред с удельным сцеплением сстр≈0 и по зависимости Г.А. Спальвинга для связных глинистых грунтовых сред - , где рб - вертикальное гравитационное (бытовое) давление, при этом коэффициент общего бокового давления среды определяют как отношение горизонтального к вертикальному давлению ζ0=рх/pz=py/pz на заданной глубине h материального массива, а значение коэффициента общей относительной поперечной деформации материальной среды определяют по зависимости ν0=εх/εz=εy/εz=ζ0/(1+ζ0), где εх=εy и εz - относительные деформации среды в точке массива в горизонтальном и вертикальном направлении [3].
Недостатком известного способа определения коэффициента ζ0 является ограниченность применения зависимостей Й. Яки и Г.А. Спальвинга соответственно только для чистых песков и глинистых грунтовых сред. Эти зависимости не учитывают истинного значения гравитационного (бытового) давления в массиве материальной среды, которое следует предварительно получить на основании дополнительных тщательных опытов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения гравитационного давления материальной среды в массиве и ее природной плотности, заключающийся в том, что наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения гравитационного давления материальной среды в массиве и ее природной плотности, заключающийся в том, что а заданной глубине h (см) массива материальной среды полевыми методами инженерных изысканий определяют угол φстр внутреннего трения и удельное сцепление сстр среды ненарушенной структуры в условиях гравитационного (бытового) давления рб, отличающийся тем, что величину гравитационного давления в массиве упруговязкопластичной грунтовой среды определяют по зависимости , а плотность грунтовой среды рассчитывают как , при удельном весе , где g - ускорение свободного падения тела в условиях гравитации (см/с2), а величину гравитационного давления в массиве упругоэластичной анизотропной торфяной среды определяют по зависимости , а плотность торфяной среды рассчитывают как , при удельном весе .
Недостатком известного изобретения является то, что величины рб,Г и рб,Т соответствуют главному вертикальному напряжению σI в массиве грунтовой и торфяной среды и главному горизонтальному касательному напряжению ,
, при необходимости знания величины активного гравитационного давления pz при соответствующем тангенциальном напряжении на потенциальных линиях сдвига τx,y.
Технический результат по способу определения гравитационного давления и коэффициентов общего бокового давления и общей относительной поперечной деформации грунтовой и торфяной среды, заключающемуся в том, что определяют на заданной глубине h массива физические параметры прочности среды ненарушенной структуры - угол φстр внутреннего трения и удельное сцепление - сстр, коэффициент общего бокового давления среды определяют по зависимости ζ0=рх/pz=py/pz, где px=py - замеряемое боковое горизонтальное давление при задаваемом вертикальном давлении pz на глубине h, коэффициент общей относительной поперечной деформации среды определяют по зависимости ν0=εx/εz=εy/εz=ζ0/(1+ζ0), где εx=εy и εz - замеряемые относительные деформации среды под давлением pz в точке массива в горизонтальном и вертикальном направлении, на заданной глубине h массива упруговязкопластичной структурированной грунтовой среды принимают величину гравитационного (бытового) давления как и соответствующей главному напряжению σ1, в исследуемой точке массива, а величину главного касательного напряжения определяют как , достигается тем, что для массива грунта определяют тангенциальное напряжение на потенциальных потенциальных линиях сдвига как , величину активного вертикального гравитационного давления в точке массива определяют как , где - давление связности грунта, коэффициент общего бокового давления грунта определяют как , коэффициент общей относительной поперечной деформации - как , а для массива торфа тангенциальное напряжение на потенциальных потенциальных линиях сдвига определяют как при активном гравитационном давлении в точке массива торфа , величину коэффициента общего бокового давления торфа определяют как , а коэффициент общей относительной поперечной деформации в массиве - как , при этом для боковых стенок открытой вертикальной выработки в массиве структурированной грунтовой среды коэффициент общего бокового давления после замера атмосферного давления ратм или принятия его нормальным по величине ратм=1,033 кГ/см2 определяют как
, а коэффициент ее общей относительной поперечной деформации - как
, причем в стенках открытой вертикальной выработки в массиве грунтовой среды с нарушенной от внешнего воздействия структурой при доступе атмосферного давления Ратм=1,033 кГ/см2 коэффициент общего бокового давления определяют как , где , - соответственно угол внутреннего трения и удельное сцепление среды с нарушенной структурой, ее коэффициент общего бокового давления - как , удельный вес грунта - как , а коэффициент общей относительной поперечной деформации грунта - как .
Предлагаемое изобретение базируется на положении «Физики материального контактного взаимодействия», что «любая материальная среда характеризуется через физические параметры ее угла «φ» внутреннего трения и удельного сцепления «с» как в структурированном так и в нарушенном состоянии».
Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 - график р=f(τ) предельного состояния связной упругопластичной грунтовой материальной среды - грунта, на фиг. 2 - график р=f(τ) предельного состояния связной анизотропной упругоэластичной торфяной среды.
Рассматривая график р=f(τ) предельного состояния Ш. Кулона связной упруговязкопластичной грунтовой среды (фиг. 1) в природном напряженно-деформированном состоянии, определяем вертикальное гравитационное (бытовое) давление в точке на глубине h массива грунта как , величина которого равна радиусу рб,Г=rГ круга Мора предельного состояния среды при растяжении, давление связности среды равно и противодействует растяжению среды за краями точки. При радиус .
Активное природное вертикальное давление в точке на глубине h будет равно, а соответствующее ему касательное тангенциальное напряжение при тангенциальном давлении на потенциальных линиях сдвига . Коэффициент общего бокового давления упругопластичной грунтовой среды определяется как
Исходя из зависимости ν0,Г=ζ0,Г/(1+ζ0,Г) находим, что коэффициент общей относительной поперечной деформации материальной среды в массиве равен .
Рассматривая график (фиг. 2) р=f(τ) предельного состояния связной упругоэластичной торфяной среды, например неосушенной торфяной залежи с высокой степенью анизотропии АЕ=Ев/Ег=0,4 сжимаемости в вертикальном и горизонтальном направлении, определяем вертикальное давление на глубине h как при соответствующем тангенциальном напряжении в точке на этой же глубине .
Давление связности торфа , тогда активное вертикальное давление в точке на глубине h будет равно . Коэффициент общего бокового давления упругоэластичной торфяной среды определяется как
а коэффициент .
Пример 1 реализации способа.
1) В процессе бурения скважины в грунтовом материальном массиве, состоящем из суглинка, были отобраны образцы грунта с глубины h1=90 см и h2=280 см, лабораторный анализ которых позволил установить угол их внутреннего трения φстр1=φстр2=23° и удельное сцепление сстр1=сстр2=0,2 кГ/см2 при удельном весе γстр1=γстр2=0,002 кГ/см3. Величина гравитационного (бытового) давления на глубинах 90 см и 280 см имеет значение рб1=(γстрh1-сстр)ctgφстр=(0,02·90-0,2)ctg23°=-0,0471 кГ/см2, рб2=(γстрh2-сстр)ctgφстр=(0,02·280-0,2)ctg23°=0,8481 кГ/см2. Коэффициент общего бокового давления рассчитываем по зависимости , а коэффициент общей относительной поперечной деформации суглинка определяем по зависимости . Статистические справочные данные имеют значения ζ0=0,11…0,82, ν0=0,20…0,25 для тугопластичных суглинков [1].
2) При землетрясении естественная структура суглинка на глубине h1=90 см нарушается до значения показателей: φн=arcsin[2sinφстр/(1+sin2φстр)]-φстр=arcsin[2sin23°/(1+sin223°)]-23°=42,6843°-23°=19,6843° и сн=С стр[2-tgφн/tgφстр]=0,2[2-tg19,6843°/tg23°]=0,2314 кГ/см2, . Коэффициент общего бокового давления становится равным , а коэффициент общей относительной поперечной деформации среды
Пример 2 реализации способа.
1) Почти вертикальные стенки береговых обрывов Днепровско-Бугского лимана вблизи города Очаков Николаевской области высотой h0>10 м составляют полутвердые глины и суглинки, которые на берегу по краям обрывов покрыты травяной растительностью. На береговой грунтовой поверхности обрывов наблюдаются скрытые и открытые трещины глубиной более 50 см и шириной до 1 см, а сам грунт перед обрывом имеет складчатую поверхность и волнистую линию уступов с перепадом высот >30 см на расстоянии l=10…15 м от края обрыва. При этом на боковой поверхности обрыва береговой линии закрытые трещины наблюдаются на глубину h≈0,5…0,1 м от горизонтальной поверхности и отпоры грунта стенок на глубине h01=8 м.
При удельном весе грунтовой среды γстр=0,0027 кГ/см3 глубина обрыва, с которой наблюдается ее растяжение до горизонтальной поверхности, составляет величину hp=сстр/γстр=0,2/0,0025=89 см при удельном сцеплении среды сстр=0,2 кГ/см2.
Угол внутреннего трения грунтовой среды береговых откосов ориентировочно составляет величину φср=arctg(h0l/l)=arctg(8…10/15)=28°…33,7°≈31°, тогда коэффициент общей относительной деформации будет равен ν0,89=sin2φстр/[2(1+sin2φстр)]=0,2345 - на глубинах hp=89 см и h=10 м, а коэффициент общего бокового давления соответственно будет равен ζ0,89=ζ10=sin62°/(2+sin62°)=0,3063 - соответственно при , τГ=γcтрh=0,0027·89=0,2403 кГ/см2 и
,
τ=γстрh=0,0027·1000=2,7 кГ/см2 и τxy=τГcos2φстр=2,7 cos231°=1,9838 кГ/см2. При нормальном атмосферном давлении ратм=1,033 кГ/см2 на боковой поверхности стенок берегового обрыва коэффициент общего бокового давления будет равен
или
2) В случае землетрясения естественная структура грунта обрыва береговой линии будет нарушена до значений ее показателей на глубине h=89 см:
φн=arcsin[2sinφстр/(1+sin2φстр)]-φстр=
=arcsin[2sin31°/(1+sin231°)]-31°=54,5004°-31°=23,5004°,
сн=сстр[2-tgφн/tgφстр]=0,2[2-tg23,5004°/tg31°]=0,2553 кГ/см2, ,
где гравитационное (бытовое) давление рб=(γcтрh-сстр)ctgφстр=(0,00236·89-0,2)ctg31°=0,0167 кГ/см2.
Коэффициент общего бокового давления становится равным
а коэффициент общей относительной поперечной деформации .
Пример 3 реализации способа. Неосушенная торфяная залежь мощностью 3 м как упругая анизотропная эластичная материальная среда на глубине h=200 см имеет показатели: и . Гравитационное давление на глубине h=2 м составляет величину при горизонтальном тангенциальном напряжении и давлении связности торфа . Коэффициент общего бокового давления торфа на глубине h будет равен .
По зависимости , что соответствует расчетным показателям.
Коэффициент общей относительной поперечной деформации торфа на глубине h составляет величину ν=ζ0,T(1+ζ0,T)=0,4755/1,4755=0,3223.
Предлагаемое изобретение впервые через физические параметры удельного сцепления и угла внутреннего трения позволяет получать расчетные параметры ζ0 и ν0 с высокой степенью достоверности, определяемой точностью установления прочностных параметров исследуемой среды - φстр, сстр и φн, сн.
Источники информации
1. Цитович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для вузов. - 3-е изд., доп. - М.: Высшая школа, 1979. - С. 34-37, 168.
2. Голли А.В. Методика измерения напряжений и деформаций в грунтах: Учебное пособие. - Л.: ЛИСИ, 1984. - С. 50-53.
3. Глотов Н.М., Леонтьев А.И. и др. Основания и фундаменты транспортных сооружений: Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1995. - С. 160-161.
4. Патент РФ №2549533 «Способ определения гравитационного давления материальной среды в массиве и ее природной плотности» / Хрусталев Е.Н., Б.И. №12 от 27.04.2015 (прототип).
1. Способ определения гравитационного давления и коэффициентов общего бокового давления и общей относительной поперечной деформации грунтовой и торфяной среды, заключающийся в том, что определяют на заданной глубине h массива физические параметры прочности среды ненарушенной структуры - угол φстр внутреннего трения и удельное сцепление - сстр, коэффициент общего бокового давления среды определяют по зависимости ζ0=рх/pz=py/pz, где px=py - замеряемое боковое горизонтальное давление при задаваемом вертикальном давлении pz на глубине h, коэффициент общей относительной поперечной деформации среды определяют по зависимости v0=εx/εz=εy/εz=ζ0/(1+ζ0), где εx=εy и εz - замеряемые относительные деформации среды под давлением pz в точке массива в горизонтальном и вертикальном направлении, на заданной глубине h массива упруговязкопластичной структурированной грунтовой среды принимают величину гравитационного (бытового) давления как и соответствующей главному напряжению σ1 в исследуемой точке массива, а величину главного касательного напряжения определяют как , отличающийся тем, что для массива грунта определяют тангенциальное напряжение на потенциальных линиях сдвига как , величину активного вертикального гравитационного давления в точке массива определяют как , где - давление связности грунта, коэффициент общего бокового давления грунта определяют как , коэффициент общей относительной поперечной деформации - как , а для массива торфа тангенциальное напряжение на потенциальных линиях сдвига определяют как при активном гравитационном давлении в точке массива торфа , величину коэффициента общего бокового давления торфа определяют как , а коэффициент общей относительной поперечной деформации в массиве - как .
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для боковых стенок открытой вертикальной выработки в массиве структурированной грунтовой среды коэффициент общего бокового давления после замера атмосферного давления ратм или принятия его нормальным по величине ратм=1,033 кГ/см2 определяют как ,а коэффициент ее общей относительной поперечной деформации - как
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в стенках открытой вертикальной выработки в массиве грунтовой среды с нарушенной от внешнего воздействия структурой при доступе атмосферного давления ратм=1,033 кГ/см2 коэффициент общего бокового давления определяют как ,где , - соответственно угол внутреннего трения и удельное сцепление среды с нарушенной структурой,ее коэффициент общего бокового давления - как ,удельный вес грунта - как ,а коэффициент общей относительной поперечной деформации грунта - как .