ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2007, № 2, с. 180-184
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 624.131
СДВИГОВОЕ ВИБРОДЕФОРМИРОВАНИЕ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА, НАХОДЯЩЕГОСЯ В ДОПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ
© 2007 г. С. Р. Месчян, К. А. Таслагян
Институт механики HAH РА Поступила в редакцию 26.10.2005 г.
Приведены результаты исследований влияния крутильных колебаний на механические свойства глинистого грунта, находящегося в допредельных состояниях, при закручивании образцов в режиме контроля деформации сдвига под действием различных значений нормального давления и частоты крутильных колебаний. Установлено, что небольшие начальные ускорения колебаний вследствие разрушения структуры грунта могут существенно возрасти и привести к исчерпанию прочности грунта.
В природных условиях глинистые грунты, слагающие природные склоны и откосы сооружений из грунтовых материалов, находятся в допредельном состоянии. Это значит, что действующие в них касательные напряжения существенно ниже их предела длительной прочности, равной стандартному сопротивлению сдвига, определяемого по методу затухающих деформаций сдвига (ГОСТ 12248-96). В этом плане представляет большой научный и практический интерес их деформирование под действием динамических воздействий вообще, вибрационных воздействий в частности.
Для исследования влияния вибрационных воздействий на деформации сдвига и прочность глинистого грунта нарушенного сложения, находящегося в допредельном состоянии, вначале определены показатели физических свойств, предельные крутящие моменты Mtor, lim и сопротивления сдвигу Tf st, полученные испытанием образцов на кручение на устройствах М-5 [2], под действием трех различных значений нормального напряжения oz = 0.1; 0.2 и 0.3 МПа по ГОСТу Республики Армения: АСТ 178-99 (табл. 1).
Испытаны образцы диаметром 101 мм, высотой 24 мм, подвергнутые уплотнению в течение 21 сут.
Для решения поставленой задачи под действием каждого из указаных выше нормальных напряжений oz образцы подвергались предварительному закручиванию по АСТ 178-99 [1] до некоторого минимального допредельного значения уровня крутящего момента Mtor, min/Mtor, lim, где Mtor, min - минимальный, Mtor, lim - предельный крутящие моменты. После стабилизации деформации сдвига под действием Mtor, min образцы подвергались вибрационному воздействию постоянной частотой колебаний.
После завершения первого цикла вибрационного испытания образцы подвергались еще одному или двум циклам повторного испытания на вибрационное воздействие. При первом повторном цикле испытания минимальный крутящий момент Mtor, min увеличивался примерно на 20%. После стабилизации деформаций сдвига, как и при первом цикле испытания, образцы подвергались вибрационному воздействию при той же частоте колебаний. То же самое повторялось при втором цикле испытания образцов, находящихся в допредельном состоянии.
Таблица 1. Показатели физических свойств, предельные крутящие моменты М1ог, ^ и сопротивления сдвигу т^ грунта
ps, г/см3 WL W r" p Ip oz, МПа p0, г/см3 W„ Tf, st, МПа Mtor, lim tg ф ф° c, МПа
0.1 1.865 0.374 0.07680 0.077
2.70 0.603 0.260 0.343 0.2 1.900 0.338 0.13155 0.136 0.547 28.67 0.022
0.3 1.911 0.323 0.08615 0.186
st
Испытаны три серии образцов-близнецов по изложенной выше методике под действием нормальных напряжений = 0.1; 0.2 и 0.3 МПа при трех различных значениях постоянной частоты колебаний. Вибрационные колебания создавались кривошипно-шатунным миниатюрным вибратором (рис. 1), конструкции одного из авторов статьи [4], установленного и закрепленного на верхнем перфорированом штампе рабочего органа прибора М-5 (рис. 1). При вибрационных воздействиях замерялись как деформации сдвига с помощью прогибомера системы 6ПАО-ЛИСИ, так и амплитуды колебаний виброизмерительным прибором ВИП-2 на наружных гранях закручиваемых образцов, которые одновременно фиксировались цифровой видеокамерой, соединенной с компьютером.
В устройстве М-5 (см. рис. 1) окруженный набором защитных колец образец грунта 12, помещенный в рабочем органе 13, уплотняется нормальной нагрузкой винтовым приводом 8 или рычажным прессом (на рисунке не показан), вмонтированным на верхнем ригеле 9 двухъярусной рамы. Нормальная нагрузка передается на образец грунта через динамометр 7, шток-шпиндель 11 механизма кручения и перфорированно-рифленный штамп. Крутящий момент, передающийся образцу грунта через шток-шпиндель 11 и перфорированно-рифленный штамп, создается закручиванием диска 10 парой тяг 2, помещенных и закрепленных в его двух канавках. Тяги перекинуты через ролики 5 кронштейнов 6 и закреплены на балочке 14 механизма кручения, на котором подвешен грузовой поддон 1. Усилия в тягах 2 создаются массой гирь 1, уложенных на грузовом поддоне. Деформация кручения образца замеряется прогибомером 3. Кривошип-но-шатунный вибратор 4 закрепляется на верхний перфорированно-рифленный штамп рабочего органа 13.
Кривошипно-шатунный вибратор (рис. 3) состоит из рамы (4), на наружной стороне которой закреплен электродвигатель (5), осуществляющий работу кривошипно-шатунного механизма (3). Рама кривошипно-шатунного механизма с помощью держателя (2) соединена с крышкой-переходником (1), которая закрепляется на верхнем перфорировано-рифленном штампе рабочего органа прибора М-5 (рис. 2).
Порядок испытания образцов грунта на вибрационное воздействие под действием различных нормальных напряжений и частот угловых крутильных колебаний рассмотрен в табл. 2. В ней приведены как предельные М1ог, Цт, допредельные М1ог значения крутящих моментов, так и их допредельные уровни М1ог/М1ог,
10 11 12
13
14
Рис. 1. Устройство М-5.
Как видно, при ю0 = 172 Гц подвергнуты испытанию на вибрационное воздействие образцы грунта только при двух значениях уплотняющего давления: = 0.1 и 0.2 МПа и допредельного уровня крутящего момента при 0.7 и 0.9. При ю0 = 184 Гц образцы испытаны под действием трех различных значений уплотняющего давления, причем кроме = 0.1 МПа на вибрационное воздействие они испытаны при двух значениях допредельного уровня крутящего момента: 0.7 и 0.9. Наконец, при ю0 = 202 Гц образцы испытаны при трех значениях уплотняющего давления и допредельного уровня крутящего момента.
В табл. 3 в качестве примера приведены данные испытания образцов грунта при угловой частоте колебаний ю0 = 172 Гц, где 2а - двойная амплитуда колебаний сдвиговой деформации, у0 -относительное ускорение колебаний.
На рис. 4 показаны результаты испытания образцов грунта на вибрационное воздействие, приведенные в табл. 2.
Анализ результатов закручивания образцов под действием <5г = 0.1; 0.2 и 0.3 МПа, находящихся в допредельных состояниях М1ог/М1ог, ^ < 1, пока-
8
7
9
6
3
2
1
Рис. 2. Фото рабочего органа устройства М-5, на верхнем штампе которого помещен вибратор.
зывает, что при крутильных колебаниях имеет место изменение во времени (возрастание) как деформации сдвига, так и амплитуды крутильных колебаний. Во всех значениях, использованных в экспериментах угловых частот колебаний при М1ог/М1ог, Ит = 0.5 и 0.7, деформации сдвига и амплитуды крутильных колебаний достигают
4 3
1 № и С ¥
о о о
Т
Л У
Рис. 3. Кривошипно-шатунный вибратор.
наибольшего значения в течение нескольких сотен секунд, а при М1ог/М1ог, Ит = 0.9 - нескольких секунд.
Опыты показали, что при М1ог/М1ог, ^ = 0.5, независимо от величины угловой частоты колебания имеет место незначительное возрастание деформации сдвига и амплитуды (ускорения) крутильных колебаний. Это значит, что в этих условиях вибрационные воздействия не оказали существенного влияния на деформационные и прочностные свойства образцов грунта. Когда М1ог/М1ог, ^ = 0.7, а угловые частоты крутильных колебаний равны ю0 = 172 и 184 Гц, деформации сдвига и амплитуды крутильных колебаний стабилизируются без исчерпания прочности образцов. В то же время при ю0 = 202 Гц, за исключением одного случая, вибрационное воздействие привело к исчерпанию прочности образцов - к их разрушению.
В отличие от изложенного выше при Мог/М1ог, ^ = 0.9 практически все образцы под действием использованных в опытах угловых частотах колебаний исчерпали свою прочность.
Полученные из опытов результаты полностью согласуются с данными, полученными ранее при испытании грунтов в кинематическом режиме - в режиме контроля крутящих моментов М1ог (касательных напряжений т) [3]. В этих опытах наибольший интерес представляют возрастания во времени амплитуды и ускорения крутильных колебаний, что связано с постепенным разрушением структуры грунта и существенным снижением его прочности. При высоких значениях до-
1
2
5
Таблица 2. Данные предельных М1ог Ит, допредельных М1ог значений крутящих моментов и их допредельных уровней М1ог/М1ог цт при различных значениях нормальных напряжений и частот угловых крутильных колебаний
а, = 0.1 МПа а, = 0.2 МПа а, = 0.3 МПа
М1ог, Нм Мш, Нм МогМог, 11т М1ог, Нм Мш, Нм МогМог, 11т Mtor, 1im, Нм М,.ог, Нм Mtor/Mtor, 11т
20.5
14.35 18.45
Угловая частота колебаний ю0 = 172 Гц
0.7 (0.9)
35.4
24.78 31.86
0.7 (0.9)
Угловая частота колебаний ю0 = 184 Гц
Угловая частота колебаний ю0 = 202 Гц
20.5 10.25 0.5 35.4 - - 50.2 - -
14.35 (0.7) 24.78 0.7 35.14 0.7
18.45 (0.9) 31.86 (0.9) 45.18 (0.9)
20.5 10.25 0.5 35.4 17.7 0.5 50.2 25.10 0.5
14.35 (0.7) (24.78) (0.7) (35.14) (0.7)
- - (31.86) (0.9) (45.18) (0.9)
Таблица 3. Данные испытания образцов грунта при угловой частоте колебаний ю0 = 172 Гц
а2 = 0.
1 МПа
а, = 0.2 МПа
МогМог, 11т = 0.7
М^МоГ, 11т = 0.9
М^МоГ, 11т = 0.7
t, сек А5, мм 2а, мм /0 t, сек А5, мм 2а, мм /0 t, сек А5, мм 2а, мм /0 t, сек А5, мм 2а, мм /0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
14 0.07 0.04 0.05 6 0.18 0.05 0.06 3 0 0.07 0.09 6 0 0.1 0.13
52 0.07 0.05 0.06 24 1.1 0.06 0.08 28 0.01 0.16 0.21 26 0.04 0.15 0.19
106 0.07 0.05 0.06 48 2.85 0.05 0.06 52 0.06 0.12 0.15 49 0.07 0.15 0.19
195 0.14 0.06 0.08 77 4.12 0.05 0.06 88 0.06 0.12 0.15 67 0.18 0.15 0.19
267 0.14 0.05 0.06 133 6.09 0.05 0.06 168 0.14 0.12 0.15 85 0.23 0.15 0.19
309 0.15 0.06 0.08 170
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.