Динамическая дилатансия несвязных грунтов

можно считать динамически устойчивыми. Это обусловлено их чрезвычайно сла­ бой сжимаемостью и высокой водопроницаемостью, что исключает возникновение сколько-нибудь заметного порового давления. К этой же категории, как показано в работе (Tsuchida, 1970), следует относить и гравелистые пески, а также, повидимому, и наиболее крупнозернистые их разности.

Характерными формами реакции песчаных грунтов на динамические нагрузки являются: 1) уплотнение (отрицательная дилатансия) рыхлого песка любой влаж­ ности; 2) разжижение водонасыщенного песка, связанное с быстрым нарастанием порового давления на фоне уплотнения грунта вплоть до исчезновения эффек­ тивных напряжений; при разжижении песков, залегающих на некоторой глубине, это явление сопровождается «вскипанием» поверхности массива и возникновением «песчаных кратеров»; 3) снижение несущей способности грунта может быть выраже­ но менее контрастно — при ограниченных сдвиговых деформациях это проявляется в состоянии так называемой «циклической подвижности» и характерно для песков плотного сложения, которые мобилизуют значительное сопротивление динамичес­ кому нагружению даже при нулевом эффективном напряжении; 4) разуплотнение (положительная дилатансия) маловлажных плотных песков, сопровождающееся и их разупрочнением (Voznesensky, 1994).

Терминология. Прежде, чем перейти к изложению особенностей проявления этих форм динамической неустойчивости песков, следует определить общепри­ нятые в мировой практике термины, введенные, кстати сказать, первоначально для описания поведения именно песчаных грунтов. Для удобства приводим также англоязычный вариант и менее употребительные эквиваленты понятий.

Наиболее запутанным является употребление понятия разжижение, которое

всовременной литературе по динамике грунтов встречается в следующих вариантах:

1)разжижение — liquefaction;

2)истинное разжижение — actual (true) liquefaction;

3)циклическое разжижение — cyclic liquefaction;

4)начальное разжижение — initial liquefaction;

5)ограниченное разжижение — limited liquefaction;

6)кратковременное разжижение — transient liquefaction;

7)циклическая подвижность — cyclic mobility;

8)начальное разжижение с ограниченным потенциалом деформации — initial

liquefaction with limited strain potential.

Под разжижением (1) грунта вообще следует понимать его переход в текучее состояние вне зависимости от причины такой трансформации: это может быть дей­ ствие как статической (рис. 50, а), так и динамической (рис. 50, в) нагрузки, а также подъем уровня грунтовых вод или возникновение значительных градиентов напора. В дальнейшем мы будем использовать этот термин в объеме понятия динамического разжижения — перехода грунта в текучее состояние в результате потери прочности при разрушении структурных связей динамической нагрузкой. Такое разжижение песчаных грунтов вызывается стремлением рыхлой системы к сокращению объема и «взвешиванием» частиц в воде с исчезновением эффективных напряжений.

Эквивалентным ему понятием является истинное разжижение (2), введенное А. Казагранде (1975), чтобы подчеркнуть разницу с другими (3-8) терминами.

Циклическое разжижение (3) введено Б. Сидом (Seed, Lee, 1966) для ха­ рактеристики поведения водонасыщенных песков в недренированных трехосных испытаниях при симметричной знакопеременной нагрузке. В таких условиях обра­ зец в каждом цикле проходит через точку гидростатического сжатия (что означает исчезновение всех касательных напряжений) — при смене фаз растяжения и сжатия. В результате даже в плотных песках могут накапливаться значительные деформации

Рис. 50. Поведение рыхлых (L), средней плотности (М) и плотных (D) песков в недренированных условиях трехосного сжатия:

а-б — статическое нагружение (по A. Casagrande, 1975); в-д — динамическое нагружение (по Y. Vaid, J. Chem, 1985); е — изменение средней деформации в функции числа циклов нагружения при разных формах динамической неустойчивости

при высоком поровом давлении (рис. 51, а). В этой ситуации момент разрушения фиксируется условно по величине достигнутой амплитуды деформации (обычно принимается 2,5 или 5% за цикл). То мгновенное состояние, когда в одном из ци­ клов накопленное избыточное поровое давление (Ли) в первый раз достигает величины начального эффективного напряжения (ст'3с), получило название началь­ ного (4) (Seed, Lee, 1966) или кратковременного (6) (Vaid, Chern, 1983, Byrne, McIntyre, 1995) разжижения (рис. 51, б).

Чтобы избежать путаницы при параллельном употреблении понятий раз­ жижения и циклического разжижения А. Казагранде в 1969 г. предложил вместо последнего пользоваться термином «циклическая подвижность», который позже, после публикации работ его аспиранта Г. Кастро (Castro, 1975), стал общепринятым. Вскоре было доказано, что в лабораторных экспериментах в результате: а) создания в образце гидростатических условий, б) эффекта «насоса» при полной инверсии знака осевых напряжений, в) появления градиентов напряжений за счет их нерав­ номерного распределения на границах образца в песке имеет место существенное перераспределение поровой влаги (с соответствующим изменением относительной плотности и появлением ослабленных зон), практически невозможное в массиве (Casagrande, 1975). Таким образом, «циклическое разжижение» оказалось артефак­ том лабораторного эксперимента — во всяком случае для плотных песков.

Достижение «начального разжижения» в плотных песках может привести лишь к постепенному накоплению деформаций ограниченной амплитуды (не более нескольких процентов) (рис. 50, д), т. к. в следующий момент поровое давление стре­ мительно падает в результате проявления системой положительной дилатансии. Эта форма динамической реакции водонасыщенных плотных песков сейчас и известна как циклическая подвижность (7) (Prakash, 1981, Ishihara, 1985) или начальное разжижение с ограниченным потенциалом деформации (8) (Seed, 1979). Нельзя, од­ нако, не признать, что условие Аи = а\с для плотного, анизотропно уплотненного

и 8 (Committee., 1978). Следуя этой

разумной с нашей точки зрения рекомендации, в дальнейшем для характеристики динамической неустойчивости водонасыщенных песков будем использовать толь­ ко понятия разжижение (1) — для рыхлых и циклическая подвижность (7) — для плотных разностей.

Под рыхлыми здесь и далее понимаются пески с относительной плотностью до 45%, т. к. при больших ее значениях грунт, как правило, не способен к динамиче­ скому разжижению (Vaid, Chern, 1983). Под плотными (вслед за А. Казагранде, 1975) понимаются пески с относительной плотностью более 60%. Таким образом, пески средней плотности характеризуются величиной Dr в диапазоне 45-60%.

Эти разности могут проявлять в слабой степени как положительную, так и отрицательную дилатансию, а в водонасыщенном состоянии возникает форма реакции, известная в недренированных статических (рис. 50, а) или динамических (рис. 50, г) условиях как ограниченное разжижение (5) (Casagrande, 1975): с увели­ чением амплитуды деформации прочность грунта сначала падает до минимального значения при Аи = сг'3с (песок стремится уплотниться), а затем — после прохо­ ждения так называемой точки фазовой трансформации (п) — система проявляет положительную дилатансию, и ее прочность возрастает на фоне снижения порового давления. Дальнейшее деформирование происходит по типу циклической подвиж­ ности. Однако в массиве кратковременное падение недренированной прочности

грунта на фоне высокого порового давления выражается в форме разжижения и мо­ жет быть не менее опасно для сооружений, чем реакция рыхлых песков. Поэтому в дальнейшем мы считаем понятия разжижения (1) и ограниченного разжижения (5) эквивалентными с практической точки зрения, что согласуется и с представлениями других авторов (Vaid, Chung, 1990).

Величина Аи/а'3с называется относительным норовым давлением (PPR), а ус­ ловие Аи = а3с — 100%-м (или полным) относительным поровым давлением (Committee..., 1978). Этим понятием мы будем пользоваться вместо терминов «на­ чальное» и «ограниченное» разжижение. Водонасыщение грунта в недренированных

измерения порового давления гарантировано только при В = 1,00.

Поведение грунтов в различных условиях принято анализировать в коорди­ натной плоскости эффективных напряжений, где по абсциссе отложена полусумма эффективных значений главных напряжений р1= (а[ + <7з)/2, а по ординате — их полуразность q' = (а\ - Оз)/2. Линию, отражающую изменение соотношения между этими величинами в процессе испытания (как по величине, так и по направлению), будем называть траекторией эффективных напряжений. Для случаев разжижения (а)

и циклической подвижности (б) она представлена на рис. 52. Начальное состояние грунта изображено точкой О. В результате изотропного (гидростатического) уплот­ нения при Ко = 1 он перейдет в состояние О' , при анизотропном же уплотнении К с = <г[с/<т3с > 1 — в состояние С. При этом в образце возникнут начальные касательные напряжения величины rsi. По мере последующего динамического недренированного нагружения с амплитудой напряжений rd и накопления порового давления траектория эффективных напряжений от цикла к циклу смещается влево, отражая снижение среднего эффективного напряжения. Этот процесс идет тем быстрее, чем ниже относительная плотность песка.

Разжижение уплотняющихся (рыхлых и средней плотности) песков начинается в точке I при достижении коэффициентом эффективных напряжений SR = <т\/сг3 критической величины (CSR), которая не зависит ни от К С) ни от действующих напряжений, ни от типа нагружения (динамическое или статическое) и составляет для рыхлых песков около 2,55 (Vaid, Chern, 1983). Вслед за этим грунт сразу же переходит в состояние п, отвечающее его минимальной прочности, где траектория эффективных напряжений касается линии РТ. При дальнейшем недренированном нагружении песок уже стремится разуплотниться — с ростом девиатора поровое давление падает, траектория резко поворачивает направо вверх, касаясь в точке / предельной огибающей F, снова приобретает способность уплотняться и в фазе разгрузки возвращается с образованием петли и скачком порового давления налево вниз. При этом q' —> 0 при А и /а 3с —►1. В случае же симметричной знако­ переменной нагрузки траектория эффективных напряжений пройдет через точку гидростатического сжатия q = 0 и уйдет к линии РТ в нижней полуплоскости (для трехосного сжатия это означает растяжение образца), претерпев аналогичный излом на линии CSR' и т.д. Для монотонного испытания траектория эффективных напряжений представлена на рис. 52, а пунктирной кривой Cl'v!f Линия фазовой трансформации (Ishihara, 1975 — phase transformation line) (или критическая линия — Luong, 1980) РТ представляет собой, таким образом, прямую, делящую плоскость эффективных напряжений на две зоны, в которых несвязный грунт при деформи­ ровании проявляет дилатансию разного знака. В случае дренированных испытаний рыхлых песков она совпадает с предельной огибающей (Ibsen, 1994).

Для плотных песков траектория эффективных напряжений имеет несколь­ ко другой вид (рис. 52, б), отражая медленное накопление порового давления,

а

б

Рис. 52. Динамическая реакция анизотропно уплотненных песков, представленная в плос­ кости эффективных напряжений:

а — разжижение; б — циклическая подвижность (обозначения в тексте и на рис. 51)

а критическая величина CSR ~ 3,0 (Vaid, Chern, 1983). Превышение ее вызывает накопление деформаций, однако плотный песок неразжижаем и проявляет поло­ жительную дилатансию. Поэтому для этих разностей положение линий РТ и CSR в плоскости эффективных напряжений совпадает. Таким образом, при одном и том же соотношении главных эффективных напряжений CSR = 3 в плотных песках начинается накопление значительных деформаций, а в рыхлых — тормозится их разжижение. Следовательно, положение линии РТ не зависит от относительной плотности песка. Однако в фазе растяжения величина CSR несколько меньше для песков любой плотности, чем в фазе сжатия (Vaid et al., 1990).

На сегодняшний день наименее изученными и неясными аспектами динами­ ческой реакции песчаных грунтов являются:

— поведение сухих рыхлых песков (плотные сухие пески динамически устой­ чивы);

—реакция плотных и очень плотных водонасыщенных песков на длительное динамическое нагружение (т. е. дальнейшее развитие циклической подвижности) при больших амплитудах воздействия (ай > сг3с);

—специфика поведения плотных водонасыщенных песков в дренированных условиях эксперимента;

—влияние резко анизотропной консолидации (К с = а\!а\с > 2) на ди­ намическую реакцию плотных песков (изготовление образцов рыхлого сложения при таких К с, близких к CSR, невозможно);

—эффект асимметрии цикла нагружения.

Последнее требует специального пояснения. Дело в том, что подавляю­ щее большинство динамических испытаний песчаных грунтов всегда проводилось в условиях полной или частичной инверсии знака напряжений. Это означает вращение осей главных напряжений на 7г/2 и возникновение в образце растягивающих усилий (рис. 53, а), что облегчает деформирование грунта. Артефактом этой конфигурации опыта является быстрое достижение 100% порового давления (так называемое «циклическое разжижение»).

6

Рис. 53. Изменение напряжений при динамическом трехосном сжатии:

а — с полной (1) или частичной (2) инверсией знака; б — без инверсии знака напряжений

Между тем, такая ситуация может быть реальна лишь в случае сильного сейсмического толчка, а в большинстве других практических ситуаций действует отчетливо асимметричная нагрузка без инверсии знака и без вращения осей главных напряжений (рис. 53,6). Очевидно, что в условиях трехосного нагружения растяже­ ние образца будет иметь место всякий раз, когда осевое а\ < а\с. Поэтому степень инверсии напряжений будем характеризовать величиной приведенного коэффициента

асимметрии цикла рс = (а\ min - &зс)/(а \ max ~ а 3с)> знак «минус» перед которым означает возникновение фазы растяжения в какой-то части цикла, а знак «плюс» — существование только сжимающих напряжений в течение всего цикла. Исходя из этого, рассмотрим перечисленные выше аспекты динамической неустойчивости грунтов на примере трехосных динамических испытаний чистого монодисперсного тонкозернистого (по классификации Е. М. Сергеева) песка Fine Wedron. Это квар­ цевый песок эолового генезиса, однородный (I = 1,8), D$o = 0,2 мм, без пылеватых частиц (следы), ps = 2,66 г/см3, етах = 0,715, emjn = 0,485.

Эксперименты выполнены на динамической трехосной установке пневматиче­ ского действия конструкции Й. П. Вэйда, которая позволяет проводить испытания при частотах нагружения от 0,05 до 0,45 Гц. Общая схема прибора, методика опыта и калибровка датчиков подробно описаны в работе (Вознесенский и др., 1995). Испытания проводились с контролем напряжений, а поровое давление и осевая деформация образца регистрировались в функции числа циклов нагружения.

Параметры экспериментов и тип поведения грунта представлены в табл. 6.

Таблица 6. Параметры эксперимента и динамическая реакция грунта

Примечание: Н — недренированные испытания; Д — дренированные испытания; С — опыты с сухим песком; * — эксперименты, в которых в результате деградации прочности зафиксировано учащение нагружения к концу опыта до 0,5 Гц

Динамическая реакция сухих рыхлых песков

Поведение сухих очень рыхлых песков в условиях циклического сжатия (опыт 201) и растяжения (опыт 202) представлено на рис. 54. Речь в данном случае не может идти о динамической нагрузке, поскольку в условиях низкочастотных испытаний безводной системы не соблюдается ее главный критерий — накопление напряжений (аккумуляция внутренней энергии) от цикла к циклу воздействия. В результате циклическое пульсирующее (р —0) сжатие вызывает очень медленное накопление (1 фаза) осевых деформаций с амплитудой, не превышающей 0,04% за цикл (рис. 54, а), с постепенной стабилизацией деформации (2 фаза) примерно к 120-му циклу на уровне 0,38%, который остается неизменным вплоть до 290-го

а

N= 270-290

N= 160—180

Рис. 54. Поведение рыхлого сухого песка в условиях циклического сжатия (201) и растяже­ ния (202):

а — в начале эксперимента; б — на конечной стадии

цикла (рис. 54, 6), и формированием замкнутой петли гистерезиса. Такое поведе­ ние можно считать характерным для неводонасыщенных песков при не слишком больших значениях амплитуды цикла, хотя предельная деформация обычно до­ стигается в пределах 5-15 циклов нагружения (Chaney, Fang, 1981). В данном случае длительность процесса обусловлена очень низкой относительной плотностью образца. С увеличением амплитуды (или снижением а^с) при большом числе ци­ клов воздействия, стабильное состояние может смениться 3-й фазой — медленного прогрессирующего увеличения деформации (Khosla, Singh, 1978).

Определенную роль в этом может играть и предварительное анизотропное уплотнение образца, которое (рис. 52) вызывает возникновение статических каса­ тельных напряжений rst на потенциальных площадках скольжения и, как известно, несколько повышает устойчивость грунта при циклическом нагружении. Впрочем, поданным некоторых авторов (Chaney, Fang, 1981) предельная деформация рыхлого песка в стабильном состоянии (2 фаза) не зависит от К с. При последующем рас­ тяжении (опыт 202 является продолжением 201) амплитуда деформации возрастает почти в 4 раза — до 0,15%, однако никакого накопления ее вообще не наблюдается, и можно говорить о практически неизменной прочности грунта. Однако в 176-м цикле происходит внезапное разрушение образца (деформация достигает -8,8%)

в фазе спада растягивающих напряжений, на первый взгляд никак не связанное

спредыдущим циклическим.нагружением. На самом деле это вызвано медленным формированием ослабленных зон в песке, что часто не находит выражения в осевых деформациях образца. Неоднородность распределения деформаций грунта при трех­ осном циклическом сжатии особенно значительна, если высота образца превышает его диаметр (Ibsen, 1994).

Таким образом, даже очень рыхлые, но сухие пески можно считать динами­ чески устойчивыми грунтами, но при этом необходимо учитывать возможность их внезапного разрушения, что обусловлено, прежде всего, конфигурацией конкретно­

го эксперимента.

Динамическая реакция рыхлых водонасыщенных песков

Результаты испытаний рыхлого изотропно уплотненного песка в условиях недренированного пульсирующего сжатия (опыт 102) представлены на рис. 55 и 56.

Рис. 55. Быстрое накопление деформаций со скачкообразным переходом к циклической подвижности рыхлого песка в первых 20 циклах недренированного динамического трехосного сжатия

В первом же цикле нагружения относительное поровое давление скачком возрастает до 0,4, что вызвано приложением сразу среднего значения девиатора (80кПа), а деформация превышает 1%. Дальнейшее поведение грунта можно раз­ делить на три стадии. I стадия (1—9 циклы) характеризуется быстрым накоплением

Рис. 56. Разные фазы накопления деформаций (по средним за цикл значениям) в рыхлом песке без инверсии знака напряжений (опыт 102)

деформаций с примерно постоянной площадью петли гистерезиса до уровня 2,5%, которая оказывается критической, и в 10-м цикле (II стадия) происходит момен­ тальная переукладка зерен с увеличением осевой деформации до 3,1%. При этом, однако, разжижения песка не наблюдается — максимальное мгновенное значение относительного порового давления в этот момент не превышает 0,7. На III стадии накопление деформаций замедляется, что хорошо видно по снижению площади петли гистерезиса. В целом рост деформаций идет по пологой гиперболе (рис. 56) до 7% в 138-м цикле при максимальных значениях относительного порового давления около 0,6 и коэффициента эффективных напряжений SR = 3,5-3,6. Форма кривой указывает на тенденцию к стабилизации процесса при большом числе циклов воздействия, а постоянная амплитуда деформации — на практически неизменную среднюю прочность песка. В плоскости эффективных напряжений формируется замкнутая петля с наклоном к оси р' и нижней точкой с координата­ ми р1« 58-60 кПа, 4 ~ 12-13 кПа (рис. 57). Максимальная деформация в каждом цикле, как показывает детальный анализ данных, достигается при амплитудном значении динамических напряжений и наблюдается в фазе спада порового давления при его относительном значении 0,45.

Поведение грунта на этой последней стадии можно охарактеризовать как циклическую подвижность, что выходит за рамки современных представлений о поведении рыхлых песков в недренированных условиях и обусловлено отсутствием инверсии знака напряжений в цикле динамической нагрузки. Вероятно, разжижение могло бы быть достигнуто и в таких условиях, но при меньшей плотности образца. Наш же был близок к пескам средней плотности, напоминая их по форме реакции на динамическое воздействие, но без стадии «ограниченного разжижения».

Таким образом, отрицательная динамическая дилатансия водонасыщенных рыхлых песков и песков средней плотности сложения (а об этом механизме ди­ намической неустойчивости свидетельствует возникновение избыточного порового давления) проявляется как быстрое накопление деформаций, скачкообразно пере­ ходящее в циклическую подвижность при рс « 0 даже для изотропно уплотненных образцов. Разжижение же возможно только при инверсии знака напряжений,

Рис. 57. Траектория эффективных напряжений на конечной стадии затухающей циклической подвижности

которое всегда имеет место при распространении волн сдвига, либо же для необы­ чайно рыхлых разностей, существование которых in situ маловероятно.

Динамическая реакция плотных водонасыщенных песков

Результаты испытаний плотного изотропно уплотненного песка в услови­ ях недренированного пульсирующего сжатия (опыт 105) приведены на рис. 58 и свидетельствуют об исключительно важной роли амплитуды деформирования, асимметрии цикла нагружения и о необходимости проведения многоцикловых экспериментов для анализа поведения таких грунтов в условиях не кратковремен­ ных сейсмических, а длительных техногенных динамических нагрузок небольшой интенсивности. В этом эксперименте величина девиатора не превышала 35 кПа, а деформация оставалась столь ничтожной (не более 0,3%) на протяжении многих десятков циклов воздействия, что можно было ожидать стабилизации процесса. Од­ нако очень маленькая амплитуда деформации (0,01-0,02%) и отсутствие инверсии напряжений не позволили плотному песку проявить положительную дилатансию: относительное поровое давление все время остается положительной величиной, медленно нарастая с каждым десятком циклов. Такое поведение говорит о медлен­ ной структурной перестройке грунта, которая привела к образованию ослабленных зон и внезапному разжижению образца в 263-м цикле нагружения. Относительное поровое давление в этот момент достигает 1, а ускорение накопления деформаций началось при Аи/сг'3с = 0,7 — в 257-м цикле (рис. 58, б). Снижение жесткости системы в результате деградации ее прочности выразилось также в учащении нагружения — заданное минимальное значение осевого напряжения достигается с каждым разом все быстрее, и период автоматически сокращается.

Таким образом, длительное динамическое нагружение в недренированных условиях с небольшими амплитудами деформации и низким коэффициентом асим­ метрии цикла, но без инверсии знака напряжений (т. е. когда разгрузка ведется почти до нуля) не позволяет плотному водонасыщенному песку мобилизовать

о

«

о

о,

о

к

$

Ё

о

о

Рис. 58. Поведение плотного песка в недренированных условиях динамического пульсирую­ щего сжатия:

а — начальная фаза медленного накопления деформаций; б — внезапное разжижение на конечной стадии

значительное сопротивление сдвигу и приводит к медленной переупаковке зерен и внезапному разжижению грунта. Последнее, вероятно, начинается в пределах сформировавшихся на фоне незначительного уплотнения образца более рыхлых ослабленных зон. С практической точки зрения столь длительное существование недренированных условий в песке in situ возможно при наличии на нем слабопро­ ницаемого пласта, препятствующего диссипации порового давления.

Покажем определяющую роль инверсии знака напряжений, доказав возмож­ ность достижения 100%-го относительного порового давления в предельно плотных песках при рс < 0. Для этого рассмотрим поведение изотропно уплотненных образ­ цов при Д. > 80%. Будем уменьшать коэффициент асимметрии цикла нагружения, одновременно увеличивая относительную плотность песка, что, по современным представлениям, повышает их сопротивляемость разжижению.

s

я

cd S о,

о

•е QJ Ь*

CQ

О

О

о

Рис. 59. а, б. Разные стадии деформирования плотного песка в недренированных условиях динамического нагружения с инверсией знака (пояснения в тексте)

При DT = 83% и рс — -0,51 (опыт 112) плотный песок демонстрирует высокую сопротивляемость динамической нагрузке даже в фазе растяжения, и накопления деформаций в первых десятках циклов (рис. 59, а) практически не наблюдается, а относительное поровое давление положительно (кроме первого цикла) и остается на уровне 0,35-0,40. Его постепенное увеличение до уровня 0,65-0,70 к концу третьей сотни циклов воздействия на фоне деформации растяжения не более - 0,1% (рис. 59, б) свидетельствует о медленной структурной перестройке, формирующей ослабленные зоны в объеме образца, которая в конце концов — в 380-383-м цик­ лах — приводит к резкому снижению прочности грунта на фоне 100%-го порового давления и с формированием очень характерной вытянутой вдоль оси деформаций S-образной петли гистерезиса (рис. 59, в, г). Некоторый спад порового давления в каждом из этих последних циклов в фазе максимума девиатора отражает поло­ жительную дилатансию плотного песка при достижении траекторией эффективных напряжений линии фазовой трансформации.

Итак, инверсия знака напряжений даже очень плотных песков приводит к на­ коплению значительных по величине деформаций и исчезновению эффективных

&

3 s

I

Девиатор, кПа

Осевая деформация, %

Рис. 59. в, г. Разные стадии деформирования плотного песка в недренированных условиях динамического нагружения с инверсией знака (пояснения в тексте)

напряжений в отдельные моменты цикла. Это состояние соответствует услови­ ям циклической подвижности (рис. 52, б)\ образец обладает еще значительной прочностью, и увеличение деформаций от цикла к циклу невелико (рис. 59, в). Положительное поровое давление свидетельствует о способности плотного песка проявлять в определенных условиях отрицательную дилатансию.

Снизим приведенный коэффициент асимметрии цикла нагружения до -0,93, увеличив относительную плотность до 89% (опыт 110). Такой плотный песок проявляет отчетливо выраженную положительную дилатансию, и в первом ци­ кле поровое давление остается отрицательным. Однако низкая сопротивляемость растягивающим нагрузкам обусловливает быстрый рост деформаций растяжения, которые вызывают разуплотнение песка и снижение его прочности, и когда ампли­ туда деформации составляет примерно 2,5%, начинается ее накопление и в фазе сжатия (рис. 60, а). Дважды за каждый цикл траектория эффективных напряжений проходит через точку гидростатического сжатия (рис. 60, 5, точки А и В ), когда поровое давление на доли секунды —■ при смене фаз нагружения — на своем всплеске достигает 100%. Эта форма реакции грунта может быть охарактеризо­ вана как быстро прогрессирующая циклическая подвижность, и к 35-40 циклам

б

Деформация, %

Рис. 63. Затухающая циклическая подвижность в плотном песке при динамическом нагру­ жении без инверсии знака напряжений (пояснения в тексте)

прекращен. В целом аналогично ведет себя в условиях симметричного растяжения и предельно плотный песок (рс = -1 — опыт 111): быстро прогрессирующая циклическая подвижность приводит к накоплению 5%-й амплитуды деформации уже к 6-му циклу (рис. 61, а). Однако положительная дилатансия проявляется только в 1-м цикле, а затем поровое давление остается положительным, также

дважды за цикл достигая 100% в гидростатических условиях. Анализ траектории эффективных напряжений (рис. 61,6) позволяет предположить формирование осла­ бленной зоны разуплотнения (предпочтительной дилатансии) в фазе растяжения при достижении линии фазовой трансформации в точке А. Именно в этой зоне в дальнейшем идет ускоренное деформирование, обуславливающее положительное поровое давление даже в фазе растяжения.

Но даже такие плотные и резко анизотропно уплотненные пески (К с = 3,09) чувствительны к асимметрии цикла (опыт 109): снижение рс с 0,37 практически до нуля (0,02) и снижение амплитуды динамической нагрузки приводит к накоп­ лению на полтора порядка больших деформаций, стабилизирующихся к 300 циклу на уровне 0,47% при отрицательном поровом давлении (рис. 63, а). Значит в этом случае песок также является динамически устойчивым, проявляя положительную дилатансию.

Роль асимметрии цикла нагрузки обусловлена тем, что поровое давление резко падает в фазе сжатия, вызывая рост эффективных напряжений (рис. 62,6), а следовательно — и трения в системе. В результате деформирование грунта облегчается в фазе разгрузки — и петли гистерезиса имеют обратный наклон — коси напряжений (рис.63,б).

Динамическая реакция плотных песков в дренированных условиях

Этот тип поведения песков представлен на рис. 64 для практически симмет­ ричного нагружения: рс = -0,82 -f -0,9 (опыты 113 и 114). Деформация крайне незначительна и после 1-го цикла остается неизменной вплоть до остановки эксперимента в 300-м. При этом, как й следовало ожидать, она отрицательна, траектория эффективных напряжений образует замкнутую узкую петлю с наклоном к оси р \ положение оси которой в координатах qp1неизменно, а изменение частоты нагружения с 0,23 до 0,41 Гц не оказывает никакого влияния на реакцию песка.

Вместе с тем, приведенный пример является прекрасной иллюстрацией того, что такие испытания, строго говоря, не являются ни динамическими, ни дрениро­ ванными. Формирование уже во втором цикле замкнутой петли гистерезиса говорит об отсутствии эффекта накопления грунтом избыточной внутренней энергии, а по­ этому (Вознесенский, 1995) такая нагрузка не может называться динамической. Из рис. 64, б очевидно, что условие дренированных испытаний и = 0 не выполняет­ ся, и поровое давление в отдельные моменты цикла достигает 8- 10% эффективных сжимающих напряжений. В этом случае мы можем говорить лишь о цикличес­ ких испытаниях в условиях открытой системы. А поскольку степень диссипации порового давления контролируется частотой нагружения при данной водопроница­ емости грунта, то вполне вероятно, что: а) при частотах уже порядка нескольких герц возможно накопление значительного избыточного порового давления, кото­ рое скажется на прочности грунта, б) большинство дисперсных грунтов, включая мелкозернистые пески, никогда не «работают» в дренированных условиях, даже при низкочастотных сейсмических нагрузках.

Итак, феноменология динамической неустойчивости несвязных грунтов разно­ образна и существенным образом зависит не только от их плотности, но и от условий нагружения, а анализ изложенного материала позволяет дополнить современные представления следующими закономерностями.

1. Гравелистые пески и крупнообломочные грунты без существенного коли чества тонкодисперсного заполнителя можно считать динамически устойчивыми, но только при отсутствии на них в разрезе слоя пород с низкой водопроницае­ мостью, который препятствует быстрой диссипации избыточного порового давления

а

° ,51

К0,3-

90 100

Рис. 64. Изменение осевой деформации (л) и порового давления (б) при циклическом сжатии-растяжении песка средней плотности в условиях открытой системы

при сейсмическом толчке и может привести к разжижению даже гравийно-галечных

сии знака напряжений быстрое накопление деформаций на начальной стадии может без разжижения скачкообразно смениться состоянием циклической подвижности при относительном поровом давлении на уровне 70%;