1400
.pdfность смерзания увеличивается (см. например в табл. 21 тсм для супесчаного грунта при температуре — 1,2° С и ^общ=6,3% и при Wобщ= 14,2%).
Величина отрицательной температуры также существенно ска зывается на величине прочности смерзания (рис. 85).
Приведенные, а также другие многочисленные данные показы вают, что прочность смерзания особенно интенсивно возрастает с понижением температуры в области значительных фазовых превра щений воды (для песков и супесей примерно от 0 до —ГС; для глин от —0,5 до —5°С), т. е. в области, где большая часть поровой воды переходит в лед.
Опыты также показывают, что мгновенная прочность смерзания (или временное сопротивление смерзанию) при низких температу рах (ниже области интенсивных фазовых превращений воды в лед) может достигать огромной величины — порядка 300—500 7/ж2.
Однако при скорости нагружения, меньшей чем стандартная, прочность смерзания значительно уменьшается. Так, по нашим дан ным (опыты 1936 г.), для супеси при скорости возрастания нагруз ки в 22 кГ/см2 в 1 мин прочность смерзания была получена равной 9,3 кГ/см2, а в 1 кГ/см.2 в 1 мин — всего лишь 2,8 кГ/см2.
Последнее объясняется текучестью мерзлых грунтов при сдвиге по поверхности испытываемой стойки.
Некоторые данные о прочности смерзания, полученные с учетом текучести мерзлых грунтов под нагрузкой (по нашим совместно с Е. И. Левиным опытам 1939 г.), приведены в табл. 22. Эти данные получены при ступенчатом загружении, причем каждая ступень сдвигающей нагрузки выдерживалась до затухания деформаций и принималось, что деформация загасла, если в течение последних 20 мин наблюдений перемещение стойки было меньше 1 мк (что, ко нечно, Является несколько условным).
Т а б л и ц а 22
Прочность смерзания грунтов с деревом, соответствующая текучести мерзлых грунтов под нагрузкой
Прочность смерзания кГ/смг при ступенчатом сдвиге и тем пературе, СС
Наименование грунта |
|
1 |
|
|
Примечание |
|
|
|
-0 ,5 |
j -1 .5 |
—3 |
—5 |
|
|
|
Песок (№ общ=18% ) И |
0,6 |
1.5 |
3,0 |
5,8 |
Песок |
(содержание |
|
пылеватый грунт |
|
|
|
|
фракций |
1—0,05 |
мм — |
(1Росщ=28%) |
|
|
|
|
79%) |
|
|
|
|
|
|
|
Пылеватый грунт (со |
||
|
|
|
|
|
держание |
фракции |
|
Глина (№0гмц=39%) и |
0,4 |
0,7 |
|
2,4 |
0,05-0,005 мм — 72%) |
||
|
Глина |
содержание |
|||||
лед ( Wnfi m == 100%) |
|
|
|
|
фракции |
<0,005 |
мм — |
59%
Приведенные данные показывают, что прочность смерзания влажных грунтов с деревом, полученная в условиях текучести мерз лых грунтов при температурах в области интенсивных фазовых пе реходов воды в лед, составляет примерно от Vs до 7 ю от временно го сопротивления смерзанию.
Детальные исследования прочности смерзания с учетом релак сации сдвигающих напряжений проведены в 1940—1943 гг. М. Н. Гольдштейном*, который установил, что для влажного мел
козернистого песка при увеличении времени |
действия |
нагрузки с |
||
5 мин до 2060 |
ч прочность смерзания уменьшилась в 11,2 |
раза, а для |
||
суглинка при |
изменении времени |
действия |
нагрузки с 2 мин до |
|
521 ч — в 12,7 раза, т. е. найденная |
опытом |
длительная прочность |
Рис. 86. Зависимость прочности смерзания от вре мени действия сдвигающей нагрузки (по опытам М. Н. Гольдштейна)
смерзания оказалась в среднем в 12 раз меньше временной (близ кой к мгновенной) прочности смерзания (рис. 86).
Как пример, в табл. 23 приведены некоторые значения предель но-длительной прочности смерзания грунтов с деревянными стойка ми, установленными в предварительно пропаренный грунт (по опы
там С. С. Вялова).
Т а б л и ц а 23
|
Предельно-длительная прочность смерзания грунтов |
|
||||
|
|
с деревянными |
стойками |
|
|
|
Грунт |
о °с |
Т д л . К Г 1 С М ’- |
Место испытания и мег |
|||
Пылеватые |
супесчано |
- 0,2 |
|
0,3 |
Выдергивание свай, за |
|
суглинистые |
грунты |
—0,5 |
|
0,6 |
битых в |
пропаренный |
(Ц70бщ= 304-40%) |
—0,7 |
|
0,8 |
вечномерзлый грунт (в |
||
|
|
—1,0 |
|
1,0 |
полевых |
условиях райо |
|
|
—2.0 |
|
1,5 |
на Игарки) |
|
|
|
—3,0 |
|
2,0 |
|
|
См. сноску * 2 на стр. 76.
По данным табл. 23 на рис. 87 построен график зависимости длительной прочности смерзания грунтов с деревом от величины
отрицательной температуры.
Отметим, что опыты М. Н. Гольдштейна по изучению прочности смерзания грунтов с деревом и бетоном при непрерывном скольже нии стойки по грунту и многократном повторном продавливании по казали, что прочность смерзания при этих условиях снижается в
среднем вдвое.
Таким образом, из приведенных материалов с очевидностью вы текает, что при экспериментальном определении прочности смерза ния грунтов с деревом и бетоном необходимо учитывать в полной
мере время действия сдвигающей нагрузки, а при постоянной |
(дли- |
||||||||||
ТдлМ/см |
|
|
тельной |
нагрузке) — опреде- |
|||||||
|
_ |
ЛЯТЬ |
предельно-длительную |
||||||||
|
|
|
|
прочность смерзания. |
|
для |
|||||
|
|
|
|
|
В |
случае отсутствия |
|||||
|
|
|
|
данного вида грунта при дан |
|||||||
|
|
|
|
ной его температуре |
и |
влаж |
|||||
|
|
|
|
ности |
результатов |
непосредст |
|||||
|
|
|
|
венных опытов по определению |
|||||||
|
|
|
|
прочности |
смерзания |
грунтов |
|||||
|
|
|
0 |
с |
материалом |
фундаментов |
|||||
|
|
|
можно |
воспользоваться СНиП |
|||||||
|
|
|
-3 в С ц _б .6—66 |
(п. 57), |
в |
котором |
|||||
Рис. |
87. |
Зависимость длительной |
дины |
величины |
нормативных |
||||||
прочности смерзания грунтов с дере- |
сопротивлений |
мерзлых |
грун- |
||||||||
|
вом |
от температуры |
—0 |
ТОв сдвигу |
по боковой поверх |
||||||
с деревом и бетоном для |
|
ности смерзания (RCR |
кГ/см2) |
||||||||
расчетной |
температуры |
в середине i-го |
|||||||||
слоя |
вечномерзлых грунтов, причем |
при |
определении |
прочности |
смерзания грунтов с металлическими поверхностями вводится по нижающий коэффициент, равный 0,7.
§ 5. Сопротивление мерзлых грунтов разрушению резанием
Для установления методов эффективной разработки мерзлых грунтов при различного рода проходческих и земляных работах в условиях вечномерзлых грунтов особо важное значение имеют ис следования разрушения мерзлых грунтов резанием.
Обширные опыты по определению сопротивления мерзлых грун тов резанию были выполнены в 1951—1955 гг. в Институте горного дела АН СССР под руководством проф. Н. А. Зеленина *.
* Настоящий параграф составлен по работам А. Н. З е л е н и н а : Основы разрушения грунтов механическими способами. Изд-во «Машиностроение», 1968; В. П. Б а к а к и н, А. Н. З е л е н и н . Разработка мерзлых грунтов, п. 2. «До клады на Международной конференции по мерзлотоведению» (США, 1963). Изд-во АН СССР, 1963.
Основными показателями сопротивления мерзлых грунтов реза нию были приняты: усилия резания с помощью стандартного режу щего органа элементарного профиля (плоский клин) Р кГ и удель ное сопротивление резанию
кГ/см2, |
(IV.6) |
hb |
|
где h — глубина резания и ft — ширина резания.
В результате обработки данных нескольких тысяч опытов было получено, что усилие резания Р зависит линейно от глубины h ре
зания |
(рис. 88) при любой ве |
|
|
|
|
|||||
личине |
отрицательной |
темпе |
|
|
|
|
||||
ратуры |
и влажности |
мерзлого |
|
|
|
|
||||
грунта. |
величину |
усилия |
реза |
|
|
|
|
|||
|
На |
|
|
|
|
|||||
ния Р существенно влияет ши |
|
|
|
|
||||||
рина элементарного |
профиля |
|
|
|
|
|||||
режущего |
органа ft, причем |
|
|
|
|
|||||
это |
влияние качественно такое |
|
|
|
|
|||||
же, как и для грунтов немерз |
|
|
|
|
||||||
лых. |
|
|
усилия |
реза |
|
|
|
|
||
|
Зависимость |
|
|
|
|
|||||
ния от |
ширины |
элементарного |
|
|
|
|
||||
профиля |
криволинейна |
(рис. |
Рис. |
88. Зависимость усилия |
резания |
|||||
89) |
и может быть |
аппрокси |
Р кГ от глубины |
резания h |
для су |
|||||
мирована |
степенной |
функци |
песи |
(Wc= 34%; |
0 = —ГС; |
число |
||||
Ударов С=62) при различной шири |
||||||||||
ей |
|
|
P = Abm |
|
(IV.7) |
|
не профиля b |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Показатель степени т , как показали непосредственные опыты |
|||||||||
для различной ширины профиля |
(от 1 до 10 см) |
и различной тем |
||||||||
пературы |
(от 0= —1°С до 0 = —4°С и ниже), весьма близок к V2, |
т. е. можно принимать т ж0,5.
Величина коэффициента Л, характеризующая физическое состоя ние мерзлых грунтов, определяется по графику, построенному в ко ординатах In Р и In ft (рис. 90) и соответствует усилию Р для про филей шириной ft = l см, отражая сопротивляемость резанию раз личных мерзлых грунтов одинаковыми профилями.
Опыты также показали, что величина удельного сопротивления резанию k кГ/см2 зависит от суммарной влажности мерзлых грун тов Wc, причем максимальное удельное сопротивление резанию (так же, как и сопротивление сжатию) мерзлых грунтов соответствует со стоянию полного заполнения пор грунта льдом; дальнейшее же уве личение .влажности несколько уменьшает его.
На рис. 91 приведены удельные сопротивления резанию fe, близ кие по величине к максимальному их значению, для различных мерзлых грунтов в зависимости от величины их отрицательной тем пературы —0.
Наибольший рост удельного сопротивления резанию мерзлых грунтов (так же как и других их сопротивлений) наблюдается в об-
Рис. 89. Зависимость усилия резания для супеси Р от
ширины элементарного |
профиля b |
для различных |
|
глубин резания h (при угле резания |
а = 9 0 6, угле за |
||
острения р= 180°): |
|
||
а — №с = 18%, число ударов |
С - 143, |
0=—3-т-4°С; б — W с = |
|
=34%, С=62,0 - |
—Г С |
|
|
|
Ю |
20 |
J0 |
-40 в Г |
Рис. 90. Зависимость P=f(b) |
Рис. 91. |
Зависимость £ = /( —0) |
для |
||
в логарифмических координа |
различных |
мерзлых |
грунтов: |
||
тах |
/ — супесь |
(№<.-19%); |
2 — суглинок |
||
|
(№ с “ 25%); 5 — глина (№с =31%); 4 — пе |
||||
|
сок (№с-18%); |
5 — песок |
(№с “ 11%) |
ласти значительных (интенсивных) фазовых переходов воды в лед, т. е. при температурах примерно от 0 до —5° С, причиной чего сле дует считать преимущественно увеличение льдистости мерзлых грун тов (или уменьшение содержания незамерзшей воды) при пониже нии отрицательной температуры; при температурах же от —5 до —40° С и ниже, как справедливо отмечает А. Н. Зеленин, прочность резанию мерзлых грунтов определяется не только уменьшением со держания незамерзшей воды, но и упрочнением кристаллической ре шетки льда, так как твердость (а следовательно, и прочность) мо нокристаллов льда (не содержащих незамерзшей воды) возрастает с 2—3 по шкале Мооса (при температуре 0= —3°С до 4 (при 0= = —40°С) и 6 (при 0= —78°С).
Высказанное положение, которое нами более подробно обсужда лось в предыдущих параграфах настоящей главы, не вызывает сом нений, но требуются количественные уточнения, так как свойства порового льда при понижении отрицательной температуры мерзлых грунтов еще недостаточно изучены.
Зависимость удельного сопротивления резанию мерзлых грун тов k от величины отрицательной температуры —0 по-прежнему
может быть выражена степенным уравнением: |
|
k = 50", |
(IV.8) |
где п — показатель степени для всех видов мерзлых глинистых грун тов (глин, суглинков, супесей), по исследованиям А. Н. Зеленина, равный п = 0,5, а для мерзлых песков /г~0,25; В — параметр, опре
деляемый |
по логарифмическому графику (подобному графику |
рис. 90). |
многочисленных результатов опытов по определению |
Анализ |
удельного сопротивления мерзлых грунтов резанию k кГ/см2 в со поставлении их с числом ударов С стандартного ударника ДорНИИ, т. е. с числом ударов, необходимых для углубления в грунт на глу бину 10 см цилиндрического стержня с углом заострения р=180° и площадью 1 см2 при падении груза весом 2,5 кГ с высоты 0,4 м, показал, что между величинами k я С существует пропорциональ ная зависимость, что очень важно, так как позволяет с помощью весьма несложного динамического испытания мерзлых грунтов ударг ником определять величину удельного сопротивления резанию мерз
лых грунтов.
Отметим, что при испытании мерзлых грунтов более удобным (сокращающим .время испытаний) оказался ударник с площадью цилиндра /7= 0,5 см2 и углом заострения р= 30°, показания которого (для большей общности выводов) переводились в стандартные по казания ударника ДорНИИ по установленной эмпирической зависи мости: С=2,85С/ (где С — число ударов стандартного ударника и С' — число ударов с вышеописанным наконечником для мерзлых
грунтов).
Исследования также показали, что разрушения мерзлых грунтов следует производить способами, при которых преобладают напря-
Наименование
грунта
Мерзлая
глина
То же
Суммарная
влажность w c, %
17
24
31
Коэффи
циенты
С
к
С
к
С
к
|
|
|
|
с |
|
|
49 |
|
k |
|
|
|
|
|
Мерзлый |
|
б |
|
к |
песок |
|
|
||
|
|
|
|
|
То же |
|
11 |
|
k |
> |
1 |
18 |
I |
к |
Шкала сопротивляемости |
мерзлых грунтов резанию |
|
|
|||
|
|
При температуре, |
' С |
|
|
|
—1 |
- 3 |
—5 |
-1 0 |
-15 |
—25 |
-40 |
35—40 |
70—80 |
100—110 |
150—165 |
180—200 |
— |
— |
3 5 -4 0 |
70—85 |
100—115 |
150—170 |
180—200 |
250—270 |
290-315 |
5 5 -6 0 |
90—100 |
125-135 |
190—210 |
220—235 |
— |
— |
55—65 |
90—100 |
120—130 |
180—200 |
215—240 |
270—285 |
320-340 |
65—70 |
120—130 |
140—160 |
210—220 |
290—310 |
— |
— |
6 5 -7 0 |
115—130 |
140—160 |
210—230 |
280—310 |
290-320 |
330—360 |
40—45 |
65—70 |
90—100 |
135—145 |
180—190 |
— |
— |
40—45 |
70—75 |
90—100 |
135—140 |
170—190 |
235—245 |
280—310 |
12—14 |
15 -18 |
20—22 |
25—27 |
2 8 -3 0 |
| 32—35 |
40—45 |
50—55 |
6 5 -7 0 |
85—90 |
9 0 -9 5 |
100—145 |
120—130 |
140—150 |
150—160 |
I 200—210 |
220—230 I |
240-250 |
260—280 |
285—300 I |
325—340 |
жения разрыва, а энергоемкость разработок мерзлых грунтов будет минимальной, если применять скол узким клином с отрывом.
На основании результатов нескольких серий опытов с мерзлыми грунтами при достаточной (не менее чем четырехкратной) их пов торности А. Н. Зелениным составлена шкала сопротивляемости мерзлых грунтов резанию, в сокращенном виде (для двух мерзлых грунтов), приведенная в табл.24.
Шкала сопротивляемости резанию мерзлых грунтов построена по двум показателям: 1 — по числу ударов С ударника ДорНИИ и 2 — но удельным сопротивлениям резанию k (эталонного режущего инструмента с шириной Ь = 3 см, углом заострения р=180° и углом резания сс = 90°).
На основании результатов произведенных экспериментальных исследований сопротивления резанию мерзлых грунтов для опреде ления усилия резанию Р (в случае применения экскаваторов и тя гачей с двигателями мощностью в 50 л. с. и более и возможности применения их для непосредственного резания мерзлых грунтов ре
жущим органом элементарного типа) |
А. Н. Зеленин |
рекомендует |
эмпирическую формулу, которая при |
оптимальном |
для мерзлых |
грунтов угле резания а = 30° имеет следующий простой вид: |
||
P = C hbVb, |
(IV.9) |
где С — число ударов динамического плотномера с цилиндрическим наконечником площадью 1 см2; Д — коэффициент затупления, рав ный для слегка затупленного рабочего органа 1, для острого — 0,85 и возрастающий по мере увеличения износа до 2.
Величина С берется из табл. 24, величинами h и b — задаются конструктивно (причем при h/btv 3 форма наконечника не оказыва ет существенного влияния на усилие резания), а величина Д должна уточняться опытным путем на месте работ.
Приведенные данные являются основой для расчета усилий ре зания мерзлых грунтов в различных условиях.
§ 6. Величины критических и расчетных сопротивлений мерзлых грунтов
Величины критических сопротивлений мерзлых грунтов опреде ляются аналитическим расчетом по зависимостям, вытекающим из теории предельного напряженного состояния грунтов.
Как было рассмотрено в § 3 настоящей главы, уравнением пре дельного напряженного состояния мерзлых грунтов при не очень больших давлениях (до 10—20 кГ/см2) может служить линейная за висимость предельного (разрушающего) сопротивления сдвигу от нормального давления (формула IV.4), т. е.
где со/— сцепление мерзлых грунтов, зависящее (в отличие от грунтов немерзлых) как от величины отрицательной температуры
—0°С, так и от времени действия нагрузки t, причем при действии постоянной нагрузки должна учитываться релаксация сопротивле ния мерзлых грунтов, и в расчетах приниматься предельно-длитель ная величина сцепления сдл; cp0i ( — коэффициент внутреннего
трения, величина которого также зависит от отрицательной темпе ратуры —0 и времени и в расчетах предельной нагрузки должно учитываться его предельно-длительное значение срдл; р — величина внешнего давления, кГ/см2.
Таким образом будем иметь
расч Хир = сы + 1g <?ллр. (IV .4')
Как уже отмечалось ранее, для мерзлых и вечномерзлых грун тов, особенно глинистых, превалирующее значение в общем сопро тивлении сдвигу имеет сцепление, которое для них в десятки раз больше, чем для грунтов немерзлых; величина же коэффициента внутреннего трения tgcp для высокотемпературных мерзлых грун тов, особенно при длительном действии нагрузок, имеет значитель но меньшее значение. Поэтому дисперсные мерзлые грунты при величине угла их внутреннего трения <р, меньшем примерно 20° (см. ниже), можно рассматривать как идеально связанные материалы и при определении предельной нагрузки не учитывать их сопротив ление трению, что идет в некоторый запас и значительно упрощает все расчеты, не внося сколько-нибудь недопустимых .погрешностей. Это тем более законно, что величина сил сцепления, определяемая по методу шаровой пробы, как указывалось ранее, учитывает не только сцепление, но, косвенно, и трение грунта.
При определении критических сопротивлений мерзлых грунтов следует различать два критерия: 1— начальную критическую на грузку нач ркр, при которой еще не возникает в грунте под фунда ментами сооружений опасных пластических течений (зон предельно го равновесия) и 2 — предельную критическую нагрузку на грунт пред рКр, исчерпывающую несущую способность мерзлых грунтов, при достижении которой возникает прогрессирующее течение грун та, приводящее его к разрушению или к полной потере устойчи вости.
Начальная критическая нагрузка (критическое давление на грунт) при действии равномерно распределенной полосовой на грузки, в случае плоской задачи определяется исходя из следую щих соотношений.
Условием предельного |
равновесия |
идеально связного грунта |
{сф 0 и ф= 0) в любой его |
точке будет: максимальное сдвигающее |
|
напряжение шах т равно |
длительному |
сцеплению сдл мерзлого |
грунта в этой точке, т. е. |
|
|
|
ш а х Т ^ ; с лл. |
(Bt) |
Если же сдвигающее напряжение станет больше сцепления грунта в данной точке, то в ней возникнет площадка сдвига, а ряд следующих друг за другом площадок образует зону сдвигов (об ласть предельного напряженного состояния).
В случае плоской задачи имеем:
Oi |
---- Оо |
|
m a x t = — |
■ |
(в2) |
где а1 и главные напряжения: максимальное и минимальное. При действии на грунт полосообразной равномерно распреде ленной нагрузки р главные напряжения будут определяться из
вестными выражениями:
3i= -^ (2 P + sin 2Р)
’ |
(в,) |
02= — (2Р— sin 2Р)
Я
Рис. 92. Схема действия полосообразнон нагрузки в случае плоской задачи
где 2р — так называемый угол видимости (рис. 92). |
величину кри |
|||
Учитывая далее зависимость (в2) и обозначив |
||||
тического давления, удовлетворяющего условию (BI) |
через /?кр, по |
|||
лучим |
|
|
|
|
Ркр |
s^n |
|
( в 4) |
|
|
Я |
|
||
откуда |
|
|
||
|
^слл |
|
||
Р |
кр |
( В 5) |
||
sin 2р |
||||
|
|
|
Очевидно, что минимальное значение критического давления для рассматриваемого случая будет тогда, когда sin 2р = 1. Это давление соответствует начальному возникновению зон скольже ния в грунте под краем площади загрузки, которое назовем нач/^кр-
Тогда будем иметь *
нач /7Кр== я с лл. |
(IV. 10) |
* В. Г. Б е р е з а н ц е в . Сопротивление грунтов местной нагрузке при по стоянной отрицательной температуре. Сб. 1 «Материалы по лабораторным иссле дованиям мерзлых грунтов под руководством Н. А. Цытовича». Изд-во АН
СССР, 1953.