ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТА В СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

АННОТАЦИЯ

В статье исследуются прочностные характеристики грунтов в условиях сложного напряженного состояния на основе лабораторных исследований. Испытания проводились на специальном приборе конструкции З.Г.Тер-Мартиросяна с использованием глинистых грунтов (лёгкий суглинок). Эксперименты выполнялись при оптимальной плотности и влажности грунта с различными траекториями нагружения. В результате определены предельные деформации грунта и условия разрушения. Условия прочности сформулированы на основе общего закона Гука и выражены в математической форме. Результаты исследований имеют важное значение для оценки прочности и устойчивости грунтовых плотин.

ABSTRACT

The article investigates the strength characteristics of soils under complex stress states based on laboratory studies. Tests were conducted using a specialized device designed by Z.G. Termartirosyan, with clayey soils (light loam) as the subject. Experiments were performed at optimal soil density and moisture content across various loading trajectories. The results determined the soil's ultimate deformations and failure conditions. Strength conditions were formulated based on the generalized Hooke's law and expressed mathematically. The findings are significant for assessing the strength and stability of earthen dams.

Ключевые слова: грунт, прочность, сложное напряженное состояние, деформация, разрушение, глинистый грунт, лабораторные исследования.

Keywords: soil, strength, complex stress state, deformation, failure, clayey soil, laboratory studies.

Введение. Наблюдения за земляными сооружениями показывают, что образование трещин в различных зонах сооружений происходит вследствие появления растягивающих напряжений.

Последние вызываются неравномерностью осадок различных частей сооружений, резкими изменениями деформационных свойств материала насыпи или основания. Такие же явления наблюдаются и в основаниях сооружений, но вызываются иными причинами: наличием сейсмических воздействий, сдвигающих сил от сооружения.

Все эти примеры показывают, что состояние растяжения не является исключительным для связанных грунтов и горных пород и во многих случаях определяет прочность и устойчивость земляных сооружений и оснований.

Материалы и методы. Изучение свойств грунтов и грунтовых смесей при растяжении посвящен ряд работ [1-5], где описываются исследования, выполнявшиеся методом односного растяжения, изгиба грунтовых балочек и раздавливанием цилиндрических образцов силами, приложенными по образующей. В них установлены закономерности деформирования в частных случаях напряженного состояния, соответствующих перечисленным видам испытаний, и зависимости деформаций и напряжений грунта от плотности и влажности материала. Однако эти исследования по которым оценивают возможность появления поверхностных трещин не позволяют сформулировать условия разрушения, так как они условно моделируют действительную работу гребня и откосов плотин, и не отражают реальному пространственному напряженному состоянию в теле плотины.

Ниже на основе лабораторных исследований связных грунтов нарушенной структуры при растяжении в условиях сложного напряженного состояния обобщаются экспериментальные данные в форме условия прочности и деформационных соотношений.

Для испытания грунтов на растяжение в условиях сложного напряженного состояния применен прибор конструкции З.Г.Термартиросяна [5], в котором образец в форме катушки подвергается действию увеличивающегося гидростатического давления Р. (рис. 1).

Результаты и обсуждения. В опытах могут быть осуществлены траектории нагружения  ₃/₁ = const при условии ₁ = ₂ ≥ 0 ≥ ₃.

Прибор, созданный на основе приведенной схемы нагружения образца, позволяет выполнять испытания в условиях плавного нагружения с фиксацией всех компонентов напряжения деформированного состояния по главным осям.

Прочностные характеристики исследовались применительно к глинистым грунтам (лёгкий суглинок) строящейся грунтовой плотины Нижне-Алаарчинского водохранилища.

Установление условий прочности грунта при действии растягивающих напряжений выполнялось при оптимальной плотности и влажности (=1.75 т/м³; W=16%) при траекториях нагружения, характеризуемых постоянным соотношением ₃/₁ равным –1.05; –0.65; –2.06; –0.96; 0.

Изменение соотношения ₃/₁ достигалось испытанием образцов различных геометрических размеров.

Результаты опытов в виде зависимости предельной деформации :  от соотношения ₃/₁, характеризующего траекторию нагружения, представлены на рис. 2.

В диапазоне траекторий нагружения –∞ < ₃/₁ < 1,0 разрушение носит пластический характер, а предельная деформация при разрушении упруга, практически постоянна по величине и составляет около 0,15%. Поэтому в этом диапазоне напряжённых состояний условие разрушения можно сформулировать следующим образом: максимальная величина деформации постоянна.

Рисунок 1. Схема нагружения образца

₁= ₂=Р

₃=

₃/₁= -const

Рисунок 2. Результаты

В диапазоне –1.0<₃/₁<0 разрушение носит пластический характер, хотя разрушение по-прежнему отрыв. Наблюдается значительный рост величины  которая при ₃/₁ достигает 6%.

Таким образом, если общая деформация растяжения состоит из упругой и пластической составляющих:

+

то разрушение наступает при достижении  предельной величины:

=const

Согласно общему закону Гука можно записать:  =

где . — модуль упругой деформации, зависящий от напряженного состояния;

μ — коэффициент Пуассона.

Поскольку  и  — величины постоянные, то условие прочности можно записать (I):

[-(

Или

-(

где  — разрушение эквивалентное напряжение.

Заключение. При исследовании прочностных характеристик грунта на приборе "сжатие–растяжение" при пространственном состоянии предельные деформации растяжения  в 1.5–2 раза больше значений предельных деформаций, полученных при одноосном испытании.

Разрушение грунта при траектории нагружения:

а) –∞ < ₃ / ₁ ≤-1.0 носит хрупкий характер, а предельная деформация остаётся практически постоянной (около 0,15%). Это указывает на то, что при таких нагрузках грунт ведёт себя как хрупкий материал, что важно учитывать при проектировании сооружений, подверженных значительным растягивающим напряжениям.

б) -1.0 <₃ / ₁ ≤0 носит пластический характер, хотя механизм разрушения остаётся отрывным. При этом предельная деформация может достигать 6%, что свидетельствует о способности грунта к значительным пластическим деформациям перед разрушением. Это особенно важно для оценки устойчивости плотин в условиях переменных нагрузок.

Список литературы:

1. Зарецкий Ю.К., Воронцов Э.И., Гончаров В.Ф., Горицелов М.Д.,Исследование предельной деформации растяжения грунтов в ядре Нурекской плотины. М., Энергетическое строительство, 1976 № 7.
2. Долежанова М. Испытания глинистых грунтов на растяжение. Труды ВНИИ ВОДГЕО вып. 18 1967.
3. Покровский Г.И., Булычев В.Г. О деформации растяжения грунтов Сб. № 2 ВИОС "Основания и фундаменты", 1934.
4. Тейтельбаум А.И., Мельник В.Г., Саввина В.А. Трещинообразование в ядрах и экранах каменноземляных плотин. М. Стройиздат 1975. 165 с.
5. Тер-Мартиросян З.Г., Воробьев Е.А. Способ определения прочностных и деформационных свойств связанных грунтов. Авт.свид. № 323705 Бюллетень изобретений, 1972 № 1.