СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНО МАКСИМАЛЬНОЙ КОНТАКТНОЙ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЛОСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ Российский патент 2005 года по МПК G01N3/24 E02D1/00 

Описание патента на изобретение RU2265824C1

Изобретение относится к области механики грунтов и механики деформируемого твердого тела в условиях плоской деформации.

Известен способ определения момента разрушения материала по теории наибольшего касательного напряжения Кулона-Трески-Сан-Венана, заключающейся в проведении эксперимента на растяжение и сжатие материала до разрушения с определением пределов прочности на растяжение σ3 и на сжатие σ1 как главных напряжений, нормально приложенных к площадке сдвига, и определении наибольшего касательного напряжения разрушения по зависимости τmax=(σ13)/2, являющейся условием текучести материала [1].

Недостатком известного способа является то, что величина τmax зависит только от величины наибольшего и наименьшего из главных напряжений σ1 и σ3 и совершенно не зависит от среднего по величине напряжения σ2. При графическом изображении напряженного состояния это означает, что наибольший круг напряжений по Мору с радиусом τmax является единственным решающим критерием возможности разрушения материала, а величина τmax=const в данной точке массива в условиях сжатия или растяжения.

Влияние среднего напряжения в точке массива на величину наибольшего касательного напряжения при разрушении материала учитывает способ определения наибольшего касательного напряжения по теории Кулона-Мора, заключающейся в проведении эксперимента по сжимаемости материала в условиях сжатия (растяжения) с разрушением его при заданных значениях нормального среднего напряжения сжатия (растяжения) и с фиксацией соответствующих значений наибольших касательных напряжений, отличающейся тем, что за критерий возможности разрушения материала принимается закон τmax=pcp+tgϕ+с, где pcp - среднее внешнее нормальное напряжение сжатия (растяжения), a tgϕ - коэффициент внутреннего трения и с - удельное сцепление материала, получаемые путем построения ряда кругов радиусом τmax как функции координаты центра (σ13)/2 и проведения огибающей их линии, отсекающей на оси ординат величину ″с″ и составляющей с осью абсцисс угол ϕ [2].

Недостатком известного способа является возможность определения предельного по прочности напряжения только в точке массива, в которой известно нормально прикладываемое к поверхности сдвига напряжение. Характеризовать зону развития сдвиговых (пластических) деформаций при заданной внешней нагрузке и плоскопараллельном деформировании массива определяющие выражения Кулона-Мора не могут, что ограничивает область их применения. Например, при определении величины зон развития сдвиговых (пластических) деформаций в плоскости контакта плоского штампа с грунтовым основанием выражения Кулона-Мора не используются, так как закон распределения реактивных давлений под штампом наперед неизвестен и определяется только экспериментальным путем.

С другой стороны, точность определения в точке контакта и приложения к плоскости сдвига нормального среднего давления величины предельно максимального касательного напряжения низка из-за невозможности в условиях плоской деформации под жесткими штампами создать равномерно распределенную в зоне контакта нагрузку, так как при внешнем равномерном нагружении штампа под его подошвой реактивные давления будут иметь сложное распределение в зависимости от физико-механических свойств материала, неоднородности и степени изотропности массива, формы, размеров и жесткости штампа, его шероховатости, глубины заглубления и величины бокового пригруза штампа.

Технический результат по предлагаемому способу определения предельно максимальной контактной прочности грунтового основания в условиях плоской деформации, заключающемуся в приложении к плоскому гладкому штампу средних размеров внешнего давления рср, плоскопараллельном деформировании массива грунта с известным углом внутреннего трения ϕ и величиной удельного сцепления с и при учете выполнения зависимости предельно максимальной прочности τmax=(p1-p2)/2, где p1 и р2 - пределы прочности грунта в зоне нарушения его прочности, достигается тем, что в момент развития в плоскости контакта зоны упругих (пластических) деформаций от краев штампа до его центра предельно максимальную контактную прочность грунта в этой зоне определяют по выражению τmax=(рср+cCtgϕ)SinΘ=(рср+cCtgϕ)2Sinϕ/(1+Sin2ϕ), где рср=(p12)2 и p1 и р2 - соответственно максимальное и минимальное краевое давление в зоне сдвиговых (пластических) деформаций, при этом величину предельного давления растяжения (p1раст) грунта на краю зоны сдвиговых (пластических) деформаций у центра штампа и величину предельного давления сжатия (р2сж) грунта под краем штампа приравнивают значению предельного давления растяжения за краем штампа (p2закр) и определяют из выражения р1раст=p2сж=p2закр=[р2(1+Sinϕ)+2cCosϕ]/(1-Sinϕ)=[p1(1-Sinϕ)-2cCosϕ]/(1+Sinϕ), где p2=[pcp(1-Sinϕ)2-2cCosϕ]/(1+Sin2ϕ); p1=[p2(1+Sinϕ)2+4cCosϕ]/(1-Sinϕ)2, причем при p1раст=p2сж=p2закр=0 получают при среднем давлении на штамп рср=2с·tgϕ величину давления в зоне сдвигов p2стр=2cCosϕ/(1+Sinϕ) - потери структурной прочности грунта при растяжении и величину p1стр=2cCosϕ/(1-Sinϕ) - давления потери структурной прочности грунта при сжатии, соответствующее предельно максимальной структурной прочности τmaxстр=2c/Cosϕ.

Предложенный способ определения предельно максимальных касательных напряжений в зонах сдвиговых (пластических) деформаций под краями штампа, развивающихся по ширине штампа от краев с ростом среднего давления, устанавливает новую закономерность развития давлений p1 и р2 по краям зон сдвигов и определяет условие предельного равновесия грунта в этих зонах. Определяя величину краевого давления р2 в зонах сдвига при заданном внешнем давлении (рср), можно определить и величину максимального пика контактных напряжений σ=-p1, а следовательно, появляется впервые возможность установить закономерность развития сдвиговых контактных напряжений и зон сдвигов под штампом.

Впервые аналитически появляется возможность определить величину предельно максимальной структурной прочности грунта под штампом в зоне сдвига и устанавливаются выражения для определения давлений, определяющих потерю структурной прочности грунта при сжатии и растяжении. Впервые появляется возможность определить расчетным путем структурную прочность грунта соответственно на сжатие τстрсж=tgϕ·(cCtgϕ+|p1стр|=с(1+Sinϕ)/(1-Sinϕ) и на растяжение τстрраст=tgϕ·(cCtgϕ-|p2стр|=c(1-Sinϕ)/(1+Sinϕ).

Предлагаемое изобретение поясняется круговыми диаграммами Мора предельного по прочности состояния грунта под краями штампа в зоне контакта и развития сдвиговых (пластических) деформаций, представленными на фиг.1, и на фиг.2 - схемой развития зон сдвигов, совмещенной с эпюрой контактных сдвиговых напряжений, и диаграммой Мора предельно максимального по прочности состояния грунта τmax=f(рср) в зонах сдвига.

Способ определения предельно максимальной контактной прочности грунтового основания реализуется в условиях плоскопараллельного деформирования жестким полосовым штампом средних размеров (в≈1 м) с плоской гладкой подошвой следующим образом. Зная по данным инженерных изысканий величину удельного сцепления, например с=0,02 МПа для супеси с углом внутреннего трения ϕ=36°, по определяющей зависимости находим для среднего давления р=0,4 МПа значение τmax=(0,4+0,02·Ctg36°)×2Sin36°/(1+Sin236°)=0,3735 МПа (фиг.1). Замеры контактных напряжений под краем штампа в супеси при рср=0,4 МПа компенсационными датчиками контактных напряжений (мессдозы с регулируемым прогибом мембраны) дали результат р2=0,027 МПа, а значение пикового контактного давления вблизи центра штампа составило величину p1=0,770 МПа. По предложенному способу определения наибольших касательных напряжений получаем τпр=(p12)2=0,3715 МПа, а расчетные давления составляют величину: р2=[рср(1-Sinϕ)2-2cCosϕ]/(1+Sin2ϕ)=0,0265 МПа и

p1=[p2(1+Sinϕ)2+4cCosϕ]/(1-Sinϕ)=0,7741 МПа (фиг.2).

При этом расчетное давление потери структурной прочности грунта на растяжение равняется р2стр=[2·0,02·Cos36°]/(1+Sin36°)=0,0204 МПа, а на сжатие - p1стр=[2·0,02·Cos36°]/(1-Sin36°)=0,0785 МПа (фиг.1), что совпадает с данными экспериментальных измерений контактных напряжений при среднем давлении, создаваемом на штамп рср=2·0,02·tg36°=0,029 МПа (p1=0,08 МПа, p2=0,02 МПа).

Предлагаемый способ определения τmax базируется на уравнении равновесия, отнесенного к линиям скольжения, полученном Хенком [1, 2]:

по которому из двойственности характера пластического течения следует, что на границах зоны сдвигов эллипсы главных напряжений в зоне контакта поворачиваются на угол π/2 и главное напряжение σ1 меняется по величине на σ2, а линии скольжения α и β в случае течения материала вдоль гладкой поверхности штампа совпадают и пересекают граничную линию под углом π/4 для обычных грунтовых условий или идут вдоль подошвы штампа в случае разрыва волокон торфяного грунта под штампом и среза их краями штампа в торфяных залежах.

Предлагаемый способ определения предельно максимальной контактной прочности грунта под плоским штампом позволяет установить новые условия предельного равновесия плоско деформируемого грунтового массива и подойти к решению пластической контактной задачи, что открывает новые возможности в развитии теории линейно деформируемого полупространства.

Похожие патенты RU2265824C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТЕ 2004
  • Хрусталев Е.Н.
  • Хрусталева Т.М.
  • Хрусталева И.Е.
RU2265823C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ И ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖИ 2004
  • Хрусталев Евгений Николаевич
  • Хрусталева Татьяна Михайловна
  • Хрусталева Ирина Евгеньевна
RU2270990C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ОСАДОК ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ И ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖИ 2007
  • Хрусталев Евгений Николаевич
  • Хрусталева Татьяна Михайловна
  • Хрусталева Ирина Евгеньевна
RU2343448C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВОГО, ТОРФЯНОГО И МЕРЗЛОГО ОСНОВАНИЙ 2007
  • Хрусталёв Евгений Николаевич
  • Хрусталёва Татьяна Михайловна
  • Хрусталёва Ирина Евгеньевна
RU2345360C2
СПОСОБ ХРУСТАЛЕВА Е.Н. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЫ 2015
  • Хрусталев Евгений Николаевич
RU2615598C1
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2007
  • Хрусталёв Евгений Николаевич
  • Хрусталёва Татьяна Михайловна
  • Хрусталёва Ирина Евгеньевна
RU2376417C2
СПОСОБ ХРУСТАЛЕВА Е.Н. ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА АНИЗОТРОПИИ ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖИ 2016
  • Хрусталев Евгений Николаевич
RU2657590C2
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЯ ПОД ОПОРНЫМ КАТКОМ ПРИЦЕПНОЙ МАШИНЫ И УСТРОЙСТВО ОПОРНОГО КАТКА ПРИЦЕПНОЙ МАШИНЫ 2008
  • Хрусталёв Евгений Николаевич
  • Хрусталёва Татьяна Михайловна
  • Хрусталёва Ирина Евгеньевна
RU2391218C2
СПОСОБ ХРУСТАЛЕВА Е.Н. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ И ПАРАМЕТРОВ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЫ 2016
  • Хрусталев Евгений Николаевич
RU2615517C1
СПОСОБЫ СООРУЖЕНИЯ ОСНОВАНИЯ И ДНИЩА КРУПНОГО РЕЗЕРВУАРА И ИХ УСТРОЙСТВА 2008
  • Хрусталёв Евгений Николаевич
  • Хрусталёва Татьяна Михайловна
  • Хрусталёва Ирина Евгеньевна
RU2393300C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 265 824 C1

Реферат патента 2005 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНО МАКСИМАЛЬНОЙ КОНТАКТНОЙ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЛОСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Изобретение относится к механике грунтов и механике деформируемого твердого тела. Сущность: грунтовое основание плоскопараллельно деформируют внешним давлением средней величины с помощью плоского гладкого штампа средних размеров. Определяют удельное сцепление и угол внутреннего трения грунта основания, при этом учитывают выполнение условия наступления разрушения грунта в зоне сдвигов. В момент развития, при заданном среднем давлении от краев штампа к его центру зоны сдвигов, ее предельно максимальную прочность, значение минимального и максимального краевого давления в зоне сдвигов определяют по формулам. Технический результат: повышение точности исследований. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 265 824 C1

Способ определения предельно максимальной контактной прочности грунтового основания в условиях плоской деформации, заключающийся в плоскопараллельном деформировании основания плоским гладким штампом средних размеров величиной среднего внешнего давления рср, определении удельного сцепления с и угла ϕ внутреннего трения грунта основания и учете выполнения условия наступления разрушения грунта в зоне сдвигов τмах=(p1-p2)/2, где p1 и р2 - пределы прочности грунта, отличающийся тем, что в момент развития при заданном среднем давлении от краев штампа к его центру зоны сдвигов ее предельно максимальную прочность определяют из выражения τмах=(pcp+cCtgϕ)2Sinϕ/(1+Sin2ϕ) при pcp=(p1+p2)/2 и значение минимального краевого давления в зоне сдвигов p2=[pcp(1+Sinϕ)2-2cCosϕ]/(1+Sin2ϕ) и максимального давления p1=[p2(1+Sinϕ)2+4cCosϕ]/(1+Sinϕ)2, при этом при среднем давлении pcp=2c·tgϕ предельно максимальная прочность грунтового основания как природная структурная прочность равна τмах=2 с/Cosϕ и соответствует давлению p2=2cCosϕ/(1+Sinϕ) потери структурной прочности грунта при растяжении под краем штампа и давлению p1=2cCosϕ/(1-Sinϕ) потери структурной прочности грунта на другом краю зоны сдвигов.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2005 года RU2265824C1

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТА 1997
  • Драновский А.Н.
RU2135689C1
Прибор для испытания грунта на сдвиг 1977
  • Котов Владимир Александрович
  • Диброва Андрей Дмитриевич
  • Есипов Иван Емельянович
SU629284A1
УСТРОЙСТВО для ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА НА СДВИГ 0
  • В. А. Григорьев П. И. Эйзлер
SU243932A1
Устройство для испытания грунта на сдвиг 1976
  • Кубецкий Валерий Леонидович
SU592922A1
DE 3321237 A1, 13.12.1984.

RU 2 265 824 C1

Авторы

Хрусталев Е.Н.

Хрусталева Т.М.

Хрусталева И.Е.

Даты

2005-12-10Публикация

2004-04-26Подача