СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО ДАВЛЕНИЯ В МАССИВЕ СВЯЗНОЙ МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2015 года по МПК E02D1/02 

Изобретение относится к физике контактного взаимодействия частиц связной материальной среды в массиве полупространства в условиях гравитационного воздействия.

Известен способ определения природного гравитационного (бытового) давления в массиве жидкой и газовой бессвязной материальной среды, заключающийся в том, что определяют глубину h замера давления от поверхности полупространства с плотностью ρ и удельным весом γ=ρ·g, где g - ускорение свободного падения материального тела в условиях гравитации, а гравитационное природное давление определяют по расчетной зависимости p_б=γ·h [1].

Природное давление p_б=γ·h для бессвязных материальных сред (газ, вода) при отсутствии сил трения является всесторонним под их поверхностью в условиях полупространства и нормально действующим на погружаемые в них поверхности объектов. Величина тангенциального напряжения τ и нормального давления p_б на заданной глубине равны друг другу τ=p_б=γh.

Известен способ определения гравитационного давления несвязной материальной среды, заключающийся в том, что определяют глубину h замера давления от поверхности полупространства с плотностью ρ и удельным весом γ=ρ·g, где g - ускорение свободного падения материального тела в условиях гравитации, принимают угол внутреннего трения идеально чистой материальной среды φ=45° при коэффициенте внутреннего трения f=tgφ=1, а удельное сцепление с≈0, рассчитывают по закону Кулона тангенциальное напряжение как τ=p·tgφ+c=p, а гравитационное давление определяют, как и тангенциальное p_б=τ=γ·h [2].

Технический результат по способу определения гравитационного давления в массиве связной материальной среды, заключающемуся в том, что устанавливают от поверхности массива глубину h замера давления, на глубине h определяют тангенциальное напряжение по зависимости τ=ρ·g·h=γ·h, МПа, где ρ - плотность, кг/м³, γ - удельный вес материальной среды с учетом взвешивающей силы воды, кг/м³, g - ускорение свободного падения тела в условиях гравитации, м/с², удельное структурное сцепление c_стр, МПа, и угол φ_стр внутреннего трения среды, достигается тем, что нормальное гравитационное давление на глубине h массива связной материальной среды определяют расчетным путем по зависимости p_б=(τ-c_стр)ctgφ_стр=(γ·h-c_стр)ctgφ_стр, МПа, а связную материальную среду на глубине h<c_стр/γ принимают находящейся в растянутом по вертикали напряженном состоянии и уравновешенной атмосферным давлением.

Величина нормального гравитационного давления p_б на глубине h от поверхности структурно-устойчивого связного материального полупространства поясняется графически на фиг. 1 через зависимость Кулона τ=p_б·tgφ+c_стр для предельно нагруженной грунтовой среды.

Предлагаемый способ определения гравитационного давления в необводненном массиве связной материальной среды реализуется следующим образом.

В процессе инженерных изысканий массива среды определяют глубину h (см) его исследования, с которой отбирают образцы с ненарушенной структурой. В лаборатории по образцам среды определяют ее удельный вес γ=ρ·g (кг/см³), где ρ (кг/см³) - плотность среды, g (м/с²) - ускорение свободного падения тела, и производят расчет тангенциального напряжения на глубине h (см) исследуемого массива по зависимости τ=ρ·g·h=γ·h, пригодной для связной и несвязной материальной среды. По результатам лабораторных испытаний образцов среды в сдвиговых приборах или в стабилометрах строят график зависимости τ=p·tgφ_стр+c_стр (кг/см²) Кулона-Мора предельного состояния материальной среды и устанавливают значения ее прочностных параметров - угла φ_стр внутреннего трения и c_стр (кт/см²) удельного сцепления при не менее трех ступенях возрастающего сжимающего давления ρ (кг/см²) (фиг. 1). По графику τ=p·tgφ_стр+c_стр определяют значение p=p_б=(τ-c_стр)ctgφ_стр=(γ·h-c_стр)ctgφ_стр (кг/см²), соответствующее гравитационному давлению в массиве среды на глубине исследования h.

На глубине h<c_стр/γ поверхность земной коры находится в состоянии растяжения и

удерживается от отделения в космическое пространство давлением атмосферы. На глубине h=c_стр/γ природное (бытовое) давление в грунтовом массиве отсутствует.

Гравитационное давление проявляется на глубине h>c_стр/γ от земной поверхности.

Пример 1. Археологические раскопки сохранившихся исторических ценностей в связной грунтовой среде с удельным сцеплением c_стр=0,02 МПа; удельным весом γ_стр=0,0019 кг/см² следует производить с глубины h=c_стр/γ_стр=1,05 м. Если захоронения произведены на глубине h<1,05 м, то с годами на дневную поверхность грунтовой среды могут быть вытеснены надгробные кресты, что отмечено сегодня «как чудо» верующими людьми и до сих пор не объяснено учеными.

Пример 2. Вода в чистом виде обладает поверхностным натяжением верхнего слоя - пленки σ_пл=P/l, определяемым силой P, приложенной к метрической единице прямолинейного участка границы поверхности воды по направлению касательной к поверхности жидкости при ее равновесии. При температуре Τ=20°C поверхностное натяжение σ_пл=0,0725 дж/м² = 0,0725 Н/м ≈ 0,00739 кг/м. При ускорении свободного падения g=9,81 м/с² и плотности чистой воды ρ=1000 кг/м³ удельный вес воды составляет γ=981 кг/м³. Удельное сцепление поверхностной пленки воды толщиной h_пл и воды в целом равно c_в=ρ_в·g·h_пл=γ_в·h_пл=τ_в=σ_пл/ h_пл, где τ_в - тангенциальное (касательное) напряжение. Толщина пленки воды, находящейся в состоянии поверхностного растяжения, . При σ_пл=0,00739 кг/м, γ_в=981 кг/м³ получаем h_пл=27,978·10^-4 м, а удельное сцепление воды c_в=τ_в=γ_в·h_пл=274,642·10^-6 кг/см²=27,446 Па.

Коэффициент поверхностного натяжения водной глади при заданной температуре равен α=σ_пл=τ_в·h_пл=c_вh_пл=γ_вh² _пл=981 кг/м³ (27,978·10^-4 м)²=76,79·10^-4 кг/м =75,33·10^-3 Н/м. При Т=0°C опытный коэффициент поверхностного натяжения воды равен α=σ_пл =75,6·10^-3 Н/м [4].

Источники информации

1. Ландсберг Г.А. Элементарный учебник физики / Механика. Теплота. Молекулярная физика. - T.1, издание 8. - М.: «Наука». - С.122, 323-327.

2. Цытович Н.А. Механика грунтов / Краткий курс: Изд-е 3, доп. - М.: «Наука», 1979. - С.46-47.

3. Ландсберг Г.А. Элементарный учебник физики / Механика. Теплота. Молекулярная физика. - T.1, издание 8. - М.: «Наука». - С.509-513.

4. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике / Изд-е 5, перераб. и доп. - «Наука», 1972. - С.84.

Изобретение относится к области физики материального взаимодействия, конкретно к способу определения гравитационного (бытового) давления в массиве связной материальной среды. Величину гравитационного давления определяют по зависимости p_б=(γ·h-c_стр)ctgφ_стр, где γ - удельный вес материальной среды, h - глубина определения давления в массиве среды, c_стр - структурное удельное сцепление среды, φ_стр - угол внутреннего трения структурированной среды в естественном залегании. Технический результат - повышение точности определения величины бытового давления. 1 ил.

Способ определения гравитационного давления в массиве связной материальной среды, заключающийся в том, что устанавливают от поверхности массива среды глубину h замера давления, на глубине h определяют тангенциальное напряжение τ=ρ·g·h=γ·h, МПа, где удельный вес γ=ρ·g, кг/м³, самой среды, где ρ - плотность среды, кг/м³, g - ускорение свободного падения, м/с², удельное структурное сцепление c_стр, МПа, и угол φ_стр внутреннего трения среды, отличающийся тем, что нормальное гравитационное давление на глубине h массива связной материальной среды определяют расчетным путем по зависимости p_б=(γ·h-c_стр)ctgφ_стр, МПа, а связную материальную среду на глубине h<с_стр/γ принимают находящейся в растянутом по вертикали напряженном состоянии и уравновешенной атмосферным давлением.