СПОСОБ ХРУСТАЛЕВА Е.Н. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2017 года по МПК G01N3/12 

Изобретение относится к области физики материального контактного взаимодействия, конкретно к способу получения определяющих физических параметров удельного сцепления и угла внутреннего трения структурированной и нарушенной по структуре материальной среды.

1. Известен способ определения физических параметров - угла ϕ=ϕ_стр внутреннего трения и удельного сцепления С=С_стр грунтовой материальной среды в массиве с ненарушенной структурой, заключающийся в том, что из массива отбирают образцы среды с ненарушенной структурой, выдерживают их под гравитационной бытовой нагрузкой , где - удельный вес среды, h - глубина отбора образца из массива среды, поочередно образцы заряжают в кольцевую обойму сдвигового прибора, производят обжатие каждого из них плоским штампом возрастающей ступенью нагрузки p_i и плоскостной срез обжатого образца с замером сопротивления сдвига τ, отличающийся тем, что строят график зависимости Кулона-Мора и при нулевом давлении р=0 в условиях компрессии определяют удельное сцепление С_стр и угол внутреннего трения среды ненарушенной структуры [1].

Недостатком известного способа является определение параметров и С_стр среды ненарушенной структуры при гидростатическом бытовом давлении , когда связная среда обладает в массиве бытовым давлением . Проектировщиков интересуют давление пригрузок р>р_б. от действующих сооружений, когда требуется значение углов ϕ=ϕ_н и удельного сцепления С=С_н среды с нарушенной структурой. С другой стороны, испытания ненарушенных образцов среды на сдвиг в лабораториях производят в условиях компрессии, а не с поверхности полупространства массива, в связи с чем параметры ϕ_стр и С_стр получают искаженными, отличными от действительных.

Известен способ определения физических параметров прочности ненарушенной структуры грунтовой материальной среды в массиве методом поступательного среза лопастным сдвигомером-прессиометром Л.С. Амаряна, заключающийся в том, что бурят вертикальную скважину в массиве среды, в скважину задавливают на заданную глубину h двутавровый рабочий наконечник сдвигомера-прессиометра с обрезанием ее боковых стенок плоскими полками, из боковых полок двутаврового наконечника выдвигают поочередно возрастающими ступенями давления p_i жесткие плоские штампы с поперечными грунтозацепами, далее производят сдвиг среды на глубине h на каждой ступени давления p_i>р_б., выше бытового давления в момент стабилизации осадок среды под ступенями давления путем поступательного среза под напряжением τ_i - обжатой среды в скважине, по полученным данным p_i и τ_i строят график Кулона-Мора и определяют параметры прочности среды ϕ=ϕ_стр и С=С_стр [2, 3].

Получаемые лопастными прессиометрами-сдвигомерами параметры прочности и С_стр не совпадают с лабораторными данными исследований образцов среды ϕ=ϕ_стр и С=С_стр ненарушенной структуры в условиях компрессионного сжатия, поэтому метод поступательного среза среды лопастными прессиометрами-сдвигомерами не получает распространения. В действительности срез среды, обжатой давлением штампов лопастных сдвигомеров-прессиометров, производится уже в нарушенном состоянии ее структуры обжимающим давлением р>р_б. и параметры прочности получают по графику Кулона-Мора именно в виде ϕ_н и С=С_н интересующем проектировщиков.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения физических параметров прочности нарушенной структуры грунтовой материальной среды и торфа под запроектированной нагрузкой р>р_б., превышающей ее структурную прочность, заключающийся в том, что на образцах в лаборатории определяют угол ϕ=ϕ_стр внутреннего трения и удельного сцепления С=С_стр среды ненарушенной структуры при построении графика Кулона-Мора предельного состояния среды под давлением p_i, где τ_i - напряжение сдвига среды под давлением сжатия, заключающийся в том, что моментом начала нарушения структурной прочности связной материальной среды считают достижение под штампом давления, равного бытовому давлению на отметке h массива ее естественного сложения, при этом угол внутреннего трения среды с нарушенной структурой определяют из выражения , где угол - угол внутреннего трения среды ненарушенной структуры, угол , причем удельное сцепление среды нарушенной структуры определяют как [4].

Получаемые параметры прочности и С_стр материальной среды в массиве в структурированном состоянии при построении графика Кулона-Мора имеют низкую точность определения их величины, связанную с вероятностным методом построения графика предельного состояния среды [3], что в свою очередь отражается на точности определения расчетных параметров прочности среды в нарушенном по структуре состоянии и .

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности определения удельного сцепления и угла внутреннего трения материальной среды в массиве в структурированном и нарушенном состоянии.

Технический результат по способу определения физических параметров прочности дисперсной материальной среды, заключающемуся в том, что определяют при лабораторном сдвиге образцов, отобранным с глубины h массива грунтовой среды ненарушенной структуры, в условиях компрессии под жестким плоским штампом расчетный угол внутреннего трения и расчетное удельное сцепление среды ненарушенной структуры при построении графика Кулона-Мора ее предельного состояния под давлением p_i, где τ_i - напряжение сдвига среды под давлением сжатия p_i, лабораторным методом по образцам определяют удельный вес , рассчитывают главное гравитационное (бытовое) давление среды , где - удельный вес воды, h_в - уровень воды на отметке h массива естественного сложения, и определяют расчетный угол внутреннего трения среды с нарушенной структурой , достигается тем, что при главном гравитационном давлении р_б.стр>0 на глубине массива структурированной среды и отсутствии атмосферного давления (р_атм=0) расчетное гравитационное давление среды с нарушенной структурой определяют как , где - расчетный удельный вес среды в нарушенном состоянии, а точное отрицательное значение удельного сцепления структурированной среды в массиве определяют как , а среды с нарушенной структурой - как при уточнении параметров гравитационного давления среды , и удельного веса - как , , причем при главном гравитационном давлении р_б.стр.=0 на глубине массива структурированной среды и доступе атмосферного давления р_атм=1,033 (кГ/см²) величину расчетного отрицательного удельного сцепления среды определяют по зависимости при уточнении параметров углов внутреннего трения среды , , отрицательного удельного сцепления среды и ее удельного веса , при этом при главном бытовом давлении р_б.стр<0 на глубине массива структурированной среды и доступе атмосферного давления р_атм=1/033 (кГ/см²) величину расчетного отрицательного удельного сцепления среды определяют по зависимостям , при уточненных углах внутреннего трения среды , и уточняют отрицательные значения удельного сцепления среды , при ее уточненном удельном весе , и гравитационном давлении на глубине h , .

Предлагаемый способ позволяет при знании величины гравитационного давления или удельного веса среды на заданной глубине h массива и при знании угла внутреннего трения определять величину удельного сцепления среды в структурированном и нарушенном по структуре состоянии и наоборот. Предлагаемые аналитические расчетные зависимости взаимно уточняют друг друга и повышают точность определения несущей способности материальной среды под нагрузкой при достоверном определении ее параметров удельного сцепления С_стр и С_н и угла внутреннего трения и .

Предлагаемый способ базируется на новых закономерностях физики материального контактного взаимодействия, по которым гравитационное давление в связных средах определяется по точным зависимостям как , а в обводненных грунтах как , где - удельный вес воды, h_в - уровень воды на отметке h массива среды естественного сложения. В механике грунтов академиком Н.А. Цытовичем [1] бытовое давление в обводненных грунтовых средах определяют по зависимости с учетом взвешивающего давления воды и ошибочно принимая обводненный грунт также за безсвязную среду . На сегодняшний день научные положения Н.А. Цытовича для обводненной среды перенесены ошибочно на осушенную материальную среду, и уже принимают бытовое давление для осушенной среды как , а для обводненной среды с прежними ошибками как .

2. Известен способ определения параметров прочности материальной мерзлой грунтовой и торфяной среды, включающий ее нагружение усилием Р жесткого сферического штампа диаметром D до стабилизации осадки S_t, разгрузку штампа с замером мессурой его осадки по остаточному диаметру d_к лунки сжатия, определение длительного сцепления мерзлой среды как С_дл.=0,18⋅P/(πDS_o) [6].

Недостатком известного способа является низкая расчетная точность параметров прочности мерзлой среды при несоответствии остаточной осадки лунки сжатия контактной осадке S_o сферы, взаимодействующей с мерзлой средой. Диаметр остаточной лунки сжатия соответствует только остаточным пластическим деформациям, так как упругие остаточные деформации после разгрузки сферы в лунке сжатия восстанавливаются.

Известен способ определения параметров прочности мерзлой и обычной грунтовой и торфяной среды, включающий их нагружение усилием Р жесткой сферы диаметром D с замером текущей осадки S_t до момента ее стабилизации во времени t, разгрузку сферы, определение ее контактной осадки S_o и по результатам испытании - длительного сцеплении С_дл., отличающийся тем, что усилие на сферу при испытании среды передают через динамометрический упругий элемент, сферу в среду погружают принудительно не менее трех раз на заданные глубины S_t1<S_t2<S_tk, величину которых поддерживают постоянной до момента времени t стабилизации соответствующих усилий P₁, P₂, P_k, после чего производят разгрузку сферы с замером окружностей оставшегося на среде отпечатка диаметром d_к, рассчитывают контактные осадки сферы , соответствующие средним контактным давлениям р_ср.=P_k/[πS_o(D-S_o)], строят график зависимости и касательные прямые линии к точкам графика, соответствующим усилиям P₁, P₂, P_k до пересечения с осью абсцисс; радиусами ρ, равными разнице значений р_ср. и соответствующих им точек пересечения касательных с осью абсцисс, строят круги напряжений Мора максимально предельного состояния среды при растяжении, и проводят к ним общую касательную прямую (maxτ_пр)=р_ср.⋅tgθ+C_э до пересечения с осями абсцисс и ординат, с графика снимают предельный угол θ° внутреннего трения грунта [5] и отмеряют мгновенное эквивалентное сцепление С_э, рассчитывают угол внутреннего трения и удельное сцепление , радиусом R_o от начала координат графика проводят полуокружность, соприкасающуюся с ним и отсекающую на оси абсцисс точку, соответствующую предельному напряжению на растяжение σ_p=2⋅R_o=2⋅С_э⋅cosθ/(1+sinθ), значению которого по графику соответствует длительное сцепление , далее через сферу к среде прикладывают постоянно возрастающее усилие Р_с>P_k до момента стабилизации его предельной величины P_c=const при регистрации соответствующей ему общей осадки S_c среды, при которой угол сектора полуконтакта сферы со средой равен ψ°=arcsin(2r_c/D), где , предельный угол внутреннего трения проверяют по выражению θ=π/2-2ψ, тогда для мерзлой среды (при ϕ°=0°) длительное сцепление равно ,

для обычного грунта: ,

для обычного торфа: ,

удельное сцепление любой среды равно: ,

а угол внутреннего трения [7].

Научные положения физики материального контактного взаимодействия существенно уточняют параметры прочности материальной среды при ее испытании по известному способу давлением сферическим штампом:

1) угол ϕ° внутреннего трения среды следует относить к среде, находящейся в структурированном состоянии ,

2) угол ψ сектора полуконтакта сферы со средой равен [8],

3) удельное сцепление следует относить при р>р_б к среде в нарушенном состоянии С=С_н,

4) разница углов соответствует углу внутреннего трения среды в структурированном состоянии [4, 5],

5) влажная среда при сцеплении воды С_в,стр≈0, угле внутреннего трения [9] в мерзлом структурированном состоянии при С_в>>0 и определяется предельным углом внутреннего трения льда при угле внутреннего трения льда с нарушенной структурой [4],

6) линии сдвигов среды на глубине массива под штампом развиваются вглубь от центра и к краям штампа при отрицательных значениях касательных напряжений (-τ_xy).

Поставлена цель - с позиции новых научных положений физики материального контактного взаимодействия повысить точность и достоверность определения параметров прочности материальной среды в обычном и мерзлом состоянии сферическим штампом.

Технический результат по способу определения физических параметров прочности материальной среды, включающему нагружение обычной и мерзлой грунтовой и торфяной среды усилием Р жесткого сферического штампа диаметром D с замером текущей осадки S_t до момента ее стабилизации во времени t, разгрузку сферы, определение ее контактной осадки S_o и по результатам испытаний - длительного сцепления С_дл., при этом усилие на сферу при испытании среды передают через динамометрический упругий элемент, сферу в среду погружают принудительно не менее трех раз на заданную глубину S_t1<S_t2<S_tk, величину которой поддерживают постоянной до момента времени t стабилизации соответствующих усилий P_l, Р₂, P_k, после чего производят разгрузку сферы с замером окружностей оставшегося на среде отпечатка диаметром d_к, рассчитывают контактные осадки сферы , соответствующие средним контактным давлениям р_ср.=P_k/[πS_o(D-S_o)], строят график зависимости и касательные прямые линии к точкам графика, соответствующим усилиям Р₁, Р₂, P_k до пересечения с осью абсцисс; радиусами ρ, равными разнице значений р_ср. и соответствующих им точек пересечения касательных с осью абсцисс, строят круги напряжений Мора при растяжении и проводят к ним общую касательную прямую (maxτ_пр)=р_ср.⋅tgθ+С_э до пересечения с осями абсцисс и ординат, с графика снимают предельный угол внутреннего трения среды θ и отмеряют мгновенное эквивалентное сцепление С_э, рассчитывают угол внутреннего трения среды и удельное сцепление , радиусом R_o от начала координат графика проводят полуокружность, соприкасающуюся с ним и отсекающую на оси абсцисс точку, соответствующую предельному напряжению на растяжение σ_p=2⋅R_o=2⋅С_э⋅cosθ/(1+sinθ), значению которого по графику соответствует длительное сцепление , далее через сферу к среде прикладывают постоянно возрастающее усилие Р_с>P_k до момента стабилизации его предельной величины P_c=const при регистрации соответствующей ему общей осадки S_c среды, при которой угол сектора полуконтакта сферы со средой равен ψ°=arcsin(2r_c/D), где , и определяют величину длительного сцепления для мерзлой грунтовой и торфяной среды как: , для обычной грунтовой среды как: , для обычной торфяной среды - как: , при сцеплении , а угол внутреннего трения среды уточняют как , достигается тем, что предельную осадку среды S_c под сферическим штампом принимают при угле сектора полуконтакта равным , где - угол внутреннего трения среды в структурированном состоянии, за мгновенное эквивалентное сцепление обычной грунтовой среды и торфа принимают величину атмосферного давления , при предельном угле внутреннего трения среды , где - угол внутреннего трения среды с нарушенной структурой, удельное сцепление структурированной грунтовой среды и торфа определяют как , длительное сцепление - по выражению при , для мерзлой и обычной грунтовой и торфяной среды структурное сцепление определяют как , а эквивалентное сцепление - как .

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлены графики Кулона-Мора предельного состояния структурированной среды и предельного состояния материальной среды с нарушенной структурой на глубине ; на фиг. 2 - эпюры контактных напряжений под и за краями штампа (на поверхности воронки сжатия); на фиг. 3 - графики предельного состояния массива материальной среды на глубине при р_б=0; на фиг. 4 - графики предельного состояния массива материальной среды на глубине при р_б<0; на фиг. 5 - графики испытания обычной и мерзлой грунтовой и торфяной среды сферическим штампом (фиг. 5, а) (фиг. 5, б) (maxτ_пр)=р_ср.⋅tgθ+С_э, совмещенные с истинным графиком предельного состояния среды (фиг. 5, в); на фиг. 6 - круги предельных напряжений Мора и положение осредняющей прямой сдвига при трехосевом сжатии мерзлого торфа при температуре (-3°C).

По способу 1 согласно известной методике определении максимальной контактной прочности обычной материальной связной среды в условиях плоской деформации [5], график поверхности полупространства выглядит в виде трех кругов Мора (фиг. 1): круга 1 предельного состояния среды под подошвой штампа, круга 2 предельного состояния среды за краями штампа и охватывающего их круга 3 Мора, суммирующего предельное напряженное состояние среды в целом (под и за пределами контакта штампа со средой в воронке сжатия). Предельное состояние среды в воронке растяжения-сжатия под и за краями штампа представлено в виде эпюр контактных напряжений (фиг. 2) с зонами сдвиговых деформаций под краями штампа (эпюра 4) и с зонами растяжения-сжатия за краями штампа (эпюра 5) в деформационной воронке 6.

Из тригонометрических соотношений графика Кулона-Мора (фиг. 1) определяем, что , откуда угол внутреннего трения нарушенной структуры деформируемой среды .

Главное гравитационное давление на глубине h структурированного массива среды с подтоплением водой на глубине h_в определяют по зависимости при действующем давлении .

По предлагаемому способу определяют главное гравитационное давление массива среды с нарушенной структурой и удельным весом по зависимости .

Вариант 1 реализации способа при при р_б.стр>0 и без доступа атмосферного давления (р_атм=0) (фиг. 1).

1) При глубине исследования h=200 см и присутствии воды с глубины h_в=97 см получают расчетную величину гравитационного давления суглинка с удельным сцеплением , и , равную при , имеющего отрицательное значение (фиг. 2) на линиях 7 сдвига .

2) Величина расчетного угла .

3) По предлагаемому способу величина гравитационного давления , тогда при находим для обводненного массива среды и (фиг. 3).

Для суглинка с уровнем грунтовых вод h_в=97 см находят расчетные значения или , принимают . Для суглинка с нарушенной структурой принимают .

4) Находят величину главного гравитационного давления как - для массива среды с нарушенной структурой.

5) Находят значение удельного веса среды с нарушенной структурой .

По Н.А. Цытовичу и , что в 3 раза превышает расчетные значения по предлагаемым зависимостям. Окончательно принимают величины: , , р_б.стр.=0,1137 (кГ/см²) и р_б.н.=0,0099 (кГ/см²), .

Вариант 2 реализации способа при , р_б.стр=0, , доступе атмосферного давления р_атм=1,033 (кГ/см²) (фиг. 3) и h_в=0.

При исследовании суглинка в массиве на глубине лабораторными методами определяют параметры: , , , а расчетными методами получают: , .

1) По предлагаемому способу величина главного гравитационного давления на глубине 125 см равна , откуда расчетная величина удельного сцепления равна и имеет отрицательное значение, что определено знаком сжимающих приповерхностных тангенциальных напряжений (-τ_сж), растягивающих по вертикали вверх (y поверхности Земли) суглинок и уравновешиваемых активным напряжением τ_а.стр=р_атм, а расчетная величина .

2) При удельном сцеплении С_стр=-0,2317 (кГ/см²) (определенном в лабораторных условиях со знаком «минус» с учетом растягивающих тангенциальных напряжений в натурных условиях работы массива среды (фиг. 2), уравновешиваемых всесторонним давлением атмосферы находят уточненное значение угла внутреннего трения суглинка на глубине h=125 см из выражения .

3) Уточненное значение угла .

4) Точное значение удельного сцепления суглинка находим как .

5) При и р_б=0 находят значение удельного веса суглинка как .

6) Величина гравитационного давления в массиве составляет , при отрицательных тангенциальных напряжениях .

Величину активных сжимающих давлений определяют как р_а.стр.=р_а.н.=р_атм+р_б.=1,033+0=1,033 (кГ/см²).

Вариант 3 реализации способа при и доступе атмосферного давления р_атм=1,033 (кГ/см²) (фиг. 4) и h_в=0.

При исследовании суглинка в массиве на глубине лабораторными методами в компрессионных условиях определяют параметры , , , а расчетными методами получают: при .

1) По предлагаемому способу величина расчетного удельного сцепления равна для растягиваемого по вертикали (и сжимаемого по горизонтали) суглинка при величине активного тангенциального напряжения τ_а,стр=1,033-0,3817=0,6513 (кГ/см²).

Величина .

2) Уточняют значение угла по зависимости и угла .

3) Точные значения удельного сцепления находят как

и .

4) Уточняют удельный вес суглинка как

и .

5) Величину гравитационного давления определяют как

и .

Величину активного сжимающего давления определяют как р_а,стр=р_атм+р_б.стр=1,033-0,41=0,623 (кг/см²) и р_а,н=р_атм+р_б.н=1,033-0,355=0,678 (кГ/см²).

По способу 2 определение параметров прочности среды производят следующим образом. На поверхность материальной среды (фиг. 5) устанавливают сферический штамп диаметром D. С помощью винтового домкрата производят сжатие динамометрической пружины и передачу возрастающего усилия Р сжатия пружины на сферический штамп 8 (фиг. 5, а) до тех пор, пока заданная осадка штампа не консолидируется до постоянной принятой величины S_t1=const, выдержанной во времени t. Осадку S_t1 и соответствующее усилие на штамп 8 фиксируют путем перевода деформации пружины по тарировочному графику в усилие P₁. Для повышения точности определения прочностных характеристик среды назначают последовательно осадки штампа S_t2>S_t1, S_t3>S_t2, стабилизированным значениям которых соответствуют усилия Р₂ и Р₃ на штамп 8. Погружение сферы в среду производят на заданные величины ее осадок не менее трех раз. После каждого опыта производят замер диаметра поверхности погруженной в среду сферы d_к и определяют ее контактную осадку .

В прямоугольной системе координат строят график 9 (фиг. 5, б) зависимости , где среднее давление в зоне контакта сферы с основанием определяют по выражению (фиг. 5, а).

Через точки Р_к1, Р_к2 и Р_к3 графика проводят касательные прямые линии 10 до пересечения с осью абсцисс и радиусами ρ₁, ρ₂, ρ₃, равными разнице значений р_ср и точек пересечения касательных с осью абсцисс, строят круги 11 Мора максимального предельного состояния основания при растяжении. К кругам Мора проводят касательную прямую линию 12 зависимости (maxτ_пр)=р_ср.⋅tgθ+С_э, с помощью которой с графика снимают предельный угол внутреннего трения, по оси ординат отмеряют мгновенное эквивалентное сцепление С_э и рассчитывают значение угла внутреннего трения обычной или мерзлой грунтовой или торфяной среды ϕ=arcsin[(1-cosθ°/sinθ°)] и величину удельного сцепления .

Длительное сцепление среды определяют как

,

где σ_p=2C_э⋅cosθ/(1+sinθ) - предельное напряжение на растяжение. Далее через сферу к среде прикладывают постоянно вырастающее усилие Р_с>Р_к до момента стабилизации его предельной величины P-const при регистрации соответствующей ему общей осадки S_c среды, при которой угол сектора полуконтакта сферы со средой равен , где . Определяют предельный угол внутреннего трения среды , где - угол внутреннего трения среды с нарушенной структурой.

Для обычной мерзлой грунтовой и торфяной среды удельного сцепления , а эквивалентное сцепление равно (фиг. 1), тогда получают величину и эквивалентного сцепления . Величину структурного сцепления определяют как при эквивалентном сцеплении .

При этом длительное сцепление для мерзлой грунтовой или торфяной среды определяют как , для обычного грунта - , для обычного торфа - , при величине удельного сцепления .

Пример 1 реализации способа. Стальной шарик диаметром D=22 мм вдавливают в мерзлый торф постоянно возрастающей нагрузкой до момента ее стабилизации P_c=const, при этом диаметр отпечатка составляет d_к=8,95 мм при зафиксированной осадке шарика S_t=1,74 мм. Угол полуконтакта шарика с мерзлым торфом составил при температуре (-3°C) , что соответствует углу внутреннего трения мерзлого торфа в структурированном состоянии и углу в нарушенном состоянии при контактной осадке сферы . Предельный угол внутреннего трения мерзлого торфа равен .

Удельный вес мерзлого торфа составляет на глубине массива h=100 см. Далее шарик погружают в мерзлый торф на глубину S_t=0,62 мм до стабилизации усилия Р_к=24,95Н=2,5473 кГ. Нагрузку снимают и замеряют диаметр d_к=7,11 мм шаровой поверхности. Рассчитывают значение контактной осадки шарика .

Длительное сцепление мерзлого торфа равно . При величина эквивалентного сцепления будет равна , что соответствует данным трехосных испытаний торфяной среды при температуре (-3°C) [10].

Предельное напряжение на растяжение

.

Полученные данные полностью соответствуют результатам испытания образцов мерзлого торфа в приборах трехосного сжатия-растяжения (фиг. 6) [10].

Пример 2 реализации способа. Сферу диаметром D=200 мм вдавливают в обычный суглинок на глубины S_t1=0,131 см, S_t2=0,269 см, S_t3=0,842 см и фиксируют соответствующие им стабилизированные значения усилий вдавливания через динамический упругий элемент P₁=26,9 Н, Р₂=99,5 Н и Р₃=481,0 Н. После разгрузки сферы замеряют соответствующие диаметры d_к1=3,65 см, d_к2=3,96 см, d_к3=7,62 см отпечатков сфер при соответствующих давлениях в площади контакта р_ср1=0,04771 МПа, р_ср2=0,08 МПа, р_ср3=0,10605 МПа. Контактные осадки сферы составили: S₀₁=0,09 см, S₀₂=0,20 см, S₀₃=0,092 см. В прямоугольных координатах строят график зависимости (фиг. 5), к точкам которого, соответствующим усилиям Р_к1, Р_к2, Р_к3, проводят касательные линии до пересечения с осью абсцисс в точках р₁, р₂, р₃ и радиусами ρ₁=p_cp1-р₁, ρ₂=р_ср2-р₂, ρ₃=р_ср3-р₃, строят круги максимально предельных напряжений Мора, к которым проводят прямую (maxτ_пр)=р_ср.⋅tgθ+C_э, отсекающую на оси ординат замеряемое значение мгновенного эквивалентного сцепления С_э=1,033 (кГ/см²)=р_атм, и измеряют угол между прямой и осью абсцисс θ_с=44,3°. Угол внутреннего трения находят как ϕ=arcsin[(1-cosθ)/sinθ]=arcsin[(1-cos44,3°)/sin44,3°]=24,0212°, ϕ_н=θ-ϕ_стр=44/3°-24,0212°=20,2788°, а величину удельного сцепления - как .

Величину длительного сцепления определяют по выражению

Предлагаемое изобретение существенно повышает точность определения прочностных характеристик материальной среды на базе новых теоретических положений физики материального контактного взаимодействия.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявочных материалов:

1. Цитович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебники для ВУЗов. - 3-е изд., доп. - М.: Высшая школа, 1979. - с. 41-48, с. 107.

2. Амарян Л.С. Свойства слабых грунтов и методы их изучения. - М.: «Недра», 1990. - с. 57-59.

3. Ingineering, №9, 2012. ГОСТ 21719-80. Грунты. Методы полевых испытаний на срез в скважинах и в массиве. - М.: Госстандарт СССР. - с. 16-17, 20.

4. Патент РФ №2537725 «Способ определения физических параметров прочности нарушенной структуры материальной среды» / Хрусталев Е.Н., Б.И. №1 за 10.01.2015 г.

5. Патент РФ №2265824, G01N 8/24. Б.И. №34 от 10.12.2005 г.

6. Роман Л.Т., Веретехина Э.Г. Определение деформационных характеристик мерзлых грунтов вдавливанием шарового штампа / Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2004. - №2. С. 21-24.

7. Патент РФ №2345360 «Способ определения механических характеристик грунтового, торфяного и мерзлого основания» / Хрусталев Е.Н., Б.И. №3 за 27.01.2009 г.

8. Патент РФ №2536427 «Способ повышения проходимости движителя военной техники и устройство движителя военной техники» / Хрусталев Е.Н., Б.И. №35 от 20.12.2014 г.

9. Патент РФ №2539905 «Способ определения физических параметров воды» / Хрусталев Е.Н., Б.И. №3 от 27.01.2015 г.

10. Миронов В.А. Проектирование оснований и фундаментов сооружений в сложных инженерно-геологических условиях: Учебное пособие - Калинин: Калининский гос. университет, 1988. - С. 44 (рис. 26).

Изобретение относится к области физики материального контактного взаимодействия, а именно к способам определения удельного сцепления и угла внутреннего трения материальной связной среды, воспринимающей давление свыше гравитационного.

Способ 1 определения физических параметров прочности материальной среды плоским жестким штампом заключается в установлении при лабораторном сдвиге образцов, например, грунта и торфа ненарушенной структуры в условиях компрессии угла внутреннего трения и удельного сцепления С=С_стр среды при построении графика Кулона-Мора предельного состояния среды под давлением p_i, где τ_i - напряжение сдвига среды под давлением сжатия p_i, определении расчетного удельного веса среды ненарушенной и нарушенной структуры и , ее расчетного угла внутреннего трения с нарушенной структурой , расчетного бытового давления , на глубине h, определении уточненного значения:

1) удельного сцепления подтопленной среды , , гравитационного давления , , удельного веса при , р_б>0 и отсутствии атмосферного давления;

2) удельного сцепления среды при уточненных значениях , ,

, - при , р_б=0 и доступе атмосферного давления р_атм=1,033 (кГ/см²);

3) удельного сцепления среды , и уточняют значения: удельного веса среды , и уточняют значения удельного веса среды , и гравитационного давления , , р_б.<0 и доступе атмосферного давления р_атм=1,033 (кГ/см²).

Способ 2 определения физических параметров прочности материальной среды сферическим штампом включает нагружение сухой среды усилием Р диаметром D с замером текущей осадки S_t до момента ее стабилизации во времени t, разгрузку сферы, определение ее контактной осадки S_o и по результатам испытаний - длительного сцепления С_дл, сферу в среду погружают не менее трех раз через динамометрический упругий элемент на заданную глубину S_t1<S_t2<S_tk, величину которых поддерживают постоянной во времени t стабилизации соответствующих усилий P₁, P₂, P_k, после чего сферу разгружают с замером диаметра отпечатка диаметром d_k. Далее рассчитывают осадки сферы при давлениях р_ср=P_k/[πS_o(D-S_o)], строят график и касательные прямые к точкам графика, соответствующим усилиям P₁, P₂, P_k до пересечения с осью абсцисс; радиусами ρ, равными разнице значений р_ср и соответствующих им точек пересечения касательных с осью абсцисс, строят круги Мора и проводят к ним касательную прямую (maxτ_пр)=р_ср.⋅tgθ+С_э до пересечения с осями абсцисс и ординат, с графика снимают предельный угол θ внутреннего трения грунта и отмеряют мгновенное эквивалентное сцепление С_э, рассчитывают угол внутреннего трения среды в структурированном состоянии и удельное сцепление , радиусом R_o от начала координат графика проводят полуокружность, соприкасающуюся с ним и отсекающую на оси абсцисс точку, соответствующую предельному напряжению на растяжение σ_p=2R_o=2С_э⋅cosθ/(1+sinθ), значению которого соответствует длительное сцепление .

Далее через сферу к среде прикладывают возрастающее усилие Р_с>P_k до момента стабилизации его предельной величины P_c=const при регистрации соответствующей ему осадки S_c среды, при которой угол сектора полуконтакта сферы со средой , где , и определяют величину длительного сцепления для мерзлой среды - как , для обычной грунтовой среды - как ,

для торфяной среды - как: при сцеплении , а угол внутреннего трения среды уточняют как .

За мгновенное эквивалентное сцепление грунтовой среды и торфа принимают величину атмосферного давления при предельном угле внутреннего трения среды , где - угол внутреннего трения среды с нарушенной структурой, удельное сцепление структурированной грунтовой среды и торфа определяют как , а величину длительного сцепления - по выражению при , для мерзлой и обычной грунтовой среды и торфа структурное сцепление определяют как , а эквивалентное сцепление как .

Технический результат - получение при угле внутреннего трения достоверных значений параметров удельного сцепления материальной среды в сухом и обводненном состоянии в структурированном и нарушенном состоянии, уточняющих величину гравитационного давления среды р_стр.б., р_н.б. и ее удельного веса , . 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения физических параметров прочности материальной среды, заключающийся в том, что определяют при лабораторном сдвиге образцов, отобранных с глубины h массива грунтовой среды ненарушенной структуры, в условиях компрессии расчетный угол внутреннего трения и расчетное удельное сцепление среды ненарушенной структуры при построении графика Кулона-Мора предельного состояния среды под давлением p_i, где τ_i - напряжение сдвига среды под давлением сжатия p_i, лабораторным методом по образцам определяют удельный вес исследуемой среды в структурированном состоянии , рассчитывают главное бытовое давление структурированной среды как , где - удельный вес воды, h_в - уровень воды на отметке h массива естественного сложения, определяют расчетный угол внутреннего трения среды с нарушенной структурой как , отличающийся тем, что при главном бытовом давлении p_б.стр.>0 на глубине массива структурированной среды и отсутствии атмосферного давления р_атм=0 расчетное бытовое давление материальной среды с нарушенной структурой определяют как , где - расчетный удельный вес среды в нарушенном состоянии, а точное значение удельного сцепления структурированной среды определяют как , среды с нарушенной структурой как при уточнении параметров гравитационного давления среды в виде , удельного веса среды в виде , .

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при главном бытовом давлении p_б.стр.=0 на глубине массива структурированной сухой среды и доступе атмосферного давления р_атм=1,033 (кГ/см²) величину расчетного удельного сцепления среды определяют по зависимостям , уточняют значения углов внутреннего трения среды , , устанавливают значения точного удельного сцепления среды как и уточняют удельный вес среды как .

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при главном бытовом давлении p_б.стр<0 на глубине массива структурированной сухой среды и доступе атмосферного давления р_атм=1,033 (кГ/см²) величину расчетного удельного сцепления среды определяют по зависимостям , , уточняют значения углов внутреннего трения среды , , устанавливают значения уточненного удельного сцепления среды как , , уточняют значения удельного веса среды как и гравитационного давления на глубине h по зависимостям ,

4. Способ определения физических параметров прочности материальной среды, включающий нагружение обычной и мерзлой грунтовой и торфяной среды усилием Р жесткого сферического штампа диаметром D с замером текущей осадки S_t до момента ее стабилизации во времени t, разгрузку сферы, определение ее контактной осадки S_o и по результатам испытаниий - длительного сцепления С_дл., при этом усилие на сферу при испытании среды передают через динамометрический упругий элемент, сферу в среду погружают принудительно не менее трех раз на заданную глубину S_t1<S_t2<S_tk, величину которой поддерживают постоянной до момента времени t стабилизации соответствующих усилий P₁, P₂, P_k, после чего производят разгрузку сферы с замером окружностей оставшегося на среде отпечатка диаметром d_к, рассчитывают контактные осадки сферы , соответствующие средним контактным давлениям р_ср.=P_k/[πS_o(D-S_o)], строят график зависимости и касательные прямые линии к точкам графика, соответствующим усилиям P₁, P₂, P_k, до пересечения с осью абсцисс; радиусами ρ, равными разнице значений р_ср. и соответствующих им точек пересечения касательных с осью абсцисс, строят круги напряжений Мора при растяжении и проводят к ним общую касательную прямую (maxτ_пр)=р_ср.⋅tgθ+С_э до пересечения с осями абсцисс и ординат, с графика снимают предельный угол внутреннего трения среды θ и отмеряют мгновенное эквивалентное сцепление С_э, рассчитывают угол внутреннего трения среды и удельное сцепление

, радиусом R_o от начала координат графика проводят полуокружность, соприкасающуюся с ним и отсекающую на оси абсцисс точку, соответствующую предельному напряжению на растяжение σ_p=2⋅R_o=2⋅C_э⋅cosθ/(1+sinθ), значению которого по графику соответствует длительное сцепление , далее через сферу к среде прикладывают постоянно возрастающее усилие Р_с>P_k до момента стабилизации его предельной величины P_c=const при регистрации соответствующей ему общей осадки S_c среды, при которой угол сектора полуконтакта сферы со средой равен ψ°=arcsin(2r_c/D), где , и определяют величину длительного сцепления для мерзлой грунтовой и торфяной среды как , для обычной грунтовой среды как , для обычной торфяной среды как , при сцеплении , а угол внутреннего трения среды уточняют как , отличающийся тем, что предельную осадку среды S_c под сферическим штампом принимают при угле сектора полуконтакта равном , где - угол внутреннего трения среды в структурированном состоянии, за мгновенное эквивалентное сцепление обычной грунтовой среды и торфа принимают величину атмосферного давления , при предельном угле внутреннего трения среды , где - угол внутреннего трения среды с нарушенной структурой, удельное сцепление структурированной грунтовой среды и торфа определяют как , длительное сцепление - по выражению при , для мерзлой и обычной грунтовой и торфяной среды структурное сцепление определяют как , а эквивалентное сцепление как .