4. Анализ явлений, происходящих в материале при сдвиге.
Объемная деформация уплотняемого материала в большей своей части является пластической и зависит не только от среднего давления, но весьма существенно от девиатора напряжений и в некоторой степени от вида напряженного состояния и траектории нагружения /13/. В зернистом материале, как дисперсной среде, оптимальные условия для изменения объема создаются в момент сдвига. Это связано с тем, что частицы материала при сдвиге меняют взаимное расположение, укладываясь более рыхло или плотно. Это явление косит название "дилатансия". В настоящее время термин "дилатансия" характеризует явление изменения объема материала, т.е. его разрыхление при сдвиге. В свою очередь, уплотнение материала ри сдвиге называют отрицательной дилатансией или контракцией.
Опыты с использованием различных траекторий нагружения показали, что при одном и том же конечном напряжении деформация зависит, и в раде случаев существенно, от траектории нагружения. Один только поворот осей главных напряжений может давать изменение деформаций формы и объема до 30% и более от достигнутых на данный момент значений этих деформаций /13/. Необходимо отметить, что ни линейная теория упругости, ни деформационная теория пластичности не допускают учета зависимости деформированного состояния от траектории нагружения.
Особенно ярко влияние явления дилатансии проявляется в несвязных грунтах (рис. 1.21). Песок рыхлого сложения по мере развития горизонтальных смещений Sx каретки сдвигового прибора начинает без изменения сжимающей вертикальной нагрузки дополнительно уплотняться, т.е. наблюдается осадка (+ Sz ) штампа сдвигового прибора. Наибольшее дополнительное уплотнение развивается к моменту начала разрушения образца.
Явление дилатансии ярко отражается на характере связи касательных напряжений с величиной деформаций сдвига грунта до и после достижения предельного состояния (рис. 1.22). Так при развитии деформаций сдвига в рыхлом песке наблюдается постепенное нарастание касательных напряжений вплоть до предельных, вызывающих неограниченное смещение материала (кривая 1). В случае плотного сложения после достижения предельного касательного напряжения τпр. усилие, необходимое для развития деформаций сдвига, резко уменьшается (кривая 2). Это объясняется одновременно происходящим разрыхлением грунта. Таким образом, в результате явления дилатансии (положительной или отрицательной) деформации формоизменения приводят к упрочнению и дополнительной деформации уплотнения рыхлых грунтов, а в плотных - к разупрочнению в области сдвига.
+Sz,
-Sz
Рис. 1.40Графики подъема ( - Sz ) и опускания (+ Sz ) штампа при сдвиге рыхлых (П') и плотных ( П") песков.
Рис. 1.41График связи касательных напряжении τ с перемещением каретки сдвигового прибора Sх при испытании
рыхлого (1) и плотного (2) песка.
Даже в сравнительно плотных песках при малых смещениях наблюдается, хотя и небольшое, но обязательное уплотнение грунта, Кроме того, после сдвига и снятия касательных напряжений во всех песках, как рыхлых, так и плотных, происходит одинаковая осадка штампа, т.е. дополнительное уплотнение грунта (точка “α” на рис. 1.21). Все это свидетельствует о том, что при малых взаимных смещениях частиц (меньше "критических") происходит дополнительное уплотнение, а при больших - разрыхление. В плоскости сдвига при перемещении больше критического, даже в случае рыхлых грунтов, всегда происходят только разрыхление и образование малоустойчивой структуры с пористостью большей, чем в самом рыхлом состоянии.
Интересные опыты были проведены С.С.Вяловым со связными грунтами. С целью выявления процесса упрочнения с одной стороны, и процесса снижения прочности с другой, были проведены испытания двух серий образцов глинистого грунта на сдвиг при кручении. Образцы одной серии испытывались обычным путем, а образцы другой серии перед испытанием были подвергнуты деформированию под постоянной сдвигающей нагрузкой в течение 20 часов. При этом величину нагрузки (τ = 66·102 Па) выбирали такой, чтобы деформация протекала в стадии затухающей ползучести (рис. 1.23, кривая 3). Затем обе серии образцов испытывались на ползучесть под различными нагрузками, большими по величине (рис.1.23, кривые 2,3).
Как видно, предварительное загружение образца резко повысило его сопротивление деформированию - скорость установившегося течения уменьшилась в 4,5 раза по сравнению с недеформированным предварительно образцом.
По результатам экспериментов С.С.Вялов пришел к заключению, что в, процессе ползучести (во всяком случае, в ее затухающей стадии) грунт упрочняется. Это явление аналогично явлению наклепа в металлах, т.е. упрочнению в результате повторного нагружения.
Факты повышения прочности грунта, как связного, так и несвязного, были зарегистрированы многими исследователями / 16, 19, 23, 39, 45/. Однако, Х.Сид, наблюдавший увеличение прочности грунта после испытания на ползучесть, привел убедительные доказательства того, что увеличение прочности нельзя объяснить повышением плотности материала в процессе испытания, поскольку пористость и влажность в его опытах оставались неизменными.
|
