Dilatencia

A dilatancia  a sűrűn csomagolt szemcsés anyagok térfogatának növekedése nyíráskor. [1] [2] Ezt a hatást először Osborne Reynolds írta le tudományosan 1885-1886-ban. [3] [4]

A dilatáció általános talajjellemző (nagyobb mértékben homokos talajokon figyelhető meg ez a hatás). Dilatáció figyelhető meg, ha a parton sétáló ember lába körül a nedves homok száraznak tűnik. Az ember lábfeje által okozott deformáció kiterjeszti az alatta lévő homokot, és a homokban lévő víz mozog, hogy kitöltse a részecskék közötti új teret.

Ennek a folyamatnak a másik oldala a térfogat csökkenése vagy összehúzódása.

A dilatációs jellemző a tágulási szög, amely 0 és 6-8 fok között változik különböző talajoknál.

A dilatanciával kapcsolatos problémák a geotechnikában

Megjelenhet a dilatáció a stancolások során? A bélyegpróbák nem vezetnek eltolódáshoz, csak lineáris függéshez. A lineáris függés addig tart, amíg a bélyeg alatti éldudorok meg nem kezdődnek. Ha a bélyegpróbákat a meghibásodás előtt tesztelték ( vagyis van ülepedés, akkor meghibásodás történt ), ha azokat a bélyeg alatti talaj lineáris alakváltozási zónáin túl vizsgálták, akkor a dilatanciát figyelembe kell venni. A PLAXIS rendelkezik vele, figyelembe veszi az alapozás széli zónáit, ahol eltolódások fordulnak elő. Magukban a bélyegpróbáknál ezek nem vezetnek meghibásodáshoz, mivel csak az alakváltozási modulusra van szükség ( a terhelés lineáris függése az ülepedéstől ).

Támfal esetén . A támfal számításánál figyelembe vesszük a talaj súrlódását a támfalon, de nem vesszük figyelembe a dilatanciát. Bár ez akkor fordul elő, ha a keblét nagyon sűrű homok borítja.

Dilatáció georácsok fektetésekor, talajerősítés. Ott elég jól tömörítik a töltést hengerekkel, vízöntéssel, belül pedig van egy szövet (vagy háló), ami csak az anyag talajon való súrlódása miatt működik. Ott lehet értékelni a dilatanciát, mivel ez további teherbírást ad. 5 sor megerősítés helyett 4 is készíthető a megtakarítás érdekében, azonban a megerősített töltésekre vonatkozó orosz szabványok egyike sem veszi figyelembe a dilatanciát.

Hangerőtrend-szabályozás . Ha a hézagarány magas (laza talaj), a talaj keretében lévő üregek általában minimalizálják az alulterhelést – a részecskék összenyomódnak. Az ellenkező helyzet, vagyis amikor az üreg aránya viszonylag alacsony (sűrű talaj), azt jelzi, hogy a talaj térfogata érzékeny a terhelés alatti tágulásra - a részecskék kitágulnak (dilatánok). [5] .

Figyelembe veszik-e a dilatanciát a rekonstrukciónál, amikor az alapozás terhelése megnő? Nem, mivel a terhelés növekedésével nincs műszak. Ha eltolódás történt, akkor a talaj felemelése már vészhelyzet és teherbíró képességvesztés. Nincs idő a dilatációs számításokra. Ha a befolyási zónában (alapozási gödröt ásunk, a ház körül állnak, a lemezcölöp fala 5-10 cm-rel eltért, eltolódások kezdődtek, süllyedő vályú kezdődött) ezekben a zónákban dilatáció alakulhat ki. figyelembe kell venni a lemez cölöpfal stabilitásának felmérésével (mivel vannak eltolódások), és nem a szomszédos épület alapozásánál. Figyelembe vesszük a dilatanciát, ahol lejtők, lejtők (lemezcölöpökkel és másokkal megerősítve), cölöpök vannak .

Pórusnyomás csökkentése a tágulás során . A [6] példa szerint két körte volt vízzel megtöltve. Látható, hogy a hidrosztatikai nyomásuk azonos. Tovább 1-ben a körte teljesen megtelik vízzel és rányomnak, és a víz felemelkedik. A folyadék nyomására plusz nyomást adtunk, a víz emelkedett, ez logikus. De egy homokkal töltött körtében megnyomjuk, és a nyomás meredeken csökken! Miért történik ez? Ez a jelenség az egyik dilatációs tényezőt írja le. A második körtében a részecskék átrendeződnek, nem lovagolnak egymáson. Ennek eredményeként: a pórusok először kicsik voltak, majd nagyok lettek. A homok a részecskék újrarendezése során felszívta a felesleges vizet. A homok kemény volt és laza. Vagyis a folyadék nyomása nem nőtt, hanem csökkent. Ez a jelenség gyakran megfigyelhető a tengerparton. Amikor lépkedünk, a láb talpa alatt eltolódik a homok. A homok pedig sűrű állapotból laza állapotba változik. A porozitás nő, és a felesleges víz bejut ezekbe a pórusokba. Ennek eredményeként a nyomok helyén szárazabb pályát látunk (a környező talajhoz képest).

A gyakorlatban a dilatanciát akkor lehet alkalmazni , ha figyelembe vesszük az oldalfelület mentén lévő cölöpök teherbírását . A cölöpök sűrű homokba való beverésekor tiszta nyírás lép fel (egy homokrétegen haladunk át), további normál feszültségek keletkeznek a beton/sűrű homok határfelületi dilatáció miatt. Globális számításoknál, geomassifoknál, ahol mindig előfordul nyírási alakváltozás, ott a dilatanciát kell figyelembe venni. Számos FEM talajelemzési modellben szükséges a talajtágulási szög megadása.

Dilatancy a stressz grafikonokon (példa)

A sűrű homok hirtelen laza állapotba megy át (lásd az ábrát). Az A és B pontok tapadása megnőtt. Itt van az A pont, mintha a vonalon kellene lennie, de felment. Mi okozhatta ezt? Valamilyen erővel. Vannak olyan járulékos erők, amelyek mintegy összenyomják a talajt.

Az eszköz egy kocsi alulról (alsó réteg homokszemcsék), és felülről egy kocsi (felső réteg homokszemcsék), amely normál igénybevétellel van megterhelve. Vagyis amikor a részecskék elkezdenek átrendeződni, a kis részecskék nem tudnak olyan szépen átrendeződni, mint a nyomokban a homokban, mert felülről kemény terhelés nehezedik a kocsira. Vagyis megpróbálnak oldalra mozdulni (növekszik a porozitás), de felülről nyomás van. Ennek eredményeként a részecskék közötti érintkezéseknél a feszültségek meredeken megnövekednek. A mintán belüli normál feszültségek meredeken növekednek. Kint ez nem változik. Mivel a nyomás normális volt, úgy ahogy van, de a mintánkon belül a feszültségek növekedtek. Abból a tényből adódóan, hogy a talaj a dilatáció miatt tágulni próbál. És a kocsi nem adja oda felülről és alulról, ennek eredményeként a részecskehatárokon fel nem számolt belső feszültségek keletkeznek. Az A és B pontokban fel nem számolt csatolás lép fel. A C pontban a nyomás akkora, hogy teljesen kompenzálta ezt a dilatanciát, de az A és B pontban nem.

Feltételezhetjük, hogy valamiféle nyomás nehezedett ezekre a szemcsékre, erre a homokra. Az első feltételezés az, hogy ez víz. De a víz Arkhimédész törvénye szerint működik . Ha a vizünk teljesen szabad, ott csobog a pórusokban, akkor éppen ellenkezőleg, súlyoznia kell és csökkentenie kell a stresszt (ez Arkhimédész törvénye). Éppen ellenkezőleg, súlyoznia kell - csökkentenie kell a feszültséget. Nos, itt nincs súlya. Akkor mi okozta az eltérést? A feltételezés azonnal felmerül - a kapilláris nyomás miatt. Hajszálereinkben a víz a kapilláris emelkedés magasságáig emelkedik.

A kapilláris nyomás nagyjából a víz fajsúlya γh emelkedési magasságonként. Ennek a nyomásnak köszönhetően az A és B pontban feszültség keletkezik. A C pontban a normál feszültség sokkal nagyobb, és maga a kapilláris nyomás összeomlik, nem tudja kompenzálni a nyírófeszültségeket. Ezért a C pontban kiderül, hogy a grafikonok egybeestek. A felületi feszültség hatására a víz megpróbál a szél mentén felemelkedni, és megjelenik egy meniszkusz, és olyan erők keletkeznek, amelyek megpróbálják feldobni ezt a vizet (sőt, pórusnyomás). A pórusnyomás pozitív is lehet (a víz fajsúlya vízoszlop magasságonként, valójában a pórusnyomás megegyezik a hidrosztatikus nyomással).

A talajban megnövekedett pórusnyomás lép fel, amikor a pórusokban lévő nyomás nagyobb, mint a hidrosztatikus nyomás. A kapilláris erők miatt pedig pórusnyomásunk van, ami úgymond negatív, a szabad vízhorizont szintje felett van. A kapilláris víz szabad gravitációs víznek tűnik, erősen kötött, lazán kötött. A lazán megkötött víz néha elszakad a talajszemcséktől, néha megtapad. De a kapilláris víz szabad gravitációs víz, de Archimedes törvénye (ami érdekes) nem működik benne. Elméletileg, ha figyelembe vesszük valamilyen üvegcsövet, a tankönyvek néha azt írják, hogy "a homokos vályogtalajban a víz 5 m-re emelkedik".

Példa Gödör kirakodásánál igyekeztek figyelembe venni a kapilláris nyomást a lejtőstabilitás mellett. Gödröt ástak. Eleinte a látszólagos tapadás miatt a lejtők függőlegesen álltak. A kérdés az, hogy meddig bírja, amíg a víz kiszárad, miközben a kapilláris kohéziós erők hatnak. A lejtő azonban egyenetlenül szárad, így jelentős hibák voltak a számításban. A nyíró és a normál feszültségek közötti kapcsolat a következő (hol vannak az ABC pontok). Minél sűrűbb a talaj, annál nagyobb a tapadás. Az A és B pontban a sűrűség hirtelen megváltozott.

Eszközök a dilatancia mérésére

Vannak speciális eszközök, amelyek a felső kocsi mozgását mérik nyírás közben (egyenletesen megy a váltás). Ezt nem hagyományos nyíróeszközön mérik, hanem olyan eszközön, ahol a nyírás forgó. Vagyis a bélyegző be van szerelve, és a tengelye körül forog. Ennek eredményeként ez a rúd (bélyegző) felemelkedik (elég magas is lehet). Minden a talaj sűrűségétől függ. Ha a homok laza (annyi pórus van benne), akkor ezek a feszültségek kompenzálódnak. Csak a homokot tömörítik és ennyi. Ha a homok átlagos sűrűségű, akkor nem lép fel dilatancia. Ahogy mozgott, úgy mozgott. Ez jellemző az átlagosnál nagyobb sűrűségű homokra.

Dilatancy Cutoff

Intenzív nyírás után a táguló anyagok elérik a kritikus sűrűség állapotát, amelynél a dilatáció véget ér. A talaj viselkedésének ez a jelensége beépíthető a Hardening Soil modellbe a tágulási levágás révén. Ennek a viselkedésnek a meghatározásához általános paraméterként meg kell adni az anyag kezdeti hézagarányát és maximális hézagarányát . Amint a térfogatváltozás a maximális üresség állapotához vezet, a mobilizált dilatációs szög automatikusan nullára áll vissza. [7]

Jegyzetek

1. ↑ Nedderman, R. M. Szemcsés anyagok statikája és kinematikája. — Digitálisan nyomtatott 1. pbk. változat. - Cambridge, Egyesült Királyság: Cambridge University Press, 2005. - ISBN 0-521-01907-9 .
2. ↑ Pouliquen, Bruno Andreotti, Yoël Forterre, Olivier. Szemcsés közeg: folyékony és szilárd anyag között. - Cambridge: Cambridge University Press, 2013. - ISBN 9781107034792 .
3. ↑ Reynolds, Osborne (1885. december). „LVII. Az érintkező merev részecskékből álló közegek dilatanciájáról, kísérleti illusztrációkkal”. Filozófiai folyóirat 5. sorozat . 20 (127): 469-481. DOI : 10.1080/14786448508627791 .
4. ↑ Reynolds, O., "Kísérletek, amelyek kimutatják a dilatanciát, a szemcsés anyag tulajdonságát, amely valószínűleg a gravitációhoz kapcsolódik" Proc. Nagy-Britannia Királyi Intézete, Read, 1886. február 12.
5. ↑ Bolton, M. D. (1986). A homok ereje és dilatanciája. Geotechnika, 36(1), 65-78. doi:10.1680/geot.1986.36.1.65
6. ↑ Dilatencia. Aacheni Egyetem, RWTH Aachen Egyetem a YouTube -on
7. ↑ PLAXIS 2D CE V20.02: 3 - Anyagmodellek kézikönyve.pdf 78. oldal