Nyírószilárdság (talajmechanika)

A C u nyírószilárdság a talaj által elviselhető nyírófeszültség leírására szolgáló , nem víztelenített laboratóriumi eredményekből (penetráció, forgó nyírás, triaxiális vizsgálatok) [1] származó érték.

A talaj nyírási ellenállása C u a részecskék súrlódásának és kohéziójának , valamint a részecskék érintkezésénél kialakuló cementációnak vagy kötésnek az eredménye. A részecskék eltömődése miatt a szemcsés anyag térfogata növekedhet vagy csökkenhet. Ha a talaj térfogata növekszik, a részecske sűrűsége és szilárdsága csökken; a csúcsszilárdság után csökkenni fog a nyírófeszültség (lásd az ábrát). A feszültség/nyúlás arány állandó lesz, amikor az anyag nem tágul vagy összehúzódik, és akkor is, ha a részecskék közötti kötések megszakadnak. Azt az elméleti állapotot, amelyben a nyírófeszültség és a talajsűrűség állandó marad, miközben a nyíró alakváltozás növekszik, kritikus állapotnak vagy maradékszilárdságnak nevezzük.

A térfogatváltozás és a részecskék közötti súrlódás függ a részecskesűrűségtől, a szemcsék közötti érintkezési erőktől, és kisebb mértékben más tényezőktől, például a nyírási sebességtől és a nyírófeszültség irányától.

Az el nem eresztett nyírás során a részecskesűrűség nem változik, de a víznyomás és a hatékony feszültség igen. Másrészt, ha a vizet szabadon hagyjuk kifolyni a pórusokból, akkor a pórusnyomás állandó marad, és elvezetett nyírás következik be . A talaj szabadon tágulhat vagy összehúzódhat a leeresztett nyírás során. A valóságban a talaj részben lecsapolt, valahol a teljesen víztelenített és a jó vízelvezetés között.

A talaj nyírószilárdsága függ az alkalmazott feszültségtől, a vízelvezetési feltételektől, a részecskesűrűségtől, a nyúlási sebességtől és az alakváltozás irányától.

Állandó térfogatú vízelvezetés nélküli nyírás esetén Tresca elmélete használható a nyírószilárdság előrejelzésére, de vízelvezető körülmények esetén a Mohr-Coulomb elmélet használható .

Két fontos talajnyírási elmélet a kritikus állapotelmélet és az állandósult állapotú talajelmélet. Lényeges különbségek vannak a kritikus állapot és az állandósult állapot között.

A talaj nyírási ellenállását szabályozó tényezők

A talaj feszültsége és alakváltozása közötti kapcsolatot, és így a nyírási ellenállást a következők befolyásolják ( Poulos 1989 ):

  1. talajösszetétel : ásványtan (bár befolyásolja a szemcsék közötti súrlódási tulajdonságot, a legtöbb természetes homok esetében az ásványtan nagyon szűk tartományban változtatja meg a szilárdságot), szemcseméret-eloszlás (a jól válogatott talajok nagyobb nyírási ellenállással rendelkeznek, mint a homogén homok), szemcsealak ( a szögletes szemcsékből álló durva szemcsés talajok nyírószilárdsága valamivel nagyobb, mint a kerek szemcséké), a pórusfolyadék típusa és tartalma, a talajszemcséken és a pórusfolyadékban lévő ionok . A talajsűrűség növekedésével (a porozitás vagy az üregesség csökkenésével) nő a talajellenállás értéke.
  2. kezdeti állapot : a kezdeti üresedési arány , az effektív normál feszültség és a nyírófeszültség határozza meg (feszültségtörténet). Az állapotot a következő kifejezésekkel jellemezhetjük: laza, sűrű, túlkonszolidált, normál esetben konszolidált, kemény, lágy, kontraktúra, dilatatív stb.
  3. szerkezet: a részecskék talajban való elrendeződésére utal; a részecskék csomagolásának vagy elosztásának módja. Az olyan jellemzők, mint a rétegek, illesztések, repedések, csúszófelületek, üregek, zsebek, fugázás stb., a szerkezet részét képezik. A talajok szerkezetét a következő kifejezésekkel írják le: háborítatlan, bolygatott, átformált, tömörített, cementált; pelyhes , méhsejt, egyszemű; flokkulált, deflokkulált; többrétegű, réteges, laminált; izotróp és anizotróp.
  4. Rakodási feltételek: leeresztett és ürítetlen; a terhelés típusa, azaz nagysága, sebessége (statikus, dinamikus) és időbeli karakterisztikája (monoton, ciklikus).

Leeresztetlen erő

Ez a kifejezés a talajmechanikai nyírószilárdság egy fajtáját írja le, a vízelvezető szilárdságtól eltérő.

A való életben nem létezik olyan, hogy lecsapolatlan talajszilárdság (amint fentebb említettük, a talaj a természetben a lecsapolt és a lecsapolatlan között van). Ez számos tényezőtől függ, amelyek közül a legfontosabbak a következők:

A kimerítetlen szilárdságot általában Tresca elmélete határozza meg , amely Mohr körén alapul, így:

σ 1 - σ 3 = 2 S u

Ahol:

σ 1 - fő főfeszültség

σ 3 - kis főfeszültség

- nyírószilárdság (σ 1 - σ 3 )/2

ezért a nyírószilárdság egyenlő a le nem engedett talajszilárdsággal = S u (második jelölés c u ).

A le nem engedett talajszilárdságot határ-egyensúlyi elemzésben használják, ahol a terhelési sebesség sokkal nagyobb, mint az a sebesség, amellyel a talaj nyírásából adódó pórusvíznyomás eloszlik. Példa erre a homok gyors terhelése földrengéskor, vagy az agyagos lejtő beomlása heves esőzéskor, és ez a helyzet az építkezés során bekövetkező pusztulások többségénél.

A víztelenített állapot következtében rugalmas térfogati deformációk nem lépnek fel, ezért feltételezzük, hogy a Poisson -arány a teljes nyírás során 0,5 marad. A Treska talajmodell a képlékeny térfogati deformációk hiányát is feltételezi. Ez összetettebb elemzéseknél fontos, például a végeselemes módszernél . Ezek a fejlett elemzési módszerek használhatják a nem tőkehal talajmodelleket, beleértve a Mohr-Coulomb modellt és a kritikus talajmodelleket, például a módosított Cam-Clay modellt, a lecsapolatlan körülmények modellezésére, mindaddig, amíg a Poisson-arányt 0,5 értéken tartják.

A gyakorló szakemberek által széles körben használt összefüggés az az empirikus megfigyelés, miszerint a drénezés nélküli nyírószilárdság c u és a p' kezdeti konszolidációs feszültség aránya megközelítőleg állandó egy adott túltömörítési arány (OCR) esetén. Ezt az összefüggést először formalizálták ( Henkel 1960 ) és ( Henkel & Wade 1966 ), akik kiterjesztették annak bemutatására, hogy az újraformált agyagok feszültség-alakulási jellemzői az eredeti konszolidációs feszültséghez képest is normalizálhatók. A c u / p' állandó összefüggés a talaj kritikus állapotának elméletéből is levezethető ( Joseph 2012 ). A feszültség-nyúlás görbéknek ez az alapvető tulajdonsága számos agyagban megtalálható, és az empirikus SHANSEP módszerrel ( feszültségtörténet és normalizált talajmérnöki tulajdonságok ) javították. ( Ladd & Foott 1974 ).

A C u tömörítési index és a PI plaszticitási index kapcsolata

Skempton és Henkel a PI plaszticitási index változási görbéjét mutatta be , amelyet később egy lineáris egyenlettel közelítettek [2] [3] .

Drénezett nyírószilárdság

A drénezett nyírószilárdság a talaj nyírószilárdsága, ahol a talaj nyírása során keletkező pórusfolyadék nyomása nyírás közben eloszlik. Ez akkor is érvényes, ha a talajban nincs pórusvíz (a talaj száraz), így a pórusfolyadék nyomása elhanyagolható. Ezt általában a Mohr-Coulomb egyenlet segítségével fejezik ki. ( Carl von Terzaghi 1942-ben "Coulomb-egyenletnek" nevezte) ( Terzaghi 1942 ) kombinálta az effektív feszültség elvével.

Az effektív feszültségek tekintetében a nyírószilárdságot gyakran a következőképpen fejezik ki:

= σ' tan(φ') + c'

Ahol σ' = (σ - u) az effektív feszültség. σ a teljes feszültség, u a pórusvíz nyomása.

φ' = effektív feszültségsúrlódási szög vagy "belső súrlódási szög" Coulomb - súrlódás után . [4] A súrlódási együttható tan(φ'). A súrlódási szög különböző értékei meghatározhatók, beleértve a csúcssúrlódási szöget, φ' p , kritikus súrlódási szöget, φ' cv , vagy a maradék súrlódási szöget, φ' r .

c' = összefűzés, általában abból adódóan, hogy az egyenes kénytelen illeszkedni a mért értékekhez ( ,σ'), még akkor is, ha az adatok valóban illeszkednek a görbéhez. A függőleges egyenes koordinátatengely metszéspontja a nyírófeszültségek tengelyén a tapadás. Köztudott, hogy a keletkező metszéspont függ a figyelembe vett igénybevételek tartományától: ez nem alapvető tulajdonsága a talajnak. A törésvonal görbülete (nemlinearitása) abból adódik, hogy a sűrűn tömött talajszemcsék dilatanciája függ a határoló nyomástól.

Kritikus állapot elmélet

A talaj nyírás alatti viselkedésének mélyebb megértése vezetett a talajmechanika kritikus állapotelméletének kidolgozásához ( Roscoe, Schofield & Wroth 1958 ). A kritikus állapotú talajmechanikában a nyírószilárdságot akkor határozzák meg, amikor a nyíráson átesett talaj állandó térfogatú, amit "kritikus állapotnak" is neveznek. Így a nyíráson átesett talaj esetében általában három nyírószilárdsági értéket különböztetnek meg:

A csúcsszilárdság a kritikus állapot előtt vagy a kritikus állapotnál jelentkezhet, a vágott talajrészecskék kezdeti állapotától függően:

Az állandó térfogatú (vagy kritikus állapotú) nyírószilárdság a talajtól függetlennek tekintendő, és független a talaj kezdeti sűrűségétől vagy szemcseelrendezésétől. Ebben az állapotban a vágott szemcsékről azt mondják, hogy „borulnak” egymáson anélkül, hogy jelentős szemcsekohézió vagy csúszási síkképződés befolyásolná a nyírási ellenállást. Ezen a ponton semmilyen öröklött szövet vagy a talajszemcsék kohéziója nem befolyásolja a talaj szilárdságát.

A maradék szilárdság bizonyos talajoknál jelentkezik, ahol a talajt alkotó részecskék alakja a nyírás során ellaposodik (csúszásfelületet képez), ami a további nyírással szembeni ellenállás csökkenését eredményezi (deformáció során további lágyulás). Ez különösen igaz a lemezes ásványokat tartalmazó agyagok többségére, de bizonyos, megnyúltabb szemcsékkel rendelkező szemcsés talajokon is megfigyelhető. Azok az agyagok, amelyek nem tartalmaznak lamellás ásványi anyagokat (például allofán agyagok ), nem mutatnak maradék szilárdságot.

Használata a gyakorlatban: ha elfogadjuk a kritikus állapot elméletét és felvesszük c' = 0-t; p használható, feltéve, hogy figyelembe veszik a várható alakváltozások mértékét, és figyelembe veszik a törzsek esetleges szakadásának vagy kritikus szilárdságra való lágyulásának hatásait is. Nagy alakváltozások esetén figyelembe kell venni a φ' r értékű csúszófelület kialakulásának lehetőségét (például cölöpveréskor).

A kritikus állapot kvázi statikus alakváltozási sebességgel következik be. Nem teszi lehetővé a nyírószilárdság különbségeit a különböző alakváltozási sebességektől függően. Kritikus állapotban sem a részecskék egymáshoz igazítása, sem a talaj sajátos szerkezetének figyelembe vétele.

Szinte a kritikus állapot fogalmának első bevezetésekor heves bírálatok érte, főként amiatt, hogy képtelen volt összehasonlítani a különféle talajok könnyen elérhető vizsgálati adatait. Ennek oka elsősorban az, hogy az elméletek képtelenek megmagyarázni a részecskék szerkezetét. Ennek fő következménye, hogy a tipikusan összenyomható, anizotróp szemcseformájú/tulajdonságokkal rendelkező talajokban tapasztalható lágyulás utáni csúcs nem modellezhető. Ezenkívül a matematikai modell elkészítéséhez általában azt feltételezik, hogy a nyírófeszültség nem okozhat térfogati feszültséget, és a térfogati feszültség nem okoz nyíró alakváltozást. Mivel a valóságban nem ez a helyzet, ez egy további oka annak, hogy rosszul illeszkedik a könnyen elérhető empirikus tesztadatokhoz. Ezenkívül az elasztoplasztikus kritikus állapotmodellek feltételezik, hogy a rugalmas alakváltozások térfogati változásokat okoznak. Mivel ez a valódi talajokra sem vonatkozik, ez a feltételezés a térfogat- és pórusnyomás-változási adatok rossz illeszkedéséhez vezet.

Álló állapot (földi nyíráson alapuló dinamikus rendszerek)

A kritikus állapot fogalmának finomítása az állandósult állapot fogalma.

Az állandósult szilárdságot a talaj nyírószilárdságaként határozzuk meg, amikor az állandósult állapotban van. Az állandósult állapot definíciója szerint ( Poulos 1981 ) "olyan állapot, amelyben a talaj állandó térfogatú, állandó normál effektív feszültség, állandó nyírófeszültség és állandó sebesség mellett folyamatosan deformálódik". Steve J. Poulos , a Harvard Egyetem Talajmechanikai Tanszékének professzora felállította azt a hipotézist, amelyet Arthur Casagrande pályafutása végén fogalmazott meg. ( Poulos 1981 ) Az állandó állapotú földi mechanikát néha "Harvard talajmechanikának" is nevezik. Az egyensúlyi állapot különbözik a "kritikus állapottól".

Az állandósult állapot csak az összes részecske megsemmisülése után következik be, ha ez befejeződött, és minden részecske statisztikailag stacionárius állapotban van, és úgy, hogy az állandó alakváltozási sebesség melletti deformáció folytatásához szükséges nyírófeszültség nem változik. Ez a víztelenített és a víztelenített állapotokra egyaránt vonatkozik.

Az állandósult állapotnak kissé eltérő jelentése van attól függően, hogy milyen alakváltozási sebességgel mérik. Így az állandósult állapotú nyírószilárdság a kvázi statikus alakváltozási sebességnél (az a nyúlási sebesség, amelynél a kritikus állapot meghatározásra kerül) úgy tűnik, hogy megfelel a kritikus nyírószilárdságnak. Van azonban egy másik különbség is a két állam között. Ez abban rejlik, hogy álló állapotban a szemcsék álló szerkezetben helyezkednek el, míg kritikus állapotban ilyen szerkezet nem jön létre. A megnyúlt részecskéket tartalmazó talajok nagy nyíróereje esetén ez a stacioner szerkezet olyan, amelyben a szemcsék nyírási irányban orientáltak (esetleg egy vonalba esnek). Abban az esetben, ha a részecskék nyírási irányban erősen elhelyezkednek, az álló állapot a "maradék állapotnak" felel meg.

Három gyakori tévhit az állandósult állapottal kapcsolatban, hogy a) megegyezik a kritikus állapottal (nem az), b) csak a víztelenített esetre vonatkozik (ez minden vízelvezetési formára vonatkozik), és c) hogy nem vonatkozik homokra (bármilyen szemcsés talajra vonatkozik). A steady state elmélet tankönyve megtalálható Poulos jelentésében ( Poulos 1971 ). A földrengéstechnikában való felhasználását Poulos egy másik publikációja részletezi ( Poulos 1989 ).

Az egyensúlyi állapot és a kritikus állapot közötti különbség nem csak szemantikai kérdés, ahogyan azt néha gondolják, és helytelen a két kifejezést/fogalmat felcserélve használni. További követelmények a kritikus állapot feletti állandósult állapot szigorú meghatározásához, pl. állandó alakváltozási sebesség és statisztikailag állandó szerkezet (stacionárius szerkezet) a stacionárius állapotot a dinamikus rendszerelmélet keretei közé helyezi. Az állandósult állapotnak ezt a szigorú meghatározását használták a talajnyírás dinamikus rendszerként való leírására ( Joseph 2012 ). A dinamikus rendszerek a természetben mindenütt jelen vannak ( például a Jupiter Nagy Vörös Foltja ), és a matematikusok alaposan tanulmányozták az ilyen rendszereket. A dinamikus talajnyíró rendszer magja az egyszerű súrlódás ( Joseph 2017 ).

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ GOST 25100 projekt Talajok. Osztályozás . Letöltve: 2022. június 6. Az eredetiből archiválva : 2019. november 1..
  2. ↑ Skempton és Henkel egy görbét mutatott be a plaszticitási index változására, amelyet később a lineáris egyenlettel közelítettek
  3. ↑ Skempton, A. W. and Nor they, R. D. The sensitivity of day, Geotechnique, 3. kötet, 1952, 30-53.
  4. ↑ A talajok súrlódási szögének jellemző értékei . Letöltve: 2022. április 12. Az eredetiből archiválva : 2022. március 30.


Külső linkek