Строительные машины и оборудование, справочник







Физико-механические свойства грунтов

Категория:
   Рабочие органы и ходовое оборудование


Физико-механические свойства грунтов

Грунты -обрабатываются землеройными, землеройно-транспортными и уплотняющими машинами. Рабочие органы последних непрерывно или периодически находятся во взаимодействии с грунтами. Эффективность работы машин зависит от того, насколько правильно при их проектировании учтены свойства грунтов. Особенно важно знать те сопротивления, которые оказывает грунт обрабатывающим его рабочим органам машин, а также зависимость этих сопротивлений от различных факторов, к числу которых главным образом относятся скорости воздействия, форма рабочих органов, их размеры и т. п. Только при полном учете свойств грунтов возможно создание высокопроизводительных и вместе с тем экономичных машин.

Грунт представляет собой систему, состоящую из минеральных частиц, пространство между которыми в той или иной степени заполнено водой и воздухом. Поэтому в грунтах принято различать три фазы: твердую, жидкую и газообразную. Твердая фаза содержит частицы различного размера и формы, которые по крупности разделяют на глинистые (мельче 0,005 мм), пылеватые (0,05—0,005 мм) и песчаные (2—0,05 мм). Глинистые частицы представляют собой тончайшие пластинки, форма пылеватых частиц приближается к сферической, а песчаные частицы (в зависимости от их происхождения) могут быть округлыми или угловатыми. Свойства грунтов в значительной степени зависят от того, в каком соотношении находятся эти частицы. Особенное влияние оказывает наиболее мелкая фракция грунтов — глинистая.

Количественное содержание в грунтах твердых частиц того или иного размера называется гранулометрическим или механическим составом. Гранулометрические составы природных грунтов крайне разнообразны.

Твердые — минеральные частицы взаимодействуют с имеющейся в грунтах жидкой фазой — водой. Молекулы воды адсорбируются на поверхностях частиц и образуют прочно удерживаемые на них пленки, которые, в отличие от свойств воды остального объема, обладают прочностью на сдвиг и пределом текучести. Воду этих пленок принято называть прочно связанной водой. В непосредственной близости от этих пленок располагается вода, удерживаемая уже меньшими силами, которую называют рыхло связанной. Далее размещается вода, на которую уже не оказывают влияние исходящие от поверхностей минеральных частиц силы. Эта вода находится под воздействием только силы тяжести и называется свободной.

Если в каком-либо грунте содержание пылеватых частиц превышает содержание песчаных, то к наименованию грунта прибавляется слово «пылеватый», например, супесь тяжелая пылеватая, суглинок легкий пылеватый и т. п.

В результате взаимодействия частиц друг с другом и с водой грунты обладают связностью, что увеличивает необходимые для их деформирования или разрушения усилия. Ввиду этого мелкие частицы грунта образуют достаточно прочные грунтовые агрегаты. Связность грунта зависит главным образом от гранулометрического состава и от влажности. В песках, даже влажных, связность проявляется в незначительной степени, и потому эти грунты относят к несвязным. Супеси можно отнести к малосвязным грунтам. Связность особенно становится заметной в случаях суглинков и глин, поэтому последние относят к грунтам связным. Такое разделение грунтов удобно при рассмотрении многих процессов, связанных с их обработкой.

На физико-механические свойства грунтов большое влияние оказывает их состояние, которое в основном определяется влажностью и плотностью.

За счет пор, занятых водой и воздухом, плотность грунта всегда меньше удельного веса минеральных частиц и обычно находится в пределах от 1,4 до 2 г/см3, тогда как удельный вес большинства грунтовых минералов колеблется от 2,4 до 2,8 г/см3.

Особенное влияние влажность оказывает на свойства связных грунтов, которые в зависимости от влажности могут находиться в твердом, пластичном или текучем состоянии. Пластичность есть способность грунтов под действием внешних сил изменять свою форму без разрушения и
изменения объема.

Связный грунт находится в пластичном состоянии в определенном, характерном для данного грунта интервале влажностей. Верхний предел этого интервала ограничен пределом текучести WT, а нижний — пределом пластичности Wp.

Предел текучести соответствует такой влажности грунта, выраженной в процентах, при которой стандартный прибор — балансирный конус с углом при вершине в 30° и весом в 76 г — под действием собственного веса за 5 сек погружается в грунт на глубину в 10 мм. Предел пластичности (граница раскатывания) соответствует такой выраженной в процентах влажности, при которой изготовленное из грунта и воды тесто, раскатываемое в шнур толщиной 3 мм, начинает крошиться. Разность между пределами текучести и пластичности называется числом пластичности.

rn=Wl-Wp.

Число пластичности является важной характеристикой грунтов, так как определяет интервал влажностей, при котором они находятся в пластичном состоянии. Предел пластичности часто служит критерием для разделения грунтов на виды.

Грунт при влажности большей предела текучести представляет собой вязкую жидкость. Если влажность грунта находится между пределами текучести и пластичности, то он пастообразен. Наконец, при влажности меньшей предела пластичности грунт находится в твердом состоянии.

Различают следующие консистенции грунтов в зависимости от значения их показателя:

Твердая 0
Полутвердая 0—0,25
Тугопластичная 0,25—0,5
Мягкопластичная 0,50—0,75
Текучепластичная 0,75—1
Текучая 1

Получаемая в результате уплотнения грунтов плотность в значительной степени зависит от их влажности. Установлено, что каждой нагрузке на грунт соответствует такая оптимальная влажность, при которой достигаемая плотность является максимальной. Таким образом, оптимальная влажность грунта будет зависеть от нагрузки на него. При более низких или высоких влажностях получаемая плотность будет снижаться, и тем значительнее, чем больше влажность грунта отличается от оптимальной.

Для оценки степени уплотнения грунты испытывают в приборе стандартного уплотнения. Сущность этого метода состоит в том, что помещенный в стальной стакан грунт в три слоя при разных влажностях уплотняют последовательными ударами падающей гири. Размеры стакана, вес и высота падения гири, а также число ударов стандартизированы. Получаемая в результате такого уплотнения наибольшая плотность называется максимальной стандартной плотностью Smax, а соответствующая ей влажность — оптимальной влажность ю W0.

При разработке грунты разрыхляются, что приводит к увеличению их объема. Это свойство характеризуется коэффициентом разрыхления kp, который представляет собой отношение объема разрыхленного грунта к тому объему, который грунт занимал в естественном залегании. Для большинства видов грунтов коэффициент разрыхления находится в пределах 1,1—1,3. При этом чем большей связностью обладает грунт, тем выше коэффициент разрыхления. Коэффициент разрыхления мерзлых грунтов примерно равен 1,5—1,6.

При отсыпке разрыхленного грунта с некоторой высоты он откладывается в виде конуса. Угол образующей этого конуса с его основанием называется углом естественного откоса ф. Величина угла естественного откоса зависит от вида грунта и его влажности. Примерные значения этого угла даны в табл. 2.
Сопротивляемость грунта нагрузкам до некоторой степени может быть охарактеризована модулем деформации.

Часто разработка грунтов сопряжена с приложением к ним быстродействующих, иногда и повторяющихся нагрузок. В этих случаях некоторые виды грунтов претерпевают так называемые т и ксотропные изменения, сущность которых состоит в том, что при встряхивании связанная вода переходит в свободную, в результате чего грунты как бы разжижаются. При этом сопротивляемость их внешним нагрузкам снижается.

Процесс тиксотропии является грунтов в градобратимым, т. е. при более или менее длительном покое грунты частично или даже полностью восстанавливают свои свойства. Явление тиксотропии проявляется в том случае, если грунты содержат глинистые частицы и значительное количество воды.

Деформация грунтов, как и других материалов, может быть обратимой и необратимой.

Обратимая деформация исчезает по прекращении действия нагрузки, а необратимая остается. В отличие от других материалов, например металлов, обратимая деформация грунтов не всегда идет с высокими скоростями.- Во многих случаях ее скорость сравнительно мала, в результате чего происходит отставание в изменении деформации по сравнению с изменением напряжения. Поэтому обратимую деформацию грунтов упругой называть не принято.

Необратимая часть деформации может быть названа еще и пластической, если она не сопровождается нарушением сплошности грунта, т. е. его разрушением.

Прикладываемая к грунтам нагрузка воспринимается не только скелетом грунта, но и водой. Установлено, что в крупнозернистых грунтах нагрузка воспринимается в основном скелетом, а в мелкозернистых — окружающими частицы грунта водными пленками. Перераспределение нагрузки между скелетом и водой зависит также от влажности грунта. Под нагрузкой происходит сближение частиц и их агрегатов. При этом они вначале соприкасаются с окружающими их водно-коллоидными пленками, которые в местах контактов начинают испытывать местные давления и потому толщина их в этом месте уменьшается. Вода внутри пленок при сдавливании начинает перемещаться из мест более напряженных в места менее напряженные. Поэтому всякое деформирование грунта сопряжено с миграцией влаги. Связанная вода обладает повышенной вязкостью как ввиду того, что она прочно удерживается на поверхностях частиц, так и из-за содержания в ней коллоидных частиц. Свободная вода, стремясь удалиться из напряженной зоны, вынуждена проходить через тонкие капилляры и потому тоже испытывает большие сопротивления. Все это приводит к тому, что движение воды, а следовательно, и деформация грунта, становятся возможными с ограниченными скоростями. Поэтому грунты относят к упруго-пластично-вязким материалам, т. е. к телам, деформация которых зависит не только от величины нагрузки, но и от ее временных параметров. Под последними понимаются скорость изменения напряженного состояния и продолжительность действия нагрузки.

Деформация грунтов складывается из множества взаимоперемещений как отдельных грунтовых частиц, так и их агрегатов. При деформации несвязных грунтов большое значение имеет трение между частицами, так как оно в сильной степени тормозит развитие деформации.

Если на поверхности грунта установить жесткий плоский штамп и непрерывно увеличивать на него нагрузку, то при сравнительно малых напряжениях на поверхности вся развивающаяся деформация сосредоточивается в небольшом объеме грунта, расположенном вблизи подошвы штампа. По мере роста напряжения деформация распространяется на все большую глубину. Наконец наступает момент, когда, несмотря на продолжающееся увеличение напряжений, дальнейший рост деформируемой зоны прекращается, так как потенциальные возможности такого роста, которые определяются не только напряжением, но и диаметром штампа, исчерпываются. Предельная глубина той зоны, на которую еще распространяется действие нагрузки, составляет Ъ,Ъйш (где йш — диаметр штампа).

Если теперь измерить плотность грунта под штампом, то окажется, что в определенной зоне, которая непосредственно к нему прилегает и с внешней стороны ограничивается поверхностью, близкой к поверхности полусферы, плотность грунта будет одинаковой и больше той, которую имеет окружающий эту зону грунт. Расположенный в этой зоне грунт получил название уплотненного ядра.

После сформирования это ядро существенно изменяет дальнейший ход развития деформации. До образования уплотненного ядра деформация, т.е. погружение штампа, в основном происходит за счет уплотнения грунта и таким образом сопровождается изменением его объема. При дальнейшем погружении штамп будет перемещаться вместе с уплотненным ядром, причем это перемещение будет происходить из-за пластических сдвигов грунта в стороны, которые развиваются несколько ниже уплотненного ядра. Эти сдвиги приводят к разрушению грунтового массива, ввиду чего вокруг штампа появляются кольцевые и радиальные трещины, а затем происходит выпирание грунта.

Таким образом, на определенной стадии развития деформации грунта происходит качественный переход от развития ее с изменением объема к развитию без изменения последнего. Этот переход совпадает с окончанием формирования уплотненного ядра и характеризует собой начало разрушения. То напряжение, при котором начинается такое разрушение, называется пределом прочности ар.

Рабочие органы землеройных машин работают за пределом прочности, а машины для уплотнения грунтов — до предела прочности. Поэтому важно знать, от каких факторов зависят пределы прочностей грунтов, а в тех случаях, где это необходимо, и уметь определять их численные значения.

Рис. 1. Зависимость предела прочности тяжелого пылеватого суглинка от скорости изменения напряженного состояния

Пределы прочности зависят от вида и влажности грунта. Фактор влажности оказывает особенное влияние на предел прочности грунта, и особенно в случае связных грунтов, где со снижением влажности предел прочности прогрессивно возрастает. Предел прочности растет с увеличением диаметра штампа и с повышением плотности грунта, а также бр.кГ/смг с ростом скорости изменения напряженного состояния. Последняя зависимость показана на графике (рис. 1). На основе этого графика можно сделать вывод, что в полулогарифмических координатах зависимость предела прочности от скорости изменения напряженного состояния может быть отображена прямой линией. Поэтому скорость изменения напряженного состояния оказывает влияние на предел прочности главным образом при ее малых значениях. Чем выше значения скорости, тем меньше ее влияние.

Воздействие на грунты рабочих органов некоторых машин связано с приложением к ним циклических нагрузок. Под циклической нагрузкой понимаются следующие друг за другом процессы нагружения и разгрузки грунта. В общем случае характер изменения напряжений во времени при этом может быть самым различным. Однако при рассмотрении воздействия на грунты различных машин в большинстве случаев эти изменения могут быть приняты как линейные. При этом повышение и снижение напряженного состояния могут следовать непосредственно друг за другом либо между концом нагрузки и началом разгрузки будет иметь место пауза, в течение которой напряжение остается примерно постоянным. Такой случай соответствует, например, перекатыванию по грунту пневматического колеса.

Зависимость между напряжением и деформацией при циклических нагрузках может быть отображена в виде диаграмм (рис. 2). Изменения в деформации грунта все время отстают от соответствующих им изменений в напряжениях, и тем больше, чем с более высокой скоростью прикладывается нагрузка. Поэтому вид диаграммы в сильной степени зависит от скорости изменения напряженного состояния. На него оказывает также влияние предварительное упрочнение грунта. Последнее достигается последовательным нагружением грунта циклическими нагрузками.

Деформация неупрочненных грунтов, нагружаемых с небольшой скоростью изменения напряженного состояния — менее 0,1 кГ/см2 сек, начинает развиваться одновременное повышением напряжения.

При этом в случае связных грунтов до напряжений, близких к пределу прочности, деформация прямо пропорциональна действующему напряжению (рис. 2, а). При нагрузке упрочненных и неупрочненных грунтов с более высокими скоростями изменения напряженного состояния имеет место запаздывание в развитии деформации (отрезок О А = а1; рис. 2, б), после чего хотя на участке кривой АВ деформация и развивается со все возрастающей скоростью, все же ее развитие отстает от изменения напряжения. Ввиду этого деформация продолжает расти еще и после того, как напряжение начало снижаться, т. е. за точкой В.Этот процесс дальнейшего развития деформации называется последействием нагружен и я. При таких скоростях изменения напряженного состояния, которые соответствуют, например, перекатыванию колес землеройно-транспортных машин, катков и т. п., около 50% всей деформации развивается в процессе последействия.

Рис. 2. Зависимость между напряжением и деформацией при циклических нагрузках:
а — медленное нагружение; б — быстрое нагружение; в —- ударная нагрузка

На рис. 2, s представлена диаграмма, соответствующая весьма быстрому нагружению, которое, например, имеет место при ударе о грунт жесткой плиты. Здесь деформация часто достигает максимума уже тогда, когда нагрузка успела снизиться до нуля. Обратимая часть деформации всегда начинает восстанавливаться лишь после понижения напряжения на какую-то определенную для данных условий нагружения величину. Такое запаздывание связано с повышением под нагрузкой сцепления между отдельными частицами грунта и их агрегатами. Далее восстановление обратимой части деформации идет со все возрастающей скоростью. Хотя в точке D грунт оказывается уже полностью разгруженным, процесс восстановления деформации все еще продолжается, что уже целиком относится к явлению обратного упругого последействия. Чем выше скорость изменения напряженного состояния, тем все большая часть обратимой деформации восстанавливается в процессе обратного упругого последействия.

Отрезок оси OF выражает полную деформацию (погружение штампа), а отрезки ОЕ и EF — необратимую и обратимую ее части. Площадь диаграммы OABCD соответствует затраченной на деформирование грунта работе.

Деформирование циклической нагрузкой даже хорошо уплотненных и упрочненных грунтов, когда большая часть или даже почти вся деформация обратима, всегда связано с затратой работы, которая при этом рассеивается.

Установлено, что к процессу нагрузки линейная зависимость между напряжением и деформацией может быть применена лишь в случае неупрочненных связных грунтов, нагружаемых до предела прочности с весьма малыми скоростями изменения напряженного состояния — менее 0,05 кГ 1см1 сек. Процесс разгрузки линейной зависимости не подчиняется. Если рассматривать не сам ход течения деформации, а ее результаты, под которыми понимаются полная деформация с учетом последействия, деформация, а также обратимая и необратимая ее части, то здесь применение линейной зависимости возможно лишь по отношению к связным грунтам, нагружаемым с одинаковыми скоростями до напряжений менее предела прочности. Несвязные грунты и здесь линейной зависимости не подчиняются.

Кривая нагрузки в координатах напряжение — деформация при больших скоростях деформации всегда располагается выше, чем при малых скоростях. По мере роста скорости разрушение грунта происходит при все уменьшающейся величине деформации, т. е. грунт приобретает хрупкие свойства.

На графике (рис. 3) показаны результаты опытов по выяснению влияния скорости изменения напряженного состояния на величину относительной деформации е. Относительная деформация представляет собой отношение абсолютной величины погружения штампа к его диаметру. Из графика видно, что по мере роста скорости изменения напряженного состояния vU3 полная деформация и ее необратимая часть убывают и особенно сильно в области небольших скоростей из менения напряженногосостояния — до 0,3 — 0,4 кГ/см2 -сек.

Рис. 3. Зависимость деформаций связного грунта от скорости изменения напряженного состояния:
1 — полная деформация; 2 — необратимая часть деформации; 3 — обратимая деформация; / — зона работы катков; // — зона ударных нагрузок

Обратимая часть деформации остается практически постоянной. Поэтому понижение скорости изменения напряженного состояния грунта при циклической нагрузке принципиально эквивалентно соответствующему повышению напряжения. Из этого графика видно, что если превзойти ту область скоростей изменения напряженного состояния, при которых они оказывают еще существенное влияние на деформацию, то дальнейшее повышение скорости уже практически не будет сказываться на результатах. Эти свойства грунтов следует учитывать при выборе скоростей работы машин.

При нагрузке грунтов равновесие между внешними и внутренними силами устанавливается постепенно, в течение более или менее длительного времени. Поэтому при относительно небольшом времени действия нагрузки равновесное состояние может быть достигнуто лишь при повторных нагрузках. При этом происходит упрочнение грунта, т. е. с увеличением числа повторностей деформация грунта постепенно снижается. Такой характер изменения деформации грунтов при повторных нагрузках отображает их вязко-пластичные свойства. Если материалы не обладают вязкими свойствами, то вся соответствующая данной нагрузке необратимая деформация развивается за однократное приложение нагрузки и Дальнейшее ее повторение вызывает лишь обратимую деформацию. В идеально вязких телах необратимая деформация при повторных нагрузках не меняется. Грунты занимают промежуточное положение. При этом чем большее количество глинистых частиц они содержат, тем выше их вязкость и, следовательно, тем в меньшей степени затухает от цикла к циклу необратимая деформация. Ввиду этих свойств уплотнение грунтов может быть произведено лишь при многократном повторении нагрузки.

Для практических целей представляет интерес закономерность накопления необратимой деформации грунта при повторных нагрузках. Опытным путем установлено, что если к грунту через штамп прикладывать повторные циклические нагрузки с одним и тем же максимальным напряжением и при одной и той же скорости изменения последнего, то накопленная деформация пропорциональна логарифму числа повтор-ностей приложения нагрузки. Если продолжительность пауз между нагрузками меньше времени, которое требуется для полного восстановления обратимой части деформации, то на накопленную необратимую деформацию оказывает влияние частота приложения нагрузки. По мере увеличения частоты накопленная деформация несколько снижается. Это происходит потому, что при недостаточной продолжительности пауз процесс обратного упругого последействия еще не успевает закончиться и потому возникают как бы встречные движения грунтовых агрегатов и, кроме того, последние в меньшей степени находят новые «пути» для взаимоперемещений, в результате чего эти взаимоперемещения становятся короче.

Частота приложения нагрузок имеет значение при деформировании грунтов, обладающих тиксотропными свойствами. Установлено, что имеют место такие частоты, при которых происходят интенсивные тиксотропные превращения грунтов, сопровождающиеся обильным выделением влаги и ослаблением связей между его частицами и агрегатами. При таких частотах эффективность действия нагрузок значительно повышается. Этим свойством грунтов следует воспользоваться как при их уплотнении, так и при их разработках.


Читать далее:

Категория: - Рабочие органы и ходовое оборудование





Главная → Справочник → Статьи → Форум



Разделы

Строительные машины и оборудование
Для специальных земляных работ
Дорожно-строительные машины
Строительное оборудование
Асфальтоукладчики и катки
Большегрузные машины
Строительные машины, часть 2,
Дорожные машины, часть 2
Ремонтные машины
Ковшовые машины
Автогрейдеры
Экскаваторы
Бульдозеры
Скреперы
Грейдеры Эксплуатация строительных машин
Эксплуатация средств механизации
Эксплуатация погрузочных машин
Эксплуатация паровых машин
Эксплуатация экскаваторов
Эксплуатация подъемников
Эксплуатация кранов перегружателей
Эксплуатация кузовов машин
Крановщикам и стропальщикам
Ремонт строительных машин
Ремонт дорожных машин
Ремонт лесозаготовительных машин
Ремонт автомобилей КАмаЗ
Техническое обслуживание автомобилей
Очистка автомобилей при ремонте
Материалы и шины