Опыты показали, что сопротивление грунтов при динамическом приложении нагрузки возрастает. Физическая сторона этого явления может быть объяснена тем, что скорость распространения напряжения в зоне пластической деформации в грунтах невелика. Поэтому при действии импульсной нагрузки деформация не успевает распространяться на глубину, соответствующую равновеликой статической нагрузке. В итоге при кратковременной (импульсивной) нагрузке деформация оказывается меньшей.

Рис. 1. Влияние скорости нагружения v на величину относительной деформации е. для тяжелого пылеватого суглинка (а) и легкой супеси (б) оптимальной влажности

Рис. 2. Диаграмма «напряжение — деформациях (а — Д)

Скорость изменения напряженного состояния оказывает влияние на вид диаграммы «напряжение — деформация». Кривая OAiBiCi представляет эту диаграмму для не-упрочненного связного грунта оптимальной влажности при циклической нагрузке, соответствующей постоянной, достаточно малой скорости изменения напряженного состояния (до 0,1 кгс/см2-с). Кривая ОЛ3В3С3 отвечает высокой скорости изменения напряженного состояния порядка 80—100 кгс/см2-с, характерной для динамической нагрузки; как видим, при этом имеет место запаздывание изменения величины деформации по отношению к соответствующему изменению напряжения. В точке Аз напряжение, достигшее максимума, начинает понижаться, тогда как деформация грунта продолжает расти. Процесс развития деформации после прекращения роста напряжения называется последействием нагрузки. Особенно ярко оно выражается у связных грунтов, являясь следствием как вязких их свойств, так и наличия в них инерционных сопротивлений.

При деформировании связных грунтов последействие нагрузки становится заметным при скоростях изменения напряженного состояния порядка 0,1 кгс/см2-с. При деформировании связных грунтов оптимальной влажности со скоростью роста напряженного состояния 20—95 кгс/см2-с уже около 50% всей полученной при циклическом нагружении деформации развивается в процессе последействия.

При малых скоростях изменения напряженного состояния во время циклической нагрузки кривая ОА близка к прямой, явление последействия отсутствует. Кривая A\BiC\, отображающая процесс разгрузки грунта, характеризуется запаздыванием в восстановлении обратимой части деформации.

Для представленной на рис. 2 диаграммы характерно также запаздывание в развитии деформации OD3. Причем степень запаздывания увеличивается с ростом скорости изменения напряженного состояния, что также может быть объяснено вязкими свойствами грунтов.

Применение линейной зависимости к самому ходу течения деформации возможно лишь при скоростях изменения напряженного состояния менее 0,04 кгс/см2-с и только при деформировании еще не упрочненного грунта.

Для практических целей важно выяснить также вопрос о возможности применения линейной зависимости между деформацией и напряжением к конечным результатам циклических нагрузок. Под конечным результатом следует понимать в этом случае как величину полной (с учетом последействия) деформации, так и размеры пластичной и условно упругой ее части. Исследования в области динамики грунтов свидетельствуют о возможности применения указанной прямолинейной зависимости в том случае, когда в одно и то же время напряжение на поверхности грунта не превышает предела его прочности, производится деформирование связных неупроч-ненных грунтов с влажностью в пределах 0,6—1,2 от оптимального значения при одинаковых скоростях изменения напряженного состояния или превышающих 25—30 кгс/см2-с.

Явление удара, происходящее, например, при уплотнении грунта, протекает следующим образом. С момента начала повышения напряженного состояния до достижения им максимума происходит возрастание степени деформации грунта. На глубине начало повышения напряженного состояния несколько запаздывает. Ввиду наличия вязких свойств грунтов, и следовательно, явления последействия нагрузки течение деформации продолжается и после того, как напряжение начинает падать- Максимум деформации отстает по времени от максимума напряжения и тем больше, чем быстрее, «острее» удар. Таким образом максимум деформации расположен где-то на ветви разгрузки, хотя явление удара заканчивается в точке, совпадающей с максимумом напряжения.

Грунты, особенно в рыхлом состоянии, можно рассматривать как материалы абсолютно неупругие, но обладающие вязкими свойствами. С достаточной для практических целей точностью кривую повышения напряженного состояния грунтов можно принять за прямую.

Как видно, продолжительность удара в случае плотных грунтов в 2 раза меньше значений, которые соответствуют тем же грунтам в рыхлом состоянии. По мере удаления от поверхности грунта напряжение более интенсивно падает в песчаных грунтах. Влажность грунта на падение напряжения с глубиной оказывает незначительное влияние.

Так как грунты не являются упругими телами или системами, то для них вместо понятия модуля упругости установлено понятие модуля общей деформации Е0, который относят к полной деформации грунта под нагрузкой независимо от того, какая доля этой деформации будет упругой и какая остаточной.

Рис. 3. Зависимость напряжения а на поверхности грунта при ударе в функции времени t

Основная концепция теории упругости — постоянное соотношение между напряжением и деформацией — свойство, которое не является исключительной особенностью только упругих тел. Как было показано, при определенных условиях возможно применение по отношению к конечным результатам циклической нагрузки линейной зависимости между напряжением и деформацией грунтов. Последнее позволяет использовать закономерности теории упругости применительно к грунтам, которые рассматриваются при этом не как упругие, а как линейно деформируемые тела.

Модуль общей деформации зависит от влажности, степени уплотнения грунта, температуры, величины нагрузки, длительности ее действия, частоты приложения.

На рис. 45 представлена зависимость изменения Е0 для суглинка (а) и для песка (б) в функции относительной деформации e—A/dtп, где А — абсолютная деформация; dm – - диаметр штампа. Как видно, начиная с 8=0,003 для суглинка и е= = 0,001 для песка, при дальнейшем увеличении модуль общей деформации Е0 уже существенно не изменяется. При динамических расчетах нас интересует именно этот Интервал.

Способность грунта при сокращении времени действия нагрузки как бы увеличивать сопротивление деформированию может быть учтена динамическим модулем упругости Е-л. Полученные опытным путем Н. Я. Хархута значения £д=200 кгс/см2 для связных грунтов в уплотненном состоянии и £д= 1.00-150 кгс/см2 для несвязных грунтов соответствуют, тем скоростям напряженного состояния, которые имеют место при укатке грунтов. Даже при самых малых скоростях укатки оказывается

Рис. 4. Зависимость модуля общей деформации Е0 в функции относительной деформации, г грунта для суглинка (а) и для песка (б)

Рис. 5. Зависимость динамического модуля деформации Е„ от влажности W и от плотности q грунта (в процентах от оптимальной) для суглинка (а) и для песка (б)

превзойденной та скорость, при которой стабилизируются динамические свойства грунтов.

Значения динамического модуля деформации ЕД изменяются в широких пределах с изменением влажности и плотности грунта. На рис. 46 представлены зависимости ЕЛ для тяжелого пылеватого суглинка и песка.

Следует отметить, что при динамических процессах, связанных с разработкой грунта, скорость изменения напряженного состояния превосходит обычно 28 кгс/см2, для которой были получены приведенные зависимости, и поэтому применение указанных значений вполне допустимо.

Рассмотрим процесс деформирования грунта круглым и прямоугольным штампами.

При решении динамических задач энергетическим методом важное значение приобретают вопросы, связанные с определением работы, затрачиваемой на деформацию грунта. Работа выражена в условных единицах; за единицу принята величина работы, соответствующая тому значению скорости нагружения, при котором явление последействия нагрузки еще только проявляется. Для рассматриваемого грунта это 0,1 кгс/см2-с.

Рис. 6. Зависимость коэффициента формы жесткого прямоугольного штампа от соотношения его сторон

Рис. 7. Зависимость работы А деформации от скорости v нагружения для тяжелого пылеватого суглинка

При определении динамических нагрузок методом решения дифференциальных уравнений движения рабочая среда (в частности, грунты или встречающиеся на пути рабочих органов препятствия), так же как и элементы конструкции машины, могут быть в расчетной схеме условно заменены сосредоточенными массами и пружинами с линейной характеристикой.

Значения коэффициентов жесткости грунтов и характерных препятствий, полученные опытным путем для различных условий работы бульдозеров, корчевателей, экскаваторов и других машин, приводятся в соответствующих разделах.

Отечественными и зарубежными исследователями установлено, что модули упругости горных пород, определенные в процессе динамического нагружения, превышают модули упругости.

Рис. 8. Изменение механических свойств мрамора в зависимости от скорости деформирования

Сопротивление горных пород разрушению при динамическом приложении нагрузки растет по мере увеличения скорости ее приложения. В то же время на величину сопротивления при этом оказывают влияние также особенности структуры породы и характер напряженного состояния. Причем влияние скорости приложения нагрузки на сопротивляемость разрушению проявляется более отчетливо у малопрочных высокопластичных и пористых пород, чем у более прочных пород.

Данные динамических испытаний показывают, что породы, не получающие хрупкого разрушения при статическом вдавливании штампа (например, известняк), под действием динамической нагрузки подвергаются хрупкому разрушению.