Реологические свойства почв это

Лекция 14. Реологические свойства грунтов

Реология – это наука, изучающая поведение тел (грунтов) во времени при действии на них (грунтов) нагрузок (напряжений).

Реологические свойства грунтов подразделяются на:

Ниже рассмотрим свойства грунтов более детально. При рассмотрении вопроса ползучести остановимся только на осевой ползучести. Сдвиговую и объемную ползучесть рассмотрите самостоятельно.

Ползучестью называется процесс изменения деформаций (е) во времени (t) при действии на грунт постоянного напряжения ( σ = const):

e= ƒ (t →∞ и σ =const)

Основными параметрами ползучести являются скорость деформирования (V e ) и вязкости (τ).

Под скоростью деформирования (ползучести) понимается отношение изменения деформаций (∆е) ко времени (∆t), т.е.:

Изменение скорости деформирования грунтов при постоянном напряжении происходит в общем случае в три стадии (рисунок 9.1). Первоначально, на отрезке ОА, скорость деформирования возрастает. Затем, на отрезке АВ, грунт деформируется с постоянной скоростью. И в точке (В) могут возникнуть два сценария развития ползучести. Первый – когда скорость деформирования затухает и падает до нуля (отрезок BD). Этот вид ползучести называют затухающая или ограниченная. Второй сценарий – когда скорость деформирования грунта резко возрастает (отрезок ВС) и приводит к разрушению грунта. Такой вид ползучести называют прогрессирующей или неограниченной.

Рисунок 9.1 – Изменение скорости деформирования (Ve) грунта во времени (t) при постоянном напряжении ( σ )

Затухающая или прогрессирующая ползучесть определяется величиной нагружения грунта (нормальных напряжений). При напряжениях, превышающим порог ползучести ( σ п.п. ), в грунтах протекает прогрессирующая ползучесть. И наоборот, при напряжениях меньше σ п.п. , для грунта характерна затухающая ползучесть.

Например, для случая, показанного на рисунке 9.2, при σ σ > 0,066 МПа развивается стационарная ползучесть, переходящая в прогрессирующую и завершающуюся разрушением грунта. Прогрессирующая ползучесть объясняется тем, что при данных напряжениях в грунте процессы микроразрушений структуры превалируют над процессами восстановления структурных связей в ходе ползучести. Из графика также видно, что долговечность грунта (t p ) по мере роста прикладываемых напряжений σ снижается. Таким образом, для данного случая напряжение σ = 0,066 МПа является критическим и называется порогом ползучести . Порог ползучести разграничивает область опасных (завершающихся разрушением) и безопасных напряжений. Поэтому он является важной с практической точки зрения реологической характеристикой.

Рисунок 9.2 – Кривые осевой ползучести озерно-ледниковой глины естественной структуры (W = 24 %) при комнатной температуре и действии растягивающих напряжений ( σ , МПа)

Параметры осевой ползучести грунтов (скорость, условные пределы текучести, вязкость, порог ползучести и др.) зависят от различных внутренних и внешних факторов. Основными из внутренних факторов (т. е. присущих самому грунту) являются: структура грунта, его влажность, плотность и другие особенности. Среди грунтов разной структуры при прочих одинаковых условиях меньшая скорость ползучести характерна для грунтов с более прочными структурными связями. Глинистые грунты нарушенной структуры обладают более низкими характеристиками ползучести (меньшими значениями σ к1 , σ к2 , η 0 , η m и др.), чем те же грунты с естественной структурой (рисунок9.3). Увеличение влажности и снижение плотности песчаноглинистых грунтовтакжеприводит кснижениюпараметровосевой ползучести.

Из внешних факторов на параметры осевой ползучести сильное влияние оказывает температура. В области положительных температур нагрев грунта при прочих одинаковых условиях приводит к снижению параметров ползучести: падению параметров вязкости ( η о , η m ), увеличению скорости ползучести при одина-

ковом σ , снижению условных пределов текучести σ k1 , σ k2 порога ползучести и т.д. (см. рисунок 9.3). В наибольшей мере влияние температуры проявляется в глинистых грунтах со слабыми структурными связями – коагуляционными. В мерзлых грунтах повышение отрицательной температуры (приближение ее к нулю) также снижает указанные параметры осевой ползучести, тогда как охлаждение грунта увеличивает эти параметры.

Релаксацией напряжений называют процесс изменения (уменьшения) напряжений ( σ ) во времени (t) при сохранении постоянной деформации (е), т. е.

e = (t →∞ и σ = const)

В грунте релаксация происходит за счет процессов внутренних микроструктурных изменений, сопровождающихся упругими и пластическими микродеформациями и перераспределением напряжений между частицами во времени при сохранении постоянной обшей деформации. Основным параметром, характеризующим релаксацию, является время релаксации t r – время достижения системой состояния равновесия. При оценке релаксации напряжений в твердых телах время релаксации как бы характеризует «подвижность» материала и соответствует так называемому времени оседлой жизни частицы в положении равновесия. У жидкостей время «оседлой жизни» молекул в миллион раз меньше, чем у кристаллических твердых тел. Поэтому, чем меньше величина t r , тем в большей степени материал приближается к жидкости, и наоборот.

Рисунок 9.3 – Кривая релаксации напряжений в грунте во времени (по С.С. Вялову, 1978)

В целом же проявление упругости и вязкопластичности в данном теле (грунте) зависит от соотношения времени воздействия нагрузки (t) и времени релаксации (t r ): если t r то тело ведет себя как упругое; если t >> t r то тело ведет себя как вязкое.

Величина времени релаксации напряжений в теле определяется из закона релаксации Максвелла:

где τ 0 = G γ – начальное напряжение сдвига; G – модуль сдвига.

Откуда время релаксации:

Формальное значение времени релаксации поясняется на рисунке 9.3. Из закона релаксации Максвелла следует, что для момента времени t = t r это уравне-

ние примет вид: τ = τ 0 /е. Таким образом, время релаксации напряжений равно такому отрезку времени t r за которое напряжение τ уменьшится в е = 2,718 раза по отношению к начальному значению τ 0 .

У воды время релаксации составляет 10 -11 с, у льда – сотни секунд (10 2 -10 3 с

в зависимости от температуры), у стекла – сотни лет, у горных пород – тысячелетия (например, у известняка t r = 10 10 с). В силу этих причин при быстром приложении нагрузки многие грунты ведут себя как упругие и хрупкие тела, а при медленном – текут как жидкости. Особенно ярко это проявляется в мерзлых грунтах,

в каменной соли и др. С другой стороны, хорошо известно, что под действием давления даже скальные грунты за геологические периоды времени проявляют вязкое течение.

Таким образом, время релаксации напряжений в грунтах определяется их химико-минеральным составом, структурно-текстурными особенностями (в основном типом и прочностью структурных связей), плотностью и влажностью, составом и концентрацией порового раствора, а из внешних факторов – температурой и действием других физических полей (электромагнитного, радиационного и др.).

Длительной прочностью называется прочность грунта при длительном действии нагрузки. Она существенно ниже так называемой « мгновенной (или начальной) прочности», определяемой при кратковременном воздействии нагрузки. Это явление тесно связано с ползучестью и релаксацией напряжений. Как отмечалось выше, развитие прогрессирующей ползучести c возрастающей скоростью заканчивается хрупким или вязким разрушением грунта. Поэтому длительное разрушение грунта происходит при напряжении, величина которого может быть меньше значения прочности при кратковременном загружении. При этом, чем меньше приложенное напряжение, тем за более длительный промежуток времени происходит разрушение грунта, и наоборот.

Рисунок 9.4 – Кривые ползучести грунта при сдвиге (а) и построенная по ним кривая длительной прочности (б) (по С.С. Вялову, 1978)

Длительная прочность характеризуется кривой длительной прочности, которая строится в координатах «прочность – время», причем в качестве количественных показателей прочности могут выступать любые параметры прочности, которые интересуют исследователя в данной конкретной ситуации (например, показатели прочности на сдвиг ϕ и с , прочность на одноосное сжатие, на растяжение, предельное напряжение сдвига τ и т. д.).

Кривые длительной прочности строятся по результатам испытаний грунтов на ползучесть (рисунок 9.4). Для этого испытывается на ползучесть при разных напряжениях серия одинаковых образцов-близнецов и определяется их долговечность ( t p ) для каждого напряжения τ (см. рисунок 9.4 а ). По полученным данным строится кривая длительной прочности – график зависимости разрушающего напряжения τ от долговечности t (рисунок 9.4 б ). На этом графике различают: условно мгновенную (или начальную) прочность τ 0 , т.е. наибольшую прочность при t → 0; длительную прочность τ = ƒ (t), определяемую текущими разрушающими напряжениями на момент времени t, она не является константой для данного грунта, т.к. зависит от времени; предел длительной прочности τ ∞ , соответствующий такому безопасному напряжению, до превышения которого деформации ползучести носят затухающий характер.

Для того, чтобы судить о том, насколько снижается длительная прочность по сравнению с условно-мгновенной, по кривой длительной прочности рассчитывается снижение длительной прочности (R i s ), измеряемое в %:

R i s = ( τ i / τ o ) 100

где τ 0 – начальная (условно-мгновенная) прочность; τ I – длительная прочность на момент времени t .

С длительной прочностью тесно связано и такое понятие, как долговечность. Долговечность грунта (t p ) – это время от момента приложения нагрузки к грунту до момента его разрушения. Чем больше напряжение, тем меньше долговечность грунта, и наоборот.

Таким образом, рассмотрены основные реологические свойства грунтов. В практике они достаточно широко используются при проектировании сооружений, расположенных в сложных инженерно-геологических условиях.

Источник

Реологические методы для характеристики структурного состояния почв

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 05.05.2016 2016-05-05

Статья просмотрена: 334 раза

Библиографическое описание:

Сaйлaубeкулы, Рустeм. Реологические методы для характеристики структурного состояния почв / Рустeм Сaйлaубeкулы. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 9 (113). — С. 284-287. — URL: https://moluch.ru/archive/113/28799/ (дата обращения: 10.12.2021).

Реологические исследования различных почв [1, 2], проведенные в цикле нагрузка-разгрузка, по характеру восстановления сопротивления деформации позволили выделить следующие типы деформационного поведения почв: тиксостабильность, тиксотропность, тиксолабильность, реопексия (рис. 1). Прямая ветвь фиксирует деформационное поведение почвы, характер разрушения ее структуры, обратная ветвь дает представление о способности почвы восстанавливать сопротивление деформации.

Рис. 1. Типы реологических кривых: а — тиксостабильность, б — тиксотропность, в — тиксолабильность, г — реопексия; сплошная линия — прямая ветвь реологической кривой, пунктирная — обратная

Тиксостабильная система обладает равными скоростями разрушения и восстановления структурных связей — обе ветви реологических кривых, практически совпадают (рис. 1а) [1]. На тиксостабильные структуры не сказывается действие деформирующей силы, механическое воздействие не оказывает влияния на величину предельного напряжения сдвига. Признаком равновесия системы служит неизменность величины касательного напряжения в потоке жидкости при изменении скорости потока. Критерием достижения равновесного состояния системы служит совпадение экспериментальных точек на восходящем и нисходящем участках реологической кривой. Состояние тиксостабильности обусловливается наличием в почве в преобладающем количестве коагуляционно-конденсационных структурных связей [3]. Реологические кривые подобного типа характерны для типичного мощного чернозема при влажности верхней границы пластичности.

Кривые следующего типа (рис. 1б) характеризуют типичную тиксотропию, обусловленную образованием коагуляционной структуры. Исследование петель гистерезиса на почвенных образцах [3, 4] показали, что если система восстанавливает сопротивление деформации в интервале Р_к2 — Р_кm то это характеризует наиболее полное проявление тиксотропии и наличие смешанных структур конденсационно-коагуляционного типа. Изменение петли гистерезиса в обе стороны приводит к уменьшению тиксотропии. Если петля гистерезиса сужается, то это свидетельствует об усилении влияния конденсационных (кристаллизационных) структур, система приближается к тиксостабильности, и наоборот расширение петли гистерезиса влево от Р_к1 говорит о разрастании коагуляционной структуры малой прочности, система из состояния тиксотропии переходит в тиксолабильность.

Тиксолабильные структуры при механическом воздействии разрушаются, но не восстанавливаются вновь по прекращении деформации. В тиксолабильной системе разрушение структурных связей происходит в очень узком диапазоне изменения напряжений. Иногда точки Р_к1 и Р_к2 совпадают, так как коагуляционная структура непрочна и быстро разрушается. Восстановление структурных связей в тиксолабильной системе происходит очень медленно, практически только после полного снятия напряжения. Проявление тиксолабильность наблюдали для орошаемого содового солончака при влажности верхней границы пластичности.

При реологических исследованиях почв был получен еще один тип реологических кривых (рис. 1г.), образующих петлю противоположную гистерезису — петлю реопексии. При снятии напряжения происходит увеличение сопротивления деформации. Исследования Л. П. Абруковой показали, что их проявление на реологических кривых свидетельствует о преобладании в исследуемых почвах прочных конденсационно-кристаллизационных связей внутри агрегатов. Как и Н. И. Горбунов, Л. П. Абрукова считает, что проявление на реологических кривых петель реопексии связано со сложным процессом перераспределения структурных связей. При увлажнении и деформации происходит ослабление внутриагрегатных, главным образом, когезионных сил сцепления. Последнее приводит к разрушению прочносцементированных агрегатов, увеличению количества микроагрегатов и усилению межагрегатных, главным образом, адгезионных сил сцепления. Результатом процесса разрушения агрегатов является увеличение числа контактов в единице объема и, следовательно, увеличение вязкости почвы.

Почвы легкого гранулометрического состава при реологических исследованиях петель реопексии не дают. Они проявляют типичную дилатансию. На начальной стадии деформации почв обычно в состоянии максимального набухания на кривой зависимости эффективной вязкости от напряжения сдвига появляется дилатантный пик увеличения вязкости системы, который образуется вследствие расслоения дисперсной системы на твердую и жидкую фазы, при увеличении скорости деформации этот пик исчезает [4]. При снятии напряжения восстановление сопротивления деформации может идти двояко: либо по типу тиксостабильности и реопексии, что свидетельствует о ложной дилатансии, вызванной наличием прочно сцементированных агрегатов, либо по типу тиксотропии, что характеризует истинную дилатансию, которая проявляется за счет грубодисперсной фракции песка. Дилатантное поведение характерно для грубодисперсных (опесчаненных) почв, где проявляется истинная дилатансия. В большинстве случаев в почвах проявляется ложная дилатансия, обусловленная наличием в почве прочно сцементированных агрегатов.

Реологические исследования, выполненные для ряда почв в широком диапазоне изменения влажности В. В. Абруковой [4], позволили создать классификацию почвенных реологических кривых и ввести в описание физических свойств почвы вид прямой ветви реологической кривой.

В. В. Абрукова выделяет четыре основный вида деформационного поведения почв (рис. 2).

Рис. 2. Виды почвенных реологических кривых

Деформации 1-го вида (рис. 2–1) присущи почвам с хорошо развитой коагуляционной структурой и проявляется в особых условиях увлажнения и однородности агрегирования.

Деформации 2-го вида характеризуются реологической кривой (рис. 2–2) с клювообразным изгибом в области перехода от течения с ненарушенной структурой к разрушенной, пластическое течение разрушенной структуры осуществляется при меньших напряжениях сдвига, чем само разрушение структуры. Деформации 2-го вида свидетельствуют о наиболее неблагоприятных в технологическом отношении структурных свойствах почвы вследствие резкого падения прочности при достижении определенной величины напряжения сдвига. Диапазон влажности для проявления данного свойства может быть узким и широким в зависимости от сочетания дальней и ближней агрегации почв.

Кривые 3-го и 4-го вида характеризуют дилатантное поведение системы (рис. 2–3, 2–4). Б первом случае (3-й вид) реологическая кривая начинается с уступа или ступеньки, Р_к2 может быть значительно ниже Р_к1. Дилатансия в зависимости от гранулометрического состава может быть вызвана опесчаненностью или высоким содержанием водопрочных микроагрегатов и сочетается с тиксотропным или тиксолабильным поведением почвы.

Во втором случае (4-й вид) реологическая кривая также начинается со ступеньки, но Р_к1 не превышает Р_к2. Дилатансия (ложная) вызвана неводопрочными или менее водопрочными, в первом случае микроагрегатами, и сочетается с реопектичным восстановлением структуры почвы.

Предлагаемая В. В. Абруковой [4] классификация прямых ветвей реологических кривых позволяет выделить четыре вида деформационного поведения почв разной степени оструктуренности:

1. слитые и бесструктурные почвы,
2. неоднородно агрегированные почвы,
3. дилатантные опесчаненные почвы,
4. хорошо агрегированные почвы.

Для каждого вида деформационного поведения почв характерна особая форма прямой ветви реологической кривой. Важное значение для характеристики структурного состояния почв имеет величина удельной мощности предельного разрушения структуры АБ. Прочность структуры дисперсной системы пропорциональна произведению числа контактов между частицами на прочность каждого контакта. Для количественных исследований межмолекулярных сил, возникающих между агрегатами, наиболее удобно изучать удельную мощность предельного разрушения структуры. Для вычисления удельной мощности предельного разрушения структуры необходимо экспериментально получить полную реологическую кривую. Площадь, ограниченная реологической кривой и осью скоростей деформации (рис.3) в интервале напряжений сдвига от 0 до Р_m, численно равна величине мощности S = S_m + ΔS, необходимой для поддержания стационарного потока в системе.

Рис. З. Схема определения удельной мощности предельного разрушения структуры

Мощность эта складывается из двух частей: удельной мощности Бш, расходуемой на поддержание ньютоновского течения и удельной мощности ДБ, требующейся при том же градиенте для предельного разрушения структуры. Удельная мощность предельного разрушения структуры определяется как площадь треугольник ОАР.

Величина удельной мощности предельного разрушения структуры характеризует прочность структурных связей и их тип. Однако вследствие недостаточности экспериментальных данных и их стандартизации к настоящему времени нет четких классификационных градаций типа структурных связей по величине удельной мощности предельного разрушения структуры.

Возникающие под действием сил капиллярной контракции (когда нет в системе свободной воды) вторичные когезионно-адгезионные молекулярные связи способствуют упрочнению структурных элементов и значительному росту ДБ. С увеличением содержания физической глины ДБ увеличивается. Величина ДБ зависит от содержания гумуса, степени солонцеватости, механического состава и влажности почв.

Если нагрузки на почву превышают ДБ, то техника будет тонуть на поле, если же они будут меньше прочности структурных связей, то обработка почвы возможна и в условиях повышенной влажности.

Прочность структуры, ее реологические свойства и тип структурных связей зависят от многих факторов: концентрации твердой фазы или, соответственно от влажности почвы, минералогического состава, температуры почвы, состава поглощенных катионов, наличия органического вещества.

1. Абрукова В. В., Манучаров A. C. Некоторые особенности деформации почв при реологических исследованиях. Почвоведение, 1985, № 6, с. 89–95.
2. Абрукова Л. П. Изучение тиксотропных свойств почв с применением ротационного вискозиметра РВ-8. Почвоведение, 1970, № 8, с. 83–90.
3. Горбунов Н. И., Абрукова Л. П. Реологические свойства и минералогический состав слитых почв. Почвоведение, 1974, № 8, с. 74–85.
4. Абрукова В. В. Связь реологических свойств почв со структурными характеристиками. М., 1988, 128с.

Источник