Закономерности мгновенных деформаций простого сдвига

Закономерности мгновенных (и ползучих) деформаций простого сдвига в данном начальном состоянии глинистого грунта исследуют после определения стандартного сопротивления сдвигу тf,st. В отличие от метода испытания образцов-близнецов на одномерное уплотнение режим приложения касательного напряжения до заданного его уровня т < тf,st не должен отличаться от режима определения сопротивления сдвигу, т. е. касательные напряжения до заданной величины должны быть приложены к образцам-близнецам не в одну ступень, а постепенно, небольшими ступенями через равные или неравные интервалы времени. В этом случае мгновенные деформации для данного значения касательного напряжения определяют как сумму мгновенных деформаций, зафиксированных при приложении всех ступеней нагрузки Aт.
Из изложенного выше следует, что из испытания на сдвиговую ползучесть серии образцов-близнецов одного состояния определяют кривую т—у0 при многократном повторении опыта до заданных значений касательного напряжения т. Условием применимости метода ступенчатого загружения образцов сдвигающими усилиями для определения т—у0 является (в отличие от случая одномерного уплотнения) практически неизменяемые состояния грунта в процессе сдвига при т < тstr. Доказательством тому служит равенство мгновенных деформаций до предела структурной прочности тsfr (см. ниже), полученных от действия равных ступеней касательного напряжения Aт.
На рис. 112 приведен пример определения на приборах кручения кольцевых образцов-близнецов кривой т—As глины 9—63 (ps=2680 кг/м3; р=1820 кг/м3; w0=0,33; wL=0,424; wр = 0,244; Ip=0,18). Образцы-близнецы изготовлены предварительным уплотнением пасты грунта вначале под действием oz=0,2 МПа, затем разгруженных до 0,1 МПа и выдержанных под этой нагрузкой до полной стабилизации деформации. Напряжения т приложены к наружным граням образцов (где замерялись деформации сдвига As) ступенями At=0,005 МПа через различные интервалы времени — после условной стабилизации деформации сдвига от действия предыдущей ступени. Во избежание ошибок, которые обычно проявляются на начальных ступенях касательного напряжения, начальный участок кривой (т=0,002 МПа) исключен из рассмотрения.
Отметим, что здесь и в дальнейшем в отличие от ГОСТ 12248—78 под условной стабилизацией деформаций сдвига будем понимать скорость сдвига не более 0,01 мм за 2 мин.

Как видно на рис. 112, экспериментальная кривая т—As аппроксимируется билинейной диаграммой, характеризующей существование двух линейных областей мгновенного деформирования при двух различных значениях модуля мгновенной деформации простого сдвига G0,1 и G0,2. Касательное напряжение, соответствующее точке перелома диаграммы т—As, авторам книги названо пределом структурной прочности грунта при сдвиге тstr, который хорошо согласуется с пределом структурной прочности при одномерном уплотнении.
С билинейной диаграммой деформация — напряжение мы встречались при рассмотрении одномерного уплотнения глинистых грунтов. Аналогичное явление имеет место при ползучести этих грунтов в условиях простого сдвига (см. рис. 111), которое обусловлено фактором времени — протеканием во времени структурных деформаций.
При очень быстром проведении эксперимента структурные деформации не успевают проявляться, и зависимость между напряжениями и деформациями (как это имело место при исследовании мгновенных деформаций при приложении o1 в одну ступень) выражается линейным законом. Поэтому при оценке свойств мгновенного деформирования глинистых грунтов при простом сдвиге (в данном их начальном состоянии) следует руководствоваться первым линейным участком, где структурные деформации еще не оказали заметного влияния на состояние грунта.
Модуль мгновенной деформации сдвига для первого участка деформирования G0,1 рассматриваемого в примере грунта, определена из следующего соотношения:

где а — высота зоны сдвига (в мм); As0 — деформация сдвига (в мм). Величина структурной прочности мгновенной деформации сдвига тstr=0,017 МПа.
Качественно аналогичные результаты, изложенные в упомянутой выше работе автора книги, были получены при испытании образцов на приборах одноплоскостного среза. Однако из-за известных недостатков этих приборов модули G0 не могли быть достаточно точно определены. Эти эксперименты позволили установить независимость деформации сдвига от толщины испытанных образцов A = 15 и 35 мм и вследствие этого равенство зон их сдвига, а также заключить, что высота зоны их сдвига находится в пределах а < 15 мм.
Влияние состояния грунта на зависимость х—y0 и G0. В условиях сложного напряженно-деформированного состояния деформации уплотнения и сдвига протекают одновременно, оказывая друг на друга значительное влияние. Деформация уплотнения, вызванная действием уплотняющей нагрузки oz, приводит к изменению состояния грунта, которое оказывает существенное влияние на деформации формоизменения (сдвига). Деформация сдвига, в свою очередь, вызывает дополнительную как положительную (уплотнение), так и отрицательную (разуплотнение, набухание) объемную деформацию, называемую дилатансией. Эта деформация не превышает 0,1 мм поэтому обычно ею пренебрегают.

Для определения т—у0 и G0 с учетом изменяемости состояния грунта серии образцов-близнецов испытывают на сдвиг после предварительного уплотнения различными, равными для каждой серии уплотняющими нагрузками. По полученным данным для каждого состояния грунта строят кривую т—у0 и определяют модули G0. Например, из испытания образцов при oz = 0,1; 0,2 и 0,4 MПa (рассмотренного в приведенном выше примере грунта) для G0 соответственно получены величины: 38,5; 62,5 и 93,5 МПа, тstr = 0,017; 0,032 и 0,081 МПа, которые свидетельствуют об очень большом влиянии состояния oz на свойство мгновенного деформирования. Это значит, что при исследовании закономерностей мгновенной деформации глинистых грунтов при сдвиге нельзя не считаться с этим важным фактором.
Изменяемость G0 в зависимости от oz можно представить в виде кривой G0-oz (рис. 113) и аппроксимировать соотношениями:

где G0,0 — модуль мгновенной деформации при чистом сдвиге (oz = 0); Gf, а и a1 — параметры, определяемые из опыта.
Когда известен закон изменяемости oz во времен и, G0(oz) можно выразить через t. Тогда (10.2) и (10.3) можно соответственно представить в виде:

Для рассматриваемого примера (см. рис. 113) кривая G0—oz, построенная по приведенным выше данным (сплошная линия), аппроксимирована (штриховая линия) следующим выражением (10.2):

Кривую G0=G0(oz) можно определить также испытанием одного образца путем последовательного приложения ступеней касательного и уплотняющего напряжений через определенные интервалы времени.
На рис. 114,а приведены результаты определения изменяемости мгновенной деформации сдвига и ее модуля, а на рис. 114,б график изменяемости касательного напряжения ступенями At = 0,01 МПа. На рис. 114,в приведены графики изменяемости мгновенной деформации одномерного сжатия и ее модуля Ec,0, а на рис. 114, г — рост нормального напряжения ступенями Aoz = 0,066 МПа.
Примечательным здесь является то, что при последовательном приложении к образцу ступеней касательного At и нормального Aoz напряжений кривые Ec,0—oz и G0—oz являются в достаточной степени подобными, а отношение Ec,0/G0 — практически постоянной величиной

Характер изменяемости Ec,0(oz) и G0(oz) зависит от начального состояния грунта, величины ступени касательного напряжения, нормального напряжения и скоростей (интервала) их приложения.