Закономерности ползучести при простом сдвиге

Ползучесть глинистых грунтов, являющаяся прямым продолжением мгновенной деформации уо, представляется в виде кривой yt—t. Кривые ползучести yt—t данного начального состояния грунта, определенные при различных значениях постоянного касательного напряжения т (постоянного относительного касательного напряжения или уровня касательного напряжения x/xf,st), объединяют в одно семейство (см. рис. 111). Из аппроксимации последнего получают выражения зависимости т—yt—t или т/тf,st—yt—t (уравнение состояния) применительно к различным теориям ползучести (7.5)—(7.8).
В приведенном на рис. 111 примере семейство кривых ползучести рассмотренной выше глины 9—63 получено испытанием серии образцов-близнецов на приборах кручения кольцевых образцов НИС Гидропроекта. В левой части рис. 111 построены кривые yt—т/тf,st для трех различных моментов времени. Все испытанные на сдвиг образцы подвергнуты предварительному уплотнению под действием oz=0,3 МПа, а затем разгружены до oz=0,2 МПа и выдержаны под этой нагрузкой около месяца — до полной стабилизации деформаций. Сдвиговая ползучесть исследована при пяти различных уровнях касательного напряжения (крутящего момента): т/тf,sf=0,1; 0,3; 0,5; 0,7 и 0,9. Опыты выполнены с двукратной повторностью на образцах нарушенного сложения под водой.
Касательные напряжения (крутящие моменты) приложены к образцу в режиме определения стандартного сопротивления сдвигу тf,st=0,104 МПа. Деформации сдвига, как обычно, замерены на наружной окружности кольцевого образца.
Приведенное на рис. 111 семейство кривых ползучести является типичным практически для всех разновидностей глинистых грунтов нарушенного и природного сложения, за исключением очень слабых с IL > 1 и е > 1,5.
Результаты опытов показывают, что при небольших уровнях касательного напряжения (т/тf,st = 0,1 ... 0,4) деформации сдвига полностью протекают в стадии затухающей ползучести. Начиная с некоторого определенного времени эти деформации практически полностью стабилизируются, точнее их скорость становится настолько незначительной, что не поддается фиксации. При относительно высоких уровнях касательного напряжения: т/тf,st = 0,5; 0,7 и 0,9 деформации вначале протекают в стадии затухающей ползучести, а затем переходят в стадию течения. Длительность стадии затухающей ползучести доходит до нескольких десятков дней и больше, а ее доля составляет более 60% полной деформации ползучести. Иначе говоря, эта стадия ползучести имеет весомое значение для деформаций ползучести в целом и поэтому с этой стадией нельзя не считаться (за исключением очень слабых грунтов). Следовательно, нельзя глинистые грунты отнести ни к телу Максвелла (Тан Тьенг-ки), ни к телу Шведова—Бингама.
Рассмотрение кривых т—yt (см. рис. 111) показывает, что они (как и кривые т—у0 и ect—o1) хорошо аппроксимируются билинейной диаграммой, точка перелома которой, как было сказано выше, характеризует структурную прочность грунта при сдвиге Tstr. Автором книги было показано, что структурная прочность глинистых грунтов при сдвиге практически не зависит от длительности опыта и колеблется в пределах 0,4 < тstr/тf,st < 0,55, т. е. он примерно равен половине стандартного сопротивления сдвигу. Было установлено, а также подтверждено в дальнейшем большим количеством экспериментов, что тstr является пределом перехода деформаций из области затухающей ползучести в область незатухающей ползучести, переходящей в течение, и практически совпадает с первым предельным напряжением сдвига (тlim(1) = тур) Тем самым было подтверждено и высказанное ранее К. Терцаги и Р. Пеком мнение о том, что «как только касательные напряжения в глине становятся больше половины пикового значения, глина, по-видимому, может ползти при постоянной сдвигающей силе. Другими словами, кривая yt—t приближается к наклонной, а не к горизонтальной асимптоте».

Небезынтересно отметить, что аппроксимация зависимости Vt—т билинейной диаграммой впервые выполнена И. Гезом и Тан Тьенг-ки в 1953 г. По причине небольшой продолжительности опытов (48 ч) течение грунта было «обнаружено» в первой области деформирования и для предельного напряжения сдвига были получены явно заниженные значения: 0,002—0,01 МПа.
Для аппроксимации семейства кривых ползучести простого сдвига (см. рис. 111), оно на основании рис. 15 и выражения (7.2) представлено в виде двух семейств — семейств кривых затухающей ползучести ydt—t (рис. 115,а) и кривых течения yvt—t (рис. 115,б). Первое из этих семейств состоит из пяти, a второе — из трех кривых ползучести, так как течение грунта проявляется при трех уровнях касательного напряжения: т/тf,st = 0,5; 0,7 и 0,9.
В рассматриваемом случае зависимость ydt—t подчиняется нелинейному, a yvt—t — линейному закону, поэтому семейство кривых ползучести (см. рис. 111) следует аппроксимировать соотношениями видов (7.13) и (7.14), выраженных через величину уровня касательного напряжения:

Входящую в (10.6) и (10.7) меру затухающей ползучести wd(t) представляют выражениями (7.9) и (7.10), а функцию уровня касательного напряжения f(т/тf,st) — соотношениями видов (6.26) — (6.29). Методы определения wd(t) и f(т/тf,st) подробно рассмотрены при изложении аппроксимации кривых затухающей ползучести одномерного уплотнения грунтов. На рис. 115,а приведены результаты аппроксимации семейства экспериментальных кривых без учета (штриховые линии) и с учетом (штрих-пунктир) их неподобия.
Входящий во второй член правой части выражения (10.6) Kyv,0, который представляет собой скорость течения при т/тf,st—тур/тf,st = 1 при условии ydt = 0, определяется из следующего соотношения:

где туp/тf,st — определяемый из опыта уровень предельного напряжения сдвига, который для рассматриваемого примера тур/тf,st = 0,4 (см. рис. 115,б); yvt — деформация течения в момент времени t при данном уровне касательного напряжения т/тf,st = const.
Например, если в нашем примере рассмотреть экспериментальную кривую при т/тf,st = 0,5 (см. рис. 115,б), то для t = 42 дня имеем умt = 0,0036. Тогда для Кyv,0 из (10,8) получим:

В силу того, что в нашем примере зависимость yvt—т/тf,st (см. рис. 115,б) не строго линейная, то при использовании (для определения Kyv,0) других экспериментальных кривых получили бы для нее различные значения. Чтобы аппроксимировать все семейство кривых течения определено среднее значение Kyv,0 = 0,000675 1/день, а по выражению (10.6) при условии уdt = 0 построены кривые, которые на рис. 115,б показаны штриховыми линиями.
Чтобы определить величину Kyv,0 можно также по экспериментальным кривым течения получить скорости течения, построить реологическую кривую т—уtv (рис. 116) и по ней вычислить коэффициент вязкости nv и Kyv. Например, в рассматриваемом примере скорость течения при т/тf,st = 0,5, которая соответствует т1 = 0,052 МПа, имеет вид:

где 86 400 — коэффициент перехода от 1/день к 1/с.
Коэффициент вязкости деформации течения nv для участка касательных напряжений 0,052—0,071 МПа согласно (7.3) определяем из следующего соотношения:

Имея в виду, что Kyv = yvt/t равна скорости течения грунта при т—тyp = 1, из (10.6) и (10.7) с учетом этого условия и условия уdt = 0 получим величину Kyv,0:

которая мало отличается от Kyv,0 = 0,000675, определенной по выражению (10.8) с использованием всех трех экспериментальных кривых течения (рис. 115,б).

В рассматриваемом случае первое предельное напряжение сдвига (уровень предельного напряжения сдвига) было определено по отрезку, отсеченному на оси абсцисс прямыми т/тf,st—yvt (см. рис. 115,б) и x/xf,st — vyv (см. рис. 116). Величину тур (или тур/тf,st), порог ползучести, по Н.Н. Маслову, или порог установившейся ползучести (течения), по С.Р. Месчяну, можно определить также по выражению (9.14) при Ew=0. В этом случае, согласно Н.Н. Маслову, при длительном действии касательного напряжения

наступает процесс медленного течения грунта.
В заключение отметим, что деформации сдвиговой ползучести, как и мгновенные деформации, существенным образом обусловлены состоянием грунта — его изменяемостью под действием уплотняющих давлений.