Дилатансия (гранулированный материал)

Типичные кривые разницы напряжений в зависимости от деформации в плотных песках.

В грунтов механике дилатансия или сдвиговая дилатансия. ^{[ 1 ]} — изменение объема, наблюдаемое в зернистых материалах , когда они подвергаются сдвиговой деформации . ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Этот эффект был впервые описан с научной точки зрения Осборном Рейнольдсом в 1885/1886 году. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} и также известен как дилатансия Рейнольдса . Его привнес в область геотехнической инженерии Питер Уолтер Роу. ^{[ из ]}. ^{[ 6 ]}

тенденцию В отличие от большинства других твердых материалов, уплотненный плотный зернистый материал имеет расширяться (расширяться в объеме) при сдвиге. Это происходит потому, что зерна в уплотненном состоянии сцеплены между собой и, следовательно, не имеют свободы перемещения друг вокруг друга. При напряжении между соседними зернами происходит рычажное движение, что приводит к объемному расширению материала. С другой стороны, когда гранулированный материал изначально находится в очень рыхлом состоянии, он может постоянно уплотняться, а не расширяться при сдвиге. Образец материала называется расширяющимся , если его объем увеличивается с увеличением сдвига, и сжимающим, если объем с увеличением сдвига уменьшается. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

Дилатансия — общая черта почв и песков . Его эффект можно увидеть, когда кажется, что мокрый песок вокруг ног человека, идущего по пляжу, высыхает. Деформация, вызванная ногой, расширяет песок под ней, и вода в песке перемещается, заполняя новое пространство между зернами.

Феномен

Явление дилатансии можно наблюдать при дренированном простом испытании на сдвиг образца плотного песка. На начальном этапе деформации объемная деформация уменьшается по мере увеличения деформации сдвига . Но когда напряжение приближается к своему пиковому значению, объемная деформация начинает увеличиваться. После еще некоторого сдвига образец почвы имеет больший объем, чем в начале испытания.

Величина расширения сильно зависит от исходной плотности почвы. Как правило, чем плотнее почва, тем больше объемное расширение при сдвиге. Также было замечено, что угол внутреннего трения уменьшается по мере эффективного нормального напряжения . уменьшения ^{[ 9 ]}

Взаимосвязь между расширением и внутренним трением обычно иллюстрируется пилообразной моделью расширения, где угол расширения аналогичен углу, образуемому зубцами по отношению к горизонтали. Такую модель можно использовать, чтобы сделать вывод, что наблюдаемый угол трения равен углу расширения плюс угол трения при нулевом расширении. ^{[ нужна ссылка ]}

Почему дилатансия важна?

Из-за дилатансии угол трения увеличивается по мере увеличения удержания, пока не достигнет максимального значения. После мобилизации пика прочности грунта угол трения резко уменьшается. В результате при геотехническом проектировании откосов, фундаментов, туннелей и свай в таких грунтах приходится учитывать потенциальное снижение прочности после того, как прочность грунта достигнет этого максимального значения.

Плохо/однородный ил со следами песка или песчаный, непластичный, может стать проблемой во время строительства, даже если он твердый. Эти материалы часто кажутся зернистыми, поскольку ил настолько крупный, что его можно охарактеризовать как плотный или очень плотный. Вертикальные раскопки ниже уровня грунтовых вод в этих типах почв демонстрируют кратковременную стабильность, как и многие отложения плотных песчаных почв, отчасти из-за всасывания матрицы. Однако, поскольку в активном клине происходит сдвиг грунта под действием сил тяжести, прочность теряется, а скорость разрушения увеличивается. Это может усугубляться гидростатическими силами, развивающимися в местах, где вода (стекает и собирается) в трещинах растяжения внутри или вблизи задней части активного клина. Обычно проявляется регрессивное отслаивание, часто сопровождающееся трубчатой/внутренней эрозией. Использование соответствующих фильтров имеет решающее значение для управления этими материалами; Предпочтительным фильтром может быть чистый гравий/крупнозернистый песок размера № 4 в качестве коммерческого заполнителя, который обычно легко доступен. Некоторые нетканые фильтрующие ткани также подходят. Как и для всех фильтров, следует проверить критерии совместимости D15 и D50.

Пресечение дилатансии

После обширного сдвига расширяющие материалы достигают состояния критической плотности, при котором дилатансия подошла к концу. Это явление поведения грунта можно включить в модель Hardening Soil посредством ограничения дилатансии. Чтобы задать такое поведение, начальный коэффициент пустотности, $e_{init}$ и максимальный коэффициент пустотности, $e_{max}$ , материала необходимо вводить как общие параметры. Как только изменение объема приводит к состоянию максимальной пустоты, угол мобилизованной дилатансии $\psi _{m}$ , автоматически обнуляется. ^{[ 10 ]}

См. также

Испытания на трехосный сдвиг
Реология μ(I) : одна модель реологии зернистого потока.

Ссылки

^ Тай, Брайан П. (апрель 2014 г.). «Сдвиговая дилатансия в маргинальных твердых телах». Гранулированная материя . 16 (2): 203–208. дои : 10.1007/s10035-013-0436-6 .
^ Неддерман, Р.М. (1992). Статика и кинематика сыпучих материалов . дои : 10.1017/CBO9780511600043 . ISBN 978-0-521-40435-8 . ^{[ нужна страница ]}
^ Андреотти, Бруно; Фортерре, Йоэль; Пуликен, Оливье (2013). Гранулированные среды: между жидкостью и твердой средой . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-03479-2 . ^{[ нужна страница ]}
^ Рейнольдс, Осборн (декабрь 1885 г.). «LVII. О дилатансии сред, состоящих из контактирующих твердых частиц. С экспериментальными иллюстрациями». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 20 (127): 469–481. дои : 10.1080/14786448508627791 .
^ Рейнольдс, Осборн (12 февраля 1886 г.). Эксперименты, показывающие дилатансию, свойство зернистого материала, возможно, связанное с гравитацией . Королевский институт Великобритании. Еженедельные вечерние встречи. OCLC 1440246508 .
^ Роу, PW (9 октября 1962 г.). «Зависимость напряжения-дилатансии для статического равновесия совокупности контактирующих частиц». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки . 269 (1339): 500–527. Бибкод : 1962RSPSA.269..500R . дои : 10.1098/rspa.1962.0193 .
^ Касагранде, А., Хиршфельд, Р.К., и Пулос, С.Дж. (1964). Отчет четвертый: Исследование напряженно-деформационных и прочностных характеристик уплотненных глин. ГАРВАРДСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, КЕМБРИДЖ, Массачусетс, ЛАБОРАТОРИЯ МЕХАНИКИ ПОЧВЫ.
^ Пулос, SJ (1971). Кривые растяжения грунтов. Компания инженеров-геотехников. Чикаго.
^ Хоулсби, GT (28 мая 1991 г.). Как дилатансия почв влияет на их поведение (PDF) . 10-я Европейская конференция по механике грунтов и фундаментостроению. Флоренция, Италия. Бибкод : 1991smfe.conf.....H .
^ PLAXIS 2D CE V20.02: 3 - Руководство по моделям материалов.pdf, стр. 78 ^{[ нужна полная цитата ]}

[1] Тай, Брайан П. (апрель 2014 г.). «Сдвиговая дилатансия в маргинальных твердых телах». Гранулированная материя . 16 (2): 203–208. дои : 10.1007/s10035-013-0436-6 .

[2] Неддерман, Р.М. (1992). Статика и кинематика сыпучих материалов . дои : 10.1017/CBO9780511600043 . ISBN 978-0-521-40435-8 . ^{[ нужна страница ]}

[3] Андреотти, Бруно; Фортерре, Йоэль; Пуликен, Оливье (2013). Гранулированные среды: между жидкостью и твердой средой . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-03479-2 . ^{[ нужна страница ]}

[4] Рейнольдс, Осборн (декабрь 1885 г.). «LVII. О дилатансии сред, состоящих из контактирующих твердых частиц. С экспериментальными иллюстрациями». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 20 (127): 469–481. дои : 10.1080/14786448508627791 .

[Reynolds1-5] Рейнольдс, Осборн (12 февраля 1886 г.). Эксперименты, показывающие дилатансию, свойство зернистого материала, возможно, связанное с гравитацией . Королевский институт Великобритании. Еженедельные вечерние встречи. OCLC 1440246508 .

[Rowe-6] Роу, PW (9 октября 1962 г.). «Зависимость напряжения-дилатансии для статического равновесия совокупности контактирующих частиц». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки . 269 (1339): 500–527. Бибкод : 1962RSPSA.269..500R . дои : 10.1098/rspa.1962.0193 .

[casa64-7] Касагранде, А., Хиршфельд, Р.К., и Пулос, С.Дж. (1964). Отчет четвертый: Исследование напряженно-деформационных и прочностных характеристик уплотненных глин. ГАРВАРДСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, КЕМБРИДЖ, Массачусетс, ЛАБОРАТОРИЯ МЕХАНИКИ ПОЧВЫ.

[poulos71-8] Пулос, SJ (1971). Кривые растяжения грунтов. Компания инженеров-геотехников. Чикаго.

[Houlsby-9] Хоулсби, GT (28 мая 1991 г.). Как дилатансия почв влияет на их поведение (PDF) . 10-я Европейская конференция по механике грунтов и фундаментостроению. Флоренция, Италия. Бибкод : 1991smfe.conf.....H .

[10] PLAXIS 2D CE V20.02: 3 - Руководство по моделям материалов.pdf, стр. 78 ^{[ нужна полная цитата ]}

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]