Файл: Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд..pdf

В результате сопоставлений установлено, что измеренные величи­ ны напряжений на различных горизонтах промежуточного слоя при разных размерах штампов (50, 75 и 100 мм), так же как и напряжения в верхнем слое модели, близки к вычисленным в соответствии с реше­ нием плоской смешанной задачи.

Одновременно с этими опытами, проводившимися Ленинградским филиалом Союздорнии совместно с 'ЛИИЖТом, были поставлены аналогичные опыты с использованием поляризационно-онтического метода в Центральной лаборатории дорог и мостов Франции |74].

На рис. 11.53 приведены результаты сопоставления измеренных вертикальных напряжений в упругом основании вблизи его контакта с промежуточным зернистым слоем с решением плоской смешанной задачи [49 , 50]. Из сопоставления следует, что вычисленные величины напряжений близки к величинам, измеренным П. Данту [74]. Таким образом, решение смешанной задачи получило экспериментальное подтверждение при сравнении теоретических и измеренных величин напряженийъ верхних монолитных и промежуточных зернистых слоях плоских моделей.

Для сопоставления решения смешанной задачи с результатами испытания комбинированной системы, зернистый слой которой пред­ ставлен реальным дорожно-строительным материалом, были постав­ лены опыты по измерению напряжений в основании пространственной модели дорожной одежды при осесимметричном нагружении [52].

Модель была изготовлена в открытой сверху металлической форме размером 50 X 50 X 50 см. В основание модели укладывался супес­ чаный грунт, обработанный небольшим количеством жидкого битума. На поверхность грунтового основания укладывали слой гранитного

55j3mm ;/ \в X

132

Таким образом, расчетная схема смешанной задачи получила под­ тверждение при испытании как плоской, так и трехмерной модели дорожной одежды с промежуточным зернистым слоем.

2R

1\

Т

Рис. 11.54. Напряжения в грунтовом основании модели при нагружении штам­ пами различного диаметра:

133

Необходимо было выяснить, как влияет изменение условий работы зернистого материала на характеристики его распределяющей способ­ ности. С этой целью проведены испытания двухслойной системы ще­ бень — грунт с установкой гибких штампов различного диаметра не­ посредственно на поверхность щебеночного слоя. Оказалось, что и в этом случае измеренные напряжения близки к вычисленным по ре­ шению осесимметричной смешанной задачи для соответствующих ус­ ловий. Однако коэффициент распределяющей способности щебня при этом снизился приблизительно в 1,5 раза.

Таким образом, опыты показали, что распределяющая способ­ ность зернистых материалов существенно зависит от условий работы их в дорожной одежде. При наличии верхнего слоя, способного ра­ ботать на изгиб, значительно повышается распределяющая способ­ ность расположенного под ним зернистого материала промежуточного слоя.

§ 11.15. Влияние дилатансии зернистых материалов на прочность и распределяющую способность слоя

Из изложенного следует, что зернистым материалам присущи не­ которые особенности, объяснить которые с точки зрения механики сплошной среды не представляется возможным. Указанные особен­ ности, однако, легко объяснить, если рассматривать зернистые мате­ риалы как дискретную среду на основе одного особого их свойства, отличающего зернистые совокупности от твердых тел и жидкостей. Это свойство открыто в 1885 г. английским физиком О. Рейнольдсом

[84]и названо им «дилатансией» (расширяемостью).

О.Рейнольде, рассматривая зернистую среду, состоящую из аб­ солютно твердых частиц, исходил из того очевидного факта, что поло­

жение каждой внутренней частицы является вполне определенным в данный момент, если фиксировано положение окружающих частиц. Отсюда следует, что внутреннее зерно не может изменить своего поло­ жения путем прохождения между соприкасающимися с ним соседними зернами, не вызывая «возмущения». Поэтому любое искажение гра­ ниц среды при деформировании будет влиять на плотность последней. Это влияние будет зависеть от расположения (упаковки) зерен. Если

Таким образом, следуя О. Рейнольдсу, дилатансией зернистого материала можно назвать изменение его объема при изменении формы совокупности частиц, причем изменение объема может быть вызвано не только нормальными напряжениями, цо и простым сдвигом.

В современных дорожных одеждах усовершенствованного типа слабосвязные зернистые материалы укладываются в промежуточные слои одежды и сверху прикрыты монолитными слоями покрытия. В этих суловиях эффект Рейнольдса особенно сильно сказывается на напряженно-деформированном состоянии зернистого материала, по­ скольку увеличивающийся в объеме в процессе сдвига материал дол-

134

жен преодолеть не только вес вышележащих слоев одежды, но и со­ противление их изгибу [22,43]. Нужно при этом учитывать, что в зоне, где в слое зернистого материала возникают критические сдвигающие напряжения — непосредственно примыкающей к площади, нагружен­ ной колесом автомобиля, — сопротивление изгибу монолитных слоев покрытия может достигать весьма значительной величины.

С целью изучения особенностей изменения объема зернистых мате­ риалов при сдвиге в Ленинградском филиале Союздорнии были по­ ставлены опыты на приборе плоского среза ВСВ-25 (Гидропроект). В качестве зернистых материалов были использованы свинцовая и чугунная дробь, стальные шарики, а также пески различного грануло­ метрического состава [52].

Первую серию опытов проводили при вертикальной нагрузке, остававшейся постоянной в течение всего эксперимента, но высота образца при этом в процессе сдвига могла свободно увеличиваться. Опыты показали, что при наступлении сдвига наблюдается увеличе­ ние высоты образца на величину, зависящую от гранулометрического состава материала, его первоначальной плотности, формы зерен и т. д., но вполне определенную для данного образца.

Во второй серии опытов возможность увеличения высоты образца ограничивали пружинами различной жесткости и, таким образом, каждый опыт производился при переменном вертикальном давлении на образец.

Опытами выявлено, что при ограничении возможности изменения объема образца срез происходит при величине сдвигающего напряже­ ния значительно большего, чем сдвигающее напряжение в условиях свободного изменения объема. Увеличение жесткости ограничитель­ ных пружин приводит к увеличению сопротивления сдвигу мате­ риала.

Эксперименты показали, что независимо от того, ограничивалась возможность увеличения объема образца или нет, в момент среза отно­ шение сдвигающего усилия к нормальному в большинстве случаев достигает величины, приблизительно равной коэффициенту внутрен­ него трения данного материала. Вместе с тем абсолютное значение максимального сдвигающего напряжения при данной начальной сжи­ мающей нагрузке значительно больше в случае ограничения возмож­ ности увеличения объема, чем при отсутствии этого ограничения.

Помимо Ленинградского филиала Союздорнии, такие опыты про­ водились и другими исследовательскими организациями как на при­ борах плоского среза, так и на приборах трехосного сжатия [92, 93].

деформации е х показан схематически на рис. 11.55 для плотного, рых­ лого песка и для песка средней плотности.

Как видно, переустройство структуры рыхлого песка сопровож­ дается общим уменьшением его объема, лишь после чего дальнейшая деформация образца происходит с увеличением объема, причем перво­ начальная плотность очень рыхлого песка может и не достигаться к окон­ чанию опыта. Напротив, плотный песок почти сразу начинает увели-

135

(т. е. под центром нагруженной площади) величины вертикальных нор­ мальных напряжений превышают значения горизонтальных гораздо бо­ лее чем в 3 раза [41]. Из этого следует, что зернистые материалы не могут деформироваться без тенденции к расширяемости.

Как следует из результатов опытов, проведенных в Ленфилиале Союздорнии, а также данных, полученных другими исследователями, сопротивление сдвигу существенно зависит от расширяемости мате­ риала, поскольку значительная часть сдвигающего напряжения, дей­ ствующего в плоскости сдвига, затрачивается на преодоление допол­ нительных сил сопротивления сдвигу, обусловленных возрастающими нормальными к этой плоскости напряжениями.

Поэтому в последние годы в механике грунтов были предприняты попытки разработки условия прочности зернистых материалов с уче­

наиболее обоснованных теорий была предложена П. Роу, стремив­ шимся усовершенствовать условие Кулона — Мора таким образом, чтобы оно было применимо к зернистым материалам.

Теория П. Роу, предложенная в 1962—1964 гг. [87] и развиваемая в настоящее время М. Хорном [77], устанавливает связь между на­ пряжениями и деформациями зернистой среды на основе рассмотрения межчастичного скольжения.

Воспользовавшись принципом минимальной работы, П. Роу полу­ чил для случайной (хаотической) упаковки зернистого материала сле­ дующее условие прочности:

136