Dilatație

Dilatanța  este creșterea în volum a materialelor granulare dens ambalate atunci când sunt forfecate. [1] [2] Acest efect a fost descris pentru prima dată științific de Osborne Reynolds în 1885-1886. [3] [4]

Dilatarea este o caracteristică generală a solului (într-o măsură mai mare acest efect se observă în solurile nisipoase). Dilatația poate fi observată atunci când nisipul umed din jurul piciorului unei persoane care merge pe plajă pare a fi uscat. Deformarea cauzată de piciorul unei persoane extinde nisipul de dedesubt, iar apa din nisip se mișcă pentru a umple noul spațiu dintre particule.

Partea opusă a acestui proces este o scădere a volumului sau contracția.

Caracteristica dilatanței este unghiul de dilatație, care variază de la 0 la 6-8 grade pentru diferite soluri.

Probleme de dilatație în geotehnică

Poate apărea dilatanța în timpul testelor cu matriță? Testele de ștampilă nu duc la schimbări, ci doar la o dependență liniară. Dependența liniară continuă până când încep umflăturile marginii de sub ștampilă. Dacă testele de ștampilă au fost testate înainte de eșec ( adică există o așezare, atunci a avut loc o defecțiune ), dacă au fost studiate dincolo de zonele de deformare liniară a solului sub ștampilă, atunci trebuie luată în considerare dilatanța. PLAXIS o are , ține cont în zonele de margine ale fundației, unde apar deplasări. În testele ștampilei în sine, acestea nu duc la eșec, deoarece este necesar doar modulul de deformare ( dependența liniară a sarcinii de tasare ).

În cazul unui zid de sprijin . La calcularea peretelui de sprijin, luăm în considerare frecarea solului pe peretele de sprijin, dar nu luăm în considerare dilatația. Deși apare dacă sânul este acoperit cu nisip foarte dens.

Dilatație la așezarea geogrilelor, armarea solului. Acolo, terasamentul se compactează destul de bine cu role, prin turnarea apei, iar în interior există o țesătură (sau plasă) care funcționează doar datorită frecării materialului pe sol. Acolo este posibil să se evalueze dilatanța, deoarece oferă o capacitate portantă suplimentară. În loc de 5 rânduri de armătură, se pot face 4 pentru a economisi bani, cu toate acestea, niciunul dintre standardele rusești pentru terasamentele armate nu ține cont de dilatația.

Controlul tendinței volumului . Dacă raportul golurilor este mare (sol afânat), golurile din cadrul solului tind să minimizeze subîncărcarea - particulele sunt comprimate. Situația opusă, adică atunci când raportul golurilor este relativ scăzut (sol dens), indică faptul că volumul solului este vulnerabil la expansiune sub sarcină - particulele se extind (dilatani). [5] .

Se va ține cont de dilatanța la reconstrucție atunci când încărcările pe fundație cresc? Nu, deoarece nu există schimburi cu sarcina crescândă. Dacă a existat o schimbare, ridicarea solului este deja o urgență și o pierdere a capacității portante. Nu există timp pentru calculele de dilatație. Când în zona de influență (săpăm o groapă de fundație, ei stau în jurul casei, peretele de palplanse a deviat cu 5-10 cm, au început schimburile, a început un jgheab de tasare) în aceste zone, dilatanța poate fi luate în considerare prin evaluarea stabilității peretelui de palplanșe (din moment ce există schimburi), și nu la fundația clădirii vecine. Luăm în considerare dilatanța acolo unde există pante, pante (armate cu palplanșe și altele), piloți .

Reducerea presiunii porilor în timpul dilatației . Conform exemplului [6] , erau două pere umplute cu apă. Se poate observa că presiunile lor hidrostatice sunt aceleași. Mai departe în 1, para se umple complet cu apă și se apasă pe ea, iar apa urcă. Am dat o presiune suplimentară la creșterea presiunii din lichid, apa a crescut, este logic. Dar intr-o para umpluta cu nisip, presam si presiunea scade brusc! De ce se întâmplă asta? Acest fenomen descrie unul dintre factorii de dilatație. În a doua peră, particulele sunt rearanjate, nu călăriți una pe alta. Ca urmare: porii au fost la început mici, apoi au devenit mari. Nisipul, la rearanjarea particulelor, a absorbit excesul de apă. Nisipul era tare și liber. Adică presiunea din lichid nu a crescut, ci mai degrabă a scăzut. Acest fenomen poate fi observat adesea pe plajă. Când pășim, există o mișcare de nisip sub talpa piciorului. Iar nisipul se schimbă de la o stare densă la o stare liberă. Porozitatea crește, iar excesul de apă intră în acești pori. Ca urmare, vedem o pistă mai uscată în locurile de piste (în comparație cu solul din jur).

În practică, dilatanța poate fi utilizată atunci când se ține cont de capacitatea portantă a piloților de-a lungul suprafeței laterale . La introducerea piloților în nisip dens, apare o forfecare pură (trecem printr-un strat de nisip), apar tensiuni normale suplimentare din cauza dilatației la interfața beton/nisip dens. În calculele globale, geomasive, unde apar întotdeauna deformații prin forfecare, trebuie luată în considerare dilatanța. În multe modele de analiză a solului FEM, este necesar să se specifice unghiul de dilatație a solului.

Dilatanța pe graficele de stres (exemplu)

Nisipul dens se transformă brusc într-o stare liberă (vezi figura). Aderența în punctele A și B a crescut. Aici este punctul A, de parcă ar trebui să fie pe linie, dar a urcat. Ce ar fi putut cauza asta? Cu o oarecare forță. Există unele forțe suplimentare care, parcă, comprimă solul.

Dispozitivul este un cărucior de jos (nivelul inferior de particule de nisip) și de sus un cărucior (nivelul superior de particule de nisip) încărcat cu solicitări normale. Adică, atunci când particulele încep să se rearanjeze, particulele mici nu se vor putea rearanja la fel de frumos ca în urme în nisip, deoarece există o sarcină grea pe cărucior de sus. Adică încearcă să se deplaseze în lateral (porozitatea crește), dar există presiune de sus. Ca rezultat, tensiunile la contactele dintre particule cresc brusc. Tensiunile normale din interiorul probei cresc brusc. Afară, nu se schimbă. Deoarece presiunea a fost normală, așa cum este, dar în interiorul eșantionului nostru, tensiunile au crescut. Datorită faptului că solul încearcă să se extindă din cauza dilatației. Și căruciorul nu o dă de sus și de jos, ca urmare, apar tensiuni interne nesocotite la limitele particulelor. La punctele A și B, are loc o cuplare nesocotită. În punctul C, presiunea este de așa natură încât a compensat complet această dilatație, dar nu și în punctele A și B.

Putem presupune că a existat un fel de presiune asupra acestor boabe, asupra acestui nisip. Prima presupunere este că este apă. Dar apa actioneaza conform legii lui Arhimede . Dacă apa noastră este toată liberă, gâlgâind acolo în pori, ar trebui, dimpotrivă, să cântărească și să reducă stresul (aceasta este legea lui Arhimede). Ar trebui, dimpotrivă, să cântărească - să reducă tensiunea. Ei bine, aici ea nu cântărește. Atunci ce a cauzat abaterea? Presupunerea apare imediat - din cauza presiunii capilare. În capilarele noastre, apa se ridică la înălțimea creșterii capilare.

Presiunea capilară este citită aproximativ ca greutatea specifică a apei pe înălțimea de creștere γh. Datorită acestei presiuni, stresul apare în punctele A și B. În punctul C, tensiunea normală este mult mai mare și presiunea capilară în sine se prăbușește, nu poate compensa solicitările de forfecare. Prin urmare, la punctul C, se dovedește că graficele au coincis. Din cauza forțelor tensiunii superficiale, apa încearcă să se ridice de-a lungul marginii și apare un menisc și apar forțe care încearcă să arunce această apă în sus (de fapt, presiunea porilor). Presiunea porilor poate fi pozitivă (gravitatea specifică a apei pe înălțimea coloanei de apă, de fapt, presiunea porilor este egală cu presiunea hidrostatică).

În sol, există o creștere a presiunii în pori, atunci când presiunea din pori este mai mare decât presiunea hidrostatică. Și din cauza forțelor capilare, avem o presiune în pori, care este, parcă, negativă, este deasupra nivelului orizontului apei libere. Apa capilară pare să fie apă gravitațională liberă, puternic legată, slab legată. Apa legată lejer se desprinde uneori de particulele de sol, uneori se lipește. Dar apa capilară este apă gravitațională liberă, dar legea lui Arhimede (care este interesantă) nu funcționează în ea. Teoretic, dacă luăm în calcul un fel de tub de sticlă, manualele scriu uneori „apa în soluri nisipoase lutoase se ridică la 5 m”.

Exemplu La descărcarea unei gropi, au încercat să ia în considerare presiunea capilară cu stabilitatea pantei. Au săpat o groapă. La început, datorită aderenței aparente, versanții au stat vertical. Întrebarea este cât timp poate rezista până când apa se usucă, în timp ce forțele de coeziune capilară acționează. Cu toate acestea, panta se usucă neuniform, așa că au existat erori semnificative în calcul. Relația dintre forfecarea și tensiunile normale este așa (unde sunt punctele ABC). Cu cât solul este mai dens, cu atât aderența este mai mare. În punctele A și B, densitatea sa schimbat brusc.

Dispozitive pentru măsurarea dilatației

Există dispozitive speciale care măsoară mișcarea căruciorului superior în timpul forfecării (schimbarea merge uniform). Acest lucru nu este măsurat pe un dispozitiv de forfecare convențional, ci pe un dispozitiv în care forfecarea este rotațională. Adică ștampila este instalată și se rotește în jurul axei sale. Ca urmare, această tijă (ștampilă) se ridică (poate fi destul de sus). Totul depinde de densitatea solului. Dacă nisipul este liber (are atât de mulți pori), atunci aceste tensiuni sunt compensate. Doar că nisipul este compactat și atât. Dacă nisipul are o densitate medie, dilatația nu apare. Cum s-a mișcat, așa s-a mișcat. Acest lucru este tipic pentru nisipurile cu densitate peste medie.

Limită de dilatație

După forfecare intensă, materialele în expansiune ating o stare de densitate critică la care se termină dilatanța. Acest fenomen de comportament al solului poate fi încorporat în modelul Solului întărit prin limitarea dilatației. Pentru a specifica acest comportament, raportul golurilor inițiale și raportul golurilor maxime ale materialului trebuie introduse ca parametri generali. Imediat ce modificarea volumului duce la o stare de vid maxim, unghiul de dilatație mobilizat revine automat la zero. [7]

Note

1. ↑ Nedderman, R.M. Statica și cinematica materialelor granulare. — 1 pbk imprimat digital. versiune. - Cambridge, Marea Britanie: Cambridge University Press, 2005. - ISBN 0-521-01907-9 .
2. ↑ Pouliquen, Bruno Andreotti, Yoël Forterre, Olivier. Medii granulare: între fluid și solid. - Cambridge : Cambridge University Press, 2013. - ISBN 9781107034792 .
3. ↑ Reynolds, Osborne (decembrie 1885). „LVII. Despre dilatanța mediilor compuse din particule rigide în contact, cu ilustrații experimentale”. Reviste filozofice Seria 5 . 20 (127): 469-481. DOI : 10.1080/14786448508627791 .
4. ↑ Reynolds, O., „Experimente care arată dilatarea, o proprietate a materialului granular, posibil legată de gravitație” Proc. Instituția Regală a Marii Britanii, Read, 12 februarie 1886.
5. ↑ Bolton, M.D. (1986). Rezistența și dilatarea nisipurilor. Geotechnique, 36(1), 65-78. doi:10.1680/geot.1986.36.1.65
6. ↑ Dilatație. Universitatea din Aachen, Universitatea RWTH Aachen pe YouTube
7. ↑ PLAXIS 2D CE V20.02: 3 - Manual de modele de materiale.pdf pagina 78