Новые взгляды на историю предварительного сдвига в зернистых почвах

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4576 (2023) Цитировать эту статью

1171 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

При проектировании глубоких отвалов карьеров обычно необходимы сведения о сопротивлении грунтов разжижению при землетрясениях. Это сопротивление зависит не только от начального напряжения, начальной плотности и амплитуды циклического нагружения, но и от предварительного сдвига, то есть пути девиаторного напряжения, приложенного к грунту перед циклическим нагружением. Чтобы изучить влияние предварительного сдвига на последующее поведение грунта, представлен набор трехосных испытаний с комбинацией циклов недренированного предварительного сдвига и дренированных напряжений с использованием двух методов подготовки проб. Показано, что основное влияние на накопление деформации при циклическом нагружении оказывают предварительный сдвиг, а также способ подготовки. Моделирование экспериментов с четырьмя усовершенствованными конститутивными моделями показывает, что ни долгосрочный эффект предварительной стрижки, ни метод подготовки не могут быть адекватно отражены всеми моделями. Этот недостаток конститутивных моделей может привести к небезопасным проектам из-за завышенной оценки циклической устойчивости к разжижению и недооценки долгосрочных осадок.

Оценка устойчивости склонов и долговременной осадки относятся к наиболее сложным аспектам проектирования откосов для карьеров по добыче бурого угля. Особенно это касается глубоких шахт, таких как Гамбах (Германия), где рыхло отваленные зернистые слои могут достигать глубины 400 м и предполагается рекультивация территории после добычи бурого угля, см. рис. 1. Для предотвращения катастрофических событий При проектировании откосов необходимы сведения о сопротивлении грунта разжижению при возможных землетрясениях. Но даже если разжижение не произойдет, чрезмерное скопление осадков из-за циклической и/или квазистатической нагрузки во время и после затопления грунтовыми водами может поставить под угрозу процессы рекультивации. Следует отметить, что землетрясение (недренированный сдвиг) может представлять собой предсдвиг очередного сейсмического воздействия. Поэтому адекватные прогнозы разжижения и накопления напряжений и деформаций при циклическом нагружении, включая влияние плотности и метода осаждения на поведение грунта, имеют важное значение.

Вид на сторону добычи буроугольного карьера Хамбах (левая сторона) площадью 85 км\(^2\) и глубиной 400 м, созданная угольным экскаватором и свалкой (правая сторона)1.

Что касается разжижения, то за последние десятилетия широко изучалось влияние плотности, напряжения консолидации, а также амплитуды циклического нагружения. В целом, недренированные трехосные испытания образцов, консолидированных в изотропном направлении, показывают, что плотным образцам требуется больше циклов приложенной нагрузки для достижения разжижения, чем рыхлым. Однако это неверно, когда направления предварительного и последующего нагружения различаются.

Используя недренированные трехосные испытания, Исихара и Окада2 изучили влияние истории нагружения (предварительная нагрузка) на сопротивление разжижению песка реки Фудзи. Они интерпретировали предварительную нагрузку как предварительное сжатие или предварительный сдвиг. В случае предварительного сжатия грунт испытывал изотропное напряжение сжатия, большее, чем в начале последующего сдвига. В случае предварительного сдвига грунт перед последующим нагружением испытывал заданное девиаторное напряжение. Увеличивая соотношение напряжений от оси изотропных напряжений во время предварительного сдвига, они наблюдали тенденцию образца к сжатию, в то время как развивались относительно небольшие деформации сдвига. В дренированных условиях сжатие приводит к увеличению объемной деформации, а при недренированном сдвиге — к увеличению избыточного давления поровой воды. Дальнейшее увеличение коэффициента напряжений, напротив, привело к расширению и гораздо большим деформациям сдвига. В дренированных или недренированных условиях расширение приводит к уменьшению объемной деформации или избыточного давления поровой воды (увеличению среднего эффективного напряжения) соответственно. В книге 2, а также в геотехнической литературе коэффициент напряжений, при котором поведение грунта меняется от сжатия к расширению, обозначается как линия фазового превращения (ЛФП). Соответственно, истории нагружения, достигающие коэффициентов напряжения, меньших, чем PTL, были названы малым предварительным сдвигом, тогда как истории, выходящие за пределы PTL, назывались большим предварительным сдвигом. На рис. 2 (оцифровано из 2) показано поведение песка реки Фудзи, подвергнутого сильному предварительному сдвигу с последующей циклической недренированной нагрузкой. После нескольких циклов с амплитудой девиаторного напряжения \(q^{{\text{ ampl }}}=0,4\) кг/см\(^2\) (первое нагружение) образец нагружался за пределы PTL (большой предварительный сдвиг) ) с девиаторным напряжением \(q\около 1,1\) кг/см\(^2\). Затем образовавшееся избыточное давление поровой воды рассеивалось открытием дренажа до восстановления начального изотропного эффективного напряжения (р = 1,0 кг/см\(^2\)) (реконсолидация). Наконец, образец подвергался недренируемым циклам девиаторного напряжения (второе нагружение) с той же амплитудой, что и при первом нагружении. Эксперимент показывает, что эффективное напряжение снижается быстрее с увеличением количества циклов нагружения для случая большого предварительного сдвига (второе нагружение), чем для случая без предварительного сдвига (первое нагружение). Несмотря на то, что коэффициент пустотности перед второй загрузкой (\(e=0,825\)) ниже, чем перед первой загрузкой (\(e=0,840\)) более плотное состояние, подвергнутое той же амплитуде нагрузки, разжижается легче. Таким образом, история нагружения (предварительная нагрузка) играет важную роль (иногда даже более значительную, чем плотность) в поведении материала и может значительно снизить его устойчивость к разжижению.