Dilatans

Dilatans  är volymökningen i tätt packade granulära material när de klipps. [1] [2] Denna effekt beskrevs först vetenskapligt av Osborne Reynolds 1885-1886. [3] [4]

Dilatans är en allmän markegenskap (i större utsträckning observeras denna effekt i sandjordar). Dilatans kan observeras när den våta sanden runt foten på en person som går på stranden verkar vara torr. Deformationen som orsakas av en persons fot expanderar sanden under, och vattnet i sanden rör sig för att fylla det nya utrymmet mellan partiklarna.

Den motsatta sidan av denna process är en minskning i volym, eller kontraktion.

Utvidgningskarakteristiken är utvidgningsvinkeln, som varierar från 0 till 6-8 grader för olika jordar.

Problem med dilatans inom geoteknik

Kan dilatans uppträda under matristest? Stämpeltest leder inte till förskjutningar, bara ett linjärt beroende. Det linjära beroendet går tills kanten buktar under stämpeln börjar. Om stämpeltesterna testades före fel ( det vill säga det finns en uppgörelse, då inträffade fel ), om de studerades utanför zonerna med linjär deformation av jorden under stämpeln, bör dilatans beaktas. PLAXIS har det, det tar hänsyn till i fundamentets kantzoner, där förskjutningar uppstår. I själva stämpeltesterna leder de inte till fel, eftersom endast deformationsmodulen behövs ( linjärt belastningsberoende på sättning ).

Vid stödmur . Vid beräkning av stödmuren tar vi hänsyn till friktionen av jorden på stödmuren, men tar inte hänsyn till dilatans. Även om det uppstår om barmen är täckt med mycket tät sand.

Dilatans vid utläggning av geonät, jordförstärkning. Där packas vallen ganska bra av rullar, genom att hälla vatten, och inuti finns ett tyg (eller nät) som bara fungerar på grund av materialets friktion på marken. Där är det möjligt att utvärdera dilatansen, eftersom det ger ytterligare bärighet. Istället för 5 armeringsrader kan 4 göras för att spara pengar, dock tar ingen av de ryska standarderna för förstärkta vallar hänsyn till dilatans.

Volym trendkontroll . Om hålrumsförhållandet är högt (lös jord) tenderar hålrummen i jordramen att minimera underbelastning - partiklarna komprimeras. Den motsatta situationen, det vill säga när hålrumsförhållandet är relativt lågt (tät jord), indikerar att jordvolymen är känslig för expansion under belastning - partiklarna expanderar (dilataner). [5] .

Kommer dilatans att beaktas vid rekonstruktionen när belastningarna på grunden ökar? Nej, då det inte sker några skift med ökande belastning. Om det har skett en förskjutning är markhöjningen redan en nödsituation och en förlust av bärighet. Det finns ingen tid för dilatansberäkningar. När man befinner sig i influenszonen (vi gräver en grundgrop, de står runt huset, spontväggen har avvikit 5-10 cm, förskjutningar har påbörjats, ett sättningstråg har börjat) i dessa zoner kan dilatans vara beaktas genom att bedöma spontväggens stabilitet (eftersom det är förskjutningar), och inte vid grunden angränsande byggnad. Vi tar hänsyn till dilatans där det finns sluttningar, sluttningar (förstärkta med spont och annat), pålar .

Portrycksminskning under dilatans . Enligt exempel [6] fanns det två päron fyllda med vatten. Det kan ses att deras hydrostatiska tryck är desamma. Längre in i 1 är päronet helt fyllt med vatten och de trycker på det, och vattnet stiger. Vi gav ytterligare tryck till trycket i vätskan ökade, vattnet steg, det är logiskt. Men i ett päron fyllt med sand pressar vi och trycket minskar kraftigt! Varför händer det här? Detta fenomen beskriver en av dilatansfaktorerna. I det andra päronet omarrangeras partiklarna, rider inte på varandra. Som ett resultat: porerna var först små, sedan blev de stora. Sanden absorberade överskottsvatten vid omarrangering av partiklarna. Sanden var hård och lös. Det vill säga att trycket i vätskan inte ökade, utan snarare minskade. Detta fenomen kan ofta ses på stranden. När vi kliver kommer det en förskjutning av sand under fotsulan. Och sanden ändras från ett tätt tillstånd till ett löst tillstånd. Porositeten ökar och överskott av vatten går in i dessa porer. Som ett resultat ser vi ett torrare spår på platser med spår (i jämförelse med den omgivande jorden).

I praktiken kan dilatans användas när man tar hänsyn till pålarnas bärförmåga längs sidoytan . När man slår pålar i tät sand sker en ren skjuvning (vi passerar genom ett lager av sand), ytterligare normala spänningar uppstår på grund av dilatans vid gränsytan betong/tät sand. I globala beräkningar, geomassifs, där skjuvdeformationer alltid förekommer, måste dilatans beaktas. I många FEM-jordanalysmodeller är det nödvändigt att specificera markens dilatansvinkel.

Dilatans på stressgrafer (exempel)

Tät sand förvandlas plötsligt till ett löst tillstånd (se figur). Greppet vid punkterna A och B har ökat. Här är punkt A, som om den skulle vara på linjen, men den gick upp. Vad kan ha orsakat detta? Med någon kraft. Det finns några ytterligare krafter som liksom pressar ihop jorden.

Anordningen är en vagn underifrån (nedre skiktet av sandpartiklar) och ovanifrån en vagn (övre skiktet av sandpartiklar) belastad med normal belastning. Det vill säga när partiklarna börjar ordnas om kommer små partiklar inte att kunna omarrangeras lika vackert som i spår i sanden, eftersom det är en hård belastning på vagnen uppifrån. Det vill säga, de försöker flytta åt sidan (porositeten ökar), men det finns ett tryck från ovan. Som ett resultat ökar spänningarna vid kontakterna mellan partiklarna kraftigt. De normala spänningarna inuti provet ökar kraftigt. Utanför förändras det inte. Eftersom trycket var normalt, som det är, men inuti vårt prov ökade spänningarna. På grund av att jorden försöker expandera på grund av dilatans. Och vagnen ger den inte uppifrån och under, som ett resultat uppstår oförklarade inre spänningar vid partikelgränserna. Vid punkterna A och B inträffar en oförklarad koppling. Vid punkt C är trycket sådant att det helt kompenserade för denna dilatans, men inte vid punkterna A och B.

Vi kan anta att det var någon form av tryck på dessa korn, på denna sand. Den första gissningen är att det är vatten. Men vatten agerar enligt Arkimedes lag . Om vårt vatten är helt fritt, gurglande där i porerna, borde det tvärtom väga och minska stress (detta är Arkimedes lag). Det ska tvärtom väga – minska spänningen. Nåväl, här väger hon inte. Vad orsakade då avvikelsen? Antagandet uppstår omedelbart - på grund av kapillärtrycket. I våra kapillärer stiger vattnet till höjden av kapillärstigningen.

Kapillärtrycket avläses grovt som den specifika vikten av vatten per stighöjd γh. På grund av detta tryck uppstår spänningar i punkterna A och B. I punkt C är normalspänningen mycket större och själva kapillärtrycket kollapsar, kan inte kompensera för skjuvspänningar. Därför, vid punkt C, visar det sig att graferna sammanföll. På grund av ytspänningskrafterna försöker vattnet stiga längs kanten och en menisk uppstår och krafter uppstår som försöker kasta upp detta vatten (i själva verket portryck). Portrycket kan vara positivt (den specifika vikten av vatten per vattenpelarhöjd, i själva verket är portrycket lika med det hydrostatiska trycket).

I jordar uppstår ett ökat portryck, när trycket i porerna är större än det hydrostatiska trycket. Och på grund av kapillärkrafter har vi ett portryck, som så att säga är negativt, det ligger över nivån för den fria vattenhorisonten. Kapillärvatten verkar vara fritt gravitationsvatten, starkt bundet, löst bundet. Löst bundet vatten bryter ibland loss från jordpartiklar, ibland fastnar. Men kapillärvatten är fritt gravitationsvatten, men Arkimedes lag (vilket är intressant) fungerar inte i det. Teoretiskt, om vi tar hänsyn till något slags glasrör, skriver läroböcker ibland "vatten i sandiga lerjordar stiger till 5 m."

Exempel Vid lossning av en grop försökte man ta hänsyn till kapillärtryck med sluttningsstabilitet. De grävde ett hål. Till en början, på grund av den skenbara vidhäftningen, stod sluttningarna vertikalt. Frågan är hur länge det kan stå tills vattnet torkar, medan kapillära sammanhållningskrafter verkar. Lutningen torkar dock ojämnt, så det blev betydande fel i beräkningen. Förhållandet mellan skjuv- och normalspänningar är så här (var är punkterna ABC). Ju tätare marken är, desto bättre grepp. Vid punkterna A och B ändrades plötsligt tätheten.

Apparater för att mäta dilatans

Det finns speciella anordningar som mäter den övre vagnens rörelse under skjuvning (växlingen går jämnt). Detta mäts inte på en konventionell klippanordning, utan på en anordning där klippningen är roterande. Det vill säga stämpeln är installerad och den roterar runt sin axel. Som ett resultat stiger denna stav (stämpeln) (den kan vara ganska hög). Allt beror på jordens densitet. Om sanden är lös (den har så många porer) så kompenseras dessa påfrestningar. Det är bara att sanden är packad och det är det. Om sanden har en medeldensitet uppstår inte dilatans. När han rörde sig, så rörde han sig. Detta är typiskt för sand över medeldensitet.

Dilatancy Cutoff

Efter intensiv skjuvning når expanderande material ett tillstånd av kritisk densitet där dilatansen slutar. Detta fenomen av jordbeteende kan inkorporeras i Hardening Soil-modellen genom dilatans-cutoff. För att specificera detta beteende måste det initiala tomrumsförhållandet och det maximala tomrumsförhållandet för materialet anges som allmänna parametrar. Så snart volymförändringen leder till ett tillstånd av maximal tomhet återgår den mobiliserade dilatansvinkeln automatiskt till noll. [7]

Anteckningar

1. ↑ Nedderman, R.M. Statik och kinematik för granulära material. — Digitaltryckt 1:a pbk. version. - Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press, 2005. - ISBN 0-521-01907-9 .
2. ↑ Pouliquen, Bruno Andreotti, Yoël Forterre, Olivier. Granulärt medium: mellan flytande och fast. - Cambridge : Cambridge University Press, 2013. - ISBN 9781107034792 .
3. ↑ Reynolds, Osborne (december 1885). "LVII. Om utvidgningen av media som består av stela partiklar i kontakt, med experimentella illustrationer”. Filosofisk tidskriftsserie 5 . 20 (127): 469-481. DOI : 10.1080/14786448508627791 .
4. ↑ Reynolds, O., "Experiment som visar dilatans, en egenskap hos granulärt material, möjligen kopplat till gravitation" Proc. Royal Institution of Great Britain, Read, 12 februari 1886.
5. ↑ Bolton, M.D. (1986). Styrkan och utvidgningen av sand. Geoteknik, 36(1), 65-78. doi:10.1680/geot.1986.36.1.65
6. ↑ Dilatans. University of Aachen, RWTH Aachen University på YouTube
7. ↑ PLAXIS 2D CE V20.02: 3 - Materialmodeller Manual.pdf sida 78