СПОСОБ ХРУСТАЛЕВА Е.Н. ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО ПРЕДЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СЖИМАЕМОЙ ШТАМПОМ МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЫ
E.N. CHRUSTALEV'S METHOD OF DETERMINATION OF AVERAGE LIMIT PRESSURE FOR MATERIAL MEDIUM COMPRESSED BY STAMP

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия», конкретно к способу определения несущей способности и устойчивости связной среды под нагрузкой от плоского жесткого штампа, соответствующей третьему фазовому напряженно-деформированному состоянию этой среды в нарушенном состоянии под действием предельного по прочности и устойчивости давления.
γ
q
c
Известен способ определения среднего предельного давления («второй критической нагрузки»)  по условию обеспечения общей устойчивости массива грунтовой упругопластичной материальной среды под плоским жестким штампом по зависимости В.В. Соколовского и В.Г. Березанцева общего вида  где N, N, N - коэффициенты несущей способности, зависящие от угла ϕ° внутреннего трения, C - удельного сцепления, γ - объемного веса среды, q - величины боковой пригрузки, B=d - ширины (диаметр) штампа [1].
Зависимость для  получена многими учеными для различных условий работы плоского штампа различной формы. Базой теоретических исследований явилось рассмотрение статического равновесия грунтовой среды в зонах сдвига и установление поверхностей скольжения первого и второго рода при формировании под штампом жесткого ядра уплотнения грунтовой среды по схеме Прандтля. Однако альтернативой схеме Прандтля ошибочно считается схема Хилла, и за предельное состояние грунтовой среды принимается момент достижения зон сдвигов под штампом его центра, когда ядро уплотнения под штампом не сформировано полностью.
Угол ϕ° и удельное сцепление в предлагаемых зависимостях приняты для структурированной среды, однако в предельном фазовом состоянии рассматриваемые параметры должны быть приняты уже для среды с нарушенной структурой.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения среднего предельного давления  для сжимаемой плоским жестким штампом связной материальной среды, заключающийся в установлении ее физико-механических характеристик: угла ϕ° внутреннего трения, С-удельного сцепления, γ - объемного веса, в расчете средней величины прикладываемого через жесткий плоский штамп к материальной среде давления , соответствующего моменту предельного фазового перехода деформируемой штампом материальной среды с характерными процессами резкого роста осадок, снижения прочности и возможной потерей устойчивости, рассмотрении схемы Хилла работы грунтовой среды как линейно-деформируемого полупространства, отличающийся тем, что для грунтового основания несущую способность в предельном фазовом состоянии определяют по среднему предельному давлению , где  - краевое предельное давление,  - предельное давление под центром штампа,  - краевое критическое давление [2].
В известном способе зависимости для определения предельного фазового давления ошибочно содержат физические параметры прочности деформируемой грунтовой материальной среды, находящейся в структурированном, а не в нарушенном в действительности по структуре предельном состоянии, в связи с чем они требуют значительного уточнения.
В известном способе определения предельного давления под штампом в дисперсных связных грунтах не учитывается часть предельного давления, распространенного за периметром штампа в лунке просадки среды, а именно закраевого давления.
Целью изобретения является повышение точности зависимостей определения предельного давления для грунтовой среды.
стр
стр
Технический результат по способу определения среднего предельного давления для сжимаемой штампом материальной среды, заключающемуся в определении физико-механических характеристик деформируемой штампом среды в структурированном состоянии: угла  внутреннего трения, С - удельного сцепления, γ - объемного веса и в нарушенном состоянии - по зависимости , определении гравитационного (бытового) давления на глубине исследования h по зависимости  для среды с нарушенной структурой, в расчете средней величины предельного давления , соответствующего моменту предельного фазового перехода деформируемой штампом материальной среды с характерными процессами резкого роста осадок, снижения прочности и возможной потерей устойчивости, рассмотрении схемы Хилла работы грунтовой среды как линейно-деформируемого полупространства, принятии средней величины атмосферного давления равной , достигается тем, что для грунтового массива в предельном фазовом нарушенном по структуре напряженно-деформированном состоянии с удельным сцеплением  и объемным весом  несущую способность определяют: под подошвой штампа по среднему предельному давлению , равному максимальному начальному (первому) критическому давлению ,  при краевом предельном давлении сжатия  под подошвой штампа, равном закраевому предельному давлению растяжения за краями штампа, а именно , и при максимальном предельном давлении под центром подошвы штампа , a за краями штампа - по предельному давлению растяжения  и средней величине предельного давления на растяжение сжатия за краями штампа , при этом средняя величина предельного давления под штампом и за его краями равна .
Предлагаемый способ поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 - график предельного состояния грунтовой среды в нарушенном предельном фазовом состоянии при деформировании плоским жестким штампом , на фиг. 2 представлен типовой график испытания массива связной материальной грунтовой среды на сжимаемость статическими нагрузками , на фиг. 3 - схема а) испытания массива среды с поверхности полупространства плоским жестким штампом при характерных эпюрах контактного давления под штампом и закраевых напряжениях вокруг штампа в лунке растяжения-сжатия грунта, совмещенная с графиком б) предельного состояния сжимаемой грунтовой среды в предельном фазовом состоянии по схеме Хилла.
Из геометрических соотношений графика предельного состояния материальной среды при испытании ее на сжимаемость жестким плоским штампом (фиг. 1) получаем ,  и находим величины ,  и .
В предлагаемом способе краевое предельное давление  приравнивается к давлению потери структурной прочности среды при сжатии под краями штампа , соответствующему гравитационному (бытовому) давлению на глубине h массива материальной среды с удельным весом  [3].
Для предельно нагруженной грунтовой среды (фиг. 1) находим параметры:
1) среднего предельного давления под подошвой штампа , где  - максимальное начальное (первое) критическое давление сжатия;
2) краевого предельного давления сжатия под подошвой штампа , равного закраевому предельному давлению растяжения  за краями штампа ;
3) максимального предельного давления под центром штампа
;
4) предельного давления растяжения за краями штампа
;
5) среднего предельного давления на растяжение-сжатие за краями штампа
;
6) среднего предельного давления под штампом и за его краями
;
Пример 1 реализации способа. По результатам испытания материальной грунтовой среды - суглинка на глубине h=150 см плоским жестким штампом методом статических нагрузок получают график  (фиг. 2) с характерным перегибом при среднем предельном давлении , резком росте осадок, снижении устойчивости среды относительно одной из боковых сторон штампа.
По результатам лабораторных испытаний образцов суглинка, отобранных с глубины h, получают данные о физико-механических характеристиках грунта: угол внутреннего трения , удельное сцепление , объемный вес  в структурированном состоянии.
Рассчитывают величину гравитационного (бытового) давления на глубине h=150 см нарушенного массива суглинка как  при , ,  при средней величине атмосферного давления у поверхности Земли .
Составляющие предельного давления рассчитывают по зависимостям:
1) среднее предельное давление под подошвой штампа
2) краевое предельное давление сжатия под подошвой штампа и закраевое предельное давление растяжения за краями штампа
3) максимальное предельное давление под центром штампа
4) предельное давление растяжения за краями штампа
5) среднее предельное давление на растяжение-сжатие за краями штампа
6) среднее предельное давление под штампом и за его краями
Впервые получена определяющая зависимость предельного давления для связной грунтовой среды с учетом ее нарушенного состояния и влияния атмосферного давления.
Источники информации
1. Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для вузов. - 3-е изд. доп. - М.: Высш. школа, 1979. - С. 109-131.
2. Патент РФ №2270990. Способ определения несущей способности грунтового основания торфяной залежи. / Хрусталев Е.Н., Б.И. №6 от 27.02.2006.
3) Патент РФ №2537725. Способ определения физических параметров прочности нарушенной структуры материальной среды. / Хрусталев Е.Н., Б.И. №1 от 10.01.2015.