Определение прочностных и деформационных свойств торфа

Прочность дисперсных систем, в том числе торфа, обусловлена силами взаимодействия между частицами. В природном состоянии прочность торфа во многом определяется переплетением волокнистого каркаса и взаимодействием гумифицированных частиц. Т.е. прочность торфа зависит от соотношения неразложившейся части и продуктов распада. Наибольшее влияние на прочность торфа оказывают влажность и степень разложения. Существуют различные методы определения прочности торфа (плоскостной срез, вращательный срез, тангенциальное смещение и др.), которые в принципе отличаются между собой условиями испытания. 

В механике грунтов широко пользуются условиями прочности Мора, согласно которому разрушение системы происходит при определенных соотношениях главных напряжений σ₁ и σ₃. При малых давлениях можно пользоваться условиям прочности Кулона, которое предполагает, что разрушение системы наступает тогда, когда касательное напряжение превышает внутренние силы сцепления или предел прочности материала. Уравнение прочности по Кулону записывается в следующем виде:

                                                        t=s tgj + С,                                                  (1)

где s - нормальное давление; j - угол внутреннего трения; С - сцепление.

Уравнение (1) описывает прямолинейную связь между τ и σ, где сцепление С характеризует прочность торфа при отсутствии внешнего давления. (рис. 1).

Сцепление С зависит от влажности и плотности торфа, а также от степени его разложения.   

Рис.1. Графическое выражение закона Кулона

 

Для определения сцепления С, когда σ=0, т. е. при τ = С, можно пользоваться уравнением полученным Л.С. Амаряном:

_,                                                        (2)

где τ_в ­– наиболее вероятное значение прочности;

τ_в = 0,05 – 0,11 кг/см² – для верховых торфов,

τ_в = 0,11 – 0,16 кг/см² – для низинных торфов,

m = 0,10 и m = 0,20 – соответственно для верховых и низинных торфов.

В твердообразном и вязкопластичном состоянии торф способен деформи-роваться. Деформация торфа происходит при проходе по его поверхности ма-шин, а также при использовании его в качестве оснований различных сооруже-ний. Развитие деформаций зависит не только от характера и величины прило-женной нагрузки, но и во многом от структурных характеристик самого торфа.

Расчеты, связанные с несущей способностью торфа и торфяных залежей, базируются на характеристиках структурно-механических свойств, определение которых осуществляется различными методами и приборами. Л.С. Амаряном разработан комплект приборов для определения физико-механических свойств торфа и торфяных залежей. Одним из них является прибор СПП-1, используемый в данной работе.

 

Описание прибора СПП-1

Универсальный лабораторный прибор для определения структурно-механических характеристик торфа и торфяных залежей представлен на рис. 2

 

 

Рис. 2. Схема прибора СПП-1:

1 – груз; 2 − подставка; 3 – ролик; 4 − винт; 5 − блок; 6 − нониус; 7 – несущая линейка; 8 − груз; 9 – четырехлопастная крыльчатка; 10 – цилиндрический штамп; 11 – конусный наконечник; 12 - обойма с торфом

При исследовании торфа с помощью конусного наконечника и штампа прибор используется без роликов и грузов, предназначенных для обеспечения вращательного среза. С помощью сдвигомеров-крыльчаток, конусных наконечников и штампов можно в лаборатории и полевых условиях определять прочностные и деформационные свойства торфа, главными из которых являются характеристики прочности (предельное напряжение сдвига, сцепление и угол внутреннего трения) и сжимаемости (модуль деформации).

Часть 1. Определение сопротивления сдвигу торфа методом вращательного среза

Сцепление C в данной работе определяется на приборе СПП-1 конструкции Л.С. Амаряна при помощи четырехлопастной крыльчатки методом вращательного среза. Принцип этого испытания заключается в том, что в торф погружается четырехлопастная крыльчатка и поворачивается до полного среза. По величинам крутящего момента и константы прибора определяется сцепление или сопротивление торфа сдвигу.

Для определения сопротивления сдвигу методом вращательного среза пользуются уравнением

,                                (3)

где D и h – диаметр и высота крыльчатки (2,5 и 3,4 см).

Крутящий момент М_кр  определяется по величине грузов и радиусу ролика:

М_кр = 2 Рr = Рd,                                     (4)

где r и d – радиус и диаметр ролика (d = 7,0 см); Р – величина груза с одной стороны.

Для определения С и τ при помощи крыльчатки используют грузы, устанавливаемые равномерно с двух сторон. Результаты опыта записывают в табл. 1.

Прочность торфа нарушенной структуры τ_нар определяется после полного среза торфа ненарушенной структуры τ_max  без извлечения крыльчатки из монолита, перестановкой подвесок для грузов на противоположные блоки.

В процессе испытания на вращательный срез изучают также деформационные свойства торфа путем рассмотрения зависимости угла поворота крыльчатки от крутящего момента или приложенной нагрузки.

 

Таблица 1. Результаты измерений

 

№ п/п	Рmax, кг	Мкр(max), кг·см	τmax, кг/см^2	Pнар, кг	Мкр(нар), кг·см	τнар, кг/см^2
1
2

 

 

Последовательность выполнения работы

 

1. Обойму наполнить торфом и уплотнить его.

2. Намотать нить на ролик для обеспечения его полного поворота.

3. Крыльчатку вручную внедрить в образец на всю ее высоту.

4. Постепенно наращивать груз на подвесках с интервалом времени 30 секунд вплоть до разрушения образца.

5. После наступления стадии разрушения снять грузы и переменить местами подвески с целью осуществления обратного поворота крыльчатки для определения прочности торфа с нарушенной структурой.

6. Произвести нагружение по 0,1 кг с интервалами 30 секунд до стадии обратного поворота крыльчатки – Р_нар., кг. Результаты испытания занести в табл. 1.

7. Снять грузы, очистить крыльчатку от торфа.

8. Торф вновь уплотнить.

9. Повторить опыт, т.е. выполнить п. 2, 3, 4, 5, 6.

10. Снять грузы, очистить крыльчатку и обойму от торфа.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие силы ответственны за прочность торфа?

2. В чем сущность метода вращательного среза?

3. Перечислите методы и приборы по определению сопротивлению сдвигу и сжимаемости торфа.

4. Факторы, влияющие на прочность торфа.

5. Сущность метода пенетрации.

6. Перечислить рабочие органы, применяемые в работе для определения предельного напряжения сдвига, модуля деформации и сопротивления сдвигу торфа и торфяных залежей.

 

Часть 2. Определение предельного напряжения сдвига торфа

методом пенетрации

Метод пенетрации, или задавливания конусного наконечника в торф, используется для определения удельного сопротивления пенетрации q, характеризующего величину предельного напряжения сдвига τ_к. Величина τ_к определяется по уравнению П.А. Ребиндера

,                             (5)

где К – коэффициент, зависящий от угла α при вершине конуса (при α=60⁰ К=0,214); Р – приложенное усилие на конус; ΔР - усилие, идущее на преодоление сопротивления трению линейки; h – глубина погружения конуса, устанавливаемая по нониусу и линейке прибора.

По величине предельного напряжения сдвига τ_к можно оценить значение модуля деформации торфа Е, характеризующего отношение давления σ к относительной деформации λ:

 ,                                         (6)

где Δh – величина деформации; Н – толщина сжимаемого слоя; n – параметр, зависящий от свойств торфа.

При определении предельного напряжения сдвига методом пенетрации строится график зависимости h² от Р₀, где Р₀ = Р – ΔΡ (рис. 3). 

Прямолинейный характер этой зависимости указывает, что предельное напряжение сдвига остается постоянным при данных ступенях нагружения. 

 

 

Рис. 3. Зависимость h² от Р₀

 

Последовательность выполнения работы

 

1. Перед опытом провести тарировку прибора наложением на линейку грузов до начала ее движения. Этим способом определяется значение груза ΔΡ, идущего на преодоление сопротивления трению линейки.

2. Обойму наполнить торфом, постепенно уплотняя его по слоям.

3. Конусный наконечник подвести к поверхности образца торфа до соприкосновения с помощью линейки и винта. Это положение зафиксировать винтом нониуса.

4. Снять значение начального положения линейки h_о по нониусу.

5. На подставку положить грузы массой 0,5 кг и освободить винт нониуса.

6. Через 3 минуты записать показание линейки по нониусу h_i, а разность между ним и начальным отсчетом h₀ занести в табл. 2.

7. Указанный прием погружения повторить 3 раза, доведя массу грузов до 2 кг (наращивая по 0,5 кг).

8. Предельное напряжение сдвига рассчитывают по формуле 5.

9. После подсчета h² и τ_к построить график зависимости h² от Р₀.

10. После окончания опыта снять грузы и поднять конус в исходное положение.

Таблица 2. Результаты измерений

 

№ п/п	Р0, кг	h, см	h^2, cм^2	τк,, кг/см^2	К
1					0,214
2
3
4

 

Часть 3. Определение модуля деформации торфа при помощи

плоского цилиндрического штампа

Модуль деформации торфа Е при штамповых испытаниях характеризует его сжимаемость под действием внешних нагрузок и определяется по уравнению

                          Е=  ,                                                  (7)

где μ − коэффициент Пуассона; σ – давление на подошве штампа; d – диаметр штампа (d = 5 cм).

 

Коэффициент Пуассона μ характеризует отношение относительной поперечной деформации к продольной:

,                                      (8)

и в реальных условиях всегда меньше 0,5. В среднем можно принять μ= 0,3.

Давление определяется по величине приложенной нагрузки Р, отнесенной к площади поперечного сечения штампа F:

  .                                (9)

   Для оценки модуля деформации торфа строится график осадки штампа h под действием внешнего давления σ. Модуль деформации Е определяется для прямолинейного участка по кривой h(σ) (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость осадки штампа от нормального давления

 

Для выбранного интервала σ и h определение модуля деформации осуществляется по формуле

Е .                            (10)

Результаты штамповых испытаний заносят в табл. 2.

 

Последовательность выполнения работы

 

1. Подготовительные и последующие операции выполнить до пункта 7 в полном соответствии со второй частью работы. Начальная нагрузка – 2 кг, шаг изменения нагрузки – 2 кг, конечная масса груза – 8 кг.

2. Снять грузы и поднять штамп в исходное положение. Убрать торф.

3. По значениям σ и h построить график и рассчитать для прямолинейного участка значение модуля деформации Е по формуле (10).

4. Результаты штамповых испытаний заносят в таблицу 3.

 

Таблица 3. Результаты испытаний

 

№ п/п	Р0, кг	h, см	σ, кг/см^2	Е, кг/см^2
1	2		0,1
2	4		0,2
3	6		0,3
4	8		0,4

 

Контрольные вопросы

 

1. Сущность метода пенетрации. Уравнение П. А. Ребиндера.

2. Какими параметрами характеризуют деформационные свойства дисперсных систем?

3. Какие факторы определяют деформируемость материала?

4. Перечислите методы определения сопротивления сдвигу и сжимаемости дисперсного материала.

Лабораторная работа № 18