Дилатансия вызывает немало вопросов у начинающих пользователей PLAXIS и не только. Давайте вместе попробуем разобраться более подробно, как она проявляется в грунтах и как влияет на результаты расчёта.
Рассмотрим две условные модели плотной и рыхлой упаковки частиц. Условность в том, что такая модель отражает только специфику поведения при сдвиге.
Следует отметить, что модель с шариками для глин может показаться совсем не подходящей, в отличие от песков. Однако все модели в PLAXIS — это модели сплошной среды, они являются феноменологическими. Это значит, что никаких частиц и их взаимодействия модель не моделирует, а всего лишь отражает зависимости и закономерности, полученные в лаборатории. Другими словами, результат испытания — феномен — и он проявляется в той или иной кривой, а модель с помощью математики повторяет эту зависимость и потому является феноменологической, описывающей общее поведение при определенном виде механического воздействия.
Как оказалось в ходе многочисленных и многолетних научных экспериментов и исследований:
Плотные пески при сдвиге (это важно помнить, что все время речь идет только о сдвиге) разуплотняются, то есть за счет перекатывания частиц при сдвиге приводят к увеличению объема (подъему шариков). Аналогично проявляется поведение при сдвиге у переуплотненных глин.
Рыхлые пески при сдвиге переупаковываются, что приводит к уменьшению объема пор и пустот, следовательно, к уплотнению и опусканию в условной модели.
Нормально уплотненные глины ведут себя аналогично.
Поведение при сдвиге
Это явление весьма важно для геотехники и влечет за собой другие немаловажные аспекты, которые необходимо учитывать. Например, на рисунке ниже показаны некоторые из них:
а) Типичное поведение при одном давлении обжатия и последующем сдвиге грунтов, проявляющих дилатансию (черная линия): плотных песков и переуплотненных глин. При небольших деформациях усилие, требующееся для «перекатывания» частиц, приводит к появлению пиковой прочности. После «перекатывания» частицы в условной модели проваливаются, и усилие падает. Это поведение называется разупрочнение, его реализация затруднительна в программах МКЭ из-за существенно неравномерной деформации сетки КЭ в зоне сдвига и за ее пределами. Основные модели PLAXIS не позволяют воспроизводить разупрочнение, кроме модели OC-Clay.
б) Если выполнить несколько испытаний с разным давлением обжатия, то можно построить график зависимости сопротивления сдвигу от давления. Точки, принятые в качестве остановки опыта, т.е. критерии предельного состояния, могут быть разные. В наших нормативных документах используется только один — осевая деформация 15%. Однако он не является универсальным. Можно выделить пять критериев — см. Теоретически можно выделить пять критериев выбора значений, на основании которых определяют параметры прочности:.
Если выбрать из них два — точку на графике (а), соответствующую пиковому значению, и точку, соответствующую критической пористости, — по графикам можно получить два значения сцепления и угла трения, соответственно.
Угол дилатансии на рисунке (г) показан условно
в) Понятие критическая пористость грунта встречается в литературе советского периода у П. Л. Иванова, Н. Я. Денисова и в работе А. М. Рыжова [Рыжов А.М. Определение прочности и деформативности грунтов в строительстве. — Киев: Будивельник, 1976. — 134 с.].
Суть в том, что при определенном уровне деформаций в процессе сдвига (речь все еще про сдвиг), и плотные пески (переуплотненные глины) за счет разуплотнения (дилатансия) и рыхлые пески (нормально уплотненные глины) за счет уплотнения (контракция) приобретают одинаковую пористость. Соответствующее значение коэффициента пористости называют критическим. Угол трения обозначают «cv» критического объема или критического состояния.
Это фундаментальное свойство грунтов, на базе которого построено одно из наиболее востребованных направлений в современной механике грунтов — механика критического состояния (CSSM). Подробную информацию об этом можно найти в статье одного из активно пропагандирующих это направление специалиста P. W. Mayne: Поведение геоматериалов и геотехнические испытания.