ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ СЫПУЧЕЙ СРЕДЫ
ПРИ ДВИЖЕНИИ ПОДПОРНОЙ СТЕНКИ И ПОСТУПАТЕЛЬНОМ
ПЕРЕМЕЩЕНИИ ШЕРОХОВАТОЙ ПЛАСТИНЫ
А.П. Бобряков, В.П. Косых
Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН
Красный проспект, 54, 630091, Новосибирск, Россия
Потеря устойчивости геоматериалов проявляется как в природе (оползневые
явления, землетрясения), так и в инженерных сооружениях, таких как, грунтовые
плотины, высокие автомобильные и железнодорожных насыпи, борта карьеров,
подпорные стенки и др. [1, 2].
Разрушение массивов из зернистых геоматериалов связано с образованием
поверхностей скольжения, на которых реализуется предельное состояние, когда
отношение касательных и нормальных напряжений становится критическим. Величина
этого отношения зависит от многих факторов: влагонасыщенности, температуры,
истории нагружения, пористости, грансостава, формы частиц и т.д. При прочих равных
условиях, достижение предельного состояния связано с предварительной деформацией,
изменяющей пористость материала до критического значения, при которой образуются
линии скольжения и материал теряет устойчивость [3].
Эксперименты проводились на плоском стенде, имеющем прозрачные боковые
стенки. Нагружение материала (кварцевый песок со средним размером частиц 0.3 мм)
осуществлялось поворотом подпорной стенки против часовой стрелки от начального
положения (   12  ) до вертикали (   0 ) как показано на рис. 1 а. Через каждые 0.5
градуса измерялись координаты отдельных частиц и вычислялись их скорости.
Деформация материала сопряжена с его вытеснением в прилегающей к стенке
области (очаге деформации) в сторону массива и вверх (рис.1 б,в). Направление векторов
скоростей частиц, имеющих одинаковые координаты, приблизительно сохраняется,
однако модули их при увеличении угла поворота возрастают. Из рисунков так же
следует, что с увеличением угла возрастает и очаг деформации.
а
б
в
Рис. 1. Экспериментальный стенд (а) и поля скоростей (б, в) для двух положений стенки:
б – в начале опыта (   12 ); в – в конце (   0 )

По результатам измерений были определены текущие значения изменений
относительного объема материала

V  V0
100 % ,
V0
 А.П. Бобряков, В.П. Косых, 2013
1
где V0 и V – начальный и текущий объем всего образца сыпучего материала
соответственно. График изменений  образца в зависимости от угла поворота стенки
показан на рис. 2а, из которого видно, что при уменьшении угла материал, по
отношению к недеформированному состоянию, разрыхляется. Этот график отражает
интегральное изменение пористости образца, хотя наиболее информативным, с точки
зрения механизма образования линий скольжения, является ее локальное изменение.
а
б
в
Рис. 2. Относительное изменение объема образца (а) и изолинии объемной деформации (б, в) при
двух положениях стенки: б –   9.5 ; в –   0
Оказалось, что пористость в очаге деформации неоднородна: образуются некоторые
области уплотнения и разрыхления материала, которые, при увеличении деформации
постепенно объединяются и, в конце концов, определяют направление зон ослабления и
разрушения (линий скольжения). На рис. 2 б показаны изолинии объемной деформации
материала до образования линий скольжения, а на рис. 2 в – после их образования.
Видно, что более светлые области, отражающие меньшую плотность, группируются
вдоль направления линий скольжения.
Потеря устойчивости среды так же связана с землетрясениями – мгновенным
высвобождение энергии за счет разрыва горных пород, либо постепенно ускоряющегося
движения бортов уже существующего разлома, которое завершается динамической
подвижкой и излучением сейсмических волн. Сам разлом может быть заполнен кусками
обломочного материала, перемешанного с мягким грунтом. В [4] сделан вывод о том, что
“песчаная прослойка удачно воспроизводит основные закономерности, присущие
деформированию межблоковых контактов в скальных породах”. На рис.3 а приведена
схема нагружения, моделирующая процесс.
а
б
Рис. 3. Схема нагружения (а) и диаграммы касательных напряжений (б), измеренные на
скользящей пластине, для разных толщин L (мм) деформируемой прослойки песка: L = 13 (1); 20
(2); 25 (3); 32 (4); 45 (5); 85 (6)
2
Металлическая подвижная пластина 1 нагружалась сдвигающими усилиями T через
пружину 2 относительно неподвижной пластины 3. В качестве прослойки 4
использовался кварцевый песок со средним размером частиц 0.3 мм, который испытывал
деформацию сдвига в стесненных условиях.
Степень стеснения деформаций оценивалась по усилиям смещений подвижной
пластины при вариации толщины L прослойки материала. Диаграммы нагружения
приведены на рис. 3 б, из которых видно, что по мере приближения к неподвижной
пластине сопротивление смещению S возрастает; максимальное сопротивление
прослойки песка при сдвиге, по сравнению с нестесненным деформированием, составило
более чем восьмикратное увеличение.
Эксперименты показали, что при активизации смещений пластины, имитирующей
край борта разлома, процесс сопровождается расширением объема материала. На рис. 4
приведены максимальные вертикальные смещения точек поверхности образца с
формированием наклонного профиля при удалении от пластины.
Рис. 4 Текущие значения смещений точек вертикального “выпучивания” поверхности образца
после нестесненного деформирования уплотненного песка на максимальной амплитуде
скольжения в зависимости от расстояния до подвижной пластины (профиль дневной поверхности)
В натурных условиях наклоны земной поверхности измеряются наклономерами,
устанавливаемыми вблизи разломов, указывая на изменение наклонов незадолго до
возникновения землетрясений. На рассмотренной модели, содержащей сухое трение
среды и упругий элемент нагружения, получено, что при постоянной скорости
нагружения, подвижная пластина не движется с той же скоростью, а совершает
прерывистое, скачкообразное скольжение с ускорением и последующим торможением.
Работа
выполнена
при
финансовой
поддержке
фундаментальных исследований (проект № 12-05-00540).
Российского
фонда
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адушкин В.В. Триггерные эффекты при образовании оползней / Триггерные эффекты в геосистемах: сб.
науч. тр. — М.: ГЕОС, 2010.
2. Черный Г.И. Устойчивость подрабатываемых бортов карьеров. – М.: Недра,1980.
3. Tatsuoka F., Sakamoto M., Kawamura T., Fukushima S. Strength and deformation characteristics of sand in
plane strain compression at extremely low pressures // Soils and Foundations. 1986. Vol. 26, No. 1, 65-84.
4. Кочарян Г.Г., Кулюкин А.А., Павлов Д.В. Некоторые особенности динамики межблокового
деформирования в земной коре // Геология и геофизика. 2006. Т. 47, № 5, 669–683.
3