Dilatans

Dilatans  er stigningen i volumen i tætpakkede granulære materialer, når de forskydes. [1] [2] Denne effekt blev først beskrevet videnskabeligt af Osborne Reynolds i 1885-1886. [3] [4]

Dilatans er en generel jordkarakteristik (i højere grad observeres denne effekt i sandede jorde). Dilatans kan observeres, når det våde sand omkring foden af ​​en person, der går på stranden, ser ud til at være tørt. Deformationen forårsaget af en persons fod udvider sandet nedenunder, og vandet i sandet bevæger sig for at fylde det nye mellemrum mellem partiklerne.

Den modsatte side af denne proces er et fald i volumen eller sammentrækning.

Dilatanskarakteristikken er dilatansvinklen, som varierer fra 0 til 6-8 grader for forskellige jorder.

Problemer med dilatans i geoteknik

Kan dilatans forekomme under matricetests? Stempeltest fører ikke til forskydninger, kun en lineær afhængighed. Den lineære afhængighed går indtil kanten buler under stemplet begynder. Hvis stempeltests blev testet før svigt ( det vil sige, der er en afregning, så skete der fejl ), hvis de blev undersøgt ud over zonerne med lineær deformation af jorden under stemplet, skal dilatans tages i betragtning. PLAXIS har det, det tager højde for i fundamentets randzoner, hvor der sker forskydninger. I selve stempeltestene fører de ikke til svigt, da kun deformationsmodulet er nødvendigt ( lineær afhængighed af belastning på sætning ).

I tilfælde af en støttemur . Ved beregning af støttemuren tager vi hensyn til jordens friktion på støttemuren, men tager ikke højde for dilatans. Selvom det opstår, hvis barmen er dækket af meget tæt sand.

Dilatans ved lægning af geonet, jordforstærkning. Der komprimeres volden ganske godt af ruller, ved at hælde vand, og indeni er der et stof (eller net), der kun virker på grund af materialets friktion på jorden. Der er det muligt at vurdere dilatansen, da det giver yderligere bæreevne. I stedet for 5 rækker armering kan 4 laves for at spare penge, dog tager ingen af ​​de russiske standarder for forstærkede volde højde for dilatans.

Styring af lydstyrketrend . Hvis hulrumsforholdet er højt (løs jord), har hulrummene i jordrammen en tendens til at minimere underbelastning - partiklerne komprimeres. Den modsatte situation, dvs. når hulrumsforholdet er relativt lavt (tæt jord), indikerer, at jordvolumenet er sårbart over for ekspansion under belastning - partiklerne udvider sig (dilataner). [5] .

Bliver der taget højde for dilatans ved ombygningen, når belastningerne på fundamentet øges? Nej, da der ikke er skift med stigende belastning. Hvis der har været en forskydning, er hævningen af ​​jorden allerede en nødsituation og et tab af bæreevne. Der er ikke tid til dilatansberegninger. Når man er i indflydelseszonen (vi graver en grundgrav, de står rundt om huset, spunsvæggen er afveget 5-10 cm, forskydninger er påbegyndt, et sænkningskar er påbegyndt) i disse zoner, kan dilatans være taget i betragtning ved at vurdere stabiliteten af ​​spunsvæggen (da der er forskydninger), og ikke ved fundamentet nabobygning. Vi tager højde for dilatans, hvor der er skråninger, skråninger (forstærket med spuns og andre), pæle .

Poretryksreduktion under dilatans . Ifølge eksempel [6] var der to pærer fyldt med vand. Det kan ses, at deres hydrostatiske tryk er de samme. Længere i 1 er pæren helt fyldt med vand og de trykker på den, og vandet stiger. Vi gav yderligere tryk til trykket i væsken steg, vandet steg, det er logisk. Men i en pære fyldt med sand presser vi og trykket falder kraftigt! Hvorfor sker dette? Dette fænomen beskriver en af ​​dilatansfaktorerne. I den anden pære er partiklerne omarrangeret, rider ikke på hinanden. Som et resultat: Porerne var først små, så blev de store. Sandet absorberede overskydende vand ved omarrangering af partiklerne. Sandet var hårdt og løst. Det vil sige, at trykket i væsken ikke steg, men snarere faldt. Dette fænomen kan ofte ses på stranden. Når vi træder, er der et skift af sand under fodsålen. Og sandet skifter fra en tæt tilstand til en løs tilstand. Porøsiteten øges, og overskydende vand går ind i disse porer. Som følge heraf ser vi et mere tørre spor på steder af spor (i sammenligning med den omgivende jord).

I praksis kan dilatans anvendes, når der tages højde for bæreevnen af ​​pæle langs sidefladen . Ved nedkørsel af pæle i tæt sand sker der en ren forskydning (vi passerer gennem et lag sand), yderligere normale spændinger opstår på grund af dilatans ved beton/tæt sand-grænsefladen. I globale beregninger skal geomassiffer, hvor der altid forekommer forskydningsdeformationer, tages højde for dilatans. I mange FEM-jordanalysemodeller er det nødvendigt at specificere jordudvidelsesvinklen.

Dilatans på stressgrafer (eksempel)

Tæt sand bliver pludselig til en løs tilstand (se figur). Grebet i punkt A og B er øget. Her er punkt A, som om det skulle være på linjen, men det gik op. Hvad kunne have forårsaget dette? Med en vis magt. Der er nogle ekstra kræfter, der så at sige komprimerer jorden.

Enheden er en vogn nedefra (nedre lag af sandpartikler) og ovenfra en vogn (øverste lag af sandpartikler) belastet med normal belastning. Det vil sige, at når partiklerne begynder at omlægge sig, vil små partikler ikke kunne omstille sig så smukt som i spor i sandet, fordi der er en hård belastning på vognen fra oven. Det vil sige, at de forsøger at bevæge sig til siden (porøsiteten øges), men der er pres fra oven. Som følge heraf øges spændingerne ved kontakterne mellem partiklerne kraftigt. De normale spændinger inde i prøven stiger kraftigt. Udenfor ændres det ikke. Da trykket var normalt, som det er, men inde i vores prøve steg spændingerne. På grund af det faktum, at jorden forsøger at udvide sig på grund af dilatans. Og vognen giver den ikke ovenfra og nedefra, som følge heraf opstår uforklarlige interne spændinger ved partikelgrænserne. Ved punkterne A og B opstår der en urapporteret kobling. I punkt C er trykket sådan, at det fuldstændigt kompenserede for denne dilatans, men ikke i punkt A og B.

Vi kan antage, at der var en form for pres på disse korn, på dette sand. Det første gæt er, at det er vand. Men vand handler efter Arkimedes lov . Hvis vores vand er helt frit, klukkende der i porerne, burde det tværtimod veje og reducere stress (dette er Arkimedes lov). Det skulle tværtimod veje – mindske spændingen. Nå, her vejer hun ikke. Hvad forårsagede så afvigelsen? Antagelsen opstår straks - på grund af kapillartryk. I vores kapillærer stiger vandet til højden af ​​kapillærstigningen.

Kapillærtryk aflæses groft som den specifikke vægt af vand pr. stigningshøjde γh. På grund af dette tryk opstår der spændinger i punkt A og B. I punkt C er normalspændingen meget større og selve kapillartrykket kollapser, kan ikke kompensere for forskydningsspændinger. Derfor viser det sig i punkt C, at graferne faldt sammen. På grund af overfladespændingens kræfter forsøger vandet at stige langs kanten, og der opstår en menisk, og der opstår kræfter, der forsøger at kaste dette vand op (faktisk poretryk). Poretrykket kan være positivt (den specifikke vægt af vand pr. vandsøjlehøjde, faktisk er poretrykket lig med det hydrostatiske tryk).

I jord er der et øget poretryk, når trykket i porerne er større end det hydrostatiske tryk. Og på grund af kapillære kræfter har vi et poretryk, som så at sige er negativt, det er over niveauet for den frie vandhorisont. Kapillærvand synes at være frit gravitationsvand, stærkt bundet, løst bundet. Løst bundet vand bryder nogle gange væk fra jordpartikler, nogle gange klæber det. Men kapillærvand er frit gravitationsvand, men Arkimedes lov (som er interessant) virker ikke i det. Teoretisk, hvis vi tager højde for en slags glasrør, skriver lærebøger nogle gange "vand i sandet muldjord stiger til 5 m."

Eksempel Ved aflæsning af en grube forsøgte man at tage højde for kapillartryk med skråningsstabilitet. De gravede et hul. Til at begynde med, på grund af den tilsyneladende vedhæftning, stod skråningerne lodret. Spørgsmålet er, hvor længe det kan stå, indtil vandet tørrer, mens kapillære kohæsionskræfter virker. Skråningen tørrer dog ujævnt, så der var væsentlige fejl i beregningen. Forholdet mellem forskydnings- og normale spændinger er således (hvor er punkterne ABC). Jo tættere jorden er, jo større greb. Ved punkterne A og B ændrede massefylden sig pludselig.

Enheder til måling af dilatans

Der er specielle enheder, der måler bevægelsen af ​​den øvre vogn under forskydning (skiftet går jævnt). Dette måles ikke på en konventionel forskydningsanordning, men på en enhed, hvor forskydningen er roterende. Det vil sige, at stemplet er installeret, og det drejer rundt om sin akse. Som et resultat stiger denne stang (stempel) (den kan være ret høj). Det hele afhænger af jordens tæthed. Hvis sandet er løst (det har så mange porer), så kompenseres disse belastninger. Det er bare, at sandet er komprimeret, og det er det. Hvis sandet har en gennemsnitlig tæthed, opstår der ikke dilatans. Som han bevægede sig, så bevægede han sig. Dette er typisk for sand over gennemsnitlig tæthed.

Dilatancy Cutoff

Efter intens forskydning når ekspanderende materialer en tilstand af kritisk tæthed, hvor dilatansen ophører. Dette fænomen med jordadfærd kan inkorporeres i Hardening Soil-modellen gennem dilatancy cutoff. For at specificere denne adfærd skal det indledende hulrumsforhold og det maksimale hulrumsforhold for materialet indtastes som generelle parametre. Så snart ændringen i volumen fører til en tilstand af maksimal tomhed, vender den mobiliserede dilatansvinkel automatisk tilbage til nul. [7]

Noter

1. ↑ Nedderman, R.M. Statik og kinematik af granulære materialer. — Digitaltrykt 1. pbk. version. - Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press, 2005. - ISBN 0-521-01907-9 .
2. ↑ Pouliquen, Bruno Andreotti, Yoël Forterre, Olivier. Granulært medium: mellem flydende og fast stof. - Cambridge : Cambridge University Press, 2013. - ISBN 9781107034792 .
3. ↑ Reynolds, Osborne (december 1885). "LVII. Om dilatansen af ​​medier sammensat af stive partikler i kontakt, med eksperimentelle illustrationer”. Filosofisk magasinserie 5 . 20 (127): 469-481. DOI : 10.1080/14786448508627791 .
4. ↑ Reynolds, O., "Eksperimenter, der viser dilatans, en egenskab ved granulært materiale, muligvis forbundet med gravitation" Proc. Royal Institution of Great Britain, Read, 12. februar 1886.
5. ↑ Bolton, M.D. (1986). Sandets styrke og dilatans. 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 - Materiale Models Manual.pdf side 78