Россия
Цель: рассмотрение механизмов формирования коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя K0 на уровне его элементарной структуры — микроструктуры грунта. Его базовыми элементами являются частицы твердой фазы. Объектом исследования являлась дискретная среда — чистый кварцевый песок средней крупности. Методы: в качестве модели рассмотрена монодисперсная среда с периодической укладкой зерен — дискретная среда с одинаковым размером, формой частиц и регулярной их укладкой. Очевидно, что такого рода среда является значительным упрощением, так как реальный грунт — это набор зерен различных размеров, которые могут отличаться на несколько порядков. Моделирование с учетом реального распределения частиц по крупности существенно усложняет процесс исследования. Только в условиях монодисперсной среды становится возможным однозначно определять предельные плотности сложения и получать аналитические выражения для коэффициента бокового давления. Обобщены имеющиеся теоретические решения, применяемые при определении коэффициента бокового давления для сред такого рода. При численном моделировании для описания зернистых сред использован инструментарий механики дискретных сред, в котором элементарный объем грунта рассматривается как механизм, состоящий из некоторого количества взаимодействующих зерен и подчиняющийся основным постулатам динамики. Произведено численное моделирование среды в условиях формирования K0 с использованием метода дискретных элементов. Результаты: показано, что теоретические зависимости действительны только до определенных значений пористости и плотности сложения. При пористости, близкой к предельной, наблюдается резкий рост коэффициента бокового давления в сравнении с теоретическими результатами. Сравнение с лабораторными экспериментами по определению K0 показывает существенное отличие. Так, рассматриваемая упрощенная модель прогнозирует большее значение K0 для рыхлого песка в сравнении с более плотной его укладкой. В лабораторных экспериментах наблюдалась обратная зависимость. Практическая значимость: результаты работы имеют теоретическое значение для механики грунтов, так как процессы формирования коэффициента бокового давления рассматриваются с точки зрения механики дискретных сред. Подобный подход позволяет рассмотреть грунтовый объем как механизм и детально проследить вклад каждой из его характеристик в рассматриваемый процесс.
зернистые среды, песок, коэффициент, трение, микроструктура песка, моделирование
1. Слоэн Н. Дж. А. Упаковка шаров // В мире науки. 1984. № 3. С. 72–82.
2. Love A. E. H. A Treatise of Mathematical Theory of Elasticity. Cambridge: University Press, 1927.
3. Cundall P. A., Strack O. D. L. Adiscrete numerical model for granular assemblies // Geotechnique. 1979. No. 29 (1). Pp. 47–65.
4. Kruyt N. P. Statics and Kinematics of Discrete Cosserat-type Granular Materials // International Journal of Solids and Structures. 2003. No. 40 (3). Pp. 511–534.
5. Дидух Б. И. Упругопластическое деформирование грунтов. М.: Изд-во Ун-та дружбы народов, 1987. 166 с.
6. Mindlin R. D., Deresiewicz H. Elastic spheres in contact under varying oblique forces // Journal of Applied Mechanics. 1953. No. 20 (3). Рp. 327–344.
7. Трение как фактор, определяющий излучательную эффективность подвижек по разломам и возможность их инициирования. Состояние вопроса / Г. Г. Кочарян [и др.] // Физика Земли. 2023. № 3. С. 3–32. DOI:https://doi.org/10.31857/S0002333723030067.
8. Kruyt N. P., Rothenburg, L. Micromechanical Definition of the Strain Tensor for Granular Materials // Journal of Applied Mechanics (Transactions of the ASME). 1996. No. 63 (3). Рp. 706–711.
9. Li X., Li X. S. Micro-Macro Quantification of the Internal Structure of Granular Materials // J. Eng. Mech. 2009. No. 135. Рp. 641–656.
10. ГОСТ 25100-2020. Грунты. Классификация.
11. Experimental Study on the Coefficient of Earth Pressure at Rest for Sand / L. Li [et al.] // Buildings. 2023. No. 13. 1276 p. DOI:https://doi.org/10.3390/buildings13051276.
12. Иванов П. Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. М.: Высш. шк., 1991. 447 с.
