В механике грунтов дилатансия или сдвиговая дилатансия [1] — это изменение объема, наблюдаемое в зернистых материалах , когда они подвергаются сдвиговым деформациям . [2] [3] Этот эффект был впервые научно описан Осборном Рейнольдсом в 1885/1886 годах [4] [5] и также известен как дилатансия Рейнольдса . Он был введен в область геотехнической инженерии Питером Уолтером Роу [de] . [6]
В отличие от большинства других твердых материалов, уплотненный плотный гранулированный материал имеет тенденцию расширяться (увеличиваться в объеме) при сдвиге. Это происходит потому, что зерна в уплотненном состоянии сцеплены и, следовательно, не имеют свободы перемещения друг вокруг друга. При напряжении между соседними зернами происходит движение рычага , что приводит к объемному расширению материала. С другой стороны, когда гранулированный материал изначально находится в очень рыхлом состоянии, он может непрерывно уплотняться вместо того, чтобы расширяться при сдвиге. Образец материала называется расширяющимся, если его объем увеличивается с увеличением сдвига, и сжимающимся, если объем уменьшается с увеличением сдвига. [7] [8]
Дилатансия является общей чертой почв и песков . Ее эффект можно увидеть, когда мокрый песок вокруг стопы человека, идущего по пляжу, кажется высыхающим. Деформация, вызванная стопой, расширяет песок под ней, и вода в песке перемещается, чтобы заполнить новое пространство между зернами.
Явление дилатансии можно наблюдать в ходе испытания на простой сдвиг в дренированном состоянии на образце плотного песка. На начальном этапе деформации объемная деформация уменьшается по мере увеличения деформации сдвига . Но по мере приближения напряжения к пиковому значению объемная деформация начинает увеличиваться. После некоторого сдвига образец грунта имеет больший объем, чем в начале испытания.
Величина расширения сильно зависит от начальной плотности почвы. В общем, чем плотнее почва, тем больше величина объемного расширения при сдвиге. Также было замечено, что угол внутреннего трения уменьшается по мере уменьшения эффективного нормального напряжения . [9]
Связь между расширением и внутренним трением обычно иллюстрируется пилообразной моделью дилатансии, где угол расширения аналогичен углу, образуемому зубцами с горизонталью. Такая модель может быть использована для вывода о том, что наблюдаемый угол трения равен углу расширения плюс угол трения для нулевого расширения. [ необходима цитата ]
Из-за дилатансии угол трения увеличивается по мере увеличения ограничения, пока не достигнет пикового значения. После мобилизации пиковой прочности грунта угол трения резко уменьшается. В результате геотехническое проектирование склонов, фундаментов, туннелей и свай в таких грунтах должно учитывать потенциальное снижение прочности после того, как прочность грунта достигнет этого пикового значения.
Плохо/равномерно рассортированный ил с примесью песка или песка, который не является пластичным, может быть связан с проблемами во время строительства, даже если он твердый. Эти материалы часто кажутся зернистыми, потому что ил настолько грубый, что его можно описать как плотный или очень плотный. Вертикальные выемки ниже уровня грунтовых вод в этих типах почв демонстрируют краткосрочную стабильность, похожую на многие плотные песчаные отложения, отчасти из-за всасывания матрицы. Однако, поскольку сдвиг почвы происходит в активном клине из-за сил гравитации, прочность теряется, и скорость разрушения ускоряется. Это может усугубляться гидростатическими силами, развивающимися в местах, где вода (стекает и) собирается в трещинах растяжения в задней части активного клина или рядом с ней. Обычно проявляется регрессивное откалывание, часто сопровождаемое трубной / внутренней эрозией. Использование соответствующих фильтров имеет решающее значение для управления этими материалами; предпочтительным фильтром может быть чистый гравий размера № 4 / крупнозернистый песок в качестве коммерческого заполнителя, который обычно легко доступен. Некоторые нетканые фильтрующие ткани также подходят. Как и для всех фильтров, следует проверить критерии совместимости D15 и D50.
После обширного сдвига расширяющиеся материалы приходят в состояние критической плотности, где дилатансия подошла к концу. Это явление поведения почвы может быть включено в модель упрочняющейся почвы с помощью отсечки дилатансии. Чтобы задать это поведение, начальный коэффициент пустотности, , и максимальный коэффициент пустотности, , материала должны быть введены в качестве общих параметров. Как только изменение объема приводит к состоянию максимальной пустотности, мобилизованный угол дилатансии, , автоматически устанавливается обратно на ноль. [10]
