в) при больших значениях коэффициента асимметрии цикла резче выражена положительная динамическая дилатансия плотных песков, и накопление деформа­ ций происходит в основном в фазе разгрузки с формированием обратного наклона петель гистерезиса;

г) при отрицательных и близких к нулю значениях коэффициента асимметрии цикла весьма вероятно формирование в песке ослабленных зон предпочтительного разуплотнения (в том числе и в сухих разностях), в пределах которых впослед­ ствии произойдет внезапное разрушение (для водонасыщенного песка оно может интерпретироваться и как разжижение — в этой разуплотненной зоне).

3.Длительные пульсирующие (рс ^ 0) нагрузки, особенно при небольших амплитудах деформации, не позволяют плотному водонасыщенному песку мобили­ зовать значительное сопротивление сдвигу и приводят к медленной переупаковке зерен и внезапному разжижению грунта, начинающемуся в пределах сформировав­ шихся ослабленных зон. С практической точки зрения это важно для изучения реак­ ции песков в условиях длительных техногенных нагрузок небольшой интенсивности.

4.Песок становится неразжижаемым в любых условиях лишь при очень вы­ сокой плотности сложения — более 70-80%. Пески же с меньшей относительной плотностью, в принципе, могут разжижаться при длительных динамических нагруз­ ках с коэффициентом асимметрии цикла, близким к нулю. Эта форма реакции связана с формированием в грунте зон предпочтительной дилатансии. Таким обра­ зом, с точки зрения динамики грунтов к плотным пескам следует относить разности

сDr ^ 70%, а к пескам средней плотности — с Dr = 45-70%.

5.Наиболее универсальной формой динамической неустойчивости песков (как при положительной, так и отрицательной их дилатансии) является циклическая подвижность, которая может проявляться по-разному в зависимости от плотности грунта и условий нагружения (см. табл. 6):

а) как быстро прогрессирующая циклическая подвижность, приводящая к раз­ рушению грунта без его разжижения;

б) как медленное накопление деформаций до критического уровня; в) как затухающая циклическая подвижность, стабилизирующаяся на опреде­

ленном уровне амплитуды деформации.

Эта форма реакции проявляется при положительном поровом давлении в те­ чение хотя бы части цикла нагружения. Стабилизация процесса возможна, если максимальное значение относительного порового давления не превышает 0,7. По­ этому величину PPR = 0,7 следует рассматривать как критическую, выше которой возможно разрушение.

6.Понятие дренированного циклического испытания является, как правило,

некорректным и не рекомендуется к употреблению. Более того, дренированные условия нагружения для большинства дисперсных грунтов неосуществимы in situ даже при весьма низкочастотных нагрузках.

5.2. Энергетика динамической дилатансии песков

Рассмотрим превращения энергии при действии динамической нагрузки на песчаный грунт. Энергия, сообщаемая грунту в каждом цикле воздействия, Ed, расходуется (за вычетом энергии упругих деформаций Ее) на изменение расстояний (пористости), а также на преодоление сил трения между частицами A U Кроме того, в результате этого самого межчастичного трения имеет место разогрев грунта, и некоторая доля энергии выделяется в форме тепла (AQ), что может быть даже экспериментально зарегистрировано в сухих песках инфракрасной вибротермогра­ фией (Luong, 1992). Уравнение энергетического баланса для произвольного k-ro

цикла динамического нагружения элементарного объема песка можно представить в виде:

После преодоления сил трения покоя (контролирующих величину активационного барьера) и достижения состояния подвижности частиц в га-м цикле становится возможным перемещение частиц, влекущее за собой изменение их энергии поло­ жения АР (потенциальной энергии системы), а уравнение энергетического баланса для следующего цикла га + 1:

и для любого следующего j -го цикла:

Знак «плюс» перед А Р относится к увеличению расстояния между частицами, а знак «минус» — к уменьшению (уплотнению). Принимая во внимание незначительную величину удельной поверхности песчаных грунтов, приращением поверхностной энергии системы за счет разрыва межчастичных связей можно пренебречь. Оче­ видно, что избыточная внутренняя энергия за вычетом тепловых потерь может накапливаться только в форме кинетической энергии (К) п колеблющихся г-х частиц:

Считая накопление тепла от цикла к циклу маловероятным по причине небольшой суммарной площади контакта песчаных частиц и высокой теплоемкости заполняю­ щей поры среды и пренебрегая упругими деформациями в системе при исчезновении непосредственного контакта между частицами (AQj, AEej = 0):

Поскольку выделение потенциальной энергии означает эквивалентное увеличение кинетической Кр, то для случая уплотнения —APj = +AKpj, и уравнение (43) можно переписать в виде:

Вэтом случае при уменьшении объема грунта часть потенциальной энергии перешла

вкинетическую, и после прекращения воздействия (Ed = 0):

т. е. энергия активации (и прочность) новой структуры грунта будет выше на величи­ ну AK pj. При разуплотнении же (положительной дилатансии) часть кинетической энергии, наоборот, расходуется на увеличение потенциальной:

при динамическом нагружении несвязного грунта часть энергии воздействия накап­ ливается в форме кинетической энергии частиц и расходуется на их относительное перемещение, т. е. на изменение пористости грунта п. При этом возможны три случая:

1)А п = 0 — неизменная плотность свидетельствует чаще всего о незначи­ тельной интенсивности воздействия на грунт.

2)Дп < 0 — отрицательная динамическая дилатансия - А Р : уплотнение рыхлых песков, при полном водонасыщении последних сопровождающееся их раз­ жижением. Возможность такого исхода определяется гранулометрическим составом грунта, влажностью, а также соотношением степени его уплотнения D и величи­ ны действующей нагрузки, поскольку влажность влияет на средний коэффициент

трения между частицами, а степень уплотнения определяет межчастичную поверх­ ность. Именно эти факторы, в основном, контролируют величину активационного барьера. Поэтому вероятность отрицательной динамической дилатансии возраста­ ет с увеличением исходной влажности и пористости выше критической. Влияние же дисперсности песка менее однозначно: здесь сказываются эффекты и массы отдельных зерен, и их формы, и шероховатости, и способности к оптимальной переукладке. Однако важнейшую роль должна играть все же крупность частиц, определяющая основные факторы — вес и межчастичную поверхность. Так, потен­ циал разжижения песков возрастает с уменьшением размера частиц (Ishihara, 1985),

иотрицательная динамическая дилатансия часто сопровождается разжижением песков, особенно мелко- и тонкозернистых.

3)Дп > 0 — положительная динамическая дилатансия: снижение прочности

иувеличение деформируемости за счет разуплотнения. В противоположность уплот­ нению положительная динамическая дилатансия более характерна для маловлаж­ ных плотных песков, поскольку коэффициент трения и межчастичная поверхность слишком велики для того, чтобы легкие частицы могли уплотняться под соб­ ственным весом, и практически вся дополнительная кинетическая энергия A K j расходуется на увеличение межчастичного расстояния.

Дилатансия с тем или другим знаком может проявляться несвязным грун­ том в зависимости от его относительной плотности и влажности. При наиболее низких ее значениях грунт демонстрирует положительную дилатансию, и как след­ ствие — небольшое снижение прочности при вибрации. Постепенное увеличение влажности приводит к инверсии реакции — уплотнению и увеличению прочности. Наконец, при степени водонасыщения выше некоторой критической уплотнение сопровождается разжижением грунта.

Из всего вышесказанного следует, что характерным механизмом динамической дилатансии несвязных грунтов является переход части энергии воздействия в форму кинетической энергии колеблющихся частиц, т.е.:

Иными словами, энергия активации структурных связей несвязного грунта по своей форме является кинетической. При этом крупнообломочные грунты и гравели­ стые пески следует считать динамически устойчивыми системами, т. к. для них условие (44) недостижимо при реальных динамических нагрузках, и всегда любое возможное в них А К С Е а . Возникновение же избыточного порового давления в водонасыщенных грунтах является не причиной, а следствием отрицательной динамической дилатансии, и разжижение — лишь возможная форма ее проявления.