Что такое гидродинамическое давление

Силы гидродинамического давления

Что такое гидродинамическое давление

На обтекаемые потоком элементы сооружения действуют силы, слагающиеся из касатель­ных и нормальных напряжений. Касательные напряжения направ­лены в сторону течения и практически ощутимы только при весьма больших скоростях.

Нормальные напряжения (давление) обусловлены весом жидкости и изменением направления течения (скоро­сти) при набегании потока на элементы конструкций, при изменении направления течения твердыми границами русла, при встрече с со­оружением волн, свободных струй и др. При срыве вихрей с тела, обтекаемого жидкостью, появляется сила, возбуждающая колеба­ния.

При изменении во времени скорости движения жидкости в на­порном водоводе (например, в процессе открытия или закрытия водовода) возникает гидравлический удар.

Силу гидродинамического давления на конструкцию в потоке, например на опору (гаситель, стойка), определяют по формуле

(2.1)

 
где Сх – коэффициент лобового сопротивления, зависящий от фор­мы обтекаемого водой тела;

  – плотность воды;  

 – площадь миделева сечения;

v – средняя скорость.

При частичном или пол­ном, но незначительном погружении тела под уровень свободной поверхности на величине Wсказывается неуравновешенность сил гидростатического давления, возникающая за счет разности уров­ней до и после тела (перепад), что может быть учтено соответству­ющим значением Сх.
Сила давления на обшивку частично открытого затвора, на но­сок водослива    (рис. 2.2, а), оголовок   водоприемного отверстия, плиту водобоя (рис. 2.2, б) или участок стенки напорного водосбро­са (рис. 2.2, в) определяют по эпюре давления.

При определении давления в некоторой точке поверхности конструкции полное давление удобно представлять в виде суммы гидростатического давления и давления, обусловленного движением жидкости – гидродинамического давления:

               (2.2)

 
Полное давление в данное мгновение определяется как сумма осредненного по времени полного давления р и пульсационной составляющей  р', что с учетом (2.2) дает

      (2.3)

 
где черта над р – знак осреднения.

 
Рис. 2.2 Эпюры гидродинамической  составляющей давления  рдин  потока на элементы конструкций

Гидродинамическое давление рдин и пульсационную составляю­щую р' представляют в долях от скоростного напора

                        (2.4)

                    (2.5)

 
где Ср – коэффициент давления; – коэффициент пульсации.

Коэффициент давления в одних случаях определяют по форму­лам, полученным аналитическим путем, в других – по полуэмпири­ческим формулам или непосредственно из лабораторного экспери­мента.

Величина пульсационной составляющей изменяется во времени от нуля до экстремальных значений, равных амплитуде А пульса­ции давления (половина размаха пульсации).

Случайный характер изменения во времени величины р' требует статистического описа­ния процесса пульсации. Основной характеристикой стационарного процесса пульсации (т. е.

не претерпевающего существенного изме­нения с течением времени) является среднее квадратическое откло­нение  мгновенных значений давления от его среднего или так  называемый стандарт пульсации.

С учетом осреднения давления по площади сила гидродинамиче­ского давления равна

          (2.6)

 
где Р – площадь приложения силы.

В расчет вводится максимально возможное значение р', равное увеличенному в 3-5 раз стандарту пульсации.

В ряде случаев при расчете конструкции на гидродинамическую нагрузку недостаточно знать ее осредненное или максимальное значение. Сила гидродинамического давления действует с некото­рой частотой, вызывает колебания сооружения или его элементов.

Под   воздействием   гидродинамиче­ских нагрузок могут возникнуть автоколебания   (устойчивые незатухающие вынужденные колебания, которые вызываются силовыми им­пульсами, возникающими при взаимодействии конструкции с потоком) или резонанс (при котором частота возмущений совпадает с собствен­ной частотой системы).

При динамическом расчете учи­тывается влияние присоединенной к конструкции массы воды. Задачей динамического расчета является определение деформации, динамиче­ских напряжений и отыскание таких форм и размеров конструкции, при которых исключалась бы возмож­ность возникновения автоколебаний и резонанса.

Способы расчета сил гидродина­мического давления еще не совершенны, что компенсируется введением коэффициента перегрузки в расчетное значение силы.

Неправильный учет динамических нагру­зок может привести к разрушению конструкций, что неоднократно имело место в гидротехнической практике (падение раздельных стенок в нижнем бьефе, разрушение затворов, срыв облицовок, раз­рушение креплений нижнего бьефа и др.).

При равномерном плавно изменяющемся движении жидкости в открытом русле со значительным уклоном давление на дно и стен­ки определяют с учетом влияния уклона. На глубине у, отсчиты­ваемой по вертикали (рис. 2.3), имеем

                (2.7)

Рис. 2.3 Давление воды в откры­том русле со значительным укло­ном (аbс – эпюра давления в сече­нии, нормальном к дну, а'b'с' – эпюра давления в вертикальном сечении)

Источник: http://hydrotechnics.ru/Gidrotekhnicheskie-sooruzheniia-Chast-1/Sily-gidrodinamicheskogo-davleniia

Основы гидродинамики

Что такое гидродинамическое давление

Гидродинамика – раздел гидравлики, в котором изучаются законы движения жидкости и ее взаимодействие с неподвижными и подвижными поверхностями.

Если отдельные частицы абсолютно твердого тела жестко связаны между собой, то в движущейся жидкой среде такие связи отсутствуют. Движение жидкости состоит из чрезвычайно сложного перемещения отдельных молекул.

3.1. Основные понятия о движении жидкости

Живым сечением ω (м²) называют площадь поперечного сечения потока, перпендикулярную к направлению течения. Например, живое сечение трубы – круг (рис.3.1, б); живое сечение клапана – кольцо с изменяющимся внутренним диаметром (рис.3.1, б).

Рис. 3.1. Живые сечения: а – трубы, б – клапана

Смоченный периметр χ (“хи”) – часть периметра живого сечения, ограниченное твердыми стенками (рис.3.2, выделен утолщенной линией).

Рис. 3.2. Смоченный периметр

Для круглой трубы

если угол в радианах, или

Расход потока Q – объем жидкости V, протекающей за единицу времени t через живое сечение ω.

Средняя скорость потока υ – скорость движения жидкости, определяющаяся отношением расхода жидкости Q к площади живого сечения ω

Поскольку скорость движения различных частиц жидкости отличается друг от друга, поэтому скорость движения и усредняется. В круглой трубе, например, скорость на оси трубы максимальна, тогда как у стенок трубы она равна нулю.

Гидравлический радиус потока R – отношение живого сечения к смоченному периметру

Течение жидкости может быть установившимся и неустановившимся. Установившимся движением называется такое движение жидкости, при котором в данной точке русла давление и скорость не изменяются во времени

υ = f(x, y, z)

P = φ f(x, y, z)

Движение, при котором скорость и давление изменяются не только от координат пространства, но и от времени, называется неустановившимся или нестационарным

υ = f1(x, y, z, t)

P = φ f1(x, y, z, t)

Линия тока (применяется при неустановившемся движении) это кривая, в каждой точке которой вектор скорости в данный момент времени направлены по касательной.

Трубка тока – трубчатая поверхность, образуемая линиями тока с бесконечно малым поперечным сечением. Часть потока, заключенная внутри трубки тока называется элементарной струйкой.

Рис. 3.3. Линия тока и струйка

Течение жидкости может быть напорным и безнапорным. Напорное течение наблюдается в закрытых руслах без свободной поверхности.

Напорное течение наблюдается в трубопроводах с повышенным (пониженным давлением).

Безнапорное – течение со свободной поверхностью, которое наблюдается в открытых руслах (реки, открытые каналы, лотки и т.п.). В данном курсе будет рассматриваться только напорное течение.

Рис. 3.4. Труба с переменным диаметром при постоянном расходе

Из закона сохранения вещества и постоянства расхода вытекает уравнение неразрывности течений. Представим трубу с переменным живым сечением (рис.3.4). Расход жидкости через трубу в любом ее сечении постоянен, т.е. Q1=Q2= const, откуда

ω1υ1 = ω2υ2

Таким образом, если течение в трубе является сплошным и неразрывным, то уравнение неразрывности примет вид:

3.2. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости

Уравнение Даниила Бернулли, полученное в 1738 г., является фундаментальным уравнением гидродинамики. Оно дает связь между давлением P, средней скоростью υ и пьезометрической высотой z в различных сечениях потока и выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости. С помощью этого уравнения решается большой круг задач.

Рассмотрим трубопровод переменного диаметра, расположенный в пространстве под углом β (рис.3.5).

Рис.3.5. Схема к выводу уравнения Бернулли для идеальной жидкости

Выберем произвольно на рассматриваемом участке трубопровода два сечения: сечение 1-1 и сечение 2-2. Вверх по трубопроводу от первого сечения ко второму движется жидкость, расход которой равен Q.

Для измерения давления жидкости применяют пьезометры – тонкостенные стеклянные трубки, в которых жидкость поднимается на высоту . В каждом сечении установлены пьезометры, в которых уровень жидкости поднимается на разные высоты.

Кроме пьезометров в каждом сечении 1-1 и 2-2 установлена трубка, загнутый конец которой направлен навстречу потоку жидкости, которая называется трубка Пито. Жидкость в трубках Пито также поднимается на разные уровни, если отсчитывать их от пьезометрической линии.

Пьезометрическую линию можно построить следующим образом. Если между сечением 1-1 и 2-2поставить несколько таких же пьезометров и через показания уровней жидкости в них провести кривую, то мы получим ломаную линию (рис.3.5).

Однако высота уровней в трубках Пито относительно произвольной горизонтальной прямой 0-0, называемой плоскостью сравнения, будет одинакова.

Если через показания уровней жидкости в трубках Пито провести линию, то она будет горизонтальна, и будет отражать уровень полной энергии трубопровода.

Для двух произвольных сечений 1-1 и 2-2 потока идеальной жидкости уравнение Бернулли имеет следующий вид:

Так как сечения 1-1 и 2-2 взяты произвольно, то полученное уравнение можно переписать иначе:

и прочитать так: сумма трех членов уравнения Бернулли для любого сечения потока идеальной жидкости есть величина постоянная.

С энергетической точки зрения каждый член уравнения представляет собой определенные виды энергии:

z1 и z2 – удельные энергии положения, характеризующие потенциальную энергию в сечениях 1-1 и 2-2;
– удельные энергии давления, характеризующие потенциальную энергию давления в тех же сечениях;
– удельные кинетические энергии в тех же сечениях.

Следовательно, согласно уравнению Бернулли, полная удельная энергия идеальной жидкости в любом сечении постоянна.

Уравнение Бернулли можно истолковать и чисто геометрически. Дело в том, что каждый член уравнения имеет линейную размерность. Глядя на рис.3.5, можно заметить, что z1 и z2 – геометрические высоты сечений 1-1и 2-2 над плоскостью сравнения; – пьезометрические высоты; – скоростные высоты в указанных сечениях.

В этом случае уравнение Бернулли можно прочитать так: сумма геометрической, пьезометрической и скоростнойвысоты для идеальной жидкости есть величина постоянная.

3.3. Уравнение Бернулли для реальной жидкости

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости несколько отличается от уравнения

Дело в том, что при движении реальной вязкой жидкости возникают силы трения, на преодоление которых жидкость затрачивает энергию. В результате полная удельная энергия жидкости в сечении 1-1 будет больше полной удельной энергии в сечении 2-2 на величину потерянной энергии (рис.3.6).

Рис.3.6. Схема к выводу уравнения Бернулли для реальной жидкости

Потерянная энергия или потерянный напор обозначаются и имеют также линейную размерность.

Уравнение Бернулли для реальной жидкости будет иметь вид:

Из рис.3.6 видно, что по мере движения жидкости от сечения 1-1 до сечения 2-2 потерянный напор все время увеличивается (потерянный напор выделен вертикальной штриховкой).

Таким образом, уровень первоначальной энергии, которой обладает жидкость в первом сечении, для второго сечения будет складываться из четырех составляющих: геометрической высоты, пьезометрической высоты, скоростной высоты и потерянного напора между сечениями 1-1 и 2-2.

Кроме этого в уравнении появились еще два коэффициента α1 и α2, которые называются коэффициентами Кориолиса и зависят от режима течения жидкости ( α = 2 для ламинарного режима, α = 1 для турбулентного режима ).

Потерянная высота складывается из линейных потерь, вызванных силой трения между слоями жидкости, и потерь, вызванных местными сопротивлениями (изменениями конфигурации потока)

= hлин + hмест

С помощью уравнения Бернулли решается большинство задач практической гидравлики. Для этого выбирают два сечения по длине потока, таким образом, чтобы для одного из них были известны величины Р, ρ, g, а для другого сечения одна или величины подлежали определению. При двух неизвестных для второго сечения используют уравнение постоянства расхода жидкости υ1ω1 = υ2ω2.

3.4. Измерение скорости потока и расхода жидкости

Для измерения скорости в точках потока широко используется работающая на принципе уравнения Бернулли трубка Пито (рис.3.7), загнутый конец которой направлен навстречу потоку.

Пусть требуется измерить скорость жидкости в какой-то точке потока.

Поместив конец трубки в указанную точку и составив уравнение Бернулли для сечения 1-1 и сечения, проходящего на уровне жидкости в трубке Пито получим

где Н – столб жидкости в трубке Пито.

Рис. 3.7. Трубка Пито и pасходомер Вентури

Для измерения расхода жидкости в трубопроводах часто используют расходомер Вентури, действие которого основано так же на принципе уравнения Бернулли.

Расходомер Вентури состоит из двух конических насадков с цилиндрической вставкой между ними (рис.3.7).

Если в сечениях I-I и II-II поставить пьезометры, то разность уровней в них будет зависеть от расхода жидкости, протекающей по трубе.

Пренебрегая потерями напора и считая z1 = z2 , напишем уравнение Бернулли для сечений I-I и II-II:

или

Используя уравнение неразрывности

Q = υ1ω1 = υ2ω2

сделаем замену в получено выражении:

Решая относительно Q, получим

Выражение, стоящее перед , является постоянной величиной, носящей название постоянной водомера Вентури.

Из полученного уравнения видно, что h зависит от расхода Q. Часто эту зависимость строят в виде тарировочной кривой h от Q, которая имеет параболический характер.

Проверить себя ( Тест )

страницы

Источник: http://gidravl.narod.ru/osnovdin.html

Гидродинамическое давление. Перепады давления

Что такое гидродинамическое давление

Гидродинамика рассматривает буровые растворы при их движении (циркуляции в скважине). В этом, наиболее общем случае, к ранее рассмотренным статическим давлением (гидростатическому и избыточному) добавляется гидродинамическое давление.

Окончательное выражение для величины забойного давления, которое должно превалировать над пластовым, будет иметь вид:

Рзаб. = Рг + Рг.дин. + Ризб.

Идентично определяются и суммарные давления в любом сечении скважины.

Доскональное изложение законов гидродинамики не является целью данного учебного пособия. Нас интересуют только сугубо практические отражения этих законов в бурении вообще, а также при предупреждении и ликвидации газонефтеводопроявлений в частности.

Гидродинамическое давление это давление, которое надо приложить к некоторому объёму жидкости для его перемещения по системе трубопроводов от одного сечения системы до другого.

В бурении это давление создаётся буровыми насосами и прилагается к буровому раствору для прокачки его по системе: трубопроводы наземной обвязки – бурильные трубы – УБТ – долото – затрубное кольцевое пространство. Величина гидродинамического давления максимальна в начальном сечении системы, в нашем случае это выкид бурового насоса.

В конечном сечении системы (выкид в жёлоб) гидродинамическое давление имеет нулевое значение. Энергия гидродинамического давления расходуется на преодоление сил трения в трубопроводной системе.

В каждом последующем сечении системы гидродинамическое давление меньше, чем в предыдущем, разница между ними и называется перепадом давленияна участке между сечениями. Физический смысл перепадов давления на конкретных участках гидравлической системы состоит в постепенном поглощении исходной гидравлической энергии буровых насосов на каждом из этих участков.

Проиллюстрируем понятие перепадов давления (рис. 1.4.; 1.5.)

Рис. 1.4. Перепад давления в горизонтальном трубопроводе.

Рис. 1.5. Перепад давления в трубопроводе переменного сечения.

Закон гидродинамики – любое изменение давления в данном сечении циркуляционной системы (закупорка насадки долота, изменение размера отверстия дросселя и т. д.) влечёт за собой идентичное изменение давлений до этого сечения и оставляет неизменным давление после него.

Таким образом, при циркуляции изменение отверстия дросселя на штуцерном манифольде определит давление в любой точке системы, в частности на забое и в устье бурильных труб, потому что дроссель находится в самом конце гидравлической системы. А закупорка насадок долота при сохранении производительности бурового насоса вызовет увеличение давлений в трубном пространстве, но никак не отразится на давлении перед дросселем штуцерного манифольда.

Рассмотрим перепады давления при циркуляции в скважине. Примем давление на стояке за 100%. Тогда ориентировочные процентные составляющие перепадов давления, полученные как расчётным, так и опытным путём, на основных участках скважины составят:

– трубное пространство (наземная обвязка, бурильные трубы, утяжелённые бурильные трубы, долото) – 90%; причём основные потери давления (50 – 70%) приходятся на долото;

– затрубное (кольцевое) пространство – 10%.

Символами это выражается таким образом:

Рст – давление на стояке бурового раствора.

Рст = ( DРБТ + DРД + DРУБТ ) + (DРКП-УБТ + DРКП-БТ), где DР – перепад давления

DРБТ – внутри бурильных труб;

DРУБТ – внутри УБТ;

DРД – в промывочных отверстиях долота;

DРКП-УБТ – в кольцевом пространстве УБТ – скважина;

DРКП-БТ – в кольцевом пространстве БТ – скважина.

Объединив выражения в скобках, получим:

Рст = DРТР.П. + DРК.П. = 0,9 Рст + 0,1 Рст

Для морской скважины с подводным расположением устья (блока превенторов) следует учитывать большую длину линий глушения и дросселирования между дном моря и штуцерным манифольдом на поверхности.

В открытой морской скважине процентное соотношение перепадов давления в трубном и затрубном пространствах близко к отмеченному выше (90% и 10%).

В закрытой морской скважине при циркуляции через линию дросселирования возникнут довольно большие потери давления в линии и в соотношении будут увеличиваться гидравлические перепады в затрубье. Они будут увеличиваться с увеличением глубины моря.

Оценим величину забойного давления в случаях прямой и обратной циркуляции бурового раствора. При прямой циркуляции к гидростатическому давлению столба бурового раствора на забой добавляется гидродинамическая составляющая равная перепаду давления в кольцевом пространстве скважины. Значение этой составляющей » 10% от давления на стояке:

Рзаб.1 = Рг + DРК.П. = Рг + 0,1 ´ Рст

При перемене направления циркуляции на обратное, забойное давление увеличится, поскольку его гидростатическая составляющая теперь будет равна потерям давления в трубном пространстве:

Рзаб.2 = Рг + DРТ.П. = Рг + 0,9 ´ Рст.

Источник: https://studopedia.su/10_152698_gidrodinamicheskoe-davlenie-perepadi-davleniya.html

Основные понятия гидродинамики

Что такое гидродинамическое давление

Гидродинамика

Гидродинамика – раздел гидравлики, в котором изучаются законы движения жидкости и ее взаимодействие с неподвижными и подвижными поверхностями.

В отличие от гидростатики, где основной величиной, характеризующей состояние покоя жидкости, является гидростатическое давление, которое определяется только положением точки в пространстве, т.е. ,в гидродинамике основными элементами, характеризующими движение жидкости, будут два: гидродинамическое давление и скорость движения (течения) жидкости.

Гидродинамическое давление р это внутреннее давление. развивающееся при движении жидкости. Скорость движения жидкости в данной точке и – это скорость перемещения находящейся в данной точке частицы жидкости, определяемая длиной пути l, пройденного этой частицей за единицу времени t.

Движущейся силой при течении жидкостей является разность давлений, которая создается с помощью насосов или компрессоров либо вследствие разности уровней или плотностей жидкости.

Знание законов гидродинамики позволяет находить разность давлений, необходимую для перемещения данного количества жидкости с требуемой скоростью, а значит, и расход энергии на это перемещение, или наоборот определять скорость и расход жидкости при известном перепаде давления.

Задачей гидродинамики и является определение основных элементов движения жидкости р и скорости, установление взаимосвязи между ними и законов изменения их при различных случаях движения жидкости.

Линия тока.

Если в массе движущейся жидкости в данный момент времени t взять какую-либо точку 1(рис. 6), то можно в этой точке построить вектор скорости и1, выражающий величину и направление скорости движения частицы жидкости в данной точке 1в этот момент времени.

В тот же момент времени t можно взять и другие точки в движущейся жидкости, например, точки 2, 3, 4,. в которых также можно построить векторы скоростей u2, u3, и4,… выражающие скорость движения других частиц жидкости в тот же момент.

Можно выбрать точки 1, 2, 3, 4. . . и провести через них плавную кривую, к которой векторы скоростей будут всюду касательны.

Эта линия и называется линией тока.

Таким образом, линией токаназывается линия, проведенная через ряд точек в движущейся жидкости так, что в данный момент времени векторы скорости частиц жидкости, находящихся в этих точках, направлены по касательной к этой линии.

В отличие от траектории, которая показывает путь движения одной частицы жидкости за определенный промежуток времени , линия тока соединяет разные частицы и дает некоторую мгновенную характеристику движущейся жидкости в момент времени t.

Через заданную точку в данный момент времени можно провести только одну линию тока.

Если в данных точках движущейся жидкости величина и направление скорости и гидродинамическое давление с течением времени не изменяются (такое движение называется установившимся), то и линия тока, и траектория частицы, оказавшейся на ней, совпадают и со временем не изменяются. В этом случае траектории частиц являются и линиями тока.

Элементарная струйка.

Если в движущейся жидкости выделить весьма малую элементарную площадку , перпендикулярную направлению течения, и по контуру ее провести линии тока, то полученная поверхность называется трубкой тока, а совокупность линий тока, проходящих сплошь через площадку , образует так называемую элементарную струйку(рис. 7).

Элементарная струйка характеризует состояние движения жидкости в данный момент времени t. При установившемся движении элементарная струйка имеет следующие свойства:

1. форма и положение элементарной струйки с течением времени остаются неизменными, так как не изменяются линии тока;

2. приток жидкости в элементарную струйку и отток из нее через боковую поверхность невозможен, так как по контуру элементарной струйки скорости направлены по касательной;

3. скорость и гидродинамическое давление во всех точках поперечного лечения элементарной струйки можно считать одинаковым ввиду малости площади .

Поток.Совокупность элементарных струек движущейся жидкости, проходящих через площадку достаточно больших размеров, называется потоком жидкости. Поток ограничен твердыми поверхностями, по которым происходит движение жидкости (труба), и атмосферой (река, лоток, канал и т.п.).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/2_39251_osnovnie-ponyatiya-gidrodinamiki.html

Гидродинамическое давление воды

Что такое гидродинамическое давление

При движении потока воды в порах грунта между ним и частицами возникают объемные силы взаимодействия. Равнодействующую этих сил в каждой точке можно разложить на две составляющие: направленную вертикально вверх и действующую по направлению движущегося потока.

Первая составляющая называется взвешивающей (архимедовой) силой и оказывает взвешивающее воздействие на частицы грунта (взвешивание грунта в воде). Вторая – фильтрационная сила – приводит к гидродинамическому давлению движущейся воды на частицы грунта.

Взвешивающие силы обуславливают уменьшение удельного веса грунта ниже уровня подземных вод.

При фильтрации воды через поры грунта вода обтекает отдельные частицы грунта, оказывает на них давление, стремясь их сдвинуть и увлечь с собой. Это давление воды на грунтовые частицы в процессе фильтрации называется гидродинамическим давлением.

Рассмотрим схему движения воды от точки 1 к точке 2 через «грунтовый цилиндр» длиной l и площадью А (рис. 2.12). Движение воды происходит под действием гидравлического градиента .

Составим уравнение проекций на ось цилиндра всех сил, действующих на движущуюся воду в объеме цилиндра: в точке 1 основание цилиндра испытывает давление столба воды высотой и равное , где – плотность воды; в точке 2 основание цилиндра испытывает давление столба воды высотой и равное ; – вес воды в цилиндре, , а проекция его на ось цилиндра – .

Сопротивление фильтрации со стороны грунта равно TАl, где T – сопротивление, отнесенное к единице объема грунта, кН/м3; Аl – объем грунтового цилиндра.

Сумма проекций всех сил на ось цилиндра: . Принимая ;

; , после подстановки в уравнение получим , откуда

. (2.20)

Гидродинамическое давление численно равно сопротивлению давлению воды грунта, но направлено в противоположную сторону:

. (2.21)

Под влиянием гидродинамического давления может происходить вынос частиц из слоя водонасыщенного грунта – суффозия, выпор грунта из-под фундамента, разрыхление грунта дна котлована.

Прочность грунтов

Прочность грунтов – это их способность сопротивляться разрушению. В инженерно-геологических целях важно знать механическую прочность грунтов, т.е.

способность сопротивляться разрушению под воздействием механических напряжений. Если деформационные характеристики определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т.е.

до критических), то параметры прочности грунтов определяются при нагрузках, приводящих к разрушению грунта (т.е. предельных).

Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между частицами, т.е. зависит от прочности структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между частицами грунта, тем выше его прочность в целом.

Установлено, что разрушение грунта происходит при сдвиге одной его части по другой под действием касательных напряжений от внешней нагрузки.

Грунт оказывает при этом сопротивление сдвигающим усилиям: в несвязных грунтах это сопротивление внутреннего трения, а для связных грунтов, кроме того, сопротивление сил сцепления.

Параметры прочности чаще определяют в лабораторных условиях на одноплоскостных приборах прямого среза и стабилометрах. Схема прибора прямого среза изображена на рис. 2.13. Он представляет собой обойму из двух металлических колец, между которыми оставлен зазор (около 1 мм). Нижнее кольцо укреплено неподвижно, верхнее может смещаться горизонтально.

Испытания проводят на нескольких образцах, предварительно уплотненных разными вертикальными давлениями р. Величина нормального напряжения σ от нагрузки уплотнения составит , где A – площадь образца.

Затем ступенями прикладываем горизонтальные нагрузки Т, под действием которых в зоне ожидаемого сдвига развиваются касательные напряжения . При некотором значении наступает предельное равновесие и происходит перемещение верхней части образца по нижней.

За предельное сопротивление грунта сдвигу принимают касательные напряжения от той ступени загружения, при которой развитие деформаций сдвига не прекращается.

При сдвиге (одноплоскостном срезе) прочность грунта зависит от соотношения нормального сжимающего и касательного сдвигающего напряжений, действующих на одной площадке: чем больше вертикальная сжимающая нагрузка на образец грунта, тем большее сдвигающее напряжение надо приложить к образцу для его среза. Взаимосвязь предельных касательных и нормальных напряжений описывается линейным уравнением, представляющим собой уравнение предельного равновесия (закон Кулона)

tgj + c, (2.22)

где – угол внутреннего трения, град; tg – коэффициент внутреннего трения; с – сцепление, МПа. Здесь равен углу наклона прямой в координатах , а величина сцепления с равна отрезку, отсекаемому на оси , т.е. при (рис. 2.14). Для сыпучих грунтов, не обладающих сцеплением (с = 0), закон Кулона упрощается:

tgj . (2.23)

Таким образом, и с являются параметрами прочности грунта на сдвиг.

С углом внутреннего трения в некоторых случаях отождествляется угол естественного откоса , определяемый у несвязных грунтов. Углом естественного откоса называется угол наклона поверхности свободно насыпанного грунта к горизонтальной плоскости. Он формируется за счет сил трения частиц.

При трехосном сжатии прочность грунта зависит от соотношения главных нормальных напряжений и . Испытания производят на приборе стабилометре (рис. 2.15).

Образец грунта цилиндрической формы заключают в водонепроницаемую резиновую оболочку и вначале подвергают его всестороннему гидравлическому давлению, а затем к образцу ступенями прикладывают вертикальное давление, доводя образец до разрушения. Напряжения и получают из опыта.

Испытания на трехосное сжатие проводят по такой схеме соотношения главных напряжений, когда > . В этом случае зависимость строится с помощью кругов Мора, радиус которых (рис. 2.16).

Проводя испытания на трехосное сжатие грунта не менее двух образцов и построив с помощью кругов Мора предельную огибающую к ним вида , согласно теории прочности Кулона-Мора определяют значения и с, которые в условиях трехосного сжатия являются параметрами прочности грунта.

Давление связности (суммарно заменяющее действие сил сцепления и трения) определяется по формуле

ctgj

Для главных напряжений условие Кулона-Мора имеет вид

. (2.24)

2.6.1. Факторы, влияющие на сопротивление грунтов сдвигу

Главной особенностью сопротивления сдвигу несвязных грунтов является отсутствие сцепления. Поэтому сопротивление сдвигу таких грунтов характеризуется углом внутреннего трения или углом естественного откоса , а основными факторами, определяющими прочность несвязных грунтов при сдвиге, будут те, которые влияют на трение между частицами грунта.

Величина сил трения между частицами несвязных грунтов прежде всего зависит от формы частиц и характера их поверхности.

Окатанные частицы обусловливают снижение угла внутреннего трения грунтов за счет уменьшения сил трения и зацепления частиц.

Угловатые частицы с неровной шероховатой поверхностью увеличивают угол внутреннего трения грунта как за счет зацепления, так и за счет повышения сил трения частиц.

На величину угла внутреннего трения в несвязных грунтах влияет и дисперсность. С увеличением дисперсности таких грунтов снижается за счет уменьшения сил зацепления частиц.

Среди других факторов, влияющих на сопротивление сдвигу несвязных грунтов, отметим плотность их сложения (пористость).

В рыхлом сложении пористость больше и угол внутреннего трения будет меньше, чем в том же грунте плотного сложения. Наличие воды в несвязном грунте снижает трение между частицами и угол внутреннего трения.

Особенностью сопротивления сдвигу связных грунтов является присутствие у них сцепления, величина которого меняется в широких пределах.

На сопротивление сдвигу связных грунтов оказывают влияние структурно-текстурные особенности (тип структурных связей, дисперсность, пористость), влажность грунтов.

Связные грунты с кристаллизационными структурными связями обладают более высокими значениями с и , чем грунты с коагуляционными связями.

Влияние текстуры проявляется в анизотропии прочности по разным координатам (в грунтах с ориентированной текстурой сдвиг вдоль направления ориентации частиц происходит более легко, чем поперек их ориентации).

С ростом влажности связных грунтов сцепление с и угол внутреннего трения закономерно снижаются за счет ослабления структурных связей и смазывающего действия воды на контактах частиц.

2.6.2. Нормативные и расчетные деформационные и прочностные характеристики грунтов

Грунты в основании фундаментов неоднородны. Поэтому определение какой-либо его характеристики по исследованию одного образца дает только частное значение. Для определения нормативных характеристик грунта проводят серию определения каждого показателя. Нормативные значения модуля деформации грунтов определяются как среднеарифметические величины от общего числа определений:

, (2.25)

где n – число определений; – частное значение характеристики.

Нормативные значения прочностных характеристик – угла внутреннего трения и сцепления – определяются после построения графиков сопротивления грунта сдвигу.

Результаты серии опытов на сдвиг аппроксимируют прямой с использованием для обработки экспериментальных данных метода наименьших квадратов.

При этом число определений сопртивлений сдвигу при одном уровне нормальных напряжений должно быть не менее шести.

Нормативные значения прямой и находим по формулам

; (2.26)

tg , (2.27)

где n – число определений сопротивления грунта сдвигу при напряжении ;

. (2.28)

Расчетные характеристики сопротивления сдвигу вычисляют по формулам

; , (2.29)

где и – средние квадратические отклонения определяемой характеристики.

Средние квадратические отклонения для С и вычисляют по формулам

; (2.30)

, (2.31)

где , а определяется по формуле (2.28).

Значения зависят от доверительной вероятности . Доверительная вероятность принимается в расчетах оснований по несущей способности, равной 0,95, а в расчетах по деформациям – 0,85.

Для грунтов оснований опор мостов и труб под насыпями при расчетах оснований по несущей способности , а по деформациям .

Расчетные значения характеристик грунтов с и для расчетов по несущей способности обозначаются и , а по деформациям – и .

Контрольные вопросы

1.Какие виды деформаций и какие процессы происходят в грунте при действии на него нагрузки?

2.Что называется коэффициентом поперечного расширения и бокового давления грунта?

3.Какие характеристики сжимаемости грунтов определяют при компрессионных испытаниях грунта?

4.Какими методами можно определить модуль деформации грунта?

5.Что называется гидродинамическим давлением?

6.Какие показатели характеризуют прочность несвязных и связных грунтов?

7.Какими методами определяют прочность грунтов?

8.Назовите факторы, влияющие на угол внутреннего трения грунта.

9.Что принимаем за угол естественного откоса песка?

10.Запишите условие предельного равновесия песка.

11.Запишите закон Кулона для связных грунтов. Назовите входящие в него параметры.

Предыдущая3456789101112131415161718Следующая

Дата добавления: 2016-01-09; просмотров: 3876; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/6-46104.html

ПроГипертонию
Добавить комментарий