Исследование статического напряжения сдвига вязкопластичных пластин селевых смесей на моделях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ МНОГОФАЗНЫХ СРЕД.

1.1. Математические модели многофазной среды.

1.2. Существующие методы определения предельного напряжения сдвига селевых смесей.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА ВЯЗК01ШАСТИЧНЫХ ДВУХФАЗНЫХ СМЕСЕЙ

2.1. Постановка задачи, рабочая модель селевой смеси.

2.2. Техника и методика проведения экспериментов

2.3. Влияние граничных условий на измерительной поверхности.

2.4. Исследование статического напряжения сдвига монодисперсных смесей.

2.5. Влияние осреднения диаметров частиц твердой фазы.

2.6. Влияние неоднородности "дисперсионной" среды

2.7. Методика расчета статического напряжения сдвига полидисперсных смесей.

2.8. Интерпретация экспериментальных данных.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА СЕЛЕВЫХ СМЕСЕЙ.

3.1. Методика определения. Контрольные опыты.

3.2. Обоснование необходимости измерения статического напряжения сдвига селевой суспензии

3.3. Пределы существования пластических свойств селевой смеси.

3.4. Роль кулоновского трения в природе статического напряжения сдвига селевой вязкопластичной смеси и при ее движении.

3.5. Апробирование методики расчета статического напряжения сдвига селевых смесей по натурным данным о селях

Селями называют возникающие в горах потоки, состоящие из смеси воды и рыхлообломочной породы, включающей в себя глинистые, пылеватые, песчаные и более крупные обломки грунта. В зависимости от состава и плотности различают три типа селевых потоков: наносоводные, грязевые и грязекаменные. Селевые потоки обычно возникают или при прорыве моренных озер, или в результате ливней. В обоих случаях они характеризуются как внезапные и сравнительно кратковременные стихийные явления. Прохождение селей наблюдается во всех горных районах в весеннелетний период. Ущерб, наносимый селями людям и народному хозяйству, трудно оценить, особенно, если учесть, что их прохождение часто сопровождается и человеческими жертвами. В качестве примера достаточно вспомнить известные катастрофические сели Заилийского Алатау. Селевой поток I92I года, возникший в верховьях Малой Алматинки, прошел через город Алма-Ату двухсотметровой полосой и перенес приблизительно 2 млн. м грязекаменной массы 10 уничтожив все на своем пути. Следы его в виде отдельных валунов остались в городе до настоящего времени, Иссыкский сель 1963 года в воскресный день уничтожил озеро Иссык, зону отдыха алмаатинцев, и разрушил часть районного центра Иссык. Расход его оценивается II в 7 i 3 тыс. MVC. Сель 1973 года на Малой Алматинке, остановленный плотиной на Медео, по оценке специалистов примерно за десять минут принес в селехранилище 3,8 млн. м грязекаменной массы II разрушил мосты, селезащитные сооружения, дороги, турбазу. В отсутствии плотины вся массы дошла бы до города, последствия чего могли быть более катастрофичными, чем в I92I году. Селевой поток 1977 года, прошедший по бассейну Большой Алматинки, занес всю долину реки грязекаменной массой, разрушил мосты, линию электропередачи, канализационные и водозаборные сооружения, в результате чего в городе несколько дней были перебои с водой. Объем его оценивается приблизительно в 3 2 млн, м 57 Менее мощные сели проходят практи»* чески казвдый год, разрушая жилые дома, дороги, уничтожая посевы сельскохозяйственных культур в различных районах страны. Благодаря научно-техническому прогрессу, с калу[Ц!Ш годом все активней происходит освоение горных районов, прежде мало посещаемых. Примером можео; служить строительство БАМ, проводящееся в селеопасной зоне. Поэтоцу, хотя частота прохождения селей год от года может и не увеличиваться, ущерб, наносимый ими, может возрастать. Соответственно возрастает значение борьбы с селями и необходимость селезащитных мероприятий. Актуальность этой проблемы вызвала принятие Советом Министров СССР специального постановления (от 7 марта 1978 года, 183) "О мерах по улучшению защиты населенных пунктов, предприятий, других объектов и земель от селевых потоков, снежных лавин, оползней и обвалов". В соответствии с этим постановлением активизировались работы по защите от селей, что потребовало значительных финансовых и других материальных затрат. Проведение рациональных селезащитных мероприятий, повышение их надежности и эффективности стало делом государственной важности в связи с указанными ХХУ и ХХУ1 Съездами КПСС основными направлениями экономического развития: 5 переводом экономики на интенсивный путь развития, необходимостью всемерной экономии всех видов ресурсов. Рациональность, надежность и эффективность противоселевых мер в большой степени определяется научным уровнем расчетно-нормативных документов для проектирования и строительства селезащитных сооружений. Создание научно-обоснованных методов расчета характеристик селей может быть основано только на всесторонних исследованиях и требует углубленного изучения физических, механических, в частности, реологических свойств селей. Активное, систематическое изучение селей в СССР началось с 1948 года после создания при Академии наук специальной селевой комиссии и сети селевых

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных экспериментальных исследований разработан достаточно универсальный метод определения величины статического напряжения сдвига-параметра состояния вязкоплас-тичных селевых смесей.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Создан метод расчета статического напряжения сдвига вязкопластичных селевых смесей с учетом полидисперсности твердой фазы и минералогического состава мелкодисперсных частиц.

Метод создан с использованием принципа мультипликативности, на основе выявленных, в результате экспериментальных исследований на моделях, закономерностей формирования пластических свойств селевых смесей.

Проверка метода расчета с учетом его точности показала удовлетворительное согласование рассчитанных значений статического напряжения сдвига селевых смесей с натурными данными.

2. Разработана методика определения диапазона плотностей селевых смесей ( на примере Заилийского Алатау ), в котором свойство пластичности является существенным, а для описания селей применима модель вязкопластичной среды.

3. Разработана простейшая модель расчета профиля свободной поверхности селевой смеси в селехранилище, основанная на предположении, что уклон свободной поверхности определяется силой тяжести и статическим напряжением сдвига.

В результате работы установлены следующие закономерности:

I. Величина статического напряжения сдвига монодисперсных смесей глинистой суспензии и грунтовых частиц возрастает по мере роста концентрации и уменьшения диаметра частиц твердой фазы.

Начиная с концентрации 0,3 наблюдается влияние формы частиц.

2. Статическое напряжение сдвига смесей инвариантно относительно шероховатости поверхности сдвига, когда выступы шероховатости больше, чем диаметры частиц твердой фазы,

3. Замена совокупности полидисперсных частиц совокупностью монодисперсных частиц, характеризуемых средневзвешенным диаметром и той же концентрацией частиц, приводит к завышению величины статического напряжения сдвига смеси тем большему, чем выше концентрация частиц. При концентрации частиц менее 0,15 и различии между диаметрами наименьших и наибольших частиц в десять раз этим завышением можно пренебречь.

Суспензию мелких частиц практически можно считать однородной дисперсионной средой при определении относительного статического напряжения сдвига смеси, содержащей мелкие и крупные частицы, когда концентрация этих частиц меньше 0,11.

5. Сопротивление высокоплотных грязекаменных селей преимущественно определяется пластичностью и вязкостью, а роль кулоно-ва трения второстепенна.

Практическая значимость.

Получена методика расчета статического напряжения сдвига, позволяющая определять этот параметр для селевых смесей с различным составом твердой фазы. В соответствии с этой методикой вычислены характерные значения статического напряжения сдвига селевых смесей Заилийского Алатау.

Разработана методика измерения статического напряжения сдвига селевых суспензий с использованием прибора " СНС-2 выпускаемого для измерения статического напряжения сдвига глинистых суспензий. С ее помощью определены значения статического напряжения сдвига селевых суспензий для некоторых селевых бассейнов страны.

Знание величины статического напряжения сдвига способствует более глубокому пониманию механики селей и позволяет получить замкнутое решение задач, связанных с определением: критических условий возникновения селей; критических условий движения селей на данном уклоне; зоны остановки селей; транспортирующей способности селей; объема отложений при движении селя, аккумулирующей емкости селехранилищ и др.

Знание достоверных величин характеристик селей в итоге дает возможность проведения рациональных селезащитных мероприятий. На основании результатов исследования составлена инструкция по определению статического напряжения сдвига селевых смесей, которая включена в проект "Руководства по изучению селей".

В заключение отметим некоторые возможные пути дальнейшего развития исследования. На основе изучения физической сущности формирования свойства пластичности необходимо попытаться выявить закономерности изменения величины предельного статического напряжения сдвига селевой суспензии при изменении ее состава в процессе движения селя. Развивая экспериментальные методы исследования, следует изучить влияние скорости деформирования на свойство пластичности смесей. Изучая взаимодействие селевой суспензии с веществами типа полимера " агросоук ", обладающими способностью связывать воду в количестве намного превышающем их собственную массу, представляется возможным научиться изменять реологические свойства селя и посредством этого управлять его движением.

1. Андрее У.Д. Равновесие и движение сферы в вязкопластичнойжидкости. Докл. АН СССР, I960, т. 133, № 4, с. 777780.

2. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат,1981. 464 с.

3. Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Ротационные приборы. Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов. М.: Машиностроение, 1968. - 272 с.

4. Беручашвили Г.М. Метод определения максимальных расходовселевых потоков в момент их возниновения. В кн.: Проблемы противоселевых мероприятий, 1979, с. 40-55.

5. Беручашвили Г.М., Кокоришвили В.И. Некоторые результатыисследования селевых потоков. Труды КазНИГМИ, 1969, вып. 33, с. 42-62.

6. Бондаренко Н.Ф. Физика движения подземных вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 214 с.

7. Бухин М.Н., Онищук В.В. Определение неразмывагощих скоростейдля неоднородных несвязных грунтов. Эрозионные и селевые процессы и борьба с ними, 1978, сб. 6, с. 19-20.

8. Вардугин В.Н. Основные физико-механические свойства селеформирующих грунтов и селевых отложений в бассейне р. Чемолган. Селевые потоки, 1976, сб. I, с. 25-35.

9. Вардугин В.Н. Гранулометрический состав рыхлообломочных породв селевых очагах и на конусах выноса. Селевые потоки, 1977, сб. 2, с. 94-106.

10. Виноградов Ю.Б. Этюды о селевых потоках. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 144 с.

11. Виноградов Ю.Б. Гляциальные прорывные паводки и селевыепотоки. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 153 с.

12. Виноградов Ю.Б. О структуре и динамике селевой массы.

13. Селевые потоки, 1977, сб. 2, с. 3-25.

14. Виноградов Ю.Б. Динамический рельеф грязекаменного потока.

15. Селевые потоки, 1978, сб. 3, с. I0I-I09.

16. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978. 447 с.

17. Гавришина Л.Н., Степанова Т.С. Применение киносъемки дляизучения кинематики селевого потока. Селевые потоки, 1978, сб. 3, с. 96-101.

18. Гавришина Л.Н. Исследование кинематики селевого потока сцрименением кинометода. Селевые потоки, 1980, сб. 5, с. 72-77.

19. Гавришина Л.Н. К определению реологических свойств селевой массы. В кн.: Тезисы докл. ХУ1 Всесоюзной конференции по методам расчета и прогноза селевых потоков. -М., 1981, с. I70-I7I.

20. Гавришина Л.Н. О природе пластичности селевой смеси и пре» делах ее существования. Селевые потоки, 1984, сб. 8, с.42-52.

21. Гавришина Л.Н. К оценке погрешности методики расчета ста»тического напряжения сдвига селевой смеси. Селевые потоки, 1984; сб. 8, с. 118-124.

22. Гавришина Л.Н. К методике расчета статического напряжениясдвига селевой массы. Селевые потоки, 1982, сб. 6, с. 5-14.

23. Гавришина Л.Н., Степанов Б.С. К определению сопротивлениядвижения тела в вязкопластичной среде. Селевые потоки, 1982, сб. 6, с. 15-20.

24. Гавришина Л.Н. К определению аккумулирующей емкости селехранилища и естественной зоны выноса селевого потока. Селевые потоки, 1983, сб. 7, с. 53-55.

25. Гагошидэе М.С. Селевые явления и борьба с ними. Тбилиси:

26. Сабчота Сахартвело. 1970. - 386 с.

27. Гальперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техникипсевдоожижения. М.: Химия, 1967. - 664 с.

28. Голубев Д.А. Современные представления о физической сущностипристенного эффекта и возможные пути их уточнения методами математического эксперимента. - Проблемы нефти и газа Тюмени, 1980, вып. 47, с. 36-41.

29. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов: (напряженнодеформативные и прочностные характеристики). М.: Стройиздат, 1979. - 304 с.

30. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М.: Изд-волитературы по строительству, 1971. 367 с.

31. Григорян С.С. Новый закон трения и механизм крупномасштабных горных обвалов и оползней. Докл. АН СССР, 1979, т. 244, № 4, с. 846-849.

32. Дюнин А.К., Борщевский Ю.Т., Яковлев Н.А. Основы механикимногокомпонентных потоков. Новосибирск: изд-во АН СССР, 1965. - 74 с.

33. Есенов У.Е., Деговец А.С. Селевые потоки 1977 г. на рекезащиты

34. Большая Алматинка и задачи города Алма-Аты. В кн.: Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1979, с. 213-222.

35. Луховицкий С.Ю. Промывочные жидкости в бурении. М.: Недра,1976. 200 с.

36. Зуйков Ю.П., Кузнецов Б.Г. Учет энергии микродвижениймногокомпонентных сред. В кн.: Некоторые проблемы вычислительной и прикладной математики. - Новосибирск, • 1975, с. 146-154.

37. Иванов Г.В. Некоторые свойства грязекаменных потоков и новый способ их изучения. В кн.: Материалы У Всесоюзного совещания по изучению селевых потоков и мер борьбы с ними. Баку, 1962, с. 223-224.

38. Кавецкий С.П. Об искусственном воспроизведении селей в природных условиях В кн.: Селевые потоки и меры борьбы с ними— М.; 1957, с. 200-205.

39. Калоша В.К., Лобко С.И., Чичикова Т.С. Математическая обработка результатов эксперимента. Минск: Высшая школа, 1982. - 103 с.

40. Касьянов Н.Н., Донецкий В.Н., Измайлов Г.А. К вопросу овлиянии величины зазора на показания ротационного вискозиметра. Известия ВУЗов, Нефть и газ, 1966, № 12, с. 79-82.

41. Кизевальтер Б.В. Теоретические основы гравитационных процессов обогащения. М.: Недра, 1979. - 295 с.

42. Киренская Т.Л., Хонин Р.В., Чиркин Ю.Н. 0 селевых потокахв бассейне р. Кокчека. Труды КазНИГМ, 1969, вып. 33, с. 63-72.

43. Киренская Т.Л., Степанова Т.С., Балабаев Ф.Г. Чемолган-78. *

44. Селевые потоки, 1980, сб. 5, с. 64-71.

45. Киренская Т.Л., Степанов Б.С., Хонин Р.В. Селевой поток вбассейне р. Большая Алматинка 19 августа 1975 г. Селевые потоки, 1977, сб. 2, с. II5-II9.

46. Классен В.И. и др. Реологические свойства ферросилициевыхсуспензий и методы их измерения. М.: Недра,1972. III с.

47. Коляда М.С. Исследование сквозных селеуловителей. Труды

48. Гидропроекта, 1972, сб. 23, с. 80-88.

49. Крайко А.Н., Нигматуллин Р.И., Старков В.К., Стернин Л.Е.

50. Механика многофазных сред. Гидромеханика, 1972, т. б, с. 93-157.

51. Кузнецов Б.Г. Об уравнениях гидродинамики многофазных сис*тем. Численные методы механики сплошной среды. 1973, т. 4, № I, с. 56-70.

52. Кульчицкий Л.И., Усьяров О.Г. Физико-химические основыформирования свойств глинистых пород. М.: Недра, 1981. - 178 с.

53. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и ихматематические модели. М.: Наука, 1973. - 416 с.

54. Лаптев В.И. Описание селевого потока 3-4 августа 1977 г.4в бассйне рек Кумбельсу и Большой Алматинки. Селевыепотоки, 1980, сб. 5, с. 55-59.

55. Мирзаджанзаде А.Х., Мирзоян А.А., Гевинян Г.Н. Сеид-Рза М.К.

56. Гидравлика глинистых и цементных растворов. М.: Недра, 1966. - 298 с.

57. Михайлова Н.А. Перенос твердых частиц турбулентными потоками воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 234 с.

58. Нигматуллин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.:1. Наука, 1978. 336 с.

59. Овчинников П.Ф., Круглицкий Н.Н., Михайлов Н.В. Реологиятиксотропных систем. Киев: Наукова Думка, 1972. -120 с.

60. Огибалов П.М., Мирзаджанзаде А.Х. Механика физическихпроцессов. М.: Изд-во МГУ, 1976. - 370 с.

61. Огибалов П.М., Мирзаджанзаде А.Х. Нестационарные движениявязкопластичных сред. М.: Изд-во МГУ, 1970. - 415 с.

62. Осипов В.И. Природа прочностных и деформационных свойствглинистых пород. М.: Изд-во МГУ, 1979. - 235 с.

63. Осипова Н.А. Расчетные характеристики и нормы проектирования противоселевых сооружений. (Дискуссия). В кн.: Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1979, с. 84-91.

64. Попов В.И., Степанов B.C., Мочалов В.П. и др. Селевыеявления 3-31 августа 1977 г. в бассейне р. Большая Алматинка. Селевые потоки, 1980, сб. 4, с. 57^63.

65. Пруидзе Д.К. К вопросу определения схода-срыва и остановки связных селевых потоков; Автореф. Дисс. канд-географ. наук. - Тбилиси, 1979. - 24 с.

66. Рахматулин Х.А. Основы газодинамики взаимопроникающих движений сжимаемых сред. ПММ, 1956, 20, #2, с. 184-195.

67. Рейнер М. Деформация и течение. М.: Гостоптехиздат,1963. 381 с.

68. Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965. - 223 с.

69. Руководство по изучению селевых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 144 с.- 153

70. Рябченко В.И. Исследование процессов пластично-вязкого течения тиксотропных промывочных дисперсий.: Автореф. дисс. докт. хим. наук. Киев, 1974. - 49 с.

71. Сергеев Е.М., Голодковская Г.А., Зиангиров Р.С., Осипов В.И.,

72. Трофимов В.Г. Грунтоведение. М.: Изд-во МГУ, 1971. - 596 с.

73. Сергеев Е.М. Проблемы классификации в грунтоведении.

74. Вопросы инженерной геологии и грунтоведения, 1978, вып. 4, с. 5-15.

75. Смирнов И.П. Экспериментальные исследования элементов селевых паводков в натурных условиях. Труды КазНИГШ , 1957, вып. 9, с. 17-31.

76. Степанов Б.С. Основные характеристики селевых потоков иселевой массы. Методы измерений. М.: Гидрометеоиэдат, 1982. - 136 с.

77. Степанов Б.С. Механизм поддержания равномерной концентрациитвердой составляющей в селевой массе. Селевые потоки, 1980, сб. 5, с. 13-16.

78. Степанова Т.С., Хонин Р.В., Кржечковская Н.И., Хайдаров А.Х.

79. Результаты эксперимента по воспроизведению селевого потока в бассейне р. Чемолган в 1976 г. Селевые потоки, 1978, сб. 3, с. 86-91.

80. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971.536 с.

81. Стреленя Л.С., Карманов К.А. Методика определения реологических параметров буровых растворов. Нефтяное хозяйство, 1979, № 8, с. 14-18.

82. Тевзадзе В.И. Результаты экспериментальных исследованийпо определению основных реологических характеристик связных селевых потоков. Селевые потоки, 1983, сб. 7, с. 75-83.

83. Тябин Н.В. Течение вязко-пластической среды по наклоннойповерхности и в канале полукруглого сечения. Труды Казанск. хим.-техн. инс-та, 1951, вып. 15, с. 122-124.

84. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир,1972. 440 с.

85. Флейшман С.М. Сели. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 301 с. 77.Франкль Ф.И. О системе уравнений движения взвешенных наносов. - В кн.: Исследования максимального стока волнового воздействия и движения наносов. - М., I960, с. 132137.

86. Фрисман М.А., Сафонов Ю.И. Исследование процессов миграции частиц в зазоре ротационного вискозиметра. В кн.: Автоматизация, механизация и оборудование процессов целлюл/5умажного производства. - Л, 1979, с, 100-105.

87. ФудзшТ., Дзако М. Механика разрушения композиционныхматериалов. М.: Мир, 1982. - 232 с.

88. Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах

89. Рейнольдса М.: Мир, 1976. - 631 с.

90. Хонин Р.В., Керемкулов В.А., Мочалов В.П. Третий эксперимент по искусственному воспроизведению грязекамен-ного потока. Селевые потоки, 1977, сб. 2, с. 57-63.

91. Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению имеханике грунтов. М.: Недра, 1975. - 302 с.

92. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир,1972. 381 с.

93. Шищенко Р.И., Есьман Б.И., Кондратенко П.И. Гидравликапромывочных жидкостей. М.: Недра, 1976. - 294 с.

94. Farris R.T. Prediction of the viscosity of multimodal suspensions from unimodal viscosity data.- Trans.Soc. Rheol., 1968, vol.12, No.2, p.281-501.

95. Rodine S.D., Johnson A.M. The ability of debris, heavily freighted with coarse elastic materials, to flow on gentle slopes.- Sedimentology, 1976, 23, p.213-234.

96. Sweeny K.H., Geckler R.D. The rheology of suspensions.-Journal of Applied Physics, 1954, vol.25, p.II35-11^.

97. Takahashi Tamotsu. Debris flow on prismatic open channel.- Journal Hydraul. Div. Proc. Amer. Soc. Civ. Eng.,1980, vol.106, No.J, p.381-396.

98. Takahashi Tamotsu. Debris flow. Annu. Rev. Fluid.

99. Mech., Palo. Alto. Calif., 1981, vol.15, p.57-77.

100. Ward Timothy, 0 Brien. Hydraulic and rheologic modelling of mud gnd grain flows. J.S. IAHS-AISH Publ.,1981, No.132, p.269-286.1. Примечание

101. Результаты диссертации опубликованы в работах /17-22/. В работе /21/ соавтор Степанов B.C., как один из научных руководителей, принимал участие в постановке экспериментов и анализе полученных результатов.

102. Основные экспериментальные исследования проведены лично автором.