Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Прочность и деформируемость грунтов

Введение смазки и резиновых прокладок на штампах образца (P. Lade,

1982; D. Bouvard, 1986;

Ю. Васильев, 1989;) уменьшает неоднородность деA

формаций. Цилиндрическая форма образца

(/ 1)HD=

сохраняется до дефорA

маций, равных 40 %. Локальные деформации близки к общим деформациям.

Влияние геометрических размеров образцов грунта на их механизм

разрушения рассмотрено также в работе Lam (1988). Опыты были выполнены с

образцами песчаного грунта по различным траекториям нагружения: трехосного

сжатия (ТС), трехосного расширения (ТР) и плоскодеформированного сжатия

(

ПДС). Опыты показали, что разрушение коротких образцов по сравнению с

длинными образцами происходит при большей деформации при нагружении в

условиях ТС и ПДС. В то же время, как было отмечено ранее Barden et al. (1966),

Barden (1971), Lade (1982),

наблюдается влияние размеров образцов на

прочность. В большей степени это характерно для условий трехосного

расширения и условий плоскодеформированного состояния. Как видно из рис.

2.58, 2.59

вид связи напряжение – деформация также зависит от /HD.

Уменьшение

/HD

приводит не только к возрастанию предельной деформации,

но и изменению характера самой зависимости, т.е. деформированию без

разупрочнения, что также отмечено в большой обзорной статье Read (1984).

Рис. 2.58. Зависимость деформационного поведения плотного песка для различных

/HD

при нагружении по траектории трехосного сжатия (Bouvard, 1986)

Наблюдаемые различия, возможно, соответствуют различной степени неA

однородности деформаций при различных

HD. При больших

HD полосы

сдвига параллельны плоскости действия максимальных касательных напряжеA

ний, что облегчает деформирование образца.

Испытания при нагружении в условиях ТР с

HD = 0,25A2,0 показывают

на образование трех различных мод деформации.

Полоса сдвига пересекает образец через гибкие границы (резиновая

оболочка) без пересечения жесткой границы (поверхность штампа). Данная

мода деформации наблюдается при

2HD= и более (рис. 2.60).

Глава 2

(а) (б)

(в) (г)

Рис. 2.59. Кривые зависимости напряжение–деформация при нагружении по траектории

расширения для различных мод деформации:

а – мода 3, H/D = 0,25; б – мода 2, H/D = 1,0; в – мода 2, H/D = 2,0; г – мода 1, H/D = 2,0

Рис. 2.60. Влияние отношения

на механизм разрушения песка

Прочность и деформируемость грунтов

Полоса сдвига развивается в направлении верхней и нижней жестких

границ для /12HD=− (см. рис. 2.60).

Полоса сдвига пересекает одновременно верхнюю и нижнюю жесткие

границы. Третья мода деформации наблюдается только при

менее 0,5

(

см. рис. 2.60).

В опытах отмечается значительное влияние

HD на величину прочности

песчаного грунта. Небольшие деформации при разрушении, связанные с

низкими значениями прочности для больших

HD (особенно по траектории

ТР), позволяют предположить, что в данном случае более высокие образцы

(/ 2)HD>

показывают более раннее разрушение. Предельные деформации

(

соответствующие пику напряжений) являются наименьшими при ТР,

промежуточными при ПДС и наибольшими при ТС. Причем величина угла

внутреннего трения для случая ТР почти всегда больше при однородном

деформировании, чем при локализации деформаций. Разница достигает 10°

при одном и том же среднем напряжении. Испытания на ТС дают обратную

зависимость величины угла внутреннего трения, которая при локализации

деформаций на три градуса выше по сравнению с однородным

деформированием.

В работе B. Pradhan (1988) отмечается, что неоднородная деформация

возникает и в условиях простого сдвига:

а) деформации существенно однородны перед разрушением (т.е. до

1max 3

/σσ);

б) одна или две полосы сдвига отчетливо наблюдаются в плотных образцах

песка, в то время как в рыхлых образцах возникает множество менее

выраженных полос сдвига.

После образования полос сдвига соотношения между средними напряA

жениями и средними деформациями, как показано на рис. 2.61, не

представляют истинного распределения напряжений и деформаций внутри и

вне полос сдвига. Точки

на рис. 2.61 представлены средними

значениями

/σσ

=ε −ε

для всего образца, в то время как точки B и

соответствуют локальным значениям внутри и вне полосы сдвига. Локальная

деформация

= 41 % на точке B в полосе сдвига на много больше средней

деформации

= 6 % на точке

B вне полосы сдвига. Деформация сдвига в

зонах вне полосы уменьшается резко изAза упругой разгрузки после пика

напряжений.

Определенное влияние на возникновение неоднородной деформации

оказывает и вид напряженного состояния, реализуемого в испытываемых

образцах грунта. Опыты с изотропно уплотненными образцами каолинита,

выполненные K. Kuntsche (1982), при недренированном нагружении в

условиях плоской деформации показали локализацию деформаций в виде

семейства полос сдвига. Подобный механизм деформирования наблюдается и

Глава 2

в песчаном грунте при нагружении в условиях прямого сдвига (Scarpelli et al.,

1982;

А. Ревуженко и др., 1974). Как правило, в условиях трехосного сжатия

образуется только одна полоса сдвига.

Рис. 2.61. Концентрация деформаций в полосе сдвига (Pradhan, 1988)

До сих пор нет единой точки зрения в решении вопроса: при каких

соотношениях между напряжениями и деформациями наступает локализация

пластической деформации? В рыхлых песках локализация скорее наступает в

области упрочнения. Согласно экспериментальным данным (Сhambon et al.

1984),

в рыхлом и плотном песке локализация проявляется в области

упрочнения, но в рыхлом – на более ранних ступенях деформирования.

Напротив, в работе Ю. Васильева (1989) вообще не отмечено образования полос

сдвига как в рыхлых, так и плотных песках при соблюдении однородных

условий нагружения на границе исследуемого образца. Однако в большинстве

известных работ указывается, что зарождение типичной полосы сдвига

начинается примерно на середине предпиковой части кривой деформирования

рыхлого песка. В опытах, выполненных Vardulakis (1985), с плотными песками

наступление локализации выявлено на ступенях, близких к максимальной

прочности грунта.

Анализ опытов позволяет сделать следующий основной вывод: прочность и

деформационное поведение песчаного грунта в значительной степени

Прочность и деформируемость грунтов

определяются видом механизма разрушения, который зависит не только от

соотношения H/D, но и от вида напряженного состояния.

Таким образом, характер разрушения песка, величина предельной наA

грузки, величина угла внутреннего трения и характер зависимости наA

пряжение–деформация зависят не только от граничных условий, но и от вида

напряженного состояния. Однако в большинстве известных работ предполаA

гается, что характер деформации (моды) зависит только от геометрических

размеров или граничных условий или от совместного их влияния. Если ввести

идеальные граничные условия, т.е. снять трение, обеспечить соосность

нагрузки и образца, то неоднородность деформации будет обусловлена только

геометрическими размерами рассматриваемого элемента среды и видом

напряженного состояния, но не свойствами материала. Данное утверждение

верно для состояния материала с момента возникновения неоднородной

деформации. При деформациях, меньших порога зарождения неоднородA

ности, деформационное поведение определяется свойством материала.

На рис. 2.62, 2.63 показаны результаты измерения деформаций сдвига с

использованием цифровой камеры и метода обработки образов. Сетка,

нанесенная на резиновую оболочку, имеет размер 2×2 мм. Испытания

проводились с нормально уплотненной и переуплотненной глиной (OCR =5).

(а)

Рис. 2.62. Локализация деформаций в образце глинистого грунта:

ω=62 %,

I =

(Higo et al., 2006):

а – фотография образца с сеткой элементов; б – распределение деформаций сдвига

(б)

Глава 2

Рис. 2.63. Сравнение экспериментальных (слева) и расчетных (справа) данных.

Переуплотненная глина (Higo et al. 2006)

Опыты в условиях трехмерной деформации показали, что локализация

деформаций начинается при осевой деформации 8 %. Четыре полосы сдвига

образуются от каждого угла штампа при деформации 12 % на обеих сторонах

прямоугольного образца грунта. Окончательно, при деформации 20 %

отчетливо наблюдаются на поверхности только две полосы сдвига, другие

менее выражены.

Из рис. 2.64 видно влияние скорости нагружения на наклон полос сдвига.

Рис. 2.64. Опыты с нормально уплотненной глиной (Higo et al., 2006)

Прочность и деформируемость грунтов

Рис. 2.65. Динамика развития полос сдвига

Опыты показывают, что при деформации образца грунта, большей пиковой

прочности, в грунте образуется не одна полоса сдвига, а несколько. Полученные

моды деформации зависят также от скорости нагружения образца грунта. При

больших скоростях деформирования (несколько мм/мин) полосы сдвига

развиваются ХAобразно от торцов штампа, при малой скорости деформации

(

менее 0,1 мм/мин) полосы сдвига возникают в центральной части образца с

модой деформации в виде «бочки».

Пороги деформирования

Сыпучие материалы представляют собой совокупность отдельных

минералов (твердых частиц), находящихся в контакте друг с другом. В связи с

этим деформация сыпучих грунтов рассматривается на уровне

взаимодействия минералов (частиц) друг с другом. Макроскопические

деформации, наблюдаемые в сыпучих грунтах, являются следствием

взаимодействия следующих механизмов:

−

сжатия, приводящего к более плотной упаковке частиц с уменьшением

объема грунта;

−

разрушения вследствие сдвига частиц с последующим уменьшением или

увеличением объема грунта.

Результаты экспериментальных исследований указывают (Luong, 1986) на то,

что наинизшая точка на кривой изменения объемной деформации соответствует

постоянному отношению напряжений

13 1 3

()/(2)/qpσ−σ σ+ σ = . Это говорит о

том, что процесс уплотнения сыпучего грунта при сдвиге продолжается до

определенного постоянного отношения напряжений

qp, не зависящего от

начального значения плотности. Данное состояние характеризуется нулевой

скоростью дилатанcии и определяет один из порогов деформирования сыпучего

грунта на участке упрочнения.

Глава 2

При недренированном девиаторном нагружении наблюдается уменьшение

порового давления до нуля с последующим переходом в область отрицательных

значений для плотных песчаных грунтов и переуплотненных глинистых грунтов.

Таким образом, уровень девиаторного нагружения, соответствующий инверсии

скорости изменения порового давления для недренированных испытаний,

определяется однозначно этим же характеристическим порогом (Luong, 1986).

Однако исследования, выполненные D. Bouvard (1986), показывают неA

сколько иную зависимость. На рис. 2.66 представлены результаты изменения

плотности образцов песчаного грунта в процессе деформирования. В общем

случае плотный и рыхлый песок при девиаторном нагружении дилатирует

при больших деформациях с постоянной скоростью. Критическая плотность

явно связана с всесторонним давлением и не зависит от начальной плотности

песка. Плотные образцы дилатируют монотонно до достижения предельной

плотности, в то время как рыхлые образцы уплотняются монотонно до той же

плотности. Оба образца достигают одного и того же состояния пластического

течения, их плотность приближается асимптотически к одному и тому же знаA

чению. В первом случае разупрочнение вызвано дилатанcией, а во втором неA

прерывное упрочнение обусловлено уплотнением при сдвиге.

Рис. 2.66. Изменение плотности песка при нагружении по траектории сжатия:

1 – рыхлый песок; 2 – плотный песок

Прочность и деформируемость грунтов

Таким образом, можно утверждать, что накопление повреждений в пес

чаном грунте явно связано с дилатанcией. Дефекты увеличиваются с ростом

дилатанcии и уменьшаются при упрочнении рыхлого песчаного грунта. Одна

ко их предельные значения, соответствующие критической плотности, долж

ны быть равными в образцах плотного и рыхлого песка, обжатых при одном и

том же всестороннем давлении независимо от начальной плотности грунта.

Принятое нами предположение о том, что разрушение грунта связано с

развитием дефектов его структуры, было высказано в свое время С. Вяловым

(1978) и находило подтверждение в ряде работ других авторов.

В опытах с образцами глинистого грунта (Н. Вильчинская и др., 1984)

исследовалось изменение скорости распространения продольных волн

ходе статического нагружения при постоянном всестороннем давлении.

Прозвучивание образцов выполнялось на частоте 46 кГц. Результаты

испытаний для нормально уплотненного грунта (кривая 1) и для недоуплот

ненного грунта (кривая 2) приведены на рис. 2.67. Авторы разбивают кривые

1 и 2 на три участка, связывая их со стадиями деформирования: упругого,

упругопластического и пластического течения в запредельном состоянии.

Рис. 2.67. Изменение скорости распространения продольных волн

(Вильчинская, 1984)

В связи с тем, что изменение

определяется плотностью образца грунта,

которая в свою очередь является функцией напряжений (деформаций), из

рассмотренного ранее можно сделать следующие выводы.

Процесс уплотнения грунта при сдвиге продолжается до определенного

уровня напряжений с незначительной перестройкой структуры при полной

Глава 2

100

деформации менее одного процента (участок «ОА» на рис. 2.67). Из рис. 2.67

видно, что дальнейшее нагружение приводит к уплотнению недоуплот

ненного и нормально уплотненного глинистого грунта, на что показывает

возрастание скорости продольных волн (участок «АВ»). Однако, как видно из

рис. 2.66, б, возрастание плотности наблюдается только в рыхлых (менее

плотных) образцах грунта вплоть до достижения предельного состояния или

состояния критической пористости, на котором отмечено постоянство

V . В

этом случае можно утверждать, что точка «В» на кривой 2 соответствует

максимальной прочности грунта.

Нагружение плотных образцов приводит к небольшому доуплотнению и

последующему расширению грунта, что характеризуется как ростом

объемной деформации, так и уменьшением плотности грунта. Поэтому

участок «ОАВ» на кривой 1 рис. 2.67 показывает изменение скорости

V при

напряжениях ниже значения q/p, и, следовательно, точка В не соответствует

максимуму на кривой деформирования грунта. Резкое падение

можно

объяснить возникновением нескольких плоскостей сдвига или трещин при

напряжениях, меньших предельных.

Подобные изменения внутренней структуры были обнаружены при на

гружении в условиях трехосного сжатия образцов мягких скальных пород (Lee

et al., 1988). В данной серии опытов в процессе нагружения регистрировалось

изменение проницаемости, которое непосредственно связано с закрытием и

раскрытием пор и микротрещин.

Как видно из рис. 2.68, проницаемость остается неизменной на начальной

стадии сжатия образца. После небольшого возрастания она уменьшается, про

ходя через пик прочности, до минимального значения в области разупрочнения

грунта. Изменение микроструктуры грунта можно разделить на четыре стадии.

Рис. 2.68. Зависимость проницаемости образца на различных уровнях деформации

образцов (Lee et al., 1988)