Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Механические испытания грунтов

141

σ=

ε=

, (3.7)

где

,σε

– осевое напряжение и осевая деформация, соответственно;

l – начальные значения площади поперечного сечения и длины образца.

Как видно из рис. 3.13, во всех рассмотренных случаях напряженноA

деформированное поведение материала практически до 50 % от предельной

нагрузки не зависит от отношения длины образца к его диаметру. В то же

время, уменьшение

HD приводит к увеличению предельной нагрузки.

Рис. 3.13. Влияние размеров образцов и их формы на напряженно деформированное

поведение мрамора в условиях одноосного сжатия

(Read et al., 1984)

Опыты, результаты которых представлены на рис. 3.14, были выполнены с

цилиндрическими образцами при кинематическом нагружении вплоть до

состояния разупрочнения. Из рис. 3.14 видно, что до определенной величины

деформации напряженноAдеформированное поведение не зависит от

геометрии и размера образцов. При дальнейшем нагружении, ближе к

Глава 3

142

предельному состоянию, наблюдается сильная зависимость напряженноA

деформированного состояния от геометрии и формы образцов, которая

увеличивается с ростом деформации. Выполненные одновременно исследоA

вания микроструктуры в длинных образцах показали возникновение

локальных вертикальных микротрещин в центральной части образцов, что

приводит к уменьшению площади поперечного сечения. В коротких

образцах

(/ 1/3)HD=

вертикальные трещины однородно распределяются по

всей высоте.

Рис. 3.14. Влияние H/D на различие между истинным

и видимым напряженноAдеформируемом поведением:

а – большое отношение H/D; б – малое отношение H/D

Для случая малых деформаций в механике сплошной среды принимается,

что все решения справедливы, если:

–

распределение напряжений и деформаций однородно в рассматA

риваемом элементе среды (испытуемый образец);

–

однородное распределение деформаций должно быть в любой момент

нагружения элемента (образца);

–

геометрия элемента (образца) не должна существенно изменяться в ходе

его нагружения.

Если одно из этих условий не выполняется при испытании образцов

материалов, то надо с осторожностью использовать результаты подобных

испытаний при выводе определяющих уравнений.

Зависимости, приведенные на рис. 3.13, получены с использованием

выражений (3.7) при неизменной площади поперечного сечения образца.

Однако опыты показывают, что площадь поперечного сечения изменяется в

процессе нагружения и, следовательно, истинное напряженноAдеформиA

рованное состояние следует определять с учетом изменения площади

поперечного сечения.

На рис. 3.14 показаны результаты испытания двух образцов с разным

отношением /HD. Для малых значений

HD уменьшение площади

поперечного сечения незначительно, у образцов же с большим отношением

/,HD

различие между наблюдаемым и истинным деформируемым повеA

Механические испытания грунтов

143

дением существенно. Образцы с малой высотой

(/ 1/3)HD=

не показывают

разупрочнения в процессе нагружения, по всей видимости, изAза значиA

тельного влияния сил трения между образцом и штампами.

У высоких образцов площадь поперченного сечения в процессе

нагружения изменяется значительно и сопровождается падением показаний

усилия, прикладываемого к нагрузочным штампам, в то время как истинные

напряжения увеличиваются. Исследования показывают, что наблюдаемый

эффект разупрочнения не является истинным свойством материала, скорее

всего, это результат неучтенного изменения площади поперечного сечения в

процессе деформирования.

Этот вывод подтверждается также опытами Brady et al. (1973). Из рис. 3.15

видно, что предельное значение истинного напряжения не меняется с ростом

деформации, в то время как без учета изменения площади поперечного

сечения неупругое деформирование сопровождается разупрочнением с падеA

нием напряжений до остаточного значения.

Рис. 3.15. Идеализация напряженноAдеформированного поведения скальной породы в

допредельном и запредельном состоянии (Brady et al., 1973):

1 –

стальной штамп; 2 – неразрушенная порода; 3 – разрушенная порода; 4 – макA

ротрещина

Результаты испытаний образцов грунта в условиях трехосного сжатия при

кинематических условиях нагружения также свидетельствуют о влиянии

граничных условий на исследуемое деформируемое поведение образцов

грунта. Опыты с использованием радиографии (Deman, 1975), выполненные с

плотным песком, показывают на неоднородный характер деформации изAза

образования зон уплотнения у нагрузочных штампов и разуплотнения грунта

в центральной части образцов. Уменьшение сил трения на контакте штамп –

грунт (рис.3.16) приводит к изменению характера деформирования, в обоих

Глава 3

144

случаях наблюдается пик напряжений, но разупрочнение более выражено для

шероховатой границы.

Рис. 3.16. Влияние трения между грунтом и нагрузочным штампом

на характер деформации образцов плотного песка

В опытах даже при наличии идеальных граничных условий на контакте

штамп – образец грунта (введение смазки) и при начальном однородном

физическом состоянии наблюдается неоднородная деформация, причем

различной формы.

Эти формы деформации можно классифицировать следующим образом

(

рис. 3.17):

–

однородная деформация;

–

дефомирование в виде «бочки»;

–

выпучивание в верхней или нижней части образца;

–

образование полос сдвига.

Неоднородность деформации возникает при различных величинах осевой

деформации в образцах песчаных и глинистых грунтов. В плотном песке

неоднородное деформирование начинается при деформации, не превыA

шающей 0,5 %, при деформации 1A3 % напряжения достигают максимального

значения.

Механические испытания грунтов

145

Рис. 3.17. Моды (форма) однородной и неоднородной деформации

(Hettler et al., 1984):

а – однородная деформация; в – выпучивание; б – бочкообразование; г – полоса сдвига

Исследования, выполненные Rowe and Barden (1964), Bouward and Stutz

(1986),

показали, что неоднородность деформации зависит от отношения

высоты к диаметру и минимальна при их отношении 2:1. При отношении 1:1

наблюдается резко выраженное образование полос сдвига.

В большинстве конструкций приборов для испытания грунтов предA

полагается, что нагрузочный штамп и основание являются гладкими, нагруA

зочный штамп в процессе деформирования образца грунта перемещается

плоскопараллельно без вращения. Последнее допущение не выполняется в

стабилометрах типа А. При нагрузке, близкой к предельной по прочности,

наблюдается поворот нагрузочного штампа, что при дальнейшем деформиA

ровании приводит к несоосности между главными напряжениями и деформаA

циями и, как следствие, возникновению неоднородности деформаций.

Неоднородность деформации может быть обусловлена различной степенью

горизонтальной деформации образца в зоне, примыкающей к нагрузочным

штампам, и в центральной части образца грунта. Вследствие чего деформации

концентрируются в центральной части образца, что сопровождается видимым

его расширением с образованием бочкообразной формы. Для снижения

данного явления используются два приема. Первый заключается в увеличении

отношения высоты образца к его диаметру

HD в интервале 1,5A3,0. ПредполаA

гается, что это приводит к резкому снижению влияния трения на контакте

штамп – образец на прочность исследуемых грунтов. ГОСТ 12248A96

рекомендует испытывать образцы с

12HD=−. Второй способ заключается в

том, что между образцом и нагрузочным штампом помещается два или три слоя

латексных дисков с силиконовой смазкой. Последний метод часто применяется

на практике, так как не требует конструктивных изменений в приборах (Frost,

2004; Yang, 2003).

Исследования показывают, что введение смазки между

нагрузочными штампами и торцами образца грунта приводит к снижению угла

трения от 1

до 5

Глава 3

146

(а) (б)

Рис. 3.18. Граничные условия на контакте образец грунта – штамп:

а – сухой контакт; б – введение смазки; 1 – образец грунта; 2 – пористый полиэтиленовый

диск; 3 – канал дренирования; 4 – плексигласовый штамп; 5 – диск из латексной резины;

6 –

силиконовая смазка

На рис. 3.19 представлены результаты исследований Frost (2004), при

проведении которых оценивалось влияние граничных условий не только на

характер зависимости «напряжение – деформация», но и на параметры: модуль

упругости, пиковую и критическую прочность. Увеличение

HD приводит к

уменьшению жесткости (модуля упругости) при идентичных граничных

условиях. Короткие образцы показывают большую пиковую прочность с

высоким уровнем деформации (рис. 3.19, б) по сравнению с длинными

образцами. Начальные модули упругости уменьшаются со снижением сил

трения между штампами и образцом. При сухом контакте и

1HD= модуль

упругости равен 27 МПа. Если ввести один слой смазки между слоями латекса,

модуль упругости ссотавит 25 МПа; увеличение толщины смазки до трех слоев

уменьшает модуль упругости до 11 МПа. Введение смазки приводит к

уменьшению не только модуля упругости, но и пиковой прочности.

(а) (б)

Рис. 3.19. Графики зависимости «нагрузка – деформация» (Frost, 2004):

а – образцы с H/D=1, сухой контакт; б – различные сочетания H/D и контакта; 1 –

H/D=1, сухой контакт; 2 – H/D=1, тонкий слой смазки;

3 –

H/D=2, сухой контакт; 4 – H/D=1, толстый слой смазки

Механические испытания грунтов

147

За рубежом большинство испытаний выполняется в стандартных

приборах трехосного сжатия (стабилометрах) конструкции Bishop and Wesley

(1975),

хотя некоторые испытания, при больших давлениях, проводятся в

стабилометрах высокого давления конструкции Cuccovillo and Coop (1999).

Приборы обоих типов контролируются микрокомпьютером и имеют станA

дартные датчики для измерения порового давления и давления в рабочей

камере, датчик внутри камеры для измерения осевого усилия, внешний

LVDTA

датчик для измерения осевого перемещения; датчик конструкции

Imperial College

для измерения изменения объема вытесненной воды из

образца грунта. В обоих типах приборов используются специальные концевые

плиты (фильтры) с целью уменьшения сил трения между нагрузочным штамA

пом и образцом грунта и снижения эффекта «бочкообразования» (Rowe and

Barden, 1964).

В 1986 г. Bouward and Stutz показали, что «бочкообразование»

приводит к существенной ошибке при измерении объемной деформации,

если предполагается, что образец при деформировании сохраняет форму

правильного цилиндра.

Для уменьшения сил трения используется тонкая (0,3 мм) латексная

резина, укладываемая с введением слоя смазки толщиной 0,2 мм на

поверхность полированного диска большего диаметра, чем образец грунта

(Head, 1985).

Латексный диск имеет центральное отверстие для дренирования

и радиальные прорези для уменьшения сопротивления растяжению при

расширении образца грунта.

(а) (б)

Рис. 3.20. Методы снижения сил трения между образцом и штампом (Head, 1985):

а – тонкий эластичный диск с прорезями; б – использование смазки и эластичного диска;

1 –

короткие прорези; 2 – дренажное отверстие; 3 – полированная поверхность;

4 –

резиновый диск; 5 – пористый камень; 6 – канал дренирования; 7 – образец грунта;

8 –

резиновая оболочка; 9 – силиконовая смазка; 10 – штамп

Глава 3

148

В опытах с песчаным грунтом примеA

няются различные типы смазки. ПерA

вая – стандартная силиконовая смазка,

вторая – смазка с более тонкой дисперсA

ностью. Сравнение результатов двух исA

пытаний образца одной и той же плотA

ности при равном боковом давлении, но

с различными типами смазки показано

на рис. 3.21. Испытание LBSA7 имело

лучшее качество смазки. Сравнение лоA

кальной и внешней измеренной осевой

деформации показало, что в этом испыA

тании отсутствовало явление локализаA

ции деформации в отличие от опыта

LBSA4,

где использовалась более дешевая

смазка.

Рис. 3.21. Влияние типа смазки на

результаты измерений деформации

(Klotz and Coop, 2002)

149

Глава 4. ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

СИСТЕМЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТОВ

В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Примерно до середины 70Aх гг. прошлого столетия для испытания

образцов грунта в лабораторных условиях применялись различные механиA

ческие устройства, которые до сих пор называются приборами для испытания

грунтов. Нагружение образцов грунта в приборах выполнялось вручную с поA

мощью веса грузов, давления воздуха или жидкости. Для измерения дефорA

маций применялись индикаторы часового типа с точностью отсчета 0,01 в

диапазоне 0–10 мм или 0,001, в диапазоне 0–3 мм. Требования к точности

измерения усилия, давления и перемещения при проведении механических

испытаний образцов грунта определены соответствующими ГОСТами, одним

из последних является ГОСТ 12248A96. Например, при проведении испыA

таний в условиях трехосного сжатия в ГОСТ 12248A96 записано:

5.3.2.3.

Измерительные устройства (приборы) должны обеспечивать

погрешность:

−

при измерении вертикальной нагрузки на образец – не более 1 % от

нагрузки при разрушении образца;

−

при измерении давления в камере – не более 2 % от заданного;

−

при измерении вертикальной деформации образца – по ГОСТ 30416;

−

при измерении объемных деформаций образца – не более 0,03 % от

начального объема образца.

В общем случае погрешность измерений определена в ГОСТ 30416

следующим образом:

−

0,01 мм при измерении геометрических размеров образца и рабочего кольца;

−

0,01 мм при измерении деформаций образца;

−

5 % при измерении прикладываемой нагрузки от ступени нагрузки;

−

0,1

С при измерении воздуха в помещении с отрицательной температурой.

В п. 4.8 ГОСТ 30416 результаты обработки испытаний рекомендуется

вычислять с точностью: плотность – 0,01 г/см

; влажность до 30 % включ. –

0,1%, 30%

и выше – 1 %; угол внутреннего трения – 1°; удельное сцепление – 1

кПа; абсолютную вертикальную деформацию образца – 0,01 мм; относительную

вертикальную деформацию образца – 0,001.

Развитие электроники и средств вычислительной техники позволило

включить устройства для испытания грунтов в состав измерительноAвычисA

лительных комплексов (ИВК). В отличие от обычных устройств, в которых

функцию нагружения образцов грунта и измерение усилий, давления или

деформаций в различных механических устройствах (компрессионный

прибор, прибор одноплоскостного среза, прибор трехосного сжатия и т.д.)

Глава 4

150

выполняет сам испытатель, в ИВК эти функции реализуются под управA

лением микроконтроллера или компьютера без участия испытателя.

Согласно ГОСТ 26.203A81, ИВК должны выполнять одну или несколько

следующих функций: прямые, косвенные, совместные и совокупные

измерения электрических величин; управление процессом измерений и

воздействие на объект измерений; представление результатов измерений

испытателю в заданном виде.

Для выполнения этих функций ИВК должны обеспечивать: восприятие,

преобразование и обработку электрических сигналов с датчиков давления,

силы, перемещения и др.; управление средствами измерений и другими

техническими компонентами, входящими в состав ИВК; выработку

нормированных электрических сигналов для управления устройствами

силового нагружения (шаговый двигатель, пневмоклапаны); оценку точности

измерений и представление результатов измерений в формах, установленных

соответствующими ГОСТ (например, ГОСТ 12248A96) или стандартами

(

например, ASTM D4186A89).

Первые автоматизированные системы для испытания образцов грунтов в

лабораторных условиях появились за рубежом (Atkinson et al., 1985; DeGroot et

al., 1991; Sivakugan et al., 1991; Sheahan and Germanie, 1992; Sheahan et al., 1993).

На рис. 4.1 показана стандартная структурная схема измерительноAвычисA

лительного комплекса. Инструментами измерения являются устройства для

испытания образцов грунтов: одометры, приборы одноплоскостного среза и

одноосного сжатия, стабилометры и др. Эти устройства включают датчики,

аналоговые сигналы с которых усиливаются и преобразуются в цифровой код

при помощи аналогоAцифровых преобразователей (АЦП). Используя

градуировочные зависимости, микропроцессор или компьютер преобразоA

вывает цифровые сигналы с датчиков в физические величины (сила, давление,

перемещение). В соответствии с процедурой испытаний после анализа

полученных значений измеренных величин на исполнительный механизм

нагружения, двигатель или клапан подается обратный сигнал через цифроA

аналоговый преобразователь (ЦАП). Подобная измерительная система

реализована в России в 1991 году малым предприятием «Геотек» (рис.4.2).

На рис. 4.3 приведены конструкция и внешний вид стабилометра МП

Геотек» (Болдырев, 1991). В отличие от известных стабилометров (Bishop and

Wesley,1975; Ampadu and Tatsuoka, 1989; Magistris et al., 1999; Cabarkapa

еt al.,

2006)

в данной конструкции цилиндрическая оболочка выполнена замкнутой,

в виде колпака, без отверстия в торце под шток. Нагрузочное устройство и обA

разец грунта находятся под оболочкой. Верхняя траверса выполнена отA

кидной относительно стойки 5. Винт 6 используется для исключения зазора

между штампом 7 и образцом грунта и препятствует действию выталкиA

вающей силы при создании давления воздуха в камере (под колпаком).