Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

161

Рис. 4.10. БлокAсхема управления нагружением (Tatsuoka et al., 1989)

ЦАП (21)

Вычислить текущее напряжение и

деформации;

311031

,,,,, εεσσ qp

ε−ε=

qqdq −=

dqAApp ⋅+=

ppp −=Δ

pq Δ=Δ

ЦАП (21)

Электромагн. клапаны (8)

Управление σ

(23)

pp =

qq =

Заданное значение АА для намеченной

траектории напряжения

Измеренное

Намеченное

Управление

двигателем (26)

Сбор данных (17A20)

Ввод исходных значений

Начать сдвиг

(включить двигатель)

Деформация сдвига

γ равна конечному

значению?

Нет

Разгрузить?

Да

Нет

Выключить двигатель.

Закончить сдвиг

Глава 4

162

Уровень деформаций в грунтах оснований реальных сооружений при

действующих нагрузках обычно не превышает 0,5 % (Jardine et al., 1984;

Burland, 1989; Tatsuoka and Kohata, 1994).

В связи с этим исследование нелиA

нейной зависимости «напряжение – деформация» для определения параметA

ров моделей грунтов, используемых при проектировании, необходимо

проводить в этом же диапазоне, как правило, при упругой работе грунта.

Исследования, выполненные в полевых условиях, показали, что реальные

деформационные свойства грунтов при возникающих упругих деформациях

можно определить путем измерения скорости прохождения упругой волны

сдвига, с учетом нелинейных свойств, установленных в лабораторных

условиях (Tatsuoka et al., 1997). На основании этого, в последнее десятилетие

лабораторные методы исследований последовательно улучшались исходя из

требований решения следующих задач (Magistris et al., 1999):

Создание измерительных систем для определения в приборах дефорA

мации образцов грунта 0,001 % или менее, в особенности на начальных

ступенях нагружения.

Использование автоматизированного статического или кинемаA

тического контроля нагружения по различным траекториям напряжений.

Применение очень малых циклов нагрузка – разгрузка при любом уровA

не напряженного состояния для определения упругопластических свойств.

Tatsuoka et al. (1997)

подчеркивают, что лучшего понимания напряженноA

деформированного состояния при малых преобладающих деформациях геоA

материалов, с учетом влияния временных факторов (эффекты старения и скоA

рости нагружения), можно достигнуть только при комплексных испытаниях

грунтов, включающих:

испытания с монотонным и циклическим нагружением при суA

щественно различных скоростях нагружения;

испытания на ползучесть и релаксацию напряжений.

С целью реализации подобных исследований грунтов Magistris et al. (1999)

разработали измерительную систему, которая приведена на рис. 4.11.

Основными компонентами системы являются камера давления, механизм

осевого нагружения, система пневматического давления в камере и несколько

датчиков, связанных посредством цифроаналогового и аналоговоAцифрового

преобразователей с компьютером, который контролирует и записывает

результаты испытаний. Привод механизма осевого нагружения показан на

рис. 4.12. Измерение осевой деформации выполняется на полной и

локальной базе с использованием датчиков линейных перемещений

различного типа.

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

163

Рис. 4.11. Измерительная система для трехосных испытаний грунтов

(Magistris et al., 1999):

1 –

внешний датчик перемещений; 2 – датчик силы; 3 – бесконтактный датчик (диапазон

и 8 мм); 4 – локальный датчик деформации; 5 – дифференциальный датчик низкого

давления; 6 – дифференциальный датчик высокого давления

Глава 4

164

Рис. 4.12. Механизм осевого нагружения (Magistris et al., 1999)

Особенностями данной системы являются:

Возможность поддержания постоянной скорости деформации.

Создание очень малых циклов «нагрузка – разгрузка» с амплитудой

осевой деформации порядка 0,001 % или менее без существенной задержки во

времени при обратном направлении нагружения.

Система управляет процессом консолидации или ползучести, устаA

навливая заданную скорость осевого перемещения значительно выше, чем та,

которую испытывает образец грунта при осевом деформировании при

заданном напряженном состоянии. Осевая деформация

ε измеряется парой

тензодатчиков (LDT1 и LDT2) 4 (см. рис.4.11) на локальной базе и

бесконтактным датчиком 3 (диапазон 2 мм), а объемная деформация

ε опреA

деляется количеством воды, вытесненной из образца за период консолиA

дации. Заданный контрольный цикл допускает отклонение номинального

изменения девиатора напряжений q от заданного значения на величину,

меньшую или равную

0,7 кПа. В идеале – это ноль, но на практике в

автоматизированных системах установить заданную величину ступени

нагрузки без отклонения невозможно изAза ограниченных технических

возможностей конструкции механизма нагружения и средств измерения и

управления. Как видно из рис. 4.13, на первых ступенях консолидации отклоA

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

165

нения в девиаторе напряжений достаточно большие изAза относительно

высокой скорости осевого сжатия образца. На последующих ступенях,

однако, контроль нагружением получается более удовлетворительным. Важно

заметить, что возможности системы контроля зависят от точности датчика

силы и реакции механизма системы нагружения.

Рис. 4.13. Контроль девиатора напряжений в течение изотропной консолидации

(Magistris et al., 1999)

В данной конструкции (Magistris et al., 1999) применены сервопривод

Wako Giken Co. Ltd., model 002C)

и контроллер Wako Giken Co. Ltd., model

AFSA4.

Схема управления сервоприводом показана на рис. 4.14. Оптический

энкодер прикреплен к корпусу двигателя с целью измерения положения и

скорости вращения ротора. Крутящий момент контролируется величиной

напряжения, подаваемого на двигатель. Цифровой серводрайвер, который

связывает двигатель и энкодер сравнивает текущее состояние с заданным

значением и изменяет сигнал, подаваемый на двигатель. Способ контроля

может быть основан на определении положения позиции ротора двигателя,

скорости вращения или крутящего момента по отношению к заданным

значениям, которые устанавливаются в аналоговом виде от 0 до 10 вольт или

вводом значений параметров (перемещение, мм; скорость вращения,

мм/мин; момент, кН⋅м). Эти значения вводятся в управляющую программу.

Глава 4

166

Рис. 4.14. Схема управления сервоприводом (Magistris et al., 1999)

Система осевого нагружения имеет ряд преимуществ перед известными

гидравлическими трехосными приборами (Bishop and Wesley, 1975; Atkinson et

al., 1985),

которые были созданы для исследования свойств грунтов по любым

возможным траекториям напряжений. Однако эти приборы не допускают

резких изменений как в скорости нагружения, так и в направлении

нагружения, в частности, на высоких скоростях деформации. Гидравлические

системы нагружения более громоздкие и дорогостоящие по сравнению с

механическими, так как при длительных испытаниях на ползучесть в

гидравлических системах необходимо включать или выключать насосы для

управления механизмом нагружения, что усложняет работу.

Точность измерения и скорость управления механизмом нагружения заA

висит не только от типа применяемых датчиков, но и от типа АЦП. На

рис. 4.15 показано сравнение данных, полученных при использовании 12A и

16A

разрядного АЦП в ходе недренированных циклических испытаний с

амплитудой осевой деформации около 0,001 %. Из рис. 4.15 виден

существенно меньший размах колебаний в значениях эффективных

напряжений при использовании АЦП большей разрядности.

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

167

(а) (б)

Рис. 4.15. Применение 12A (а) и 16Aразрядного (б) АЦП при циклических испытаниях

(Magistris et al., 1999)

Рис. 4.16. Изменение показаний датчиков перемещений во времени

в зависимости от температуры (Matsumoto, 1997)

Определенное влияние на показания датчиков перемещения оказывает

температура. Из рис. 4.16 видно, что изменение температуры на 0,7° приводит

к незначительному смещению значения деформации (0,002 %), что при

высоте образца в 76 мм составляет 0,0015 мм. Значения выходного сигнала

датчиков очень устойчивы (отклонение не более 0,002 % диапазона

Глава 4

168

изререния). Эти результаты свидетельствуют о возможности использования

датчиков данного типа для длительных испытаний.

Рис. 4.17. Сравнение данных градуировки для разного периода времени

(Magistris et al., 1999)

Градуировочные кривые, полученные для различного периода времени,

изменяются незначительно (рис. 4.17). Как видно из рис. 4.17, на начальном

участке диапазона датчиков зависимость «напряжение – перемещение»

является линейной.

4.2. Измерительные системы для термомеханических

испытаний грунтов

В последние годы в связи с возведением инженерных сооружений нового

типа, оказывающих температурное воздействие на окружающие грунты, таких,

как хранилища ядерных отходов, геотермические станции, зоны бурения

нефтяных скважин, зоны грунта вокруг высоковольтных кабелей, предприятия

по производству стали и т.д., а также реализацией и других задач геотехники

увеличилось количество исследований поведения грунтов в зависимости от

температуры.

Термомеханические испытания грунтов намного сложнее стандартных

трехосных испытаний. В отличие от обычных испытаний при проведении

термомеханических испытаний необходимо учитывать начальную темпеA

ратуру образцов грунта в момент отбора его из массива.

Первый стабилометр для испытаний образцов грунта с контролем

температуры и напряжений был описан в работе Campanella and Mitchell

(1968).

Краткий обзор существующего оборудования для термомеханичских

испытаний грунтов представлен в работе Сekerevac et al. (2005).

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

169

Известные конструкции измерительных систем для термомеханических

испытаний грунтов отличаются друг от друга методами создания управляемой

положительной температуры в образце грунта. Наиболее часто используются

следующие два метода.

Нагревание циркуляцией жидкости

В термомеханическом стабилометре конструкции Savvidou and Britto

(1995)

в качестве внешнего источника тепла используется система цирA

куляции нагретой воды вокруг образца грунта. Главными компонентами

нагревательной системы являются: контроллер температуры, центробежный

насос и теплообменник. Температура контролируется термостатическим

устройством нагревания и охлаждения воды, соединенным с теплообменA

ником. Система способна создавать температуру в диапазоне от 20 до 80

С.

Горячая вода, поступающая в камеру, одновременно используется для

создания всестороннего давления. Поровое давление в образце измеряется с

помощью миниатюрных датчиков давления, отколиброванные для различных

температур. Для измерения температуры в образце и камере давления

применены полупроводниковые датчики температуры. Данная конструкция

позволяет проводить испытания только на изотропную консолидацию,

исключая девиаторное нагружение, что объясняется сложностью осуществA

ления одновременного управления температурой и всесторонним давлением

с помощью центробежного насоса.

Нагревание внутренним источником тепла

Создание и поддержание температуры внутренним источником тепла было

применено в конструкции стабилометра Kuntiwattanakul et al. (1995).

Стабилометр состоит из двух камер – внутренней и внешней. Внутренняя

камера заполнена водой, которая нагревается водонагревателем, находящимся в

воде. Циркуляция горячей воды осуществляется поршнем, который управляется

двигателем. Это гарантирует однородность температуры воды внутри камеры.

Внешняя и внутренняя камеры разделены воздухом, который служит

изолятором, защищающим внешнюю камеру от прямого контакта с горячей

водой. Давление в камере контролируется на контакте с горячей камерой.

Преимущество данной конструкции заключается в прозрачности камеры

давления, что позволяет визуально наблюдать за деформацией образца в течение

опыта. К недостатку следует отнести возможность растворения воздуха в воде

камеры и его диффузию через резиновую оболочку в образец грунта. В стаA

билометре можно проводить опыты при температуре до 90

С и давлении в

камере до 500 кПа.

Подобная система нагрева была применена Moritz (1995) и Demarks and

Charles (1982). Moritz

использовал стандартную трехосную камеру с ввеA

Глава 4

170

дением трех слоев теплоизоляции внутри камеры. Система позволяет

контролировать температуру до 70

С с точностью

0,1

С.

Demarks and Charles (1982)

поместили внутри камеры давления змеевик из

медной трубки вокруг образца грунта, что позволило довести температуру до

С. Эта камера была создана для проведения испытаний с изотропной

консолидацией при различной температуре.

Нагревание внешним источником тепла

Baldi et al. (1985)

предложили конструкцию стабилометра, в котором

температура создавалась с внешней стороны камеры давления. НагреваA

тельная система состоит из гибкого нагревателя, прикрепленного к камере, и

двух линейных элементов, встроенных в основание камеры. Нагреватели

управляются независимо с помощью программируемого температурного конA

троллера, связанного с термодатчиками, которые размещены вблизи каждого

нагревателя. Камера и все трубопроводы выполнены из нержавеющей стали с

номинальным давлением до 20 МПа и температурой в диапазоне от 20 до 200

С. Для устранения потерь тепла применена внешняя теплоизоляция вокруг

камеры давления. Подобную систему использовали Delage et al. (2000).

Нагревание с использованием тепловой камеры

В 1996–2003 гг. в University of Sydney at the Centre for Geotechnical Research

была разработана конструкция автоматизированного высокотемпературного

стабилометра (Ghahremannejad, 2003). Камера давления выполнена из стали и

размещена в высокотемпературной печи (рис. 4.18). Температура в печи

контролируется с использованием термодатчика и контроллера (REXAD400),

который соединен с устройством сбора данных через интерфейс RKC

COM104C.

Осевая нагрузка создается устройством нагружения с номинальным

усилием 50 кН, которое измеряется кольцевым динамометром 1. В течение

опыта температура в камере давления контролируется и измеряется тремя терA

модатчиками 16, один из которых входит в образец грунта в основании камеры,

а два других находятся на внутренней стороне камеры в верхней и нижней ее

частях. Обратное давление и всестороннее давление в камере создаются и

управляются двумя стандартными контроллерами 12, 13 фирмы GDS. Для

более точного измерения порового давления датчик давления 6 размещен в

основании камеры давления внутри печи.

Два внутренних датчика 3 перемещения LVDT, один внешний потенA

циометрический датчик 2 перемещения и два бесконтактных датчика 4

перемещения используются для измерения осевой и радиальной деформации.

Внутренние датчики перемещений размещены на опоре с низким темпеA

ратурным расширением с целью исключения влияния температуры на

показания датчиков. Камера давления рассчитана на давление 4,5 МПа при

повышении температуры до 200

С. Однородность температурного поля