Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

171

внутри печи обеспечивается вентилятором, а воздух нагревается спиральным

нагревателем.

Рис. 4.18. Стабилометр для термомеханических испытаний Ghahremannejad (2003):

1 –

динамометрическое кольцо; 2 – потенциометрический датчик; 3 – датчик пеA

ремещения LVDT; 4 – бесконтактный датчик; 5 – камера давления; 6 – датчик порового

давления; 7 – печь (термошкаф); 8 – устройство силового нагружения; 9 – усилитель

сигналов с датчика силы; 10 – контроллер температуры; 11 – усилитель сигналов с датчика

LVDT

и потенциометрического датчика перемещения; 12 – контроллер обратного

давления; 13 – контроллер давления в камере; 14 – система сбора данных; 15 – интерфейс

RKC COM104C; 16 –

датчик температуры

В работе Сekerevac et al. (2005) рассмотрено применение измерительной

системы, включающей термомеханический стабилометр для исследования

механических свойств водонасыщенных грунтов при положительных

температурах в диапазоне от 5

С до 90

С. При создании данной системы

были предприняты попытки устранить недостатки предшествующих

разработок.

Измерительная система (рис. 4.19) состоит из следующих частей: камеры

давления, системы нагрева, системы нагружения и системы сбора данных и

управления нагружением. Конструкция камеры давления подобна конA

струкции, выпускаемой фирмой Wykeham Farrance. Новая система отвечает

следующим требованиям:

Система нагрева обеспечивает независимую работу других частей

стабилометра – механической системы нагружения, измерительной системы

и системы сбора данных;

Глава 4

172

Система нагрева обеспечивает однородное поле температуры вокруг

образца.

Время для нагрева образца до требуемой температуры минимально.

Нагревательный элемент находится вблизи образца (внутри камеры)

для улучшения условий контроля температуры.

Рис. 4.19. Измерительная система с контролируемой температурой

(

Сekerevac et al., 2005)

Для измерения давления и объема применен контроллер фирмы GDS.

Этот контроллер управляет через микропроцессор винтовым насосом и

предназначен для измерения давления жидкости (боковое давление) в

рабочей камере и объема воды, вытесняемой из рабочей камеры (измерение

изменения объема) при деформации образца грунта.

Так как в стандартном приборе камера делается из оргстекла и не может

выдержать высоких температур, то ее заменили на камеру из нержавеющей стали.

Для измерения температуры используются пять термопар:

−

две из них расположены внутри камеры на расстоянии около

0,5

см от образца (Т1 и Т2);

−

третья измеряет температуру внутри теплового бака (Т3);

−

четвертая измеряет комнатную температуру (Т4);

−

пятая измеряет температуру внутри охлаждающего сосуда (Т5).

истема нагрева включает нагревательный элемент (2 кВт), распоA

ложенный в тепловом баке с водой, циркуляционный насос, изоляцию и

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

173

устройство контроля температуры. Нагревание образца обеспечивается

циркуляцией воды внутри металлической трубы, расположенной спирально

вокруг образца. Питание нагревательного элемента регулируется автомаA

тически программируемым термостатом, в зависимости от температуры

вблизи поверхности образца грунта.

Так как подъем температуры может вызвать нежелательные эффекты в

измерительной системе, то калибровка и процедура корректировки выполA

няются по специальной методике.

Измерение температуры производится с использованием двух термоA

датчиков, расположенных диаметрально на расстоянии 0,5 см от образца (Т1 и

Т2 на рис. 4.19). Один из них дает обратный сигнал нагревательному элементу, а

второй используется системой сбора данных. Так как температура измеряется не

в образце, а вблизи него, то предварительно выполняются градуировочные

испытания для получения корреляции между измеренной температурой и

температурой внутри образца. Для этого термопара вставляется внутрь образца

грунта и температура воды поднимается с шагом 10 °С. Затем измеряется темпеA

ратура внутри образца, в тепловом баке и вблизи образца. Из этих градуA

ировочных испытаний находят зависимость между температурой циркуA

лируемой воды и температурой внутри образца при различном боковом

давлении.

Для уменьшения потерь тепла камера покрыта тепловой изоляцией.

Пример измерения температуры во времени показан на рис. 4.20. Время на

этих графиках отсчитывается от начала испытания.

(а) (б)

Рис. 4.20. Измерение температуры образца при 30 °С (а) и 90 °С (б)

(

Сekerevac еt al. 2005)

Глава 4

174

Управление системой выполняется с использованием программы, которая

бала написана в LabVIEW (www.ni.com).

Рассмотренная система нагрева позволяет контролировать температуры от

до 150

С с точностью

0,25

С.

На рис. 4.21 приведены некоторые результаты дренированных испытаний

при температуре 22

С (пунктирные кривые) и 90

С (сплошные кривые).

(а) (б)

Рис. 4.21. Результаты дренированных испытаний образцов глины

при различной температуре (Сekerevac еt al. 2005)

Как видно из рис. 4.21, образцы, испытанные при более высокой темпеA

ратуре, показывают больший пик девиатора напряжений (рис. 4.21, а), т.е. более

хрупкое поведение. Это возрастание намного больше для слегка

переуплотненной глины (OCR=1,2), чем для сильно переуплотненных

состояний (OCR=6,12). Однако при больших деформациях критическое

значение девиатора напряжений практически равно значению, полученному

при комнатной температуре. Траектория напряжений в критическом

состоянии показывает только одну предельную огибающую независимо от

температуры испытаний. Нет явного влияния температуры на объемную

деформацию образцов испытанного грунта (рис. 4.21, б).

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

175

4.3. Измерительные системы для испытания грунтов

при отрицательных температурах

НапряженноAдеформированное поведение мерзлых грунтов зависит от их

влажности в незамерзшем и замершем состоянии, количества замкнутого в

порах воздуха, содержания соли, вида грунта и др.; кроме того, определяется

такими условиями, как скорость деформации, температура и среднее

напряжение. Вялов С.С. и др. (1962) рассматривают поведение грунта как

поведение упругоAпластичного вязкого тела. В этой работе приводится

конструкция стабилометра (ПТСМГA1), который был разработан и изгоA

товлен в научноAисследовательском секторе института «Гидропроект»

Калининым В.В, Аноровым Н.Н. и Цыплаковым Б.П. (см. главу 7).

В работах Andersland and Ainouri (1970), Alkire and Andersland (1973), Sayles

(1974), Parameswarn and Jones (1981)

показана зависимость прочности и

деформируемости мерзлых грунтов от температуры и скорости деформации.

Кроме Вялова С.С. и др. ползучесть мерзлых грунтов исследовали Zhu and

Carbee (1987). Baker et al. (1982)

установили, что прочность мерзлых грунтов

увеличивается с ростом среднего напряжения, но после определенного

значения среднего напряжения прочность уменьшается.

В большинстве случаев испытания мерзлых грунтов проводятся на одноA

осное сжатие, прямой сдвиг и более редко – в приборах трехосного сжатия.

Это объясняется тем, что обеспечить заданную точность измерения дефорA

мации при отрицательной температуре более сложно, чем в обычных

условиях. В связи с тем, что в мерзлых грунтах вода находится в замерзшем

состоянии, применять контроллеры давления для измерения изменения

объема образца невозможно. Поэтому приходится использовать датчики

перемещения для измерения осевой и радиальной деформации и через эти

значения находить изменение объема как при консолидации, так и при

сдвиге.

На рис. 4.22 показана измерительная система для испытания грунтов при

отрицательных температурах, выпускаемая фирмой GCTS (www.gcts.com).

Комплект оборудования включает теплоизолированную камеру давления,

устройство силового нагружения, компрессор, панель управления давлением

и компьютер. В камере давления может быть создана как отрицательная

температура до –30 °С, так и положительная температура до +80 °С.

Устройство силового нагружения позволяет создавать осевую нагрузку до 200

кН с помощью замкнутого цикла электрогидравлического управления

сервоприводом. Номинальное всестороннее давление в камере равно 21 МПа.

Программные модули позволяют выполнять как все виды статических

трехосных испытаний с контролем траектории напряжений, так и динаA

мические испытания.

Глава 4

176

Отрицательная температура создается внутри камеры давления с поA

мощью медной испарительной катушки (змеевик) и управляется компьюA

тером. Температура измеряется как среднее значение из показаний двух

термодатчиков, расположенных внутри камеры давления. С целью облегA

чения сборки и разборки камеры введено дополнительное устройство,

обеспечивающее автоматический подъем цилиндра камеры.

Рис. 4.22. Измерительная система для испытания грунтов при отрицательных температурах

(www.gcts.com)

Для исследования мерзлых грунтов при высоком давлении и низкой

температуре в геотехнической лаборатории Massachusetts Institute of

Technology (MIT)

была разработана измерительная система и проведены

испытания с образцами песка диаметром 3,6 см и высотой 7,6 см. ОсоA

бенности измерительной системы и результаты испытаний приведены в

работе Da Re et al. (2003). Испытания мерзлых грунтов проводятся в лаA

боратории MIT с 1988 года в специальных трех помещениях, в которых

поддерживается различная температура (от –10 до –40 °С). На рис.4.23 покаA

зана схема автоматизированной измерительной системы для стабилометA

рических испытаний мерзлых и немерзлых грунтов, применяемой в MIT.

Измерительная система состоит из шести основных частей: камеры

давления; устройств осевого нагружения и измерения порового и бокового

давления; подсистемы управления двигателем; системы контроля и управлеA

ния при помощи компьютера; системы сбора данных и пакета программ.

Камера давления (рис. 4.23) рассчитана на давление 20 МПа и выполнена

из нержавеющей стали, что позволяет проводить испытания до тех пор, пока

радиальная деформация образца в процессе сдвига не достигнет 15 %. В

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

177

качестве датчиков давления применены датчики мембранного типа с

полупроводниковым элементом. Осевая нагрузка прикладывается к образцу

через упрочненный шток диаметром 2,54 см с усилием до 45 кН и измеряется

балочным датчиком силы. Перемещение штока контролируется внешним

датчиком перемещения типа LVDT. Измерение температуры внутри камеры

давления выполняется с использованием двух термодатчиков вблизи верхней

и нижней части образца. В качестве жидкости в камере давления применено

силиконовое масло, которое имеет очень низкую вязкость в широком диA

апазоне температур и не разрушает резиновую оболочку на образце грунта.

Рис. 4.23. Низкотемпературная измерительная система для трехосных испытаний мерзлых

грунтов (Da Re et al., 2003):

1 –

камера давления; 2 – устройство силового нагружения; 3 – контроллер давления; 4 –

устройство управления двигателем; 5 – компьютер; 6 – циркуляционный насос; 7 –

источник питания; 8 – цифровой вольтметр

Масло является диэлектриком, что позволяет разместить датчики переA

мещения LVDT внутри камеры в центральной части образца с целью измеA

рения локальной осевой деформации. Применяя систему циркуляции охлажA

дающей жидкости, можно поддерживать температуру с точностью 0,1 °С. Для

измерения и управления давлением и изменением объема образца

используются два контроллера фирмы GDS. Один контроллер предназначен

для создания давления в камере и измерения изменения объема образца, а

второй – для обеспечения осевого усилия и заданной скорости осевой

деформации. Камера давления размещается внутри помещения, в котором

поддерживается заданная температура.

Измерительная система состоит из двух подсистем сбора данных. Первая

управляет процессом нагружения (усилие, давление) и использует компьютер и

программное обеспечение, а вторая выполняет сбор данных с датчиков в ходе

опыта. Управление устройствами нагружения осуществляется с использованием

цифроаналогового преобразователя фирмы Analog Device, типа AD1170. Этот

программмируемый преобразователь позволяет выполнять действия со

Глава 4

178

скоростью от 1 до 350 мс c любым разрешением от 7 до 22 разрядов.

Максимальное разрешение 0,0024 мВ. Обычно разрешение огранивается 18

разрядами изAза возможных ошибок при калибровке и влияния внешних

наводок. Вторая система состоит из персонального компьютера, связанного с

140A

канальным устройством сбора данных Hewlett Packard HP3497A, которое

имеет аналоговоAцифровой преобразователь с высокой устойчивостью к помеA

хам. Скорость чтения данных 1 Гц с разрешением 0,001 мВ на 0,1 В. Высокая

чувствиительность устройства сбора данных позволяет проводить измерения

сигналов с датчика силы, датчиков перемещения и датчиков давления без

усиления сигналов. Благодаря устойчивости данной системы можно выполнять

измерения деформации порядка 10

Рис. 4.24. Общая схема камеры давления (Da Re et al., 2003):

1 –

камера давления; 2 – датчик силы; 3 – переходник; 4 – основание камеры; 5 – датчик

давления; 6 – образец грунта; 7 – термодатчики; 8 – внешний датчик перемещения LVDT;

9 –

внутренние датчики перемещения LVDT

Для получения данных необходимых для обоснования модели мерзлых

грунтов, в Sandia National Laboratories была разработана камера высокого

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

179

давления с возможность проведения испытаний образцов при положительной

или отрицательной температуре. Система способна создавать температуру ниже

–65

С и всестороннее давление до 500 МПа. Образец имеет диаметр 4,4 см и

высоту 13,2 см. На рис. 4.25 показаны схематично устройство силового

нагружения с камерой давления и образец грунта с размещенными датчиками

силы, вертикальных и радиальных перемещений. Конструкция камеры

давления позволяет проводить испытания вне холодильной камеры.

Рис. 4.25. Схема низкотемпературной камеры высокого давления (а)

и образец грунта с закрепленными датчиками (Lee et al., 2002):

1 –

устройство силового нагружения; 2 – внутренний датчик силы; 3 – датчик осевого

перемещения LVDT; 4 – датчик радиальных перемещений LVDT; 5 – разъемы; 6 – образец

В работе Zhang et al. (2007) приведены методика и результаты испытаний

мерзлых грунтов при температуре – 4

С и – 6

С в стабилометре, провоA

дившихся с целью исследования изменения объема грунта при его

замерзании. Опыты выполяли в условиях стесненного изменения объема

образца при замерзании, ограничивая его боковым давлением. Осевая

нагрузка отсутствовала.

Все испытания проводились с использованием модифицированной комA

мерческой системы трехосного сжатия MTSA810 (Zhu et al. 1996), что

позволяло измерять изменение объема образца при температуре от комнатной

до –30 °С и боковом давлении до 24 МПа. Модифицированная система измеA

рения (рис. 4.26) включает сенсорное устройство для измерения изменения

объема (датчик объема), сделанное из гидравлического цилиндра двойного

действия, заполненного маслом. Это устройство позволяет создавать боковое

давление в камере до 30 МПа и включено в гидравлическую систему

устройства трехосного сжатия. Давление в трехосной камере регулируется

Глава 4

180

поршнем 5. Давление в масле устройства для измерения изменения объема 3

поддерживается равным давлению в трехосной камере.

Рис. 4.26. Схема установки для испытания мерзлых грунтов (Zhang et al., 2007):

1 –

датчик перемещения, подключенный к системе сбора данных; 2 – цифровой датчик

для управления перемещением штока; 3 – устройство для измерения изменения объема; 4,

7 –

шток; 5 – поршень; 6 – трубопровод высокого давления; 8 – регулятор давления масла;

9 –

двух ходовой кран; 10 – холодильная установка; 11 – спирт; 12 – камера давления; 13 –

измерительные устройства; 14 – масло

Опыты показали, что в течение сдвига объем мерзлого грунта зависит от

температуры, бокового давления и типа грунта. Среднее значение площади

поперечного сечения образца изменяется нелинейно с ростом осевой

деформации и бокового давления до 3,0 МПа; при больших значениях

бокового давления она остается неизменной при температуре –4

С и –6

соответственно для песчаных и глинистых образцов.

При замерзании грунта он оказывает давление на ограждающие конструкA

ции за счет бокового расширения. Поэтому при проектировании конструкA

ций, заглубленных в мерзлый грунт, приходится учитывать не только силы

смерзания грунта с материалом конструкции, но и давление, возникающее на

поверхности конструкции. В рассмотренных ранее приборах трехосного

сжатия образцы грунта испытывались на сдвиг в замерзшем состоянии.

Влияние процесса замерзания грунта на его деформацию не исследовалось. С

целью изучения данного вопроса Ono (2002) провел опыты с образцами

грунта, которые подвергались действию постепенно возрастающих

отрицательных температур. В ходе опытов он измерял радиальные дефорA

мации образцов, которые замораживались с двух сторон. Измерение