Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

181

радиальной деформации выполнялось лазером, размещенным вне камеры

давления (рис. 4.27). Вертикальное перемещение лазера осуществлялось с

помощью шагового двигателя. В ходе опытов измерялись не только радиA

альные деформации, но и количество воды мигрирующей внутрь образца при

его замерзании. Температура нагрузочного штампа и пьедестала контролиA

ровалась двумя датчиками температуры и создавалась с использованием двух

циркуляционных охлаждающих систем. Усилие, возникающее при

замерзании грунта, определялось датчиком силы и поддерживалось в опытах

постоянным с помощью обратного воздействия штока пневмоцилиндра.

Образцы диаметром 50 мм и высотой 100 мм первоначально изотропно

консолидировались с обратным давлением в 100 кПа, а затем температура

нагрузочного штампа и пьедестала уменьшалась одновременно с одинаковой

скоростью. Градиент температуры в процессе замерзания сохранялся

постоянным (1

С/мм). Скорость замерзания изменялась от 1,0 мм/ч для

твердых глин до 2,0 мм/ч для мягкопластичных глин. Показания датчика

радиальной деформации записывались через каждые 5 мм его перемещения

по вертикали вдоль образца.

Рис. 4.27. Камера давления с устройством измерения радиальной деформации (Ono, 2002):

1 –

пневмоцилиндр; 2 – датчик силы с преобразователем; 3, 4 – датчик температуры; 5 –

акриловая оболочка; 6 – образец; 7 – шаговый двигатель; 8 – направляющий винт; 9 –

головка датчика лазера; 10, 11 – устройства системы охлаждения; 12 – к бюретке обратного

давления

Глава 4

182

4.4. Измерительные системы для испытания не полностью

водонасыщенных грунтов

Поведение грунтов от малых до больших деформаций при разрушении

изучено достаточно полно преимущественно при полном их водонаA

сыщении )98,095,0( −≥

S . Значительно менее исследован вопрос поведения

частично водонасыщенных грунтов, в особенности, при малых деформациях.

Исследования проводятся в основном для изучения механического поведения

грунтов при больших деформациях, соответствующих предельному и запреA

дельному состоянию грунтов. В большинстве случаев это ограничено возможA

ностями применяемых измерительных систем и конструкции стабилометров.

В последние годы в различных исследовательских центрах были

разработаны стабилометры (Wheeler, 1986; Delage et al., 1987; Cui, 1993; Cui

and Delage, 1996; Maatouk, 1993; Maatouk et al., 1995; Sivakumar, 1993; Wheeler

and Sivakumar, 1995; Anderson

еt al., 1997; Romero et al., 1997) и одометры

(Lloret and Alonso, 1985; Delage et al., 1992; Dineen and Burland, 1995; Romero

еt

al., 1995; Rahardjo and Fredlund, 1996)

для испытания не полностью водонасыA

щенных грунтов с контролем всасывания.

Напряженное состояние в не полностью водонасыщенных грунтах

однозначно определяется, если известны полное напряжение

, поровое

давление воды

u и поровое давление воздуха

u . Для определения зависимости

между тремя фазами грунта необходимо найти по крайней мере две

переменные: коэффициент пористости и количество воды. Таким образом, для

определения механического поведения не полностью водонасыщенных грунтов

требуются две дополнительные переменные, по сравнению с водонасыA

щенными грунтами. Главными проблемами испытания не полностью водонаA

сыщенных грунтов являются:

−

независимый контроль давлением воздуха и воды в порах грунта;

−

независимое измерение объемной деформации и изменения влажности.

Для решения первой проблемы необходимо измерять и управлять

поровым давлением. В не полностью водонасыщенных грунтах поровое

давление воды меньше давления воздуха в порах и, как правило, отриA

цательное. В стандартных приборах отсутствует возможность создания

отрицательного давления с исключением кавитации.

Поэтому в случае не полностью водонасыщенных грунтов необходимо

использовать специальную технику (метод осмоса, метод осевого перемеA

щения, метод относительной влажности). Метод осевого перемещения (Hilf,

1956; Olson and Langfelder, 1965)

основан на гипотезе (Burland, 1964, 1965;

Aitchson 1967; Aitchison, and Woodburn 1969; Matyas and Radharkrishna, 1968;

Barden et al., 1969; Fredlund and Morgestern, 1977; Wheeler and Karube, 1996)

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

183

предполагающей, что два напряженных состояния полностью подобны, если

они характеризуются одними и теми же значениями нетто напряжений

nij,

(

разница между полным напряжением

и давлением порового воздуха

u ):

aijijnij

uδ−σ=σ

и всасывания s (разница между давлением порового воздуха и порового

давления):

uus −=

где символ

является оператором Кронекера (

1=δ

для

ij=δ=

для

i ≠

В этом методе нетто напряжения и всасывание контролируют созданием

положительного давления воды и увеличением значений давления воздуха и

полного напряжения на одну и ту же величину. Таким образом, полностью

исключается явление кавитации. Bocking and Fredlund (1980) выявили, что

применение данного метода ограничено степенью водонасыщения не более

0,8–0,9.

При большем значении степени водонасыщения отмечен разрыв

фазы воздуха в поровой воде.

С целью преодоления отмеченных трудностей Cabarkapa et al. (2006)

разработали систему, которая объединила несколько сложных устройств,

применяемых обычно для стандартных испытаний, с совместимыми по

уровню точности новыми устройствами, предназначенными для измерения

деформируемости водонасыщенных грунтов.

Стандартная рабочая камера стабилометра модифицирована для испыA

тания неводонасыщенных грунтов (рис. 4.28). Образцы диаметром 38 мм и

длиной 76 мм. Cистема имеет три устройства управления: давлением в

камере; осевым нагружением и обратным давлением.

Давление воздуха создается воздушным компрессором с постоянным

давлением 700 кПа, регулируемым электропневматическим преобразователем

и контролируемым компьютером через интерфейс. Боковое давление на

образец создается воздухом через жидкость, которой заполнена камера

стабилометра. Обратное давление создается на основании образца. Для

создания осевой нагрузки c заданной скоростью деформации применяется

устройство силового нагружения Bishop and Henkel (1962). Устройство

нагружения управляется шаговым двигателем.

Вторая модификация была выполнена с использованием гидравлической

камеры конструкции Bishop & Wesley, которая показана на рис. 4.29. Камера

позволяет проводить испытания с образцами грунта диаметром 50, 70 и 100

мм. Боковое давление, осевая нагрузка и обратное давление контролируются

с использованием устройства конструкции Menzies (1988). Это устройство

работает как в ручном режиме, так и под контролем компьютера. Оно

Глава 4

184

регулирует и измеряет изменение давление и объема через гидравлический

силовой привод при помощи 200–1000 мл стального цилиндра, в котором

создается давление от 0 до 2000 кПа. Изменение давления измеряется

датчиком давления, а требуемое давление создается обратным ходом

механизма. Точность контроля давления

1 кПа.

Рис. 4.28. Схема измерительного комплекса с камерой Bishop & Henkel

(Cabarkapa et al., 2006)

Стабилометр оснащен несколькими датчиками. Датчики силы, пригодные

для действия под водой, измеряют девиаторную нагрузку. Датчики давления

измеряют давление в камере, поровое давление на основании образца,

поровое давление в центре образца, поровое давление воздуха на верхней

части образца и давление в цилиндре силового нагружения. Внешние датчики

объема измеряют изменение объема воды в камере давления. Датчики

перемещений типа LVDT измеряют осевую и радиальную деформацию

внутри камеры. Пьезоэлементы измеряют скорость прохождения волны

сдвига, а датчик температуры измеряет температуру вблизи стабилометра.

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

185

Принятый тип нагружения оказался неудовлетворительным вследствие

того, что точность девиатора нагрузки была

5 кПа и оказалась не

совместимой с точностью измерения малых деформаций. Поэтому для

измерения девиатора нагрузки была применена внутренняя камера. Диапазон

измерения датчика силы составил 4,5 кН при чувствительности 40 Н/мВ и

нелинейности ошибки

0,5 % в полном диапазоне.

Рис. 4.29. Схема измерительного комплекса с камерой давления Bishop & Wesley

(Cabarkapa et al., 2006)

Поровое давление и давление в камере измеряются датчиком давления с

пределом измерения 1000 кПа и 0–2000 кПа, соответственно. Нелинейность и

гистерезис ошибки порядка 0,05 % всего диапазона, т.е. около 0,5 кПа.

Нелинейность при возрастании давления около 0,09 % диапазона, т.е. около

0,9

кПа, и гистерезис 0,1 % диапазона, т.е. 1,0 кПа. Типичная

чувствительность 2 мВ/В

3 % при питании 10 В. Для измерения порового

давления в центральной части образца применяются два миниатюрных

датчика давления воды PDCR81 с керамическим фильтром.

Деформации измеряются на полной базе (вне камеры) и локально (на

образце). Для определения полной осевой деформации используются датчики

Глава 4

186

LVDT c

диапазоном измерения 25 мм, закрепленные на крышке камеры.

Осевая и радиальная локальные деформации измеряются также датчиками

LVDT

при их закреплении на резиновой оболочке образца грунта, но с

диапазоном измерения 7 мм.

Для измерения изменения объема воды авторы применили контроллер

(50

см

) Menzies (1988). Контроллер оценивает объем воды, подаваемой

внутрь образца или выдавливаемой из него, по изменению перемещения

поршня устройства. Перемещение поршня определяется датчиком LVDT,

который закреплен на корпусе устройства. Существуют некоторые проблемы,

возникающие при использовании данного контроллера.

Не известно, имеются ли пузырьки воздуха в металлическом цилиндре

устройства, так как их не видно.

ИзAза возникновения трения между поршнем и цилиндром невозможно

измерить малые деформации, так как даже в цилиндрах с низким

коэффициентом трения усилие страгивания превышает 3–5 кПа.

Изменение объема образца может быть измерено устройствами, подобA

ными тем, которые используются для измерения изменения объема водонаA

сыщенных грунтов: бюретками (Bishop and Donald, 1961; Wheeler, 1986;

Maatouk, 1995; Sivakumar 1993);

капиллярными трубками (Delage et al. 1992);

датчиками объема (Wheeler, 1986; Sivakumar, 1993; Wheeler and Sivakumar,

1995).

В случае применения метода осевого перемещения воздух под действием

градиента давления может просачиваться в дренажную систему прибора,

влияя на измерения изменения объема воды. В методе осмоса отсутствует

градиент давления воздуха, и воздух может только двигаться, если вода

перемещает пузырьки воздуха.

В приборах с осевым перемещением на границе между образцом и

дренажной системой вводится керамический фильтр с низкой проницаA

емостью. Он предотвращает просачивание воздуха, если давление всасывания

меньше давления проницания воздуха, проходящего через керамический

фильтр. Поэтому для исключения водяных пузырьков из дренажной системы

или в случае измерения их объема выполняется периодическая промывка

дренажной системы через керамический фильтр. Устройства, предложенные

для этой цели, используют принцип циркуляции воды (Bishop and Donald,

1961; Olson and Langfelder, 1965; Matyas and Radharkrishna, 1968; Fredlund 1975;

Josa et al., 1987; Maatouk, 1993; Sivakamur, 1993; Wheeler and Sivakamur, 1995).

При измерении порового давления в частично водонасыщенных грунтах

возникают те же проблемы, которые могут быть решены или путем примеA

нения метода осевого перемещения или с использованием других специA

альных устройств (Bishop and Donald, 1961; Fredlund and Rahardjo, 1993; Ridley

and Burland, 1993).

Информационно!измерительные системы для испытаний грунтов

187

Если в водонасыщенных грунтах изменение объема является результатом

изменения объема воды, то в частично водонасыщенных грунтах сущестA

венное влияние на поведение грунтов оказывает другая фазовая составA

ляющая – воздух. В течение трехосных испытаний частично водонасыA

щенных грунтов изменение объема воздуха может быть вычислено как

разность между полным изменением объема образца грунта и изменением

объема воды (Fredlund and Rahardjo, 1993). Основное преимущество данного

способа заключается в том, что отпадает необходимость в измерении

изменения объема порового воздуха, которое зависит от давления, темпераA

туры, диффузии и утечек.

Всасывание воды в образец определяется с использованием метода

осевого перемещения (Hilf, 1956). Давление воздуха прикладывается к

верхней части образца через специальную конструкцию нагрузочного

штампа, который имеет выемку под пьезоэлемент и соединение датчика силы

и штампа.

Предложена новая конструкция соединения между нагрузочным штампом

и образцом грунта. Штамп выполнен из оргстекла прозрачным. Тонкая

резиновая упругая прокладка находится между новым соединением и

штампом и предназначена для снижения сил трения и уменьшения влияния

на начальный вид зависимости «девиаторное напряжение – осевая дефорA

мация». Вместо использования метода вакуумной присоски штампа к штоку

(

для устранения зазора) введена плита с сальником, размер которой на 0,25

мм больше диаметра штампа. Плита с сальником позволяет поддерживать

образец в вертикальном положении при подготовке и консолидации, при

этом не образуется зазор между штампом и торцом образца. Конструкция

штампа включает керамический камень (фильтр), пропускающий воздух при

давлении менее 5 кПа.

Пористые фильтры, применяемые для независимого измерения и

контроля давления порового воздуха и воды, пропускают воздух при давлении

до 1500 кПа. Для исключения образования пузырьков воздуха следует плотно

приклеивать фильтры к штампам, в особенности, если проводятся испытания

с созданием обратного давления.

Измерительная система Cabarkapa et al. (2006) использует интерфейс

RS232

для управления и регистрации данных и 16Aразрядный АЦП с разA

решением 2

полного диапазона питания. Система автоматически масштаA

бирует питание в четырех диапазонах (

10 мВ,

150 мВ,

1,3 В и

10 В) с

интервалом 20 мс при частоте 50 Гц с наименьшим разрешением 0,61 мВ/бит.

Типичные результаты испытаний показаны на рис. 4.30, 4.31. На рис. 4.30

приведены зависимости деформации от напряжений в испытаниях с

постоянным содержанием воды. Как видно из рис. 4.31, чем больше давление

всасывания, тем явнее проявляется пик прочности вследствие более сильного

сцепления между частицами грунта.

Глава 4

188

Рис. 4.30. Зависимость прочности супеси от всасывания (Cabarkapa et al. 2006)

На рис. 4.31 показаны значения модуля сдвига, полученные из пьезоA

метрических измерений скорости прохождения волны сдвига в сухом песке и

трех частично водонасыщенных образцах. Модуль сдвига увеличивается с

ростом среднего напряжения. При разгрузке модуль сдвига уменьшается, но

каждое его значение оказывается больше значений модкля сдвига при нагруA

жении. Сравнение результатов измерения модуля сдвига с использованием

волны сдвига и малых значений деформации на начальном участке кривой

деформирования показывает их удовлетворительное совпадение.

Рис. 4.31. Зависимость касательного модуля сдвига от среднего напряжения

при изотропной консолидации (Cabarkapa et al., 2006)

189

Глава 5. ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА

В УСЛОВИЯХ НЕВОЗМОЖНОСТИ

БОКОВОГО РАСШИРЕНИЯ

5.1. Сжатие и консолидация грунта

Условия компрессионного сжатия возникают в определенной части осно

вания протяженных в плане сооружений (см. табл. 1.3, глава 1). Подобными

сооружениями являются также земляные насыпи, плотины, подпорные стены

(рис. 5.1, а). Как показано на рис. 5.1, б, в центральной части основания

земляной насыпи невозможно расширение грунта в горизонтальном

направлении, грунт деформируется только вертикально. Это обусловлено

тем, что нагрузка от веса насыпи постоянна и каждый элементарный столб

грунта, показанный на рис. 5.1, б, нагружен одним и тем же весом насыпи.

Ближе к краю насыпи нагрузка от ее веса уменьшается и возможно

расширение грунта в горизонтальном направлении. Поэтому на краях насыпи

условия компрессионного сжатия уже не выполняются.

(а) (б)

Рис. 5.1. Схема деформации грунта в основании насыпи

Сжатие. Под сжатием понимается уплотнение грунта с вытеснением

воздуха из порового пространства. Динамические воздействия от транспорта,

погружения свай и землетрясения могут вызвать подобный эффект уплот

нения грунта при сжатии.

Консолидация. Это процесс уплотнения грунта вследствие отжатия воды

при действии нагрузки. Процесс консолидации приводит к возникновению

осадки зданий или сооружений, которая определяется как абсолютной

величиной, так и скоростью ее развития. Конечная осадка и изменение

осадки во времени определяются следующими параметрами:

− коэффициентом относительной сжимаемости m

;

− коэффициентом консолидации c

Глава 5

190

Типы консолидации:

• Естественная консолидация. В течение естественного отложения грунты

подвергаются консолидации, обусловленной весом отложений вышележащих

слоев грунта. После определенного времени процесс консолидации закан

чивается. В грунте возникают напряжения от собственного веса, которые

называются историческими. Если нет разницы между историческими и

текущими напряжениями от собственного веса грунта, то говорят, что грунт

нормально уплотненный. Если настоящие напряжения от собственного веса

грунта меньше, чем исторические напряжения, то говорят, что грунт нахо

дится в переуплотненном состоянии. Примером являются грунты, которые

уплотнялись ранее за счет веса ледника, а в настоящее время его нет.

• Первичная консолидация. Уплотнение грунта происходит за счет отжатия

(фильтрации) поровой воды при уменьшении объема пор. Величину первичной

(фильтрационной) консолидации определяют, используя зависимость осадки от

t (рис. 5.2, а) и tlg (рис. 5.2, б) как значение между степенью консолидации

%.100=

• Вторичная

консолидация. Уплотнение грунта происходит за счет

ползучести твердых частиц, обусловленной сдвигами частиц и их водно

коллоидных оболочек. Для расчета осадки в течение вторичной консоли

дации необходимо определить коэффициент вторичной консолидации

(а) (б)

Рис. 5.2. Определение начала и завершения первичной консолидации