Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

191

Сжатие грунта от внешней нагрузки будет различным в зависимости от

степени его водонасыщения. При полном водонасыщении грунта, когда весь

объем пор заполнен водой, грунт является двухкомпонентной средой (рис. 5.3

б) и его сжатие возможно только при наличии дренирования. Н.М.Герсеванов

(1937) назвал двухкомпонентную среду «грунтовая масса». При полном водо

насыщении степень водонасыщения

.1=

Для трехкомпонентной среды,

когда объем пор частично заполнен водой, а частично – воздухом или каким

либо газом (рис. 5.3, а), говорят, что грунт является не полностью водона

сыщенным, при этом

.10 <<

Процесс сжатия грунта будет различным для

водонасыщенного и не полностью водонасыщенного грунта. В связи с этим

различают собственно сжатие грунта и консолидацию грунта. На рис. 5.3, а

показано уменьшение объема грунта за счет уменьшения объема пор,

занятого воздухом. В процессе сжатия грунта изменения объема воды не

происходит. В процессе консолидации грунта объем воды в единице объема

грунта (рис. 5.3, б) уменьшается вследствие ее отжатия (фильтрации) при

действии внешней нагрузки и грунт уплотняется. Так как вода медленно

отжимается из порового пространства, то консолидация зависит от времени и

продолжается длительное время. Консолидация подразделяется на первич

ную и вторичную. В процессе первичной консолидации уплотнение грунта

сопровождается уменьшением объема пор вследствие отжатия воды, что

характеризуется уменьшением порового давления от максимального до

нулевого. Вторичная консолидация обусловлена деформацией самих твердых

частиц грунта.

(а) (б)

Рис. 5.3. Сжатие (а) и консолидация (б) грунта

На рис. 5.4 показана модель грунта, предложенная проф. К.Терцаги

(1933). Скелет грунта (твердые частицы) представлен в виде пружины,

которая находится в воде в объеме цилиндра. Сжатие пружины и отток воды

происходят при движении поршня. В начальный момент времени, когда кран

закрыт, перемещение поршня отсутствует и вся нагрузка воспринимается

Глава 5

192

пружиной и водой. Если теперь открыть кран, то вода начнет отжиматься,

давление в воде будет уменьшаться, а в пружине расти. Поршень опустится на

какуюто величину. Чем жестче пружина, тем меньше переместится поршень

или уплотнится грунт. Поэтому жесткость грунта влияет на величину осадки

консолидации. Размер диаметра крана определяет скорость отжатия (дрени

рования) воды. Чем меньше диаметр отверстия (пор), тем медленнее будет

происходить процесс сжатия пружины (грунта).

Рис. 5.4. Модель водонасыщенного грунта

Полные напряжения в грунте являются суммой эффективных напря

жений и порового давления

′

σ=σ +

. (5.1)

Сжатие грунта происходит только за счет действия эффективных напря

жений, так как поровое давление вызывает только напор в грунтовой воде и

приводит к ее фильтрации. В начальный момент приложения внешней

нагрузки полное давление равно поровому давлению вследствие малой сжи

маемости грунтовой воды (рис. 5.5) и эффективное напряжение определяется

из выражения

′

σ=σ−

. (5.2)

Из рис. 5.5 видно, что в начальный момент времени, когда

0=t

, полное

давление равно поровому давлению, так как в этот момент дренирование

невозможно. Эффективные напряжения равны нулю. Сжатие отсутствует. По

мере оттока воды давление в ней падает, а эффективные напряжения увели

чиваются. При завершении первичной (фильтрационной) консолидации

поровое давление будет практически равно нулю, а эффективные напряжения

равны полным.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

193

Время

Рис. 5.5. Изменение порового давления и эффективных напряжений в грунте

Эта модель грунта используется при описании процесса консолидации

полностью водонасыщенного грунта. При описании процесса сжатия не

полностью водонасыщенного грунта необходимо учитывать давление воздуха

в поровом пространстве грунта.

5.2. Приборы, применяемые при проведении

компрессионных испытаний

Компрессионные приборы были предложены в конце 20х начале 30х гг.

прошлого столетия рядом исследователей. Первым подобные испытания

предложил проводить, по всей ви

димости, К.Терцаги в 1923 году. В

России практически до сих пор

используются приборы Маслова –

Лурье конструкции института «Гид

ропроект» (рис. 5.6). Эти приборы

отличаются только тем, что в

одометре Н.Н.Маслова (1949) верти

кальная деформация измеряется

одним индикатором часового типа, а

в одометре НИИ «Гидропроект» –

двумя индикаторами.

Образец грунта в одометре НИИ

«Гидропроект» имеет диаметр 87,4 мм

и площадь поперечного сечения

60 см

при высоте 25 мм. Верти

Рис. 5.6. Компрессионный прибор

Маслова – Лурье конструкции института

«Гидропроект»

Глава 5

194

кальная нагрузка в обоих типах приборов создается рычагом и весом гирь. Этот

прибор используется и сегодня в нашей стране во многих трестах инженерно

строительных изысканий и иных геотехнических лабораториях.

В настоящее время проводятся различные виды компрессионных

испытаний, в зависимости от типа решаемой инженерной задачи. В табл. 5.1

приведены основные типы компрессионных приборов, методы испытаний

грунтов в этих приборах и их особенности, а в табл. 5.2 – схемы приборов.

Наибольшее применение находят приборы с нагружением ступенями

(статическое нагружение), с выдержкой на каждой до условной стабилизации

деформаций. За рубежом (США, Англия, Франция и др.) кроме статического

нагружения используют нагружение с заданной скоростью деформации. В

этих приборах вертикальная нагрузка прикладывается непрерывно, а ее

скорость определяется по величине рассеивания порового давления. Подоб

ный метод ускоренных испытаний предложен в России рядом иссле

дователей, в том числе А.Н.Труфановым, но пока не нашел широкого

применения.

Таблица 5.1

Типы компрессионных приборов

Тип компрессионного прибора Методы

испытаний

Особенности

Прибор со статическим нагру

жением

ГОСТ 1224896,

ASTM D 2435

• Измерение вертикальной дефор

мации и нормального давления

• Измерение порового давления

• Измерение скорости волны сдвига;

• Создание обратного давления

• Измерение давления набухания

Прибор с постоянной ско

ростью деформации (CRS)

ASTM D4186

Прибор с измерением релак

сации напряжений (А.Н.Тру

фанов, патент №2272101)

Релаксация

напряжений

Приборы с измерением боко

вых напряжений

Дополнительно к предыдущему изме

рение боковых напряжений

Компрессионнофильтра

ционные приборы

ГОСТ 1224896 Измерение проницаемости грунтов

В большинстве случаев в геотехнических лабораториях проводятся

компрессионные испытания при ступенчатом нагружении, с выдержкой на

каждой ступени до стабилизации вертикальной деформации. Испытания

продолжаются в течение нескольких дней, иногда и недель. Приборы с нагру

жением с постоянной скоростью деформации или с оценкой стабилизации

деформаций по степени релаксации напряжений позволяют значительно

сократить сроки испытаний (от нескольких дней до нескольких часов).

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

195

Таблица 5.2

Схемы компрессионных приборов и результаты испытаний

Конструкция одометра Зависимости из данных испытаний

Глава 5

196

С.Р. Месчян (1978) приводит интересные сведения об истории создания

компрессионных приборов. «… Первый одометр (диаметр 35 см, высота об

разца 5 см) был изготовлен во Франции Фронтаром в 1910 г. (Гольд

штейн М.Н., 1971) …». Одномерные уплотнения глинистых грунтов по схеме

двухстороннего отжатия поровой воды через слои песка были проведены

Шведской геотехнической комиссией в 1919 г. Эта схема была использована

К.Терцаги (рис. 5.7) при создании прибора собственной конструкции

(«одометр», кольцо

d = 8 cм, h = 1,3 см).

(а) (б)

Рис. 5.7. Схема испытания в одометре по К.Терцаги (Герсеванов, 1937):

1 – дробь; 2 – стеклянный цилиндр; 3 – бронзовое кольцо; 4 – песчаный фильтр;

5 – образец глины; 6 – вода; 7 – фильтровальная бумага

Свои опыты К.Терцаги выполнял следующим образом. Нижняя часть

стеклянного цилиндра (см. рис. 5.7,а) наполнялась жидкой, но очень вязкой

смесью глины с водой. Дно цилиндра покрывалось листом тонкой фильтро

вальной бумаги, на которую помещалось бронзовое кольцо, а на него

укладывался слой глины. Поверхность слоя глины покрывалась фильтро

вальной бумагой, поверх которой насыпался фильтрующий слой кварцевого

песка. Требовалось около 24 часов, чтобы процесс сжатия глины под

действием веса песчаного слоя был закончен. После этого на поверхность

песка ставился латунный сосуд, под давлением которого сжатие про

должалось еще в течение одного дня. Затем нагрузка увеличивалась запол

нением нижней половины сосуда дробью, а еще через два дня заполнялась и

верхняя половина. Полная нагрузка составляла 10 кПа. Для измерения

величины сжатия латунный сосуд был снабжен шкалой. В дальнейшем

нагрузку увеличивали, прикладывая ее с помощью рычага через шаровую

опору. Давление возрастало ступенями от 10 до 120 кПа через каждые два дня.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

197

Для получения более высоких давлений кольцо с глиной помещалось в

другой прибор, показанный на рис. 5.7, б. Далее давление создавалось сту

пенями 200, 400, 800, 1400 и 2000 кПа с выдержкой в течение двух суток на

каждой ступени нагружения. Результаты опытов показаны на рис. 5.8.

Рис. 5.8 . Кривые зависимости влажности грунта от давления, полученные К.Терцаги

(Герсеванов, 1937):

1 – песчаный ил; 2 – желтая горшечная глина; 3 – синяя морская глина

Одним из первых отечественных компрессионных приборов с гидрав

лической системой нагружения является прибор марки ГКП, конструкция ко

торого описана в монографии В.Г. Булычева (1948). За рубежом (Англия)

подобный прибор был предложен позднее в 1966 году Rowe and Barden. Этот

прибор выпускается в настоящее время рядом фирм (www.ele.com) и называется

гидравлическим одометром Роу (рис. 5.9). В этом приборе гидростатическое

давление (обратное давление) и внешняя нагрузка создаются жидкостью.

Внешняя нагрузка прикладывается через резиновую мембрану, а обратное

давление – через канал в штоке к центральной части образца грунта. Диаметр

образца грунта принимается равным 76 мм, 152 мм или 254 мм. При диаметре,

равном 254 мм, высота образца составляет 75–100 мм.

Глава 5

198

(а)

(б)

Рис. 5.9. Конструкция компрессионного прибора Rowe and Barden (1966):

а – схема; б – одометр Rowe с контроллером давления фирмы GDS:

1 – цифровой индикатор перемещения; 2 – гибкий трубопровод; 3 – обратное давление; 4

– бронзовый фильтр; 5 – датчик порового давления; 6 – керамический фильтр; 7 –

уплотнительное кольцо; 8 – резиновый мешок (диафрагма); 9 – линия вертикального

давления; 10 – шток цифрового индикатора

Преимущество гидравлических одометров перед обычными заключается в

том, что поровое давление воды может контролироваться источником

постоянного давления на верхней части образца (одометр Роу) или верхней и

нижней частях образца (ГКП). В последнее время для поддержания посто

янного нормального давления и обратного давления в поровой жидкости в

этих приборах используются регуляторы давления фирмы GDS. Они

показаны на рис. 5.9,б и 5.10.

(а)

(б)

Рис. 5.10. Общий вид (а) и схема (б) устройства регулирования давления фирмы GDS

(www.gdsinstrumets.com):

1 – шаговый двигатель и редуктор; 2 – винт; 3 – уплотнительная гайка; 4 – поршень;

5 – выход давления; 6 – линейный подшипник; 7 – цилиндр; 8 – датчик давления;

9 – микропроцессор

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

199

Регулятор давления используется как для поддержания нормального дав

ления (усилия), так и для создания обратного давления внутри образца

грунта. Он же применяется для измерения изменения объема образцов грунта

как в одометрах, так и в приборах трехосного сжатия. Точность создания

давления 1 кПа, точность измерения изменения объема 1,0 мм

. Измеряемый

объем 200 см

, максимальное давление 3 МПа.

В одометре Rowe поровое давление в нижней части образца измеряется

через керамический фильтр. Преимуществом одометра Rowe является то, что

для создания внешней нагрузки не надо применять силовую раму, так как она

создается давлением жидкости. Гидравлические одометры могут быть при

менены по меньшей мере для четырех типов дренирования: дренирование

может быть вертикальным по направлению к фильтру в верхней части

образца или по направлению вверх и вниз, если фильтры установлены с обеих

сторон образца. Горизонтальное дренирование может быть выполнено или

через центральную песчаную дрену, или через кольцевой пористый пласт

массовый фильтр (толщиной 1,5 мм) по периметру образца. В некоторых

грунтах проницаемость в горизонтальном направлении может быть больше,

чем в вертикальном направлении.

Гидрокомпрессионный прибор (ГКП) конструкции В.Г. Булычева

предназначен для исследования деформативности грунтов и включает систе

му, создающую в нем постоянное или переменное гидростатическое и гидро

динамическое давления с заданными параметрами. Схема установки, включ

ающей указанный прибор, показана на рис. 5.11 и была применена Б.И. Дал

матовым и др. (1972) при исследовании глинистых грунтов.

(а)

(б)

Рис. 5.11. Схема установки (а) с гидрокомпрессионным одометром (б)

(Булычев, 1948):

1 – одометр; 2,9 – манометр; 3 – гидравлическая камера; 4 – резиновая диафрагмабаллон;

5 – резервуар с водой; 6 – баллон со сжатым воздухом; 7 – индикатор перемещения; 8 –

ниппельное устройство

Глава 5

200

Установка (рис. 5.11 а) состоит из герметизированного одометра (ГКП) 1 с

индикаторами 7 и манометрами 2, который соединен с гидравлической

камерой 3, снабженной эластичной резиновой диафрагмойбаллоном 4, в

свою очередь, соединенной с резервуаром для воды 5 и баллоном с сжатым

воздухом 6, имеющим манометр 2 и ниппельное устройство 8.

Для проведения исследований, связанных с учетом воздействия на грунт

гидростатического давления, внутренние полости прибора 1 и гидравли

ческой камеры 3 заполняются водой из резервуара 5, а диафрагмабаллон 4 –

сжатым при определенном давлении, воздухом из баллона 6. Упругость и

соответствующие размеры резинового баллона 4 обеспечивают постоянство

величины давления в компрессионной камере даже при небольших утечках

воды. Режим приложения и снятия гидростатического давления в приборе

регулируется соответствующими впускными и выпускными кранами и

ниппельным устройством 8. Работа прибора по закрытой или открытой схеме

будет зависеть от соответствующего положения крана К

Одометр ГКП (рис. 5.11 б) работает следующим образом. Нижняя часть 3

одометра заполняется водой через кран К

до тех пор, пока ее уровень не

окажется выше перфорированного диска 8. Устанавливается кольцо 2 с

грунтом и уплотнительными прокладками 10, затем корпус одометра 1,

кольцо и днище стягиваются болтами (не показаны на рис. 5.11, б). В корпус

одометра наливается вода (на 10–15 мм выше поверхности образца грунта),

устанавливается штамп 5, соединенный со штоком 7 и перфорированной

частью 9. На прибор надевается крышка 4, имеющая втулку 12,

уплотнительное кольцо 13. Крышка крепится к прибору болтами 11. Затем

устанавливаются манометр 9 (см. рис. 5.11, а), индикаторы 8 и одометр 1 и

соединяются с гидравлической камерой 3. Прибор и гидравлическая камера

при открытых контрольных отверстиях V

и V

заполняются водой из

резервуара. После закрытия крана К

через краны К

и К

из баллона со

сжатым воздухом подается воздух, что создает необходимое давление в

гидравлической камере и приборе.

Результаты опытов (Б.И. Далматов и др., 1972) показали, что под

действием гидростатического давления газосодержащие грунты дефор

мируются практически мгновенно (рис. 5.12, б). При повторных нагрузках и

разгрузках грунта возникновение петель гистерезиса не наблюдалось. После

снятия гидростатического давления образцы грунта полностью восстанав

ливают первоначальный объем. Таким образом, деформации под действием

гидростатического давления полностью упругие. При дополнительном нагру

жении сверх гидростатического давления через шток поршня осадка

оказывается значительно больше осадки грунта при гидростатическом

давлении той же интенсивности. Объясняется это, повидимому, тем, что под

действием гидростатического давления грунт деформируется только за счет