Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

221

значением давления предварительного уплотнения или коэффициентом

переуплотнения. Эти параметры вводятся в ряд программ (Plaxis, Abaqus и

др.) и используются при расчете не только деформации, но и прочности

грунтов.

Давление предварительного уплотнения можно определить из компрес

сионных испытаний образцов грунта ненарушенной структуры (рис. 5.22).

Как видно из рис. 5.22, наклон кривой

)(lg

fe σ

′

незначителен до

вертикальных давлений, равных давлению предварительного уплотнения

′

За этим давлением наклон кривой резко возрастает, что свидетельствует о

сжимаемости грунта. Давление предварительного уплотнения подобно

напряжению текучести для связных грунтов. До этого давления в грунте

отсутствуют пластические деформации и грунт деформируется упруго.

Следует заметить, что приведенная методика определения давления

предварительного уплотнения (зарубежные стандарты BS, ASTM) из ком

прессионных испытаний совпадает с методом ГОСТ 124896, используемым

при определении структурной прочности грунта

str

Определение давления предварительного уплотнения выполняется

различными методами. Одним из первых является метод, предложенный

Казагранде. Определение

′

выполняется с использованием следующей про

цедуры (рис. 5.22):

1. Провести касательную линию к участку компрессионной кривой,

начало которого совпадает с видимым уплотнением образца грунта.

2. Найти точку с максимальной кривизной на начальном участке

компрессионной кривой, где изменяется угол наклона, и провести через нее

горизонтальную прямую.

3. Провести касательную линию к компрессионной кривой из найденной

в п. 2 точке.

4. Провести линию через биссектрису угла, определяемого линиями,

построенными в п. 2 и п. 3.

5. Точка пересечения между линией, проходящей через биссектрису угла

(п. 4) и первой касательной (п.1), определяет положение давления предвари

тельного уплотнения.

Метод Казагранде рекомендуется для глин, у которых имеет место

незначительное нарушение структуры при отборе монолитов и подготовке

образцов грунта. Для более чувствительных, пластичных глин, в особенности

структурированных, рекомендуется использовать другой метод, основанный

на определении энергии деформации. Предложен Becker et al. (1987).

Глава 5

222

Рис. 5.22. Определение давления предварительного уплотнения методом Казагранде

(Sabatini et al., 2002)

Значение

′

находится из зависимости от изменения накопленной энергии

деформации (напряжение умноженное на деформацию) для каждого при

ращения нагрузки в одометре. Точка, после которой энергия деформации резко

возрастает, соответствует давлению предварительного уплотнения (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Метод энергии деформации (Sabatini et al., 2002)

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

223

(а) (б)

(в) (г)

(д)

Рис. 5.24. Результаты компрессионных

испытаний образцов коалина

с интерпретацией пятью различными

методами:

а – Casagrande, б – Oikava; в – Onitsuka

et al.; г – Butterfield; д – Becker et al.

(Huang, 2005)

Глава 5

224

Процедура определения

′

следующая.

1. Вычислить изменение в работе на единицу объема для каждого

приращения деформации, используя выражение

()

′′

σ+σ

Δ= ε−ε

, (5.27)

где

WΔ

– изменение в работе на единицу объема;

– напряжение,

соответствующее началу приращения деформации (кПа);

– напряжение в

конце приращения деформации (кПа);

– деформация (относительная), со

ответствующая началу приращения;

– деформация (относительная) в

конце приращения.

2. Начертить график зависимости вертикального напряжения от суммы

работ для каждого соответствующего приращения напряжения. Предпола

гается, что значение напряжения, соответствующее суммарной работе,

определяется напряжением на конце приращения деформации.

3. Полученная зависимость должна иметь два явно выраженных прямо

линейных участка. Провести две прямые (1, 2 на рис. 5.23) через совокупность

данных на первом и втором участках.

4. Напряжение, соответствующее точке пересечения двух прямых,

является давлением предварительного уплотнения.

На рис. 5.24 показаны результаты сравнительных испытаний по опре

делению давления предварительного уплотнения. Зависимости получены с при

менением пяти различных методов (Casagrande, 1939; Oikawa, 1987; Onitsuka et

al., 1995; Butterfield, 1979; Becker et al., 1987). Обобщение результатов испытаний

для образцов грунта, вырезанных вертикально, горизонтально и наклонно,

показывает на различные значения

′

, что свидетельствует о различных

условиях формирования грунтов, как в плоскости отложения, так и по

вертикали. Значения напряжения, соответствующие предварительному

уплотнению грунта, полученные с использованием различных методов,

существенным образом не отличаются друг от друга.

5.4. Определение механических свойств грунтов

в компрессионном приборе с измерением

боковых напряжений

Определение деформационных свойств грунтов, модуля деформации и

коэффициента бокового давления, согласно отечественным ГОСТам, реко

мендуется выполнять с использованием двух методов: метода компрес

сионного сжатия и метода трехосного сжатия. В стабилометре можно

определить не только модуль деформации, коэффициент Пуассона, давление

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

225

предварительного уплотнения, но и коэффициент бокового давления. В связи

с тем, что приборы трехосного сжатия отличаются значительной ценой, стали

использовать для этой цели одометры с введенными в боковые стенки двумя

или тремя датчиками напряжений. В то же время в стабилометре трудно

обеспечить идеальную невозможность бокового расширения грунта

вследствие сжимаемости жидкости. В компрессионном приборе с жесткими

границами расширение грунта конструктивно исключено. Оказывается, что

даже небольшие деформации грунта в радиальном направлении приводят к

изменению коэффициента бокового давления.

Значения коэффициента бокового давления необходимы, в частности, для

определения активного или пассивного давления при проектировании подпор

ных стен или иных ограждающих конструкций в грунте. Максимальное давле

ние на конструкцию возникает на неподвижной стенке. Смещение стенки при

водит к уменьшению активного давления и коэффициента бокового давления.

На рис. 5.25 приведены графики (Лазебник Г.Е., 1967), представляющие

зависимость коэффициента бокового давления от перемещения подпорной

стенки. Если перемещения нет, то коэффициент

, близко совпадающий по

величине с коэффициентом бокового давления в состоянии покоя

, состав

ляет 0,6 и 0,4 для плотного и рыхлого песка, соответственно. При смещении

Рис. 5.25. Зависимость коэффициента бокового давления от величины перемещения

подпорной стенки (по опытам К.Терцаги):

1 – рыхлый песок; 2 – плотный песок (Лазебник Г.Е., 1967)

стенки в сторону от засыпки боковое давление в плотном песке, в отличие от

рыхлого, уменьшается резко, и при величине смещения стенки более 0,05 мм

коэффициент бокового давления для рыхлого песка оказывается больше, чем

для плотного песка. В связи с этим важно знать величину коэффициента

Глава 5

226

бокового давления при отсутствии движения грунта, т.е. в начальном

состоянии – состоянии покоя. Поэтому измерения горизонтальных напря

жений должны выполняться на недеформируемой границе подпорной стенки

или устройства в лаборатории. Учитывая это, Лазебник Г.Е. разработал два

устройства для измерения боковых напряжений с использованием струнных

датчиков давления типа СДКС.

Величина бокового давления определяется как среднее арифметическое

из показаний четырех датчиков СДКС. Устройства различаются формой

камеры (квадратная – рис. 5.26, а и круглая – рис. 5.26 б) и способом

нагружения (жесткий штамп – рис. 5.26, а и гибкий штамп –рис. 5.26, б).

Опыты показали, что на величину коэффициента бокового давления оказы

вает влияние форма камеры устройства (рис. 5.27). Измерение напряжений

тензометрическими датчиками внутри песчаного грунта разной плотности

показали, что в случае квадратной камеры наибольшие напряжения возни

кают в центральной части камеры, а наименьшие значения – в ее углах. В

квадратной камере в случае плотного песка напряжения концентрируются в

углах; поэтому датчики СДКС, установленные в центральной части, изме

ряют меньшие давления. В круглой камере в случае плотного песка и нагру

жения его жестким штампом максимальные напряжения возникают по

периметру штампа. Поэтому боковые давления в этом случае максимальны

(см.рис. 5.27, кривая 1). Если песок не уплотнен, то распределение напря

жений по поверхности образца близко к равномерному. Это подтверждается

тем, что графики изменения коэффициента бокового давления при нагруже

нии песка гибкой диафрагмой и жестким штампом практически совпадают.

(а) (б)

Рис. 5.26. Устройства для испытания грунтов в условиях невозможности

его бокового расширения:

а – квадратная камера и жесткий штамп; б – круглая камера и гибкий штамп:

1 – грунтовой динамометр датчика СДКС; 2 – бетон; 3 – грунт; 4 – индикатор

деформаций; 5 – квадратная металлическая плита – штамп; 6 – контактная площадка

датчика СДКС; 7 – гнездообойма датчика СДКС; 8 – держатель индикатора; 9 – внешняя

обойма (стальная труба); 10 – плитаоснование; 11 – анкерный болт; 12 – крышка

пневмокамеры; 13 – манометр; 14 – воздушный вентиль; 15 – резиновая диафрагма; 16 –

прижимное кольцо; 17 – хромированная профилирующая накладка (Лазебник Г.Е., 1981)

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

227

Рис. 5.27. Зависимость коэффициента бокового давления от вертикального давления

(Лазебник Г.Е. 1981):

2,3 – квадратная камера; 1, 4 – круглая камера;     рыхлый песок (е=0,656);

– плотный песок (е=0,472)

На рис. 5.28 показана конструкция

компрессионного прибора с измерением

боковых напряжений, разработанная Bro

oker and Ireland (1965). На образец грунта

прикладывается осевая нагрузка, а возника

ющая радиальная деформация измеряется в

стальной мембране с использованием

наклеенных на нее тензодатчиков. Регу

лируя гидравлическое давление (посредст

вом пары электроклапанов), в масле за

мембраной, можно поддерживать состояние

нулевой деформации. Соответствующее

гидравлическое давление принимается

равным боковому давлению.

В 1985 году Dyvik et al. предложили

свою конструкцию одометра с измерением

горизонтальных напряжений. Схема одо

метра приведена на рис. 5.29. В централь

ной части жесткого кольца находится

тефлоновая мембрана. За этой мембраной

расположена кольцевая камера по пери

метру образца, которая заполнена де

газированной водой. Горизонтальное

давление в камере измеряется тензомет

рическим датчиком давления.

Рис. 5.28. Одометр с измерением

горизонтальных напряжений (Brooker

and Ireland, 1965):

1 – опорная плита; 2 – труба, на

внутренней стороне которой на

клеены 16 тензодатчиков; 3 – соеди

нительное кольцо; 4 – болт; 5 –

обойма; 6 – канал для жидкости; 7, 9,

13 – дренаж; 8 – тензодатчики; 10 –

стальная мембрана; 11 – кольцевая

камера; 12 – перфорированный

бронзовый диск

Глава 5

228

Конструкция компрессионного прибора с

измерением боковых напряжений, разработанная

в МИСИ им. В.В.Куйбышева (сегодня – МГСУ)

в 1986 году (лаборатория В.Ф.Сидорчука),

показана на рис. 5.30.

В отличие от рассмотренных ранее кон

струкций в конструкции одометра МИСИ при

менены жесткие датчики давления (месдозы) с

гидравлическим усилителем. Это практически

исключает податливость самих датчиков, что

позволяет измерять боковое давление при

отсутствии смещения вертикальной границы.

Два датчика встроены в боковую поверхность

жесткой обоймы, в которую помещается

образец грунта. Образец грунта имеет высоту 50

мм. Осевая нагрузка прикладывается с двух

торцов образца, что снижает влияние сил

трения между образцом и боковой поверх

ностью жесткой цилиндрической обоймы. Одо

метр имеет датчик порового давления, который

расположен в центральной части нижнего

штампа. В результате испытаний, проведенных

Жамбакиной З.М. (1989), было установлено, что

с увеличением податливости (возможность

боковых перемещений стенки прибора) уменьшается интенсивность

приращения бокового давления при сжатии образца грунта. Так, испытания

мелкого песка средней плотности (

1,60 г/см

) показали уменьшение

отношения главных напряжений

/ σσ

с 0,456 при боковых перемещениях

стенки на 16 мкм до 0,340 при перемещении стенки на 33 мкм.

Рис. 5.30. Компрессионный прибор с измерением боковых напряжений

конструкции МИСИ (Сидорчук, 1986)

Рис. 5.29. Одометр

конструкции Dyvik et al. (1985):

1 – датчик давления; 2 – уро

вень воды в ванночке; 3 – при

жимное кольцо; 4 – силико

новый герметик; 5 – штамп; 6,

10 – фильтр; 7 – камера

заполненная водой; 8 –

образец диаметром 66,8 мм и

высотой 26,7 мм; 9 –

тефлоновая мембрана; 11 – ос

нование

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

229

На рис. 5.31 показана конструкция одометра, предложенная Senneset

(1989), в которой применены три датчика, встроенных в боковую поверхность

жесткой обоймы, разделенной на три части. В боковой поверхности каждой

части обоймы находятся стальные мембраны, деформация которых изме

ряется датчиком линейных перемещений LVDT. Три сегмента могут

смещаться в радиальном направлении, что позволяет создать в образце грунта

начальное напряженное состояние. Возможность смещения сегментов

позволяет измерять как активные, так и пассивные значения горизонтальных

напряжений. Наличие гибкой стальной мембраны исключает возможность

измерения горизонтальных напряжений при нулевой деформации боковой

границы.

(а)

(б)

Рис. 5.31. Одометр конструкции Senneset (1989):

а – сечение; б – внешний вид камеры: 1 – штамп; 2 – стальная мембрана; 3, 5 – фильтр;

4 – образец диаметром 54,3 мм, высотой 20 мм; 6 – камера, заполненная водой; 7 – датчик

порового давления; 8 – основание; 9 – датчик перемещения LVDT

В конструкции одометра Colmenares (2001) используются четыре стальные

мембраны (рис. 5.32, а) диметром 10 мм, расположенные ортогонально вокруг

жесткого кольца. На мембраны наклеены тензодатчики деформации.

Гидравлический насос соединен с резервуаром масла за диафрагмой и

используется для поддержания нулевой деформации мембраны. Боковое

давление определяется как среднее из четырех значений методом обратной

компенсации давления в резервуарах с маслом. Подобная конструкция

одометра была применена в исследованиях Gareau et al. (2004).

Глава 5

230

(а)

(б)

Рис. 5.32. Одометры конструкции Colmenares (2001) (а) и Gareau et al. (2004) (б):

1 – уплотнительное кольцо; 2 – камера, заполненная маслом; 3 – кольцо; 4 – диафрагма и

тензодатчики; 5 – кабель; 6 – давление масла

В 2005 году в ООО «Геотек» была разработана конструкция автоматизиро

ванного компрессионного прибора с одометром В.Ф.Сидорчука (рис. 5.33).

Процедура проведения испытаний

Испытания образцов грунта проводятся в одном из двух режимов: режиме

ползучести (при постоянном вертикальном давлении), режиме релаксации

(при постоянной заданной деформации).

Исследования грунтов в условиях компрессионного сжатия с измерением

бокового давления позволяют оценить:

 характер изменения напряженного состояния грунтового образца в

процессе сжатия с определением среднего напряжения и интенсивности

касательных напряжений;

 коэффициенты бокового давления

и поперечного расширения

;

 параметры предельного состояния, сцепление с и угол внутреннего

трения

;

 модуль общей деформации Е с уточнением коэффициента