Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

241

направлении устанавливается из испытаний образцов грунта в стандартных

одометрах с применением нагружения ступенями (статическое нагружение)

через заданные интервалы времени.

Испытаниям с использованием ступенчатого нагружения присущи сле

дующие недостатки:

Испытания продолжаются несколько дней или недель.

Значения коэффициентов консолидации трудно оценить объективно,

так как при их определении используется метод подгонки данных испытаний

к известному решению (методы «логарифм времени» и «корень квадратный

из времени»).

С целью устранения отмеченных недостатков был предложен метод

испытаний с нагружением постоянной скоростью деформации (Hamilton and

Crawford, 1959; Wisa et al., 1971; Umehara and Zen, 1980; Lee, 1981).

Как

правило, продолжительность опыта не превышает 2–6 часов.

5.5.1. Испытания с постоянной скоростью нагружения

испытаниях с постоянной скоростью нагружения скорость деформации

принимается и поддерживается постоянной в ходе опыта. Эта скорость

зависит главным образом от проницаемости и сжимаемости грунтов. В тече

ние этих испытаний поровое давление изменяется в образце по парабо

лической зависимости (рис. 5.38). Эта зависимость не постоянная, так как

поровое давление возрастает в течение опыта до достижения максимума

внешней нагрузки. Дренирование одностороннее, по направлению к поверх

ности образца. Поровое давление измеряется в нижней части образца.

Рис. 5.38. Граничные условия в опытах

с постоянной скоростью деформации

Глава 5

242

Если известна высота образца грунта Н, скорость деформации



, избы

точное поровое давление

uΔ

в нижней части образца (при z=H) и удельный

вес воды

, то коэффициент фильтрации определяется из выражения

=ε



. (5.32)

Среднее избыточное поровое давление в образце

uΔ

может быть найдено

из выражения

Δ= ε



, (5.33)

а среднее эффективное напряжение

′

при известном полном напряжении σ

определяется следующим образом:

′

σ=σ− ε



. (5.34)

Найдя коэффициент фильтрации k и среднее эффективное напряжение

′

, можно вычислить коэффициент консолидации



, (5.35)

где

– коэффициент сжимаемости.

Некоторые глинистые грунты показывают анизотропное поведение при

консолидации, характеризуемое различными деформациями в вертикальном

и горизонтальном направлениях. Стандартные компрессионные приборы

способны определять характеристики деформируемости только в верти

кальном направлении. Для преодоления данного недостатка разработаны

специальные конструкции одометров, позволяющие проводить испытания с

постоянной скоростью деформации (CRS), как с вертикальными, так и

горизонтальными условиями движения поровой воды. Результаты пока

зывают, что CRSиспытания проходят значительно быстрее и данные этих

испытаний легче интерпретировать, чем результаты стандартных компрес

сионных испытаний. Кроме того, так как компрессионная кривая из CRS

испытаний является непрерывной, с ее помощью легко определить давление

предварительного уплотнения.

Juirnarongrit (1996)

разработал новый CRSодометр с возможностью

радиального дренирования и получил новые уравнения, основанные на

теории Barron’s (1948), для определения коэффициента фильтрации и

консолидации в условиях радиального течения. Для испытаний с радиальным

дренированием горизонтальный коэффициент фильтрации определяется из

выражения

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

243

pwe

νγ

=α

, (5.36)

где

– скорость перемещения штампа;

– избыточное поровое давление

на водонепроницаемой боковой границе образца;

– радиус образца; H –

высота образца; α – параметр, зависящий от

(радиус центра дрены) и

Горизонтальный коэффициент консолидации вычисляется из выражения

vw b v

muHm

αν

. (5.37)

Определение коэффициентов консолидации при дренировании в

вертикальном или горизонтальном направлении выполняется в специальных

одометрах. В работе Seah et al. (2003) приведены результаты испытаний в

одометрах различной конструкции – стандартных одометрах (OED) со

ступенчатым нагружением и двух одометрах с возможностью радиального

(CRSR)

или вертикального (CRSV) дренирования – с постоянной

скоростью деформации в обоих случаях.

Основные компоненты CRSR одометра с радиальным дренированием

показаны на рис. 5.39. Одометр состоит из основания, камеры из двух частей

(

верхняя и нижняя обоймы), верхней плиты и штока нагружения. Нижняя

часть камеры имеет внутренний диаметр 63,5 мм и используется для

размещения образца. Отверстие в центральной части образца вырезается

струной по двум направляющим, которые закрепляются с обеих сторон

образца грунта, находящегося в нижней обойме. Затем в полученное

отверстие вставляется цилиндрический пористый камень, в направлении

которого выполняется радиальное дренирование воды при консолидации

образца. После подготовки образца нижняя обойма закрепляется на

основании, которое имеет отверстие диаметром 1 мм, смещенное на 13 мм от

оси симметрии образца (позиция «а» на рис. 5.39). Это небольшое отверстие с

одной стороны заполнено мелкозернистым каменным фильтром, а с другой

стороны соединено с датчиком порового давления, закрепленным на нижней

обойме. Второй датчик порового давления смонтирован в стенке нижней

обоймы (позиция «б» на рис. 5.39). Таким образом, поровое давление

измеряется в двух точках образца в процессе его консолидации. Верхняя

обойма герметично соединена с нижней обоймой, что позволяет использовать

камеру давления для водонасыщения образца. Штамп имеет в центре

отверстие диаметром 10 мм и глубиной 15 мм под керамический фильтр,

который входит в него свободно при консолидации образца. Два уплот

нительных кольца в верхней части одометра обеспечивают герметичность

соединений. Силы трения между сальником и штоком, между штампом и

уплотнительными кольцами оцениваются при градуировке одометра. В

Глава 5

244

штампе имеются два отверстия для дренирования воды, поступающей в

камеру давления. После сборки одометра он устанавливается в устройство

силового нагружения, и в воде камеры давления создается обратное давление

в 200 кПа для водонасыщения в течение 24 часов. Осевая нагрузка

прикладывается непрерывно с заданной скоростью, а показания датчика

силы, датчиков давления и перемещения записываются автоматически с

использованием системы сбора данных.

Рис. 5.39. Конструкция одометра (Seah et al. 2003):

1 – нагрузочный шток; 2 – канал спуска воздуха; 3 – камера давления; 4 – нижняя обойма;

5 – образец; 6 – основание; 7 – втулка; 8 – подшипник; 9 – канал управления давлением в

камере; 10 – опорная плита; 11 – сальник; 12 – верхняя обойма; 13 – уплотнительное

кольцо; 14 – мелкозернистый керамический фильтр; 15,16 – датчики порового давления;

17 – штамп; 18 – фильтр из пористого камня

Одометр с вертикальным дренированием подобен одометру с горизон

тальным дренированием, но отличается тем, что каналы дренирования в

штампе расположены вертикально и высота образца принята равной 20 мм.

Между керамическим фильтром и штампом укладывается диск из фильтро

вальной бумаги, препятствующий забиванию пор в керамическом фильтре.

Скорость деформации в одометре CRSV равна 3,3⋅10

6

/с, а в одометре

CRSR – 2,2⋅10

6

/с.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

245

Как видно из рис. 5.40, компрессионные кривые не зависят от условий на

гружения. Значение коэффициента консолидации зависит от направления

дренирования. Следует подчеркнуть, что коэффициент консолидации при

эффективных напряжениях, меньших давления предварительного уплот

нения, намного больше, чем значения данного коэффициента при напряже

ниях, превышающих давление предварительного уплотнения. Коэффициент

фильтрации также оказывается больше в радиальном направлении.

Рис. 5.40. Компрессионные кривые из испытаний в одометрах CRSR, CRSV

и стандартном одометре OED (Seah et al., 2003)

Глава 5

246

При проведении испытаний образцов глинистых грунтов, отобранных из

массива грунта тем или иным способом, важно оценить, в какой степени

была нарушена структура грунта как при отборе монолита, так и в процессе

вырезания образца из монолита.

Один из таких способов оценки основан на анализе компрессионных

кривых. Компрессионные кривые у образцов ненарушенной структуры име

ют явно выраженный начальный участок с небольшим углом наклона,

продолжающийся практически до напряжений, соответствующих структур

ной прочности. Другой способ оценки степени нарушения структуры основан

на анализе изменения коэффициента консолидации в зависимости от

эффективных нормальных напряжений. Разрушенные образцы обычно

показывают постепенное изменение значения

, в то время как в случае не

нарушенной структуры значение

будет изменяться резко при напряже

ниях, близких к давлению предварительного уплотнения, а затем с ростом

напряжений, будет оставаться почти постоянным.

Альтернативный способ оценки степени нарушения структуры гли

нистого грунта основан на анализе изменения коэффициента порового

давления

)/(

u σ

′

в зависимости от эффективного вертикального напряжения

(

рис. 5.41, б). Для образцов с ненарушенной структурой характерно наличие

резкого уменьшения коэффициента порового давления.

(a) (б)

Рис. 5.41. Влияние нарушения структуры на результаты испытаний (Seah et al., 2003):

а – компрессионные кривые; б – изменение порового давления

На кривой зависимости

u σ

′

−σ

′

)/(

наблюдается участок Uобразной

формы (рис. 5.41, б) с минимальным значением

)/(

u σ

′

при эффективном на

пряжении, равном давлению предварительного уплотнения. В то же время

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

247

образцы с нарушенной структурой показывают плавное изменение коэф

фициента порового давления с ростом эффективных напряжений.

Определение давления предварительного уплотнения

Метод, основанный на использовании результатов испытания образцов

грунта в одометре с нагружением образца грунта заданной скоростью

деформации (CRS), был предложен Juirnarongrit (1996). Результаты испы

таний показывают, что значение эффективного напряжения при минимуме

коэффициента порового давления весьма близко к значению давления

предварительного уплотнения (рис. 5.42).

Рис. 5.42. К определению давления предварительного уплотнения

(Seah et al., 2003)

Сравнение значения давле

ния предварительного уплот

нения, определенного с ис

пользованием данного метода,

со значением, найденным ме

тодом Казагранде (рис. 5.43),

показало на хорошее совпа

дение между ними. Рассмат

риваемый метод намного проще

и не требует специальных рас

четов при анализе результатов

испытаний.

Для определения коэффи

циента консолидации в гори

зонтальном направлении (Yune

Рис. 5.43. Сравнение метода Казагранде и метода

Juirnarongrit (Seah et al., 2003)

Глава 5

248

et al., 2005)

разработали конструкцию одометра, которая показана на рис.

5.44, 5.45.

Одометр состоит из герметичной камеры с непроницаемыми

верхним штампом и основанием и пористыми стенками для фильтрации

поровой воды только в радиальном направлении. При водонасыщении

образца используется обратное давление. Для измерения вертикальной

деформации, нормального и порового давления применяются датчики

перемещения, силы и давления, соответственно. Сбор данных и управление

нагружением выполняются компьютером.

Рис. 5.44. Одометр с

радиальным дренированием

(Yune et al., 2005):

1 – датчик силы; 2 – датчик

перемещения LVDT; 3 – спус

кной кран; 4 – сальник; 5 –

образец; 6 – нагрузочный

шток; 7 – канал обратного

давления; 8 – камера дав

ления; 9 – штамп; 10 – допол

нительный цилиндр; 11 –

датчик порового давления

Рис. 5.45. Схема управления испытаниями

(Yune et al., 2005):

1 – интерфейс осевого перемещения; 2 – интерфейс

осевой нагрузки; 3 – интерфейс порового давления;

4 – устройство сбора данных; 5 – устройство

управления обратным давлением; 6 – панель

управления осевым приводом; 7 – компьютер;

8 – датчик силы; 9 – датчик перемещения LVDT; 10 –

одометр; 11 – основание; 12 – сервопривод;

13 – датчик порового давления

Теоретическая основа для CRSиспытаний с вертикальным дрениро

ванием была разработана Wissa et al. (1971). Используя теорию бесконечно

малых деформаций, связанных с нелинейным поведением грунта, Wissa et al.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

249

получили выражения для определения среднего эффективного вертикального

напряжения

′

и коэффициента консолидации с

в виде:

32 21/3

(2 )

v v vb vb

′

σ=σ−σ +σ

, (5.38)

2lg1

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

=−

⎛⎞

Δ−

⎜⎟

⎝⎠

, (5.39)

где

2/)(

21 vvv

σ+σ=σ

– среднее полное вертикальное напряжение;

–

среднее избыточное поровое давление на недренированной нижней границе;

H – текущая высота образца;

σσ

– полное вертикальное напряжение за

период

ttt −=Δ

Для условий горизонтального дренирования решение с использованием

дифференциального уравнения консолидации приведено в работе Yune et al.

(2005)

и получено при условии наличия деформации в вертикальном направ

лении, несжимаемости воды и твердых частиц грунта и полного водонасыщения

грунта. Среднее эффективное вертикальное напряжение и коэффициент консо

лидации в горизонтальном направлении определяются из выражений:

vv c

′

σ=σ−

, (5.40)

1, 7 3 6

⎛⎞

′

⎜⎟

′

⎝⎠

, (5.41)

где

– поровое давление в центре образца.

На рис. 5.46 приведены результаты испытаний глинистого грунта, вы

полненные Yune et al. (2005). Испытания были проведены с образцами грунта

нарушенной и ненарушенной структуры с целью определения коэффициентов

консолидации в вертикальном и радиальном направлениях в условиях стан

дартного нагружения ступенями и нагружения с заданной скоростью дефор

мации. Нагружение ступенями выполнялось через 24 часа с удвоением пре

дыдущей нагрузки. Скорость деформации принималась равной 4,2–12,9 %/ч.

В опытах не наблюдалось существенного различия между компрессионными

кривыми CRS и кривыми ступенчатого нагружения для образцов нарушенной и

ненарушенной структуры. Эффект влияния скорости деформации для

CRS

испытаний не был ясно определен в выбранном диапазоне скорости

деформации от 4,2 %/ч до 12,9 %/ч. Параметры консолидации C

и C

и давление

предварительного уплотнения

′

практически совпадают во всех испытаниях.

Глава 5

250

(а)

(б)

Рис. 5.46. Коэффициент консолидации глины (Yune et al., 2005) нарушенной (а);

ненарушенной (б) структуры

Значения коэффициентов консолидации

вычислены с использо

ванием результатов CRSиспытаний и испытаний при ступенчатом нагружении.

В последнем случае для нахождения среднего значения коэффициента

консолидации на каждой ступени приращения нагрузки применен метод корня