Назад
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:
1.
Испытания продолжаются несколько дней или недель.
2.
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
В
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
1
ε
, избы
точное поровое давление
b
uΔ
в нижней части образца (при z=H) и удельный
вес воды
w
γ
, то коэффициент фильтрации определяется из выражения
2
1
1
2
W
b
kH
u
γ
Δ
. (5.32)
Среднее избыточное поровое давление в образце
m
uΔ
может быть найдено
из выражения
2
1
1
3
w
m
uH
k
γ
Δ= ε
, (5.33)
а среднее эффективное напряжение
m
σ
при известном полном напряжении σ
определяется следующим образом:
2
1
1
3
w
m
H
k
γ
σ=σ ε
. (5.34)
Найдя коэффициент фильтрации k и среднее эффективное напряжение
m
σ
, можно вычислить коэффициент консолидации
v
c
:
2
2
v
bv
H
с
um
ε
=
Δ
, (5.35)
где
v
m
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
2
pwe
h
b
r
k
uH
νγ
, (5.36)
где
p
ν
скорость перемещения штампа;
b
u
избыточное поровое давление
на водонепроницаемой боковой границе образца;
e
r
радиус образца; H
высота образца; αпараметр, зависящий от
w
r
(радиус центра дрены) и
e
r
.
Горизонтальный коэффициент консолидации вычисляется из выражения
2
pe
h
h
vw b v
r
k
с
muHm
αν
==
γ
. (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 конструкциистандартных одометрах (OED) со
ступенчатым нагружением и двух одометрах с возможностью радиального
(CRSR)
или вертикального (CRSV) дренированияс 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 3,310
6
/с, а в одометре
CRSR – 2,210
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
v
с
, в то время как в случае не
нарушенной структуры значение
v
с
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
)/(
v
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
vv
u σ
σ
)/(
наблюдается участок Uобразной
формы (рис. 5.41, б) с минимальным значением
)/(
v
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
v
σ
и коэффициента консолидации с
v
в виде:
32 21/3
(2 )
v v vb vb
uu
σ=σσ +σ
, (5.38)
2
2
1
lg
2lg1
v
v
v
b
v
H
c
u
t
⎛⎞
σ
⎜⎟
σ
⎝⎠
=−
⎛⎞
Δ−
⎜⎟
σ
⎝⎠
, (5.39)
где
2/)(
21 vvv
σ+σ=σ
среднее полное вертикальное напряжение;
b
u
среднее избыточное поровое давление на недренированной нижней границе;
Hтекущая высота образца;
21
,
vv
σσ
полное вертикальное напряжение за
период
12
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:
1
2
vv c
u
σ=σ
, (5.40)
2
2
1
lg
1, 7 3 6
v
v
v
r
c
R
c
ut
⎛⎞
σ
σ
⎜⎟
σ
⎝⎠
=
Δ
, (5.41)
где
c
u
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
c
и C
r
и давление
предварительного уплотнения
р
σ
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
v
с
и
r
c
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