Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

251

квадратного из времени. Для образцов с нарушенной структурой значения

возрастают (рис. 5.46, а) с ростом эффективного вертикального напряжения,

что было обнаружено также Wang and Wei (1996). Эта тенденция сохраняется с

изменением скорости деформации. Различие в значениях

, полученных с

использованием результатов CRSиспытаний и испытаний с нагружением

ступенями, составляет до 47 %. Для образцов с ненарушенной структурой (рис.

5.47,

б) значения

уменьшаются с ростом эффективного вертикального

напряжения до тех пор, пока не будет достигнуто давление предварительного

уплотнения

′

, а затем практически остаются постоянными.

(а)

(б)

Рис. 5.47. Изменение коэффициента порового давления с ростом эффективных

напряжений (Yune et al., 2005)

Глава 5

252

Испытания показывают, что при нагружении с постоянной скоростью

контролировать изменение порового давления для оценки процесса стаби

лизации деформаций практически невозможно. Поэтому было предложено

использовать (Smith and Wahls, 1969) коэффициент отношения порового

давления к полному напряжению

)/(

u σ

как индикатор изменения порового

давления. Авторы рекомендуют 50 %е значение коэффициента порового

давления как предельное. Gorman et al. (1978) предлагают принимать

значение этого коэффициента не более 30–50 %, основываясь на сравни

тельных опытах CRS, опытах с нагружением ступенями и опытах с контролем

градиента поровой воды.

Во всех случаях (рис. 5.47, а,б) значения коэффициента порового

давления вначале высокие, а затем уменьшаются до значений, меньших: 6 %

для образцов с нарушенной структурой и 35 % – с ненарушенной структурой.

Значения коэффициента порового давления возрастают с ростом скорости

деформации.

Значения коэффициента порового давления, приведенные на обоих

графиках (рис. 5.46, а,б), ниже 50 %. Только при проведении испытаний с

наибольшей скоростью деформации значения данного коэффициента

превышают 50 % в начале нагружения. Однако результаты CRSиспытаний

даже в случаях, когда значения коэффициента порового давления выше

предела 50 %, показывают хорошее совпадение компрессионных кривых и

параметров

с данными, получеными при нагружении ступенями.

В работе (Kassim et al., 1999) приведено описание конструкции одометра

(

рис. 5.48, 5.49) и методики проведения испытаний с постоянной скоростью

деформации. В качестве устройства силового нагружения используется

стандартная силовая рама трехосного прибора с системой регулирования

давлением. Дренирование возможно с обеих сторон образца грунта, но

методика испытаний предусматривает дренирование только со стороны,

противоположной границе, на которой находится датчик порового давления.

Это позволяет контролировать и измерять избыточное поровое давление на

недренируемой стороне образца грунта и использовать измеренные значения

для определения коэффициента консолидации. Система обратного давления

связана с каналом дренирования для водонасыщения образца грунта. Нагру

жение нормальной нагрузкой выполняется жестким штампом. Образец

размещен в стальном кольце, которое находится внутри прозрачной камеры

давления, рассчитанной на давление в 500 кПа.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

253

Рис. 5. 48. Одометр для испытания с постоянной скоростью деформации

(Kassim et al., 1999):

1,14 – датчики порового давления; 2 – нагрузочный шток; 3 – спускной кран;

4 – верхняя опорная плита; 5 – стяжные стойки; 6 – камера давления; 7 – прозрачный

цилиндр; 8 – перфорированный штамп; 9, 12 – пористый диск; 10 – образец; 11 –

стальное кольцо; 13 – основание; 15 – к контроллеру давления

Рис. 5.49. Силовая рама и одометр (Kassim et al., 1999):

1 – динамометрическое кольцо; 2 – датчик осевого перемещения LVDT;

3 – устройство силового нагружения; 4 – одометр

Глава 5

254

Образец грунта находится в стальном кольце диаметром 100 мм и высотой

мм. Устройство силового нагружения обеспечивает создание усилия в 10

кН с нормальным давлением до 1250 кПа. Пористые диски введены с обоих

торцов образца и находятся внутри стального кольца. Так как высота кольца

мм, то, с учетом толщины дисков, высота образца грунта составляет 23,5

мм. Для создания обратного давления при водонасыщении образца кольцо

размещается внутри прозрачного цилиндра из оргстекла с толщиной стенок

мм. Обратное давление в камере не превышает 100 кПа. Толщина стенок

цилиндра рассчитана на давление до 500 кПа. Уплотнительные кольца

введены для обеспечения герметичности камеры и штока.

Дренирование осуществляется с верхней части образца. Перфори

рованный штамп устанавливается на верхний пористый диск, через который

создается обратное давление. Величина обратного давления контролируется

датчиком давления. Можно приложить обратное давление и в нижней части

образца, что позволит ускорить процесс водонасыщения образца грунта. В

течение консолидации поровое давление на основании образца измеряется

вторым датчиком давления. Стальное кольцо запрессовано в стенки

прозрачного цилиндра, что обеспечивает герметичность их соединения и

гарантирует движение воды только через образец грунта.

Обратное давление может быть приложено к верхней и нижней части

образца. Обратное давление в верхней части образца равно давлению воды в

камере. Это давление сохраняется в течение испытания. Конструкция

позволяет либо поддерживать обратное давление в основании образца, либо

перекрыть дренирование с основания и измерять поровое давление здесь. В

процессе водонасыщения обратное давление прикладывается или к верхней,

или к нижней части образца, а в процессе консолидации – только к верхней

части образца.

Датчики подключены к автоматической системе сбора данных с

использованием усилителей, АЦП и базы данных компьютера.

На рис. 5.50 приведены результаты нескольких испытаний каолина

стандартным методом (нагружение ступенями) и методом CRS (постоянная

скорость деформации). Скорость перемещения для CRS испытаний равна

0,03

и 0,05 мм/мин, а продолжительность – 145 и 75 минут, соответственно.

Это эквивалентно 0,13 и 0,21 %/мин, что для предела пластичности ниже 60 %

совпадает с данными, полученными Gorman et al. (1978). Продолжительность

испытаний стандартным методом составила шесть дней. Кривые для двух

методов испытаний подобны, но имеется различие в начальных значениях

коэффициента пористости. Если эти графики отобразить как функцию

изменения коэффициента пористости, отнесенного к начальному коэф

фициенту пористости (см. рис. 5.50), то кривые для CRSиспытаний и

стандартных испытаний подобны при скорости 0,05 мм/мин.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

255

Рис. 5.50. Компрессионные кривые с учетом начального коэффициента пористости

(Kassim et al., 1999):

___

– нагружение с постоянной скоростью деформации;    – нагружение ступенями

В течение CRSиспытаний на верхней поверхности образца сохраняется

постоянное поровое давление, равное обратному давлению. Lee (1981)

показал, что коэффициент консолидации на этой дренированной стороне

определяется как

′

Δσ

, (5.42)

где H – текущая высота образца; u – избыточное поровое давление на

недренированной стороне образца и

′

– изменение в эффективных

напряжениях на дренированной стороне за период времени

. Эффективное

напряжение на верхней стороне равно полному напряжению, определяемому

делением внешней нагрузки на площадь образца.

Коэффициент консолидации на нижней недренированной стороне

образца предлагается определять из выражения

′

Δσ

, (5.43)

где

′

– изменение эффективных напряжений на недренированной

стороне за период времени

Если скорость деформации выбрана правильно, то испытания проводятся

настолько медленно, что при этом не происходит развития избыточного

порового давления, и различия между коэффициентами консолидации на

Глава 5

256

верхней и нижней стороне образца незначительны (рис. 5.51). Из этих

графиков видно, что значения коэффициентов консолидации сходятся при

давлении более 200 кПа и что они подобны значениям, которые получены из

стандартных испытаний. При низких значениях давлений (менее 200 кПа)

различия существенны.

Скорость нагружения осевой нагрузки

В методах определения скорости нагружения, которые были предложены

в конце 60x годов прошлого столетия, имеются различия, но в общем они

могут быть подразделены на три группы.

Рис. 5.51. Изменение коэффициентов консолидации на верхней и нижней стороне образца

при скорости деформации 0,03 и 0,05 мм/мин (Kassim et al., 1999)

Первый метод определения скорости нагружения основан на соблюдении

следующего требования: поровое давление в процессе роста внешней

нагрузки должно быть таким, чтобы оно успевало рассеиваться или по

крайней мере оставалось небольшим. Для этого был введен так называемый

коэффициент порового давления

u σ/

, рекомендуемые значения которого

приведены в табл. 5.9.

Таблица 5.9

Рекомендуемые значения максимума отношения избыточного порового

давления

к приложенному напряжению,

(Kassim et al., 1999)

u σ/

Вид грунта Ссылка на источник

0,5 Каолинит, кальцит, монтмориллонит Smith and Wahls (1969)

0,02– 0,05 Boston голубая глина Wissa et al. (1971)

0,10,15 Bakebol глина Sallfors (1975)

0,30,5 Kentucky грунты Gorman et al. (1978)

0,15 Singapore морская глина Lee et al. (1993)

0,3 – ASTM D418689

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

257

CRS

одометры сконструированы для работы со стандартными устрой

ствами силового нагружения, обеспечивающими необходимую постоянную

скорость перемещения штампа. Принимаемая в опытах скорость (0,0001

мм/мин – 5,0 мм/мин) перемещения штампа должна обеспечивать отсутствие

возрастания избыточного порового давления. В литературе опубликовано

несколько рекомендаций (табл. 5.9). Разумеется, на практике их следует

применять с осторожностью.

Smith and Wahls (1969),

предположили, что скорость перемещения должна

быть такой, чтобы избыточное поровое давление

было ниже 0,4–0,7 от

полного вертикального напряжения

с типичным значениием 0,5.

Wissa et al. (1971)

высказали предположение, что скорость деформации

следует устанавливать в зависимости от определяемых параметров. Если

требуется определить характеристики сжимаемости, скорость перемещения

устанавливается такой, чтобы избыточное поровое давление на основании

образца оставалось близким к нулю. Если требуется определить параметры

консолидации, то целесообразно ускорить испытания, так чтобы возник

гидравлический градиент (напор). В опытах этот градиент, как правило,

превышает обычный градиент в полевых условиях. Авторы предлагают

принимать отношение

u σ/

между 0,02 и 0,05, если определяются как

параметры сжимаемости, так и параметры консолидации. При этом пред

полагается, что если отношение

u σ/

ниже 0,05, и интервалы между снятием

показаний датчиков малы, то поведение грунта линейно упруго.

Во втором методе скорость нагружения принимается в зависимости от

вида грунта. Известно, что для грунтов, характеризуемых высоким значением

индекса пластичности, диссипация порового давления происходит более

длительное время изза меньшей проницаемости. Gorman et al. (1978)

предложили выбирать скорость перемещения такой, чтобы

было по

крайней мере не выше 7 кПа, но ниже, чем 3050 % приложенного напря

жения. По их мнению, скорость деформации зависит от предела текучести

грунтов, поэтому испытания рекомендуется проводить со скоростью

приблизительно 8⋅10

7

1

для грунтов с влажностью на границе текучести

60 %,

при меньших значениях

, скорость может быть удвоена.

Третий метод определения скорости нагружения был предложен Lee

(1981).

Допущение, принимаемое при анализе результатов, что деформации

малы, не может быть действительным, если возникает поровое давление. В

компрессионных испытаниях малая деформация может быть получена,

прикладывая небольшие приращения нагрузки. Однако это невозможно вы

полнить в CRS испытаниях, если необходимо определить параметры кон

солидации. Lee (1981) разработал теорию конечной деформации для

CRS

испытаний, основываясь на результатах компрессионных испытаний

(Lee and Sills, 1979).

В его решении граница образца изменяется во времени.

Глава 5

258

Lee

показал, что максимум скорости деформации при сделанных предполо

жениях должен быть таким, чтобы безразмерный коэффициент

1,0/

crH

, где r – скорость деформации,

– начальная высота

образца,

– коэффициент консолидации. В табл. 5.10 даны значения для

грунтов, испытанных в этой работе. Значение 1,0=

максимально в рамках

решения теории конечной деформации (Lee et al., 1993). Большее значение β

может быть результатом возрастания гидравлического градиента, что при

водит к значительному изменению эффективных напряжений в радиальном

направлении образца и, следовательно, к изменению проницаемости и

жесткости грунта.

Таблица 5.10

Скорость перемещения и влияние β и

u σ/

(Kassim et al., 1999)

Образцы Испытания

Возраст,

дни

Скорость,

мм/мин

Макс.

u σ/

/год

Каолин

в естественном

состоянии

CRS

Стандартный

одометр

0,05

0,03



0,05

0,029



0,16

0,13



1520

1521

1520

Каолин,

стабилизированный

известью

CRS

Стандартный

одометр

0,065



0,04

0,013



0,17

0,10



4868

52109

В стандарте ASTM D4186 (1977) отмечено, что результаты опубли

кованных работ могут рассматриваться как справочные, и рекомендуется за

максимальное значение коэффициента порового давления на основании

образца принимать менее

3,0/ =σ

. ASTMрекомендации для некоторых

видов грунтов дают значения β, больше чем 0,1.

Значения β не могут быть меньше 0,1, так как чем меньше скорость, тем

ниже избыточное поровое давление. Оптимальная скорость является

балансом между величиной возникающего избыточного порового давления и

временем испытания. В стабилизированных грунтах время испытания должно

быть как можно короче, чтобы снизить эффект старения грунта. К этому еще

следует добавить коммерческую выгоду от сокращения сроков испытаний.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

259

5.5.2. Испытания с контролируемым градиентом

Эти

испытания подобны CRSиспытаниям, за тем исключением, что

прикладываемое вертикальное давление регулируется таким образом, чтобы

поровое давление в основании образца оставалось постоянным в процессе

испытания. Это возможно только при использовании прямой и обратной

связи с компрессионным прибором.

Если скорость нагружения слишком большая, то высокое избыточное

поровое давление на недренированной стороне образца будет приводить к

росту ошибки изза большого гидравлического градиента и возникновению

значительной неоднородности эффективных напряжений. Ограничить

поровое давление можно с помощью метода непрерывного компрессионного

нагружения, в котором измеряемое поровое давление используется для кон

троля скорости нагружения (Davison and Atkinson, 1990). В этих испытаниях

разность в поровом давлении между дренированной и недренированной

сторонами образца сохраняется постоянной составляет 15 или 30 кПа.

Образец вначале нагружается с высокой скоростью напряжений (2 кПа/мин)

до достижения избыточного порового давления

uΔ

, измеряемого в осно

вании образца так, чтобы условия в начале испытаний были недрениро

ванными. Затем верхнее давление сохраняется постоянным в течение всего

опыта, и поэтому скорость сжатия зависит от консолидации и условий

дренирования. Скорость сжатия не может быть выбрана произвольно, а

зависит от разности значений порового давления.

Коэффициент консолидации и коэффициент фильтрации определяются

из выражений

=Δσ

Δ⋅

;

Δσ

. (5.44)

где

σΔ

– изменение в полном давлении в интервале времени между

;

ttt −=Δ

– интервал времени; H – осредненная высота образца в интервале

времени

;

– избыточное поровое давление в основании образца.

Увеличение скорости деформации приводит к росту изменения характера

деформации (рис. 5.52, а). Коэффициент фильтрации для глины ненарушенной

структуры также зависит от скорости деформации, но кривая с быстрым

нагружением (

101

−−

⋅=ε c



) находится между наименьшей и средней скоростью

деформации. Это поведение подтверждается испытаниями других естественных

глин, где также не наблюдается резко выраженной зависимости коэффициента

фильтрации от скорости деформации.

Глава 5

260

(а)

(б)

Рис. 5.52. Влияние скорости деформации на консолидацию глины ненарушенной

структуры (Trausch et al., 2003):

а – компрессионная зависимость; б – изменение коэффициента фильтрации

На рис. 5.53 приведены значения скорости деформации, измеренные в

опытах с контролируемым градиентом (CG ). Из рис. 5.53 а, видно, что

испытания с

=Δ

кПа показывают большую скорость деформации и что

скорость деформации в CGопытах оказывается больше, чем в CRSопытах с