Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов
Подождите немного. Документ загружается.
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
311
Рис. 6.34. Срезной прибор конструкции института «Гидропроект»
с непрерывным нагружением:
а – общий вид; б – срезная коробка и коробка переключения скоростей (фотография из
лаборатории ОАО «Атомпроект»)
Некоторые исследователи (Амшеюс, 1987; Болдырев, 1998) полагают, что
в срезных приборах нормальное напряжение на плоскости сдвига не равно
нормальному напряжению на торце образца, под нагрузочным штампом. Это
различие возникает вследствие наличия сил трения между образцом грунта и
стенками верхнего и нижнего колец. В работе Драновского А.Н. и Воробьева
М.С. (1990) приведены данные, показывающие на то, что если не учитывается
фактическое значение вертикального усилия, действующего на поверхности
среза, то прочностные свойства грунта занижаются. Например, для супесей
значения ϕ занижаются на 10–26 %, а силы сцепления – на 10–50 %. По
другим данным, в приборах типа ВСВ (нижняя подвижная каретка)
полученные значения ϕ, наоборот, завышаются на 28–32 % по сравнению с
результатами, полученными на приборе ГГП30 с верхней подвижной карет
кой.
В отличие от приборов прямого среза в приборах простого сдвига образец
грунта находится в резиновой оболочке, которая исключает возможность
оттока воды из пор образца, обеспечивая тем самым условия полного
недренирования как при консолидации, так и при сдвиге. Кроме того, сдвиг
образца в приборах простого сдвига происходит при более однородном
распределении деформаций, по сравнению с образцами в условиях прямого
среза. Учитывая это, Bjerrum (1966) предложил конструкцию прибора
простого сдвига, которая показана на рис. 6.35.
Глава 6
312
Рис. 6.35. Прибор конструкции Норвежского института геотехники
(Song et al., 2004):
1, 2 – индикаторы вертикальных перемещений; 3 – масляный компрессор; 4 – индикатор
горизонтальных перемещений (малый диапазон); 5 – индикатор горизонтальных
перемещений (большой диапазон); 6 – кольцевая опора; 7 – образец в проволочной
мембране; 8 – датчик вертикальной нагрузки (5 кН); 9 – датчик горизонтальной нагрузки
(2 кН); 10 – скользящая опора; 11 – двигатель; 12 – камера баланса давления; 13 – камера
вертикального давления; 14 – домкрат вертикального давления; 15 – регулятор
вертикального давления; 16 – воздушный компресссор; 17 – регулятор баланса давления;
18 – датчик зазора; 19 – привод
В данном приборе цилиндрический образец грунта находится в
армированной резиновой оболочке. Диаметр образца 3 см и высота
7
см. Вертикальная и горизонтальная нагрузки контролируются датчиками
давления воздуха до 5 МПа и давления масла до 2 МПа, соответственно.
Вертикальная и горизонтальная деформации измеряются датчиками пе
ремещения в диапазоне до 10 мм. Испытания могут быть выполнены с
контролем усилия или перемещения. Использование армированной оболо
чки позволяет провести предварительную консолидацию образца непосред
ственно в приборе. В связи с тем что площадь поперечного сечения образца
конструктивно не может изменяться в процессе опыта, требование обес
печения постоянства объема образца может быть выполнено путем
регулирования вертикального напряжения компьютером для сохранения
объема постоянным.
В настоящее время фирма GCTS (www.gcts.com) выпускает прибор
простого сдвига, созданный с использованием камеры давления трехосного
сжатия (рис. 6.36). Верхний штамп зафиксирован от горизонтального
смещения. Нижний штамп имеет возможность смещаться горизонтально по
направляющим подшипникам. Диаметр образов 71 или 100 мм, высота
различная. Резиновая оболочка позволяет выполнить консолидацию образца
при любом соотношении главных напряжений.
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
313
(а)
(б) (в)
Рис. 6.36. Автоматизированная система для испытания образцов грунта
в условиях простого сдвига (www.gcts.com):
а – общий вид комплекта системы; б – камера давления; в – схема нагружения образца
грунта
Подобная конструкция камеры давления, обеспечивающая возможность
горизонтального перемещения нижнего штампа, была использована в свое
время Vardoulakis and Graf (1985) при испытании образцов грунта в условиях
плоской деформации. Опыты проводились с целью исследования влияния
наведенной неоднородности деформации на возникновение локализации
деформаций в виде полос сдвига.
6.8. Испытания в условиях кольцевого среза
Определение остаточной прочности с использованием приборов коль
цевого среза включено в стандарты BS 13777 и ASTM D 646799. До
настоящего времени данный метод испытаний не регламентирован ГОСТом
Российской Федерации. Одна из первых конструкций прибора кольцевого
среза была разработана в России Г.И.Покровским (Ничипорович, 1948) в
начале 30х годов прошлого столетия (Месчян, 1978).
Испытания в условиях среза кольцевых образцов грунтов (рис. 6.38)
проводятся с целью определения параметров остаточной прочности: угла
внутреннего трения
r
ϕ
и сил сцепления
r
c
.
Глава 6
314
Рис. 6.37. Схема кольцевого среза:
1 – моделирование поверхности скольжения; 2 – нормальное напряжение; 3 – ось
вращения; 4 – поверхность сдвига; 5 – образец; 6 – касательное напряжение
Параметры остаточной прочности
r
ϕ
и
r
c
используют при расчете
устойчивости склонов, откосов котлованов, подпорных стен и др. Значения
этих параметров определяют в лаборатории при больших деформациях
сдвига, полагая, что это соответствует механизму сдвига массивов грунта в
естественных условиях, в особенности когда часть массива грунта уже была в
предельном состоянии и происходит повторный сдвиг по сформировавшейся
поверхности скольжения. Значения этих параметров зависят не только от
величины нормального давления в плоскости сдвига, но и от скорости сдвига.
Обычно при смещении склонов наблюдаемая скорость их движения может
изменяться от 5 см/год до 50 см/сутки.
Первое определение остаточной прочности грунтов с естественной
структурой было сделано B.Tiedemann в 1937 году. Он провел дренированные
испытания в приборе кольцевого среза. Испытания подобного типа были
выполнены в 1937 году M.J.Hvorslev c двумя глинами нарушенной структуры,
консолидированными из текучего состояния. Термин «остаточная прочность»
был введен позднее R.Haefeli в 1938 году. Эти данные приведены в работе
Skempton A.W. (1964),
где он рассматривает результаты испытаний в условиях
повторяющегося прямого среза и непрерывного кольцевого среза с целью
определения
r
ϕ
и
r
c
.
В приборе прямого среза или простого сдвига невозможно выполнить
испытания грунтов при деформации сдвига более 10%. Однако испытания
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
315
необходимо проводить и при больших деформациях. Как правило, у боль
шинства грунтов при больших деформациях сдвига наблюдается снижение
прочности с ростом деформации сдвига. При кинематическом нагружении в
приборе прямого среза наблюдается снижение прочности грунта после
достижения пикового состояния. Однако деформация сдвига в большинстве
приборов прямого среза не превышает 10–12 %. К тому же с ростом дефор
мации сдвига в приборе прямого среза площадь сдвига изменяется, а в
кольцевом приборе она остается постоянной.
С целью устранения данного ограничения в 1971 году Bishop et al. разра
ботали прибор кольцевого среза, который впоследствии был модифицирован
рядом исследователей (Bromhead, 1979; Gibo, 1994; Tika and Hutchinson, 1999;
Sassa, 2000).
Эти приборы относят к серии NGI (Норвежский институт
геотехники). Однако почти во всех приборах кольцевого среза нельзя
выполнять недренированные испытания на срез. Сравнительно недавно Sassa
et al. (2000)
предложили конструкцию прибора кольцевого среза, которая
позволяет проводить недренированные сдвиговые испытания. Основным
преимуществом данного прибора является то, что он позволяет относительно
просто создавать большие перемещения в плоскости сдвига без
необходимости возвратнопоступательного движения срезной каретки, если
для этой цели используется прибор прямого среза. Образец грунта находится
в двух кольцах, нижнее остается неподвижным, а верхнее вращается при
постоянном нормальном давлении. Значения нормального напряжения и
изменяющегося касательного напряжения определяются с использованием
следующих выражений:
)(
22
io
n
rr
W
−π
=σ , (6.9)
)(2
3
33
io
rr
M
−π
=τ , (6.10)
3
)(2
2
33
2
io
r
r
rr
drrM
o
i
−πτ
=τπ=
∫
, (6.11)
где W – нормальная нагрузка; M
–
крутящий момент;
0
r
,
i
r
– внутренний и
внешний радиусы, соответственно.
На рис. 6.38 приведены результаты сравнительных испытаний песчаника в
условиях прямого и кольцевого среза. Испытания выполнены по схеме
дренирования при одной и той же скорости сдвига, равной 1,5 мм/мин, и
различном нормальном напряжении (100, 200 и 300 кПа). Пиковая прочность
практически одинакова и не зависит от вида испытания (рис. 6.38, а). Однако
после пика наблюдаются существенные различия в поведении грунта. Более
того, остаточная прочность в условиях прямого среза (кривая 2) оказывается
Глава 6
316
больше, чем остаточная прочность в условиях кольцевого среза (кривая 1).
При этом при прямом срезе грунт показывает более жесткое поведение, после
пика резко уменьшаются напряжения сдвига. Как пиковая, так и остаточная
прочность зависит от нормального напряжения (рис. 6.38, б).
(а) (б)
Рис.6.38. Результаты испытания песчаника в приборе прямого и кольцевого среза
(Liao et al., 2007)
Скорость сдвига оказывает влияние не только на пиковую, но и на
остаточную прочность, что видно из рис. 6.39, на котором показаны
зависимости нормализованного значения прочности
)/(
n
στ
от угла скорости
сдвига θ
(радиан/мин) для двух различных грунтов. В обоих случаях пиковая
прочность практически постоянна до скорости несколько более 1 мм/мин, а
затем уменьшается. Остаточная прочность в глинистом грунте возрастает с
ростом скорости деформации сдвига, а в песчанике уменьшается, после
определенного уровня деформации.
(а) (б)
Рис. 6.39. Зависимость пиковой и остаточной прочности от скорости сдвига
(Suzuki et al., 2001):
1 – пиковая прочность; 2 – остаточная прочность
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
317
До создания приборов кольцевого среза остаточная прочность грунтов
определялась в приборе прямого среза (Skempton, 1964). Для этого после
сдвига смещаемая часть образца возвращалась обратно, к нему вновь
прикладывалось нормальное давление и выполнялся повторный сдвиг. Далее
эта процедура повторялась заданное количество раз до достижения требуемой
деформации сдвига. Было высказано предположение, что при возвратном
перемещении сдвигаемой части образца грунта ориентация частиц в
плоскости сдвига изменяется, в результате чего остаточная прочность
получается завышенной. В условиях кольцевого среза ориентация частиц в
послепиковом состоянии становится устойчивой, что характеризуется
практически нулевым сцеплением и минимальным трением.
Поэтому полагают, что в условиях кольцевого среза измерение остаточной
прочности является более точным.
Рис. 6.40. Схема прибора кольцевого среза для недренированных испытаний
(Sassa, 2003):
1 – нагрузка; 2 – верхняя линия дренажа; 3 – вентиль; 4 – верхняя плита; 5 – кольцевой
штамп; 6 – уплотнительное кольцо; 7 – пористый металлический фильтр; 8 –
фильтровальная бумага; 9 – датчик порового давления; 10 – зона сдвига; 11 – резиновое
уплотнительное кольцо; 12 – комбинированный фильтр; 13 – нижняя линия дренажа;
14 – комбинированный фильтр
Глава 6
318
На рис. 6.40 показаны способ среза образца грунта и конструктивные
особенности прибора, обеспечивающие возможность проведения недрени
рованных испытаний. Образец грунта находится в двух кольцах и нагружен
нормальной нагрузкой которая создается маслом, подаваемым через плунжер,
и воздействующим на кольцевую плиту. Нижняя половинка срезной коробки
может вращаться в обоих направлениях под управлением сервопривода, в то
время как верхняя часть остается неподвижной благодаря двум реактивным
рычагам, через которые измеряется сопротивление сдвигу.
Рис. 6.41. Схема управления нагружением и измерением усилий (Sassa, 2003):
N1N2 – датчики нормального напряжения; Т – датчик крутящего усилия; S1, S2 –
датчики для измерения сопротивления сдвига; GS – датчик контроля зазора;
ОР – масляный плунжер; SV – сервоклапан; SA – сервоусилитель; 1 – компьютер;
2 – генератор сигналов; 3 – сервопривод
При достижении предельного состояния нижняя часть срезной коробки
вращается горизонтально совместно с опорным столом. Срезная коробка
имеет внешний диаметр 350 мм, внутренний диаметр 250 мм и высоту 150 мм.
Герметичность прибора обеспечивается введением уплотнительного кольца,
что позволяет проводить не только недренированные испытания, но и
измерение порового давления. Для этого в основании верхнего кольца
находится приемный канал для поровой воды, который закрыт двумя
Испытания в условиях прямого среза, простого сдвига и кольцевого среза
319
металлическими фильтрами с тканью между ними. С целью уменьшения сил
трения уплотнительное резиновое кольцо покрыто тефлоном и смазывается
силиконовой смазкой при сборке прибора. Для уменьшения давления на
уплотнительное кольцо контролируется величина зазора с помощью мас
ляного плунжера ОР2 (рис. 6.41). Величины давления и зазора измеряются и
поддерживаются постоянными в течение испытания.
Рис. 6.42. Прибор кольцевого среза Bromhead (1979):
1 – верхний штамп, соединенный с динамометрическими кольцами; 2 – цифровой
индикатор; 3 – пористое кольцо; вращающееся основание; 5,6 – нагрузочные
динамометрические кольца; 7 – кольцевой образец; 8 – рычаг; 9 – нагрузочное
коромысло; 10 – опора; 11 – груз; 12 – мотор и редуктор; 13 – противовес;
14 – контрольная панель
Глава 6
320
В связи с тем, что прочность грунтов зависит от скорости сдвига, испы
тания в приборе кольцевого среза, как и в случае прямого среза или трехос
ного сжатия, выполняются с предварительной оценкой времени, необходи
мого для достижения предельного состояния. Для условий полного дрени
рования в стандарте BS 1377 (1990) рекомендуется находить время до
разрушения
)(
f
t
, основываясь на времени, которое необходимо для 100 %го
завершения консолидации
)(
100
t
, из выражения (6.8).
В большинстве случаев испытания на кольцевой срез выполняются со
скоростью 0,048 %/мин, если используется прибор Bromhead (рис. 6.42).
Стандарт BS 1377 (п. 6.4.5.1) рекомендует эту скорость для большой разно
видности грунтов. Большая скорость приводит к образованию разрывов на
поверхности скольжения и дает ошибочные значения
r
ϕ
.
Остаточное значение угла внутреннего трения
r
ϕ
зависит от эффектив
ного нормального напряжения
n
σ
′
, действующего на поверхности скольжения
(Bishop et al. 1971; Bromhead, 1979; Lupini et al., 1981).
Для глин из окрест
ностей Лондона Bishop et al. нашли
r
ϕ
= 14
о
при небольшом эффективном
нормальном напряжении (
n
σ
′
< 30 кПа), которое снизилось на 9
о
при эффек
тивном нормальном напряжении более 100 кПа. Это показывает на то, что
измерять остаточное значение угла внутреннего трения следует в некотором
диапазоне нормальных напряжений. Обычно испытания проводят при
нормальном напряжении в 25, 50, 75 и 100 кПа.
В 1999 году Yoshimine et al. предложили конструкцию прибора кольцевого
среза, которая показана на рис. 6.43, 6.44. Испытания на срез выполнялись с
образцами внешним и внутренним диаметром 200 и 150 мм, соответственно.
Высота образца равна 20 мм. Консоль 3 для измерения крутящего момента и
датчик силы 5 фиксируют вращение нагрузочного штампа и верхней половины
образца. Сдвиг осуществляется вращением нижней половины с помощью
сервоприода 15 (электромотор и редуктор) с контролем скорости деформации и
нормального напряжения. Поверхность сдвига образуется в центральной части
образца. В случае создания цикла сдвигающей нагрузки шкиф 14 поднимается
вверх под давлением воздуха и прижимается к плите основания. Затем привод
отсоединяется, и циклическая нагрузка сдвига прикладывается к нижней
половине образца с помощью гибкой нити 20 и двух пневмоцилиндров 10,13.
В приборах кольцевого среза точность измерения нормального напря
жения и крутящего момента на поверхности сдвига зависит от величины
зазора между верхним и нижним кольцами. Cистема контроля зазора Imperial
College
или NGI (Bishop et al., 1971) не подходит для условий динамического
нагружения, так как невозможно сохранить постоянным нормальное напря
жение на поверхности сдвига изза пульсации вертикального трения между
верхним кольцом и образцом грунта. С целью устранения данного недостатка
Yoshimine et al.
предложили регулировать разрыв, используя винт на нагру
зочном штампе, как показано на рис. 6.43.