Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

331

(а)

(б) (в)

Рис. 7.2. Предварительное гидростатическое обжатие образца и добавочное обжатие

внешней нагрузкой (а); наклонная плоскость сдвига (б); элемент среды

и компоненты напряжений (в)

Если известно значение θ, то могут быть найдены напряжения τ и

. В

некоторых случаях из опытов трудно найти угол наклона θ плоскости сдвига,

так как в образце не образуется видимой плоскости сдвига, образец дефор

мируется виде в «бочки» (рис. 7.3). В этом случае за предельную нагрузку

принимается значение, соответствующее 20 % от вертикальной деформации.

Рис. 7.3. Разрушение в виде «бочки»

Если на графике нанести все значения

для каждого угла θ от 0 до 90°,

то получим круг радиусом

)(5,0

σ−σ

с центром 0=τ и

)(5,0

σ+σ=σ

. Этот

круг называется кругом напряжений Мора (рис. 7.4).

Глава 7

332

Касательная к кругу Мора, построенная с использованием предельного зна

чения напряжения

, является предельной прямой. Для случая связных

грунтов необходимо построить не менее двух предельных кругов Мора

(

рис. 7.4), т. е. провести опыты при различных значениях бокового давления

Рис. 7.4. Прямая предельного состояния для связного грунта

При проведении испытаний в стабилометре измеряются четыре

величины: осевая нагрузка, радиальная деформация, боковое давление и

поровое давление. В некоторых приборах с помощью специальных устройств

измеряется изменение объема образца грунта, а радиальная деформация

вычисляется через объемную или наборот, с использованием следующих

выражений:

23 213 415

()()

CCFC CF

⎡

⎤

ε=ε= − ε+ + ε+

⎢

⎥

−ε

⎣

⎦

∑

. (7.2)

Значения параметров, входящих в выражение (7.2), приведены в главе 14.

При определении вертикальных напряжений учитывают изменение

площади сечения образца при относительной деформации

03,0

>ε

предполагая, что форма образца изменяется, и ее изменение находят из

выражения:

–

для недренированного испытания

A =

−ε

; (7.3)

–

для дренированного испытания

−ε

, (7.4)

где A – начальная площадь поперечного сечения образца; ε

– вертикальная

деформация; ε

– объемная деформация.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

333

Осевая нагрузка в стабилометре создается двумя способами. В первом

случае нагрузка прикладывается ступенями (статическое нагружение), а во

втором – непрерывно (кинематическое нагружение) с заданной скоростью

деформации ε

в мм/мин. Обычно скорость деформации изменяется от 0,01

до 10 мм/мин. Статическая нагрузка создается давлением воздуха или

жидкости, а кинематическая нагрузка – с помощью шагового двигателя и

червячного редуктора (сервопривод).

Основной проблемой испытаний является возникающая неоднородность

деформаций в образце, обусловленная не только уровнем напряжений, но и

наличием сил трения между нагрузочными штампами и торцами образца

грунта. В опытах наблюдается различная форма деформации образца. В

идеальных опытах форма образца не должна изменяться с ростом

деформации (рис. 7.5, а). В действительности мы наблюдаем изменение

формы образца с ростом осевой деформации. На рис. 7.5, а показана

желательная мода деформации образца, а на рис.7.5, б,в и рис. 7.6, наблю

даемая в опытах.

(а) (б) (в)

Рис. 7.5. Форма (мода) деформации образцов грунта в стабилометре:

а – однородная деформация; б – неоднородная деформация, результат влияния трения на

штампах; в – локализация деформаций в виде одной полосы сдвига

Глава 7

334

(а)

(в)

Мода деформации полосы сдвига

(б)

(г)

Мода деформации в виде в виде «бочки»

Рис. 7.6. Возможные моды деформации образца грунта:

а – песок плотный; б – песок рыхлый; в – глина твердая; г – глина мягкопластичная

7.2. Способы создания и управления напряжениями

на границах образца

В различных методах испытаний образцов грунта, таких, как трехосное

сжатие или расширение, плоская деформация, истинное трехосное сжатие,

сжатие с кручением, компрессионное сжатие, прямой срез, простой сдвиг и др.,

выполняется контроль нормальных напряжений, если нагружение статическое,

или контроль деформации, если нагружение непрерывное (кинематическое) с

заданной скоростью.

В первом случае на грани образца грунта прикладываются напряжения, а

измеряется деформация. Во втором случае задается деформация, а напря

жения измеряются. Эти нормальные напряжения принимаются равными

главным напряжениям, несмотря на имеющиеся силы трения между нагру

зочными штампами и торцами образца грунта. В этих методах испытаний

вращение главных напряжений возможно только скачком на 90 градусов.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

335

Например, наибольшее напряжение

обычно принимается вертикальным,

но может быть приложено к образцу грунта горизонтально, когда

σ=σ

В первом случае говорят об испытаниях на раздавливание, траектория

напряжений СТС. Во втором случае речь идет об испытаниях на расширение,

траектория напряжений СТР. В некоторых случаях возможны испытания и по

другим траекториям напряжений, которые показаны на рис. 3.8. В частности,

ГОСТ 12248 рекомендует дополнительно к траектории СТС проводить

испытания на раздавливание при постоянном среднем напряжении в образце

грунта

()

23σ+σ

Как было показано в главе 3, выбор траектории напряжений зависит от

вида поставленной инженерной задачи и оказывает существенное влияние на

параметры прочности и деформируемости грунтов.

Несмотря на то, что на границе между штампами (верхним нагрузочным и

нижним, находящимся в основании камеры давления) и торцами образца

грунта возникают силы трения, полагают, что они незначительны, и можно

считать, что на этих границах действует главное напряжение σ

. Боковая

поверхность образца покрыта эластичной резиновой оболочкой, поэтому на

этой вертикальной границе действуют только главные напряжения

σ=σ

7.3. Конструкции приборов для испытания образцов грунта

в условиях осесимметричной деформации

Испытания грунтов в стабилометре подробно описаны в монографиях

Бишопа и Хенкеля (1961), Сидорова Н.Н. и Сипидина В.П. (1963), Месчяна

С.Р. (1978), Бугрова А.К и др. (1987), Амаряна Л.С. (1990) сборнике статей под

редакцией Donaghe R.T. (1988) и ряде последних диссертационных работ

(Ventouras, 2005; Nishimura, 2005; Gasparre, 2005).

Конструкции стандартных стабилометров показаны на рис. 7.7, а, б. В за

висимости от способа создания среднего напряжения в образце грунта они

подразделяются на тип А и тип Б. В приборе типа А (Бишоп А., Давиден

ков Н.Н., Лалетин Н.В.) образец грунта со всех сторон подвержен действию

давления и испытывает гидростатическое сжатие, в приборе типа Б (Вере

щагин Н.П., Гольдштейн М.Н., Медков Е.И., Сидоров Н.Н.) напряжения на

боковой поверхности и торцах образца создаются раздельно.

Как у нас, так и за рубежом в большинстве случаев применяются

стабилометры типа А. Однако, в отличие от стабилометров типа Б, в этих

стабилометрах можно выполнить только изотропную консолидацию образцов

грунта, когда

321

σ=σ=σ

. В некоторых случаях, например при исследовании

переуплотненных грунтов, необходимо оценить природную анизотропию

начального напряженного состояния, когда в массиве грунта

132

σ>σ=σ

Глава 7

336

Поэтому испытания подобных грунтов проводятся в условиях

предварительной анизотропной консолидации, после чего прикладывается

девиатор напряжения. Подобные испытания можно проводить только в

приборе типа Б.

(а) (б)

Рис. 7.7. Схемы стабилометров типа А (а) и типа Б (б):

1 – краны дренирования; 2 – трубопроводы дренирования; 3 – нагрузочный шток;

4 – резиновая оболочка; 5 – прозрачная камера; 6 – жидкость; 7 – образец грунта;

8 – кран регулирования давления в камере; 9 – манометр; 10 – штамп

Одной из работ, где приведены данные о конструкции стабилометра,

является публикация Г.Ф.Богданова (1950). В ней отмечается, что для

испытания грунтов в условиях невозможности бокового расширения ис

пользуются одометры конструкции Гуменского, Маслова, Мельникова,

Богданова и др. В этот же период времени применялись приборы,

называемые стабилометрами (Булычев, Давиденков и др.). Последние

отличаются от одометров тем, что жесткая металлическая обойма заменена

жидкостью, помещенной в герметичную камеру, соединенную с манометром,

благодаря чему могут фиксироваться развивающиеся в грунте боковые

давления. Однако в этих приборах испытание грунта протекает в условиях

жесткой обоймы.

Это одно из первых упоминаний, которое удалось нам обнаружить, по

поводу наименования приборов трехосного сжатия стабилометрами. Кто дал

это наименование первым нам неизвестно.

В конструкции стабилометра Богданова, (рис. 7.8) предлагается произ

водить испытания грунта при разных боковых давлениях, которые в течение

всего испытания остаются постоянными.

Металлический стакан 1 в центральной части (см. рис. 7.8) дна имеет ряд

концентрических канавок, соединенных с отводными (дренажными) трубка

ми 2. Канавки покрыты перфорированным диском 3. Сбоку вокруг диска в

специальной выточке находится кольцо, внутренняя поверхность которого

Испытания в условиях осесимметричной деформации

337

ребриста и срезана на конус. Кольцо это болтами 4 подтягивается к дну

выточки стакана и служит для крепления резиновой манжеты (оболочки) 5 к

дну стакана. Стенки стакана внутри имеют резьбу, с помощью которой в

стакане закрепляется держатель верхнего края манжеты 6. Держатель

ввинчивается в стакан до упора в резиновую прокладку на дне стакана и

таким образом образует герметическую кольцевую камеру (А) между стенкой

держателя и манжетой. Камера каналом в дне цилиндра с одной стороны

соединяется с поршневым рычажным устройством 7, с помощью которого

передается давление на масло, находящееся в камере А, а с другой стороны –

с краном 8. На патрубке крана смонтирован манометр 9. В верхней части

держателя имеется отверстие 10 для выпуска воздуха из камеры (А) при

заполнении ее маслом. Верхний край манжеты закрепляется в держателе

обжимным кольцом подобно креплению на дне стакана. С помощью штампа

образец грунта помещается внутрь манжеты, на ручку поршня надевается

крышка стакана 12 и завинчивается до соприкосновения с головкой штампа,

чем устраняется возможность набухания грунта вверх. Штамп может входить

в камеру; поэтому этот прибор относится к стабилометрам типа Б.

Рис. 7.8. Стабилометр конструкции Г.Ф. Богданова (1950)

Для оценки достоверности предложенных Боткиным А.И. условий

прочности грунта, согласно которым наступление предельного состояния

материала зависит от величины всех трех главных напряжений, в научно

исследовательском институте гидротехники в 1931 году под его руководством

был разработан стабилометр, представляющий собой модификацию прибора

Давиденкова Н.Н. и Яппу Г.Б. Схема прибора показана на рис. 7.9.

Интересно отметить, что, как видно из рис. 7.9, в стабилометре Боткина А.И.

измерение осевой деформации выполняется измерительным устройством, ко

Глава 7

338

торое находится внутри рабочей камеры прибора в его центральной части, т.е.

деформация измеряется локально. За рубежом метод измерения локальной

деформации был предложен несколько позднее – в 1980 г. (Brown et al., 1980).

Рис. 7.9. Схема испытания грунта в стабилометре А.И. Боткина (1940):

1 – зеркальный прибор для измерения осевой деформации; 2 – зеркальный прибор для

измерения радиальной деформации; 3 – трубопровод дренирования; 4 – оболочка из

стекла; 5 – резиновая оболочка; 6 – канал бокового давления; 7 – образец

В работе А.И. Боткина устройство для испытания грунтов в условиях

осесимметричной деформации называется прибором (1940), а в работе

Г.Ф.Богданова (1950) это устройство уже называется стабилометром, со

ссылкой на В.Г. Булычева и Н.Н. Давиденкова. По всей видимости, термин

стабилометр» появился в период 194050х гг. либо был введен Булычевым

В.Г. или Давиденковым Н.Н. ранее, в начале 30х годов прошлого столетия.

Приведенная на рис. 7.10 конструкция стабилометра (ПТСМГ1) разра

ботана В.В.Калининым, Н.Н.Аноровым и Б.В.Цыплаковым и описана в

сборнике по редакцией Вялова С.С. и др. (1962). Данный прибор был

разработан с целью испытания грунтов с учетом ползучести в области как

отрицательных (до –20 °С), так и положительных температур в широком

диапазоне вертикальных (до 35,0 МПа) и радиальных (до 6,0 МПа) напря

жений. Осевая нагрузка создается электромотором 1 через клиноременную 2,

червячную 3, винтовую 4 передачи, нижнюю траверсу 5, тяги от редуктора 6,

верхнюю траверсу 7, шток 8 и верхний штамп 9. Измерение осевого усилия

осуществляется посредством индуктивного датчика 10, помещенного под

образцом 11. Заданная нагрузка поддерживается автоматически с помощью

следящей системы. В качестве жидкости в рабочей камере используется

спиртоглицериновая смесь. Давление на жидкость создается сжатым возду

хом из баллона 12 через ресивер 13 и систему соединительных трубок с

Испытания в условиях осесимметричной деформации

339

кранами. Осевые деформации измеряются последовательным включением

четырех индикаторов часового типа 15 и реостатным датчиком. Измерение

объемных деформаций образца ведется с помощью градуированной стеклян

ной трубки 16, соединенной с рабочей камерой и верхней частью ресивера.

В середине 60х гг. прошлого века в СССР небольшими партиями

выпускался стабилометр, конструкция которого была разработана Е.И.Мед

ковым (1952). Прибор предназначен для испытания образцов диаметром 55

мм и высотой, равной 55 и 110 мм. Е.И.Медков рекомендовал проводить

испытания при следующем отношении высоты к диаметру:

−

1/ =DН для мягкопластичных и пластичных глинистых грунтов;

−

2/ =DH

для песчаных, тугопластичных и полутвердых глинистых

грунтов.

Рис. 7.10. Стабилометр конструкции НИС института «Гидропроект» (Вялов, 1962)

Глава 7

340

Как видно из рис. 7.11, испытание грунтов проводится в рабочей камере

прибора, ограниченной снизу и сверху пористыми дисками 4, вмонти

рованными в основание 1 и поршень 3, а с боков – тонкой резиновой

оболочкой 5. Осевая деформация измеряется двумя индикаторами часового

типа 24, а изменение объема образца грунта – с помощью волюмометра 10.

Рис. 7.11. Рабочая камера стабилометра Е.И.Медкова:

1 – основание; 2 – прозрачная оболочка; 3 – поршень; 4 – пористые диски; 5 – резиновая

оболочка; 6 – наполнительный клапан; 7 – регулятор; 8 – нажимная пружина; 9 – гайка;

10 – волюмометр; 11 – кожух; 12 – пробка; 13 – арретир; 14 – контргайка; 15 – манометр

больших давлений; 16 – манометр малых давлений; 17 – запорный вентиль; 18 – спускная

трубка; 19 – водоприемная трубка; 20 – тройник; 21 – выпуск из рабочей камеры; 22 –

уравнительный резервуарчик; 23 – уравнительный патрубок; 24 – индикатор деформации

Осевая нагрузка может прикладываться ступенями или непрерывно. В

первом случае нагрузка осуществляется гирями через рычаг. Во втором случае

нагрузка создается водой, которая наливается в ведро, подвешенное к рычагу.

В НИИОСП им. Н.М. Герсеванова в 1975 году была разработана

конструкция стабилометра с автоматическим регулированием скорости

осевой нагрузки (рис. 7.12). Рабочая камера 2 из оргстекла стабилометра

установлена на опорной плите рабочего стола. Образец грунта 3 диаметром 55

и высотой 110 мм. Камера снабжена манометром 4 с точностью отсчета 1,0

кПа. На плите стола размещены стойка 5 для установки индикатора 6,

ресивер 7 для сжатого воздуха и устройство для измерения поперечных

деформаций образца, состоящее из бачка 8 и водомерной трубки 9,

параллельно включенных в гидросистему. Под плитой стола на оси 10

закреплен рычаг 11, по которому перемещается каретка 12 с подвешенным к

ней грузом 13. От рычага 11 через коромысла 14, соединенные тягами 15, и

пуансон 16 осевая нагрузка передается на образец 3. При движении каретки

от оси рычага плечо действия груза увеличивается, и осевое давление на

образец возрастает от нуля до максимального значения (800 кПа). Каретка