Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

341

перемещается под действием пригруза 17, причем скорость ее перемещения

регулируется часовым механизмом 18, выводной шкив которого связан с

кареткой струной 19. В результате использования разных ручьев ступенчатого

шкива и перестановки сменной шестерни может быть задано шесть значений

скорости нагружения. При этом полное время опыта (время перемещения

каретки до конца рычага) составляет 2, 3, 6 ч на быстрых режимах и 2, 3,

сут – на медленных. Боковое давление на образец создается водно

глицериновой смесью, заполняющей рабочую камеру и находящейся под

давлением сжатого газа из ресивера 7.

Рис. 7.12. Конструкция стабилометра НИИОСП им. М.Н.Герсеванова

(Голубев и др., 1976)

Наиболее удачной конструкцией стабилометра отечественной разработки

является конструкция, предложенная ПНИИС, которая показана на

рис. 7.13, 7.14. Одним из достоинств данного прибора является простота

подготовки образца и сборки камеры давления. Это достигнуто объединением

резиновой оболочки и верхнего штампа со съемной частью камеры.

Рис. 7.13. Общий вид стабилометра ПНИИС с образцом диаметром 71 мм

Глава 7

342

Все рассмотренные конструк

ции стабилометров относятся или

к типу А, или к типу Б (см. рис.

7.7).

В стабилометре типа А опре

деляются, как правило, прочност

ные характеристики, а в стаби

лометре типа Б – деформационные

характеристики. В стабилометре

типа А можно также определить и

деформационные характеристики

при условии расширения образца

грунта и постоянном боковом дав

лении. В стабилометре же типа Б

можно определить деформацион

ные характеристики в условиях

невозможности бокового расши

рения, т.е. в случае компрессион

ного сжатия. В работе Больше

донова И.И. (1969) описана кон

струкция стабилометра (рис. 7.15), которая позволяет проводить испытания

на стадии консолидации в условиях компрессионного сжатия, а на стадии

девиаторного нагружения – с допущением бокового расширения образца

грунта.

Рис. 7.15. Схема стабилометра типа А – Б

(Большедонов, 1969):

1 – образец; 2 – шток; 3 – канал выпуска

воздуха; 4 – крышка; 5 – верхний и нижний

штампы; 6 – сальник; 7 – резиновая обо

лочка; 8 – внутренняя камера; 9 – внешняя

камера; 10 – основание; 11, 12, 13 – каналы

для регулирования давлений во внешней

камере, внутренней и в образце (обратное и

поровое); 14 – дренажный канал; 15 –

уплотнительное кольцо

Рис. 7.14. Конструкция стабилометра ПНИИС

Испытания в условиях осесимметричной деформации

343

Особенностью стабилометра является то, что его рабочая камера состоит

из двух частей, расположенных концентрически на основании (см. рис. 7.15).

Внутренняя камера 8 позволяет проводить испытания образцов по методике

стабилометра типа Б, а внешняя 9 – по методике стабилометра типа А. Внут

ренняя камера снабжена сальником 6, в который входит верхний на

грузочный поршень, диаметр которого равен диаметру образца грунта 1. Кон

тактные плоскости верхнего и нижнего поршней имеют дренажные фильтры

и канал 14 для оттока поровой воды. Обе камеры снабжены устройствами

регулирования давления жидкости в них в ходе опыта. При испытании в

стабилометре по типу А внутренняя камера является индикатором изменения

объема образца, а устройство регулирования давления в ней – волюмометром

(

рис. 7.16, К2).

Следует отметить, что подобные двухкамерные стабилометры за рубежом

появились позднее (см. главу 14 ). Причем основное назначение внутренней

камеры в них – повышение точности измерения изменения объема образца.

Установка образца в рабочую камеру также имеет свои особенности.

Образец грунта в резиновой оболочке устанавливается на пористые камни

(

дренированные испытания) или на плексигласовые диски (недрени

рованные испытания), резиновая оболочка закрепляется уплотнительными

кольцами на нижнем и верхнем поршнях 5 (см. рис. 7.15). Устанавливается

внутренний цилиндр камеры 8, уплотнительное резиновое кольцо гермети

зирует камеру снизу, а сальник 6 – сверху. Через канал 12 в нижнем не

подвижном поршне камера заполняется дистиллированной водой. При этом

сальник 6 разгерметизируется полой вставкой – зондом. Наклоняя основание

прибора, из камеры удаляют все пузырьки воздуха. Далее устанавливается

внешний цилиндр камеры 9, обе камеры закрепляются крышкой 4 и

заливаются водой.

Давление во внешней камере поддерживается постоянным при испыта

нии в стабилометре по типу А, так как оно используется при измерении

изменения объема образца. Для регулирования бокового давления выбран

способ плавающего поршня с передачей давления масла на воду (см. рис.

7.16).

Сухое трение между цилиндром 2 и поршнем 1 устраняется вращением

последнего со скоростью 2–5 об/мин. При утечке жидкости из камеры

плавающий поршень компенсирует объем около 2 см

, что не всегда доста

точно. Поэтому плавающий поршень гидравлически соединен с компен

сатором К1. При этом давление, создаваемое в камере тарированными

грузами, нет необходимости контролировать манометром.

При испытании грунта в стабилометре по типу Б внешняя камера раз

герметизируется, давление во внутренней камере, создаваемое при сжатии

образца, измеряется манометром М1. Снижение давления в камере может

быть осуществлено компенсатором К2, служащим волюмометром. Диф

ференциальный датчик используется для измерения изменения объема

Глава 7

344

образца в процессе опыта и автоматического поддержания равенства дав

лений в камерах при испытании в стабилометре по типу А.

Рис. 7.16. Схема регулирования давлений в камерах и образце грунта стабилометра

типа А – Б (Большедонов, 1969):

1 – поршень; 2 – цилиндр; 3 – грузовая площадка; 4 – поводок; 5 – шкив; 6 – подшипник;

7 – ремень привода; 8 – шкив редуктора; 9, 10 – бачки для передачи давления масла на

воду; 11,12 – дифференциальные датчики давления; 13 – канал; М – манометр; К –

компенсатор; Ред – редуктор; Дв –электродвигатель

В монографии Амаряна Л.С. (1990), посвященной методам исследования

водонасыщенных слабых грунтов, приведена конструкция стабилометра типа

А (рис. 7.17), разработанная в ПНИИС. Нагрузка прикладывается ступенями

через удлиненный шток. Ход штока увеличен до размера, составляющего 0,8

от высоты образца. Диаметр образца 50,5 мм (А = 20 см

). Емкость компен

сационного бачка 7 равна 0,1 м

, что достаточно для обеспечения постоянного

давления в рабочих камерах нескольких стабилометров. Измерение осевой

деформации выполняется индикаторами часового типа 2 с ценой деления

0,01

мм, а давления – манометром с ценой деления 1,3 кПа. Для измерения

порового давления через верхний керамический фильтр 1 используется

компенсатор давления, состоящий из ртутного колена 3, образцового

манометра 4 и диафрагменного цилиндра 5 с регулировочным винтом. Для

измерения изменения объема образца используется uобразная бюретка 6,

которая заполняется водой. Давление воздуха от компенсационного бака 7

передается жидкости в бюретку 6 и создает тем самым всестороннее давление.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

345

Изменение уровня жидкости в бюретке 6 с учетом ее сечения позволяет

измерить изменение объема образца грунта.

Рис. 7.17. Стабилометр для статических испытаний слабых грунтов СТ2 (Амарян, 1990)

В конце 60 – начале 70х годов в ряде институтов применялась кон

струкция стабилометра (рис. 7.18) предложенная Н.П.Верещагиным (1970).

Этот прибор, получивший наименование УСВ2, относится к стабилометрам

типа Б (Панюков П.Н. и др., 1973).

Испытания проводились с образцами диаметром 5,05 см и высотой от 3 до

см. Максимальная вертикальная нагрузка на образец составляла 100 МПа,

максимальное давление в гидравлической камере 20 МПа. По принципу

приложения вертикальной нагрузки было разработано два варианта стаби

лометров УСВ2. Первый вариант рассчитан на среднее давление от 0 до

МПа, второй – на высокое ( от 0 до 100 МПа). Боковая деформация образца

определяется волюмометрическим индикатором 13 по объему отжатой из

камеры давления воды. С помощью подобного другого индикатора 4 изме

ряется расход фильтрующейся через образец жидкости. Давление в камере и

поровое давление измеряются образцовыми манометрами через индикаторы

4, 13.

Явным достоинством данного стабилометра является возможность

регулирования и измерения порового давления, осевой нагрузки и бокового

давления с использованием гидравлических нагнетателей и компенсаторов.

Подобная схема, но с введением автоматических контроллеров давление–

объем была позднее реализована Menzies (1988).

Глава 7

346

Рис. 7.18. Схема стабилометра УСВ2 (Верещагин Н.П., 1970):

1 – питатель образца; 2 – кран отключения питателя образца; 3, 12 – спускные краны;

4, 13 – волюмометрические индикаторы; 5, 8 – краны дренажа; 6 – камера давления; 7 –

поршень передачи вертикальной нагрузки; 9 – индикатор вертикальной деформации; 10 –

резиновая оболочка; 11 – образец грунта; 14 – питатель камеры давления; 15 – кран

отключения питателя; 16 – манометр для измерения бокового давления; 17 – манометр для

измерения давления в гидроцилиндре 18; 18 – гидроцилиндр вертикальной нагрузки; 19 –

манометр регулятора гидростатического давления; 20 – манометр для измерения порового

давления; 21 – нагнетатель давления в нижней части образца; 22 – нагнетатель давления в

верхней части образца; 23 – бак с маслом; 24 – насос; 25 – нагнетатель бокового давления;

26, 27, 28 – компенсаторы

Начиная с 1950х гг. в геотехнической лаборатории университета Лондона

(Imperial College, University of London)

проводятся комплексные исследо

вания прочностных и деформационных свойств грунтов с использованием

различных приборов, в том числе и прибора трехосного сжатия. По

результатам исследований опубликовано много статей, монографий и защи

щено диссертационных работ. В большинстве из них приводятся описание

конструкций используемых приборов, методика проведения испытания и их

результаты (Kuwano, 1999; Rolo, 2003; Gaspare, 2005; Nishimura, 2005).

Фотографии модифицированных в данной лаборатории приборов трехосного

сжатия показаны на рис. 7.19, а схема камеры давления приведена на

рис. 7.20. Обратное давление и боковое давление в рабочей камере приборов

создаются с использованием гидравлического давления. В приборе, предназ

Испытания в условиях осесимметричной деформации

347

наченном для испытания образцов диаметром 100 мм, осевая нагрузка

создается за счет давления масла. Давление в цилиндре создается с помощью

интерфейса воздух – вода (или воздух – масло в 100 мм камере давления) и

управляется электропневматическим контроллером давления в условиях

постоянства скорости деформации перемещения плунжера насоса. Это

позволяет проводить испытания как при статическом, так и кинематическом

нагружении. Прибор позволяет прикладывать отрицательный девиатор на

пряжения, так как верхний штамп соединен со штоком с помощью всасы

вающего резинового колпачка (рис. 7.20). Девиаторная нагрузка измеряется

датчиком силы, который расположен внутри камеры давления, над образцом

грунта. Боковое давление и поровое давление измеряются датчиками

давления, расположенными в основании камеры давления. В 100 мм камере

давления датчик для измерения порового давления находится на боковой

поверхности образца, закрепленного в резиновой оболочке (Hight, 1983).

Общий вид 100 мм прибора трехосного

сжатия

Рабочая камера 100 мм прибора трехосного

сжатия

Датчики для измерения деформации

Рабочая камера 38 мм прибора трехосного

сжатия

Рис. 7.19. Стабилометры конструкции Imperial College, University of London

(Nishimura, 2005)

Глава 7

348

Локальная деформация в этих стабилометрах измеряется с использо

ванием инклинометров (см. главу 14) или датчиков перемещения типа LVDT.

В 38 мм камере давления осевая деформация измеряется локально парой

инклинометров (Jardine et al., 1984; Kuwano, 1999). Объемная деформация

определяется по результатам измерения изменения объема с помощью допол

нительного устройства или вычисляется через значения локально измеренных

осевой и радиальной деформаций. Радиальная деформация или вычисляется

как

2/)(

ε−ε=ε

, или измеряется датчиками перемещения LVDT.

Рис. 7.20. Схема рабочей камеры стабилометра (Nishimura, 2005):

1 – датчик силы; 2 – пьезокерамический датчик (также и с обратной стороны образца

грунта); 3 – датчики перемещения LVDT; 4 – стяжная стойка; 6 – плунжер; 7 – под

шипник; 8 – камера плунжера, заполненная водой с маслом; 9 – всасывающая головка;

10 – датчик порового давления; 11 – скоба датчика радиальной деформации; 12 – образец

грунта; 13 – пористый камень (фильтр); 14 – дренаж; 15 – внешний датчик осевой

деформации; 16 – к устройству регулирования давления

Испытания в условиях осесимметричной деформации

349

В 100 мм (диаметр образца) камере давления выполняется измерение

скорости прохождения поперечных волн с использованием двух пар

пьезокерамических датчиков, которые встроены в резиновую оболочку на

боковой поверхности образца. Одна пара передает и принимает горизон

тальную поперечную волну, а вторая пара – вертикальную поперечную волну.

Эти две пары датчиков интегрированы в одну Тобразную систему измерения.

Эта система подобна системе, разработанной ранее и представленной в

работах Kuwano and Jardine (2000), Lings et al. (2000), Rolo (2003).

На рис. 7.21, 7.22 показаны конструкции приборов трехосного сжатия

производства ООО «НПП ГЕОТЕК». Прибор типа А используется при опре

делении прочностных и деформационных характеристик песчаных и глинистых

грунтов в условиях предварительного изотропного обжатия (консолидации), т.е.

когда

321

σ=σ=σ

. Прибор типа Б рекомендуется применять при определении

прочностных и деформационных характеристик грунтов в условиях

предварительной анизотропной консолидации, т.е. когда

321

σ=σ≠σ

; в данном

приборе можно проводить испытания и в условиях изотропного сжатия.

Стабилометр типа А рекомендуется использовать для определения

характеристик прочности грунта, а стабилометр типа Б – как прочностных, так

и деформационных характеристик грунтов. В ГОСТ 1224896 приведена

методика, которая позволяет применять стабилометр типа А для определения

прочностных и деформационных характеристик грунтов.

(а)

(б)

Рис. 7.21. Общий вид стабилометров типов А (а) и Б (б)

конструкции ООО «НПП Геотек» (www.geoteck.ru)

Глава 7

350

Рис. 7.22. Стабилометр и панель управления давлением.

Комплекс для измерения объемной деформации

Испытания проводят с цилиндрическими образцами грунта высотой, рав

ной двум диаметрам. Обычно диаметр образцов принимается равным 38 мм,

мм или 100 мм. Чем он больше, тем большая физическая неоднородность

(

включения) сложения образцов грунта допускается при испытаниях.

Предполагается, что нагрузочный штамп и основание являются гладкими,

а нагрузочный штамп перемещается плоскопараллельно без вращения в

процессе деформирования образца грунта. Последнее допущение не

выполняется в стабилометрах типа А; так, при нагрузке, близкой к предель

ной по прочности, наблюдается поворот нагрузочного штампа, что при

дальнейшем деформировании приводит к несоосности между главными

напряжениями и деформациями.

Одним из недостатков конструкции стабилометров типа А является

существование зазора между штоком и верхним нагрузочным штампом. Этот

зазор убирается вручную после подготовки рабочей камеры прибора к

испытаниям, например с помощью винта. Однако при создании бокового

давления в рабочей камере шток поднимается вверх и приходится возвращать

его назад до касания со штампом, выполняя дополнительные операции.

Обычно это делается автоматически с использованием управляющей

программы. Для этого к штоку прикладывается нагрузка, несколько большая,

чем значение

сшт

σA

, что приводит к его смещению. При этом момент касания

штоком нагрузочного штампа определяется по показаниям датчика силы.

Момент касания сопровождается инерционным ходом устройства силового

нагружения, что сопровождается возникновением трудноконтролируемой

вертикальной деформациии образца грунта. Ее величина может достигать

значения от 0,01 мм и более. К недостатку данной конструкции следует