Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

351

отнести измерение вертикальной деформации через перемещение штока

датчиком перемещений, который размещается вне рабочей камеры. При гид

ростатическом обжатии между нагрузочным штампом и торцом штока возни

кает зазор, величина которого зависит от бокового давления. Эту дефор

мацию приходится вычитать из полной деформации при девиаторном нагру

жении. Так как между штоком и штампом существует зазор, то невозможно

измерить вертикальную деформацию, возникающую при гидростатическом

обжатии образца грунта.

(а)

1 – датчик силы; 2 – к вентилю контроля

всасывающего усилия; 3 – трубопровод;

4 – коническая часть датчика силы;

5 – резиновая всасывающая головка;

6 – верхний штамп; 7 – резиновое кольцо;

8 – канал дренирования

(б)

1 – съемная камера; 2 – нагрузочный

шток; 3 – верхний штамп; 4 – стойка;

5 – образец грунта; 6 – нижний штамп

(в)

1 – нагрузочный шток; 2 – сферическая

головка; 3 – полированная поверхность;

4 – зазор для отклонения верхнего штампа от

вертикали на 12°; 5 – уплотнительное

кольцо; 6 – пористый диск; 7 – латунная

втулка; 8 – трубопровод

(г)

1 – шток плунжера; 2 – штамп; 3 – об

разец грунта; 4 – силиконовая смазка; 5 –

неразрезанный резиновый диск; 6 – рези

новый диск с кольцевыми прорезями; 7 –

прорези

Рис. 7.23. Типы соединений нагрузочного штока и штампа

Глава 7

352

С целью устранения зазора между штоком и штампом разработаны

специальные захваты, которые присасывают нагрузочный штамп к штоку

после сборки рабочей камеры (рис. 7.24, б, г). Более простым способом

является размещение образца грунта и присоединение к нему штока до

установки оболочки рабочей камеры. После соединения штока и штампа

цилиндрическая оболочка с верхним фланцем надевается на шток, и камера

собирается окончательно (рис. 7.23, б). Подобная конструкция стабилометра

была разработана нами в 1991 году и описана в главе 4.

Рис. 7.24. Типы соединения датчика силы с нагрузочным штампом:

а – половина сферы; б – всасывающая манжета; в – жесткое соединение штифтом;

г – комбинация всасывающей головки и половины сферы; 1 – датчик силы; 2 – верхний

штамп; 3 – образец грунта; 4 – половинка шара; 5 – всасывающая головка

На рис. 7.25 показана процедура подготовки образца грунта к испытаниям

в стабилометре. В этом приборе штамп соединен с верхним торцом образца

грунта с помощью резиновой конической оболочки, которая под действием

вакуума присасывается к боковой поверхности штампа.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

353

(а) (б)

(в) (г)

Рис. 7.25. Резиновая оболочка с приклеенными вкладышами (а); установка бокового

датчика порового давления (б); образец грунта в оболочке и с всасывающей головкой (в) и

схема его подготовки к испытаниям (г) (Nishimura, 2005):

1 – половинка шара; 2 – всасывающая головка; 3 – резиновая оболочка; 4 – боковой

пьезоэлемент; 5 – датчик перемещения LVDT; 6 – скоба датчика радиальных

перемещений; 7 – боковой датчик порового давления; 8 – пористый камень; 9 – боковые

фильтры; 10 – торцовые фильтры

7.4. Определение скорости деформации в трехосных

испытаниях

Исследования, проведенные в разных лабораториях, свидетельствуют о

зависимости прочности грунта от скорости сдвига. Поэтому перед началом

испытаний в приборах трехосного сжатия или прямого среза, в особенности

это касается пылеватоглинистых грунтов, следует определить скорость

сдвига. Для недренированных испытаний глин она должна быть достаточно

низкой, чтобы обеспечить выравнивание порового давления в образце. Для

дренированных испытаний глин скорость сдвига должна быть настолько

низкой, чтобы были возможны отток воды из образца и рассеивание избыточ

ного порового давления. В отчете FHWAIF02034 (Sabatini et al., 2003) реко

мендуется для консолидированнонедренированных и консолидированно

дренированных испытаний время разрушения

принимать по табл. 7.3.

Глава 7

354

Таблица 7.3

Время необходимое для достижения предела прочности (Head, 1986)

Вид испытания Без боковых дрен С боковыми дренами

Консолидированно

недренированные

100

51,0 t

100

8,1 t

Консолидированно

дренированные

100

5,8 t

100

14t

Из этой табл. 7.3 видно влияние использования боковых дрен на скорость

консолидации образца грунта. Использование боковых дрен позволяет

снизить время, необходимое для диссипации избыточного порового давления

вследствие дренирования воды не только в вертикальном, но и в радиальном

направлении. Значение

100

в табл. 7.3 соответствует времени завершения пер

вичной консолидации, которое может быть оценено с использованием зави

симости скорости деформации от времени, затрачиваемого на консолидацию

образца перед сдвигом. Если этих данных нет, то необходимо провести пред

варительные опыты на сдвиг до разрушения образца и найти деформацию

соответствующую пиковой прочности грунта. Это значение зависит от вида

грунта, OCR глины и траектории нагружения (сжатие или расширение).

Обычно значение

для траектории сжатия изотропно консолидированных

образцов грунта составляет 20–25 % при OCR=1 и уменьшается до несколь

ких процентов при высоких OCR (более 20).

Максимум скорости перемещения может быть затем вычислен из

выражения

0100

(12, 7 )

Htδ=ε , (7.5)

где Н

– начальная высота образца.

Несмотря на то, что последнее условие не всегда выполняется для

пылеватоглинистых грунтов в случае консолидированнодренированных

испытаний на прямой срез, скорость сдвига может быть выбрана из стандарта

ASTM 3080,

согласно которому минимум времени, требуемый для

разрушения образца

, может быть найден следующим образом:

50 90

50 11,7

tt t==

, (7.6)

где

– время, необходимое для завершения 50 % и 90 % первичной

консолидации, соответственно. Время

может быть определено с

использованием зависимости осадки от корня квадратного времени или

логарифма времени по значениям вертикальных перемещений, измеренным в

течение процесса консолидации образца при постоянном нормальном

давлении перед сдвигом. После того как будет определено

, перемещение,

Испытания в условиях осесимметричной деформации

355

требуемое для достижения пика прочности

, обычно близко к 1–2 мм для

твердых глин, 2–5 мм для тугопластичных глин и 8–10 мм для мягкоплас

тичных глин (Bardet, 1997). Максимум скорости деформации для КД

испытаний выбирается затем так, чтобы опыт продолжался не более

до

достижения

7.4.1. Неконсолидированно"недренированные испытания

Скорость

деформации при проведении неконсолидированнонедрени

рованных испытаний обычно принимается равной 2 %/мин, согласно BS

1975

года, для максимальной деформации 20 % и продолжительности

испытания 10 мин. Однако стандарт BS 1377 (1990, раздел 7) рекомендует,

чтобы скорость осевой деформации вызвала разрушение за период 5–15 мин.

Указаний, касающихся максимума осевой деформации, нет. В ASTM D 2850 в

зависимости от вида кривой «осевое напряжение – осевая деформация»

рекомендуется проводить испытания до 20 % осевой деформации.

Согласно ГОСТ 1224896, за разрушение принимается значение проч

ности, полученное при непрерывном нагружении в течение не более 2 мин.

При этом скорость рекомендуется принимать равной 2 %/мин, а осевая

деформация не должна превышать 15 %.

Косвенная оценка скорости деформации BS 1377, показывает, что она

должна быть 1,5 %/мин. Следует подчеркнуть, что измеренная прочность

чувствительная к скорости, при которой грунт сдвигается. Поэтому жела

тельно принимать одну и ту же скорость для всех испытаний данного типа.

7.4.2. Консолидированно"недренированные испытания

процессе консолидации образца грунта при заданном боковом давлении

в камере и обратном давлении, которые приложены к образцу, выполняют

измерение изменения объема, используя устройство измерения объема,

соединенное с линией обратного давления. Скорость, с которой происходит

изменение объема, зависит от приращения эффективного напряжения,

степени консолидации образца и условий дренирования на поверхности

образца. Обычно поровое давление измеряется в основании образца с

дренированием через верхний пористый диск. Скорость радиального

дренирования может быть увеличена введением фильтровальных полос на

боковой поверхности образца (Bishop and Henkel, 1962). Коэффициент консо

лидации глин может быть определен с помощью графика зависимости

изменения объема от корня квадратного из времени (рис. 7.25, а).

Теоретические решения показывают, что первые 50 % уменьшения объема

Глава 7

356

происходят в течение времени, которое соответствует пределу пропор

циональности на этом графике. Прямая линия продолжается вниз до

пересечения с горизонтальной линией, соответствующей 90 %й консоли

дации (рис. 7.26,а), и время на пересечении этих линий (обозначенное как

Bishop and Henkel)

может быть использовано для определения коэффициента

консолидации из выражений (7.7) и (7.8).

Рис. 7.26. Результаты этапов консолидации (а) и сдвига (б) консолидированно

недренированных испытаний с измерением порового давления

(стрелками обозначено значение нормализованного главного напряжения

/σ

′

при разрушении)

Испытания в условиях осесимметричной деформации

357

Для условия одностороннего дренирования

, (7.7)

для двухстороннего и радиального дренирования

100

= , (7.8)

где

– коэффициент консолидации глины; Н – половина высоты образца

для случая одностороннего дренирования и полная высота образца для случая

двухстороннего дренирования.

Бумажные дрены на боковой поверхности образца не покрывают всей его

поверхности и не обладают бесконечно большой проницаемостью. В работе

Bishop and Gibson (1964)

показано, что приведенные выше выражения могут

существенно недооценивать коэффициент консолидации большинства более

проницаемых глинистых грунтов или илов, испытанных при высоком

эффективном напряжении, и поэтому нежелательно использовать эти резуль

таты в других типах инженерных проектов.

Время, необходимое для проведения стадии сдвига, зависит от процесса

стабилизации порового давления внутри образца грунта, которое, как

показывают исследования, неравномерно в пределах образца. Это время при

95 %

й стабилизации порового давления может быть определено из

следующих выражений:

для дренирования только с одной стороны

1, 6 7

= , (7.9)

для случая радиального и двухстороннего дренирования

0,07

= . (7.10)

Эти выражения справедливы для разрушения образца в виде «бочки», т.е.

для мягких глинистых грунтов. Для твердых глин, когда наблюдается

разрушение с образованием узкой полосы сдвига, продолжительность девиа

торного нагружения может быть в 10 раз меньше (La Rochelle, 1960).

После завершения этапа консолидации образец изолируется от обратного

давления, и скорость вертикального нагружения определяется делением оце

ночного значения осевой деформации при разрушении на время, требуемое

для достижения состояния разрушения. Грунты обычно разрушаются при

значениях осевой деформации от 2 до 20 %, и необходимое значение при

нимается, как правило, на основе предшествующего опыта проведения

испытаний подобного типа грунтов.

Глава 7

358

7.4.3. Консолидированно"дренированные испытания

Консолидированно

дренированные испытания с измерением изменения

объема при сдвиге выполняются так же, как и консолидированнонедре

нированные испытания, но в течение сдвига обратное давление остается

подключенным к образцу, который нагружается достаточно медленно, чтобы

избежать возникновения избыточного порового давления. Коэффициент

консолидации грунта определяется по результатам измерения изменения

объема, выполняемого на стадии консолидации образца. Gibson and Henkel

(1954)

показали, что средняя степень консолидации при разрушении связана

со временем, прошедшим от начала испытания, следующим выражением:

(1 )

η−

, (7.11)

где H – половина высоты образца;

– коэффициент консолидации;

– средняя степень консолидации при времени t.

Для образца с отношением высоты к диаметру, равным 2, значение

коэффициента η составляет: 0,75 – для одностороннего дренирования и

40,4 –

для двухстороннего и радиального дренирования. Для достижения

95 %

й консолидации необходимо время:

– для случая одностороннего дренирования

8, 48

tt=

, (7.12)

–

для случая двухстороннего и радиального дренирования

15,78

tt=

. (7.13)

7.5. Коррекция трехосных данных

При

проведении испытаний в стабилометре приходится осуществлять

корректировку результатов измерения деформаций и напряжений по сле

дующим причинам.

Вследствие влияния сил трения, возникающих между штампами и

образцом, он деформируется не в виде правильного цилиндра, а в виде бочки

(

в большинстве случаев). Это приводит к тому, что площадь поперечного

сечения образца становится переменной и зависит от величины объемной

или осевой деформации.

Боковому расширению образца препятствует сопротивление растя

жению резиновой оболочки, которое необходимо учитывать при определении

радиальных напряжений.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

359

На измеряемую вертикальную деформацию оказывает влияние ряд

факторов, которые схематично показаны на рис. 7.27. Общая деформация

определяется не только деформацией самого образца грунта, но и

деформацией (податливостью) механизма нагружения, неровностями торцов

образца, сжатием фильтровальной бумаги, величиной зазора между штампом

и датчиком силы. Как правило, эти деформации определяются путем

тарировки камеры давления и системы нагружения одновременно.

Рис. 7.27. Источники ошибок при измерении деформации на полной базе образца

(Burland et al., 1984):

1 – датчик силы; 2 – нагрузочный штамп; 3 – фильтр; 4 – образец грунта; 5 – нижний

штамп

7.5.1. Коррекция площади поперечного сечения

Площадь

поперечного сечения образца в течение стадии консолидации и

стадии сдвига определяется в предположении, что образец деформируется как

правильный цилиндр. Эта коррекция, используемая в стандартном методе

(ASTM D4767)

консолидированнонедренированных испытаний, была вве

дена Rochelle et al. (1988) для бочкообразной формы деформации образца

грунта:

(1 )

−ε

, (7.14)

где

– начальная площадь образца после консолидации;

– объемная

деформация;

ε – осевая деформация.

Глава 7

360

В ГОСТ 1224896 также приведено подобное выражение для определения

площади поперечного сечения образца грунта, но принято, что учет изме

нения площади сечения следует выполнять, начиная с относительной осевой

деформации, равной 0,03. Причем введено разделение по схемам испытаний:

–

для недренированного испытания

A =

−ε

; (7.15)

–

для дренированного испытания по формуле (7.14).

В случае увеличения объема образца

принимают со знаком плюс.

7.5.2. Коррекция, обусловленная сопротивлением

резиновой оболочки

Многочисленные

исследования показывают, что резиновая оболочка

оказывает сопротивление приложенной осевой нагрузке, и что этот эффект

необходимо учитывать при определении осевых и радиальных напряжений, в

особенности при испытании рыхлых песчаных и мягкопластичных или

текучепластичных глинистых грунтов. ASTM D4767 рекомендует вводить

поправку, которая учитывает прочность резиновой оболочки, если ошибка в

девиаторном напряжении, обусловленная прочностью резиновой оболочки,

будет больше 5 %. В ГОСТ 124896 отсутствуют рекомендации по учету сопро

тивления резиновой оболочки. Типичное значение ошибки при определении

девиатора напряжений составляет около 8 %, но она может быть больше и

достигать 20 % при небольших значениях девиатора напряжений.

В некоторых рекомендациях (ATSM D4767) пренебрегают деформациями

в резиновой оболочке, возникающими в течение консолидации. При консо

лидации текучепластичных глин, которая сопровождается большими дефор

мациями образца, имеет место также значительная деформация резиновой

оболочки. В этом случае коррекцию следует вводить как при консолидации,

так и при девиаторном нагружении образца.

Обстоятельный обзор известных методов коррекции приведен в работе

(Baxter, 2000).

Полагают (Henkel and Gilbert, 1952), что резиновая оболочка и образец

деформируются совместно в виде правильного кругового цилиндра. Дефор

мация резиновой оболочки описывается с использованием теории оболочек,

работающих на сжатие. Коэффициент Пуассона для образца и резиновой

оболочки принимается равным 0,5 для условий недренированного нагру

жения. Осевое напряжение в резиновой оболочке оценивается с использо