Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

361

ванием решений теории упругости. Модуль упругости резиновой оболочки

определяется из выражения

= , (7.16)

где t – толщина резиновой оболочки: M – модуль растяжения оболочки,

определяемый при проведении прямых испытаний на растяжение.

Во многих источниках (ASTM D4767; La Rochelle et al., 1988; Head, 1986)

рекомендуется одна и та же процедура для определения модуля упругости Е,

основанная на методе испытаний, предложенном Henkel and Gilbert (1952).

Испытания проводятся на растяжение резиновой оболочки с измерением

осевой деформации. Опыты показывают линейное поведение резины,

которое наблюдается до 6 %й осевой деформации. Напряжения в оболочке

вычисляются с использованием начальных размеров резиновой оболочки:

толщины и длины.

В стандарте ASTM D4767 приведено следующее уравнение для коррекции

девиатора напряжений, если ошибка, обусловленная сопротивлением

резиновой оболочки, превышает 5 %:

()

Δσ−σ = , (7.17)

где

)(

σ−σΔ

– коррекция, которая должна быть вычтена из измеренной

разности девиатора напряжений;

π= /4

– диаметр образца после

консолидации;

– модуль упругости материала оболочки;

– толщина

оболочки;

– относительная осевая деформация.

Модуль упругости материала оболочки определяют, растягивая кольцевую

полоску шириной 15 мм, вырезанную из материала оболочки, с помощью

груза, подвешенного снизу, измеряя ее удлинение, с использованием выра

жения

(/ )/( /)

EFA LL=Δ

, (7.18)

где F – сила, приложенная для удлинения оболочки; L – начальная длина

оболочки;

LΔ

– изменение длины оболочки, соответствующее усилию F;

smm

WtA 2=

(

– толщина оболочки;

– ширина кольцевой полоски,

равная 15 мм).

Типичное значение

для латексной резины 1400 кПа.

Из сравнения различных методов коррекции, приведенных на рис. 7.28,

видно, что все они дают практически одни и те же результаты.

Глава 7

362

Рис. 7.28. Сравнение различных методов коррекции (Baxter, 2000)

7.5.3. Коррекция, обусловленная фильтровальной бумагой

При

использовании фильтровальных бумажных полос, размещаемых вдоль

боковой поверхности образца по всей его высоте, с целью ускорения

фильтрации поровой воды, необходимо выполнить коррекцию вычисляемого

девиатора напряжений, если ошибка в девиаторе напряжений, обусловленная

прочностью фильтровальной бумаги, превышает 5 %.

Для осевой деформации более 2 % используется следующее выражение

для вычисления поправки:

() /

fp fp c

KP AΔσ−σ =

, (7.19)

(а)

(б)

(в) (г)

Испытания в условиях осесимметричной деформации

363

где

)(

σ−σΔ

– поправка, которая должна быть вычтена из измеряемой раз

ности главных напряжений;

– нагрузка, воспринимаемая полосками филь

тровальной бумаги;

– периметр покрытий из фильтровальной бумаги;

–

площадь поперечного сечения образца грунта после консолидации.

Для значений осевой деформации 2 % или менее используют следующее

выражение для вычисления поправки:

13 1

()50 /

fp fp c

KP AΔσ−σ = ε

, (7.20)

где

– осевая деформация.

Для фильтровальной бумаги, обычно применяемой в трехосных

испытаниях,

= 0,19 кН/м.

7.5.4. Вычисление площади поперечного сечения образца

после консолидации

Площадь

поперечного сечения образца после консолидации

вычис

ляют, используя следующие методы (ASTM D4767).

Метод А:

()/

csatcc

VV VH=−Δ−Δ

, (7.21)

где

– начальный объем образца;

VΔ

– изменение в объеме образца в

течение консолидации;

– высота образца после консолидации;

sat

VΔ

– из

менение в объеме образца в течение фазы водонасыщения, определяемое как

3( / )

sat s

VVHHΔ= Δ

, (7.22)

где

HΔ

– изменение высоты образца в течение водонасыщения.

Метод В:

()/

cwfs c

VVH=+

, (7.23)

где

– окончательный объем воды (вычисленный по влажности образца

после опыта);

– объем скелета грунта:

Vg=

, (7.24)

где g

– вес твердых частиц;

– удельный вес частиц.

Рекомендуется применять среднее значение

, определенное по фор

мулам (7.21 ) и (7.23).

В ГОСТ 1224896 площадь поперечного сечения образца также прини

мается переменной, в зависимости от величины вертикальной деформации и

определяется с использованием выражений (7.3), (7.4).

Глава 7

364

7.6. Процедура проведения испытаний

7.6.1. Водонасыщение

Для

водонасыщения образцов грунта обычно используется процедура

обратного давления. Рекомендуется создавать обратное давление 100 кПа, но

может быть приложено давление 200–300 кПа и более. Воздух полностью

растворяется в воде при давлении 400 кПа. Водонасыщение образцов

необходимо для измерения изменения объема при дренированных испы

таниях и значения порового давления при недренированных испытаниях.

Водонасыщение методом обратного давления предполагает увеличение

обратного давления внутри образца для растворения газа в поровой жидкости.

Так как давление в камере поднимается на величину, равную обратному

давлению, то эффективные напряжения остаются постоянными. Параметр

порового давления

/ σΔΔ= uB

должен быть не менее 0,95 для водонасы

щенных образцов. Большее значение параметра порового давления получить

достаточно сложно. Если значение B остается постоянным в процессе

возрастания порового давления, то полагают, что образец водонасыщен.

7.6.2. Неконсолидированно"недренированные испытания

Неконсолидированно

недренированные испытания (НН) проводят с

целью определения прочности грунта на сдвиг при условиях, где не имеется

или имеет место небольшое дренирование в течение приложения нагрузки на

массив грунта основания. Для водонасыщенных грунтов теоретически

испытания на одноосное сжатие должны давать точно такие же значения, как

и испытания в условиях трехосного неконсолидированнонедренированного

нагружения. Однако, вследствие того что при отборе образцов грунта из

массива он разгружается от бытовых (природных) напряжений и что при этом

возможно нарушение структуры грунта или образование разрывов, одно

осные испытания дают слишком низкие значения прочности. В случае

ННиспытаний при создании всестороннего давления, равного бытовому,

структура грунта частично восстанавливается, и значения прочности получа

ются более достоверными.

Лабораторные испытания грунтов для оценки недренированного на

пряженнодеформированного поведения связных грунтов должны отвечать

следующим основным требованиям:

Образцы грунта должны быть высокого качества, с сохранением

естественной структуры, влажности и плотности.

Перед испытанием на сдвиг обязательна реконсолидация образцов

грунта давлением, величина которого не меньше значений природных верти

Испытания в условиях осесимметричной деформации

365

кальных и горизонтальных напряжений. Это особенно важно для оценки

эффекта анизотропии.

Испытания следует проводить, нагружая образцы грунта по траек

ториям напряжений и видам напряженного состояния (параметр b), которые

имеют место в основании проектируемых зданий и сооружений.

Скорость сдвига должна отвечать скорости деформации в основании

проектируемых зданий и сооружений.

Параметры прочности должны быть определены при уровнях

деформаций сдвига (пиковая, критическая, остаточная), которые имеют

место в основании проектируемых зданий и сооружений.

В неконсолидированнонедренированных испытаниях определяется

недренированная прочность связных грунтов

. Она соответствует глубине,

на которой был отобран образец грунта. На рис. 7.29, 7.30 показаны

зависимости между напряжениями и деформациями, а также круги Мора,

построенные по результатам испытаний одного и того же грунта.

Теоретически, если каждый из отобранных образцов грунта имеет 100 %е

водонасыщение

)1( =

и одну и ту же влажность, то их прочность должна

быть равной. Это объясняется тем, что прочность прямо связана с

коэффициентом пористости образца. Если коэффициент пористости всех

образцов одинаков, то в течение сдвига изменения объема не происходит, и,

следовательно, прочность, измеренная для каждого ННиспытания, будет

одной и той же. Однако в большинстве случаев, изза эффектов, возни

кающих при отборе образцов, и неизбежных различий влажности, образцы,

отобранные с одной глубины, не дают равных результатов.

Рис. 7.29. Зависимость осевой деформации от девиатора напряжений (Day, 1999)

Глава 7

366

Рис. 7.30. Круги Мора для четырех ННиспытаний (Day, 1999)

Результаты ННиспытаний необходимо интерпретировать, полагая, что

угол внутреннего трения должен быть равен нулю

)0( =

. В качестве примера

на рис. 7.30 приведены результаты ННиспытаний образцов, у которых изме

ренная прочность оказалась различной. В этом случае недренированная

прочность должна быть определена раздельно для каждого из кругов Мора

(

т.е

) (рис. 7.31). Аппроксимацию результатов испытаний (пунк

тирная прямая) проводить нельзя, как делают в некоторых лабораториях.

Рис. 7.31. Интерпретация ННиспытаний (Sabatini et al., 2002)

Для частично водонасыщенных грунтов, таких, как уплотненные глины

(

насыпи, земляные плотины и т.п.) или естественные нормально уплотнен

ные глины, находящиеся выше уровня грунтовых вод, недренированная

Испытания в условиях осесимметричной деформации

367

прочность должна быть определена из ННиспытаний образцов, у которых

коэффициент пористости и степень водонасыщения соответствуют коэф

фициенту пористости в массиве грунта. Подобные грунты не показывают

постоянное значение недренированной прочности

. Поэтому важно, чтобы

испытания были проведены в том диапазоне всестороннего давления, кото

рое соответствует природным напряжениям, найденным в полевых условиях.

Для каждого испытания отображается круг Мора и соответствующее значение

недренированной прочности. Совокупность испытаний позволяет построить

нелинейную огибающую кругов Мора. Многие программы расчета устой

чивости откосов используют вводимые значения предельных касательных

напряжений (предела прочности) и нормальных напряжений для построения

предельной огибающей прочности.

Результаты ННиспытаний могут быть использованы для дополнения

данных, полученных из консолидированнонедренированных испытаний и

для интерпретации недренированной прочности, установленной в ходе

полевых испытаний.

Процедура испытания следующая:

Ставят образец на основание.

Закрепляют резиновую оболочку.

Собирают рабочую камеру и подключают устройство измерения дефор

маций и напряжений (рис. 7.32).

Рис. 7.32. Измерительная система для проведения неконсолидированнонедренированных

испытаний (Бишоп и Хенкель, 1961):

1 – датчик осевой деформации; 2 – осевая нагрузка; 3 – кран для сброса воздуха из камеры

давления; 4 – камера давления; 5, 7 – шаровые краны; 6 – датчик давления; 8 – кран

пневмопривода давления воздуха

Глава 7

368

Осевую нагрузку на образец прикладывают со скоростью около

1 %

в минуту для пластичных глинистых грунтов и около 0,3 % в минуту для

твердых грунтов, у которых максимум девиаторного напряжения достигается

при деформации не более 3–6 %. При этой скорости нагружения время для до

стижения максимума девиатора напряжений должно быть 15–20 минут.

Нагрузку записывают каждые 0,3 % деформации до первых 3 %, а затем

каждый 1 % (для больших деформаций – каждые 2 %). Данных измерений

должно быть достаточно для того, чтобы полностью определить форму кривой

напряжение–деформация» (рис. 7.33). Испытания продолжаются до дефор

мации 15 %, как показано на рис. 7.33,а,б, однако, если девиаторное напряже

ние уменьшается после достижения максимального значения при деформации

до 15 % (рис. 7.33 в), испытания должны быть продолжены до деформации 20 %.

(а) (б)

(в) (г)

Рис. 7.33. Различные виды зависимости «девиатор напряжения–осевое напряжение»

Девиатор напряжения (σ

–σ

)

Испытания в условиях осесимметричной деформации

369

Для хрупких грунтов (когда максимум девиатора напряжений дости

гается при осевой деформации 6 % или менее) испытания должны быть

выполнены со скоростью деформации достаточной, чтобы они закончились в

течение 15–20 минут. Однако, когда максимум девиатора напряжений опре

делен однозначно (рис. 7.33 в, г), скорость деформации может быть увеличена

так, чтобы оставшееся время испытаний было не меньше, чем время,

предшествующее достижению максимума девиатора напряжений. В каждой

группе испытаний около 20 % образцов должны быть испытаны при

скорости, указанной в п. 3 и 4.

После испытаний определяют влажность образца.

Резиновая оболочка оказывает сопротивление деформированию и уве

личивает прочность образца. Исследования с образцами диаметром 38 мм и

толщиной мембраны 0,3 мм, например, показывают возрастание девиатора

напряжений на 4 кПа при осевой деформации 15 %. Коррекция радиального

напряжения может быть сделана по следующей формуле:

01 1

(1 )DM

πε−ε

σ= , (7.25)

где

– начальный диаметр образца; М – модуль растяжения резиновой

оболочки;

– осевая деформация;

– начальная площадь поперечного

сечения образца.

В испытаниях с очень мягкими глинами эффект резиновой оболочки

может быть значительным, и в этих испытаниях желательно выполнить

коррекцию и уменьшить величину девиатора напряжений. Для большинства

грунтов, если используется стандартная толщина мембраны (0,3 мм),

коррекция незначительна, и ее можно не учитывать.

У образцов ненарушенной структуры при полном водонасыщении угол

внутреннего трения обычно равен нулю. В случае частично водонасыщенных

образцов предельная прямая криволинейная, в особенности при низких

значения нормальных напряжений, и значения сил сцепления и угол

внутреннего трения не постоянны.

Для образцов с нарушенной структурой, уплотненных перед испы

таниями, огибающая прочности должна быть построена через точки кругов

Мора, соответствующие напряжениям на плоскости разрушения.

В случае, если грунты в основании сооружений являются частично водо

насыщенными, но затем могут быть полностью водонасыщены без значи

тельного изменения объема или в естественных условиях, или в течение

строительства, необходимо водонасытить образцы грунта, используя обрат

ное давление. Подобные полевые условия могут сложиться, например, изза

проливных дождей или по другим причинам (утечки из трубопроводов, экра

нирование поверхности), вследствие чего уровень грунтовых вод станет выше

по сравнению с его уровнем, соответствующим состоянию отбора образцов.

Глава 7

370

Рис. 7.34. Зависимость прочности грунта от нормального напряжения

(Бишоп и Хенкель, 1961):

а – полностью водонасыщенные грунты ненарушенной структуры; б – частично

водонасыщенные грунты ненарушенной структуры

Для неконсолидированнонедренированных испытаний с обратным водо

насыщением используется измерительная система, показанная на рис. 7.36.

Фильтрующие полоски в опытах не используются, так как изменение

объема не допускается. После выполнения шагов согласно пп. 1–4

(

процедура размещения образца в стабилометре и дегазации дренажной

системы подобна той, которая применяется при консолидированнонедрени

рованных испытаниях) создается небольшое давление в камере (3 кПа) при

открытых дренажных кранах. После как минимум 30минутной стабилизации

порового давления в образце грунта измеряют вертикальную деформацию

образца и начинают создавать обратное давление, используя процедуру,

приведенную в подразделе 7.6.3 (с пункта 2 по пункт 5). После проверки

степени водонасыщения и измерения вертикальной деформации закрывают

все трубопроводы дренирования, идущие к устройствам измерения обратного

давления и порового давления. Поддерживая максимум приложенного

обратного давления, постоянно увеличивают давление в камере до тех пор,

пока разница между давлением в камере и обратным давлением не будет

равна требуемому эффективному давлению, после чего проводят испытания,

как описано в пп. 3–6 данного подраздела.