Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

371

7.6.3. Консолидированно"недренированные испытания

Консолидированно

недренированные (КН) испытания дают данные,

которые позволяют определить параметры прочности в полных напряжениях.

В то же время КН испытания с измерением порового давления дают данные

для интерпретации прочности как в полных, так и в эффективных напря

жениях. Подобно НН испытаниям, в КНиспытаниях образцы грунта

реконсолидируются в лаборатории при заданном всестороннем давлении.

В консолидированнонедренированных испытаниях образцы сжимаются

в условиях полного дренирования при действии всестороннего давления, а

при сдвиге дренирование не допускается. В течение сдвига поровое давление

может измеряться или не измеряться, в зависимости от последующего

использования результатов испытаний.

Несмотря на то что при сдвиге дренирование отсутствует, испытания

должны быть выполнены с достаточно медленной скоростью нагружения для

качественного измерения порового давления. Вследствие того что дефор

мации неоднородны по высоте образца, поровое давление, возникающее при

сдвиге, будет переменным. В большинстве случаев поровое давление воды

измеряется в точке вне образца посредством измерительной системы,

соединенной с одним или обоими торцами образца грунта. Для того чтобы

гарантировать, что поровое давление измеряется на торцах образца, скорость

нагружения должна быть достаточно малой.

Результаты КНиспытаний могут быть использованы различным образом.

В общем случае КНиспытания позволяют определить прочность сдвига как

функцию эффективных напряжений для использования в решении задач, где

нагружение действительно дренированное. Главным ограничением для

консолидированнодренированных испытаний (КД) при определении

параметров прочности является длительность испытаний вследствие низкой

проницаемости глинистых грунтов и медленной скорости фильтрации

поровой воды. КНиспытания могут быть выполнены быстрее, чем КД

испытания, и результаты показывают, что оба испытания (КД и КН) дают

практически одну и ту же предельную огибающую, если она построена в

эффективных напряжениях. Таким образом, после выполнения КНиспы

таний с измерением порового давления прочность грунта может быть выра

жена как функция эффективных напряжений и затем использована в

решении задач, где имеет место дренирование.

Следует отметить также несколько случаев, когда результаты КНиспы

таний, выполняемых с целью определения прочности, используются для

решения задач, где грунт может быть консолидирован, а затем подвержен

недренированному нагружению. В первом случае, например, грунтовая

насыпь возводится частями с полной консолидацией грунта основания от

каждой части насыпи. Второй случай, когда первоначально имеет место

Глава 7

372

быстрый сброс воды, примыкающей к насыпи, но затем от веса возведенной

насыпи грунт консолидируется, а вследствие её быстрого разрушения

основание разгружается. Третий случай, когда результаты КНиспытаний

используются для решения задач с недренированным нагружением,

характеризуется уменьшением эффекта разрушения структуры образца при

его отборе из грунтового массива. Для этой цели может быть применена

процедура SHANSEP разработанная Ladd and Foot (1974). В этом случае

используется специальная методика реконсолидации образцов грунта перед

сдвигом с целью уменьшения эффекта нарушения структуры при отборе

образцов (см. главу 16).

Образцы грунта должны быть полностью водонасыщены перед созданием

девиатора напряжений. Степень водонасыщения более 95 % полагается

достаточной для того, чтобы считать образцы водонасыщенными. Если при

сдвиге необходимо измерить поровое давление, то степень водонасыщения

должна быть равна 100 %. Расчет степени водонасыщения, основанный на

изменении объема и влажности, часто неточен, так как полное водонасыщение

образца будет достигнуто только тогда, когда увеличение давления в камере

будет равно увеличению порового давлении в образце грунта. Вообще

предпочтительнее водонасыщать образцы грунта, используя обратное давление,

после их подготовки и размещения в камере стабилометра. Обратное давление –

это искусственное увеличение порового давления, которое будет повышать

степень водонасыщения образца за счет выжимания порового воздуха и

растворения его в воде. Обратное давление прикладывается к поровой воде

одновременно с равным увеличением давления в камере таким образом, чтобы

не было изменения эффективных напряжений в скелете грунта. Другими

словами, разница давлений поперек мембраны остается постоянной в течение

фазы водонасыщения под действием обратного давления. Обратное давление

должно прикладываться очень медленно, чтобы избежать возникновения

разницы давлений. При этом степень водонасыщения образца будет возрастать,

в то время как его объем останется неизменным. На рис. 7.35 показано обратное

давление, требуемое для создания желаемой величины водонасыщения, если

нет изменений в объеме образца грунта. Величину необходимого обратного

давления можно также определить, используя следующее выражение:

100 (1 )

⎡

⎤

−−

⎢

⎥

−−

⎢

⎥

⎣

⎦

, (7.26)

где

– требуемое обратное давление;

– атмосферное давление; H – кон

станта, равная 0,018 для воздуха, растворенного в воде при температуре 22 °С;

– начальная степень водонасыщения в %;

– конечная степень

водонасыщения в %.

Испытания в условиях осесимметричной деформации

373

Следует отметить, что теоретическая зависимость, приведенная

на рис. 7.35, основана на предположении, что воздух отсутствует в воде,

используемой для водонасыщения образца грунта.

Рис. 7.35. Обратное давление, требуемое для создания определенной степени

водонасыщения (Lowe J. еt al., 1960)

В отличие от неконсолидированнонедренированных испытаний при

проведении консолидированнонедренированных испытаний необходимы

дополнительные устройства, которые используются для водонасыщения

обратным давлением (рис. 7.36):

Резервуар с воздухом 14 и регулятором давления, подобным тому,

который используется для контроля давления в камере.

Датчик для измерения обратного давления 19. В связи с тем, что иногда

требуется создавать большие значения давления в камере и обратного

давления, важно, чтобы эти два давления измерялись точно, что может

гарантировать величину их различия. Для этой цели применяются

дифференциальные датчики давления, которые измеряют разность давлений

прямым способом (Lowe J. еt al., 1960).

Бюретка для измерения изменения объема с точностью: 0,1 см

– при

диаметре образца 38 мм и 0,5 см

– при диаметре образца 70 мм и

см

при диаметре образца 150 мм. Эта бюретка соединена с линией

обратного давления и используется для измерения объема воды, добавляемой

в образец при водонасыщении, и изменения объема образца в течение

консолидации. Если вода, подаваемая в образец, содержит воздух, то

Глава 7

374

требуется большее обратное давление, чем показано на рис. 7.35. Поэтому

объем, занимаемый воздухом в системе, должен быть минимальным. Это

достигается разделением воздуха и воды с использованием резиновой

диафрагмы. Трубопровод между бюреткой и образцом грунта, используемый

для этой же цели, выполняется из толстостенной трубки с малым сечением и

должен быть насколько возможно коротким. Так как обратное давление

может быть значительным, то для безопасности бюретку помещают внутрь

металлической трубки.

Рис.7.36. Измерительная система для консолидированнонедренированных и

консолидированнодренированных испытаний (Бишоп и Хенкель, 1961):

1 – датчик осевой деформации; 2 – осевая нагрузка; 3 – кран для удаления воздуха;

4 – емкость с водой для заполнения всей системы; 5,6,7,8,10,16,20,21,22 – шаровые краны

различного назначения; 9 – датчик порового давления; 11 – емкость для регулирования

давления в камере; 12 – регулятор обратного давления; 13 – трубопровод давления воздуха;

14 – емкость для регулирования обратного давления; 15 – калиброванная бюретка; 17 –

датчик бокового давления; 18 – дифференциальный датчик давления; 19 – датчик

контроля обратного давления

Процедура консолидированнонедренированных испытаний с использо

ванием обратного давления для водонасыщения включает следующие шаги.

Торцы образцов грунта покрываются фильтровальной бумагой, и он

устанавливается на основание с фильтром. На боковую поверхность образца

помещаются 34 полоски фильтровальной бумаги с целью уменьшения

времени водонасыщения и консолидации. Верхний штамп, также с фильт

ром, устанавливается на образец грунта, и далее выполняются подготовка

образца к испытаниям и сборка стабилометра, как в предыдущем случае.

Трубопроводы дренирования и каналы в фильтрах должны быть полностью

заполнены дегазированной водой.

Оценивается величина обратного давления, требуемого для полного

водонасыщения и использованием графика, приведенного на рис. 7.35.

Образец должен быть полностью водонасыщен прежде, чем будет выпол

Испытания в условиях осесимметричной деформации

375

няться его консолидация. Для однородности водонасыщения разница

бокового давления и обратного давления не должна превышать 5 кПа в

течение фазы водонасыщения. Для обеспечения равномерности распреде

ления порового давления в образце обратное давление прикладывается

малыми ступенями через интервалы времени, достаточные для выравнивания

давления по объему образца.

При всех закрытых кранах в трубопроводе камеры создается давление

около 7 кПа, а в трубопроводе обратного давления – 2 кПа. Необходимо

записать эти значения давлений. Затем одновременно открыть кран камеры

давления 10 и кран обратного давления 8. Тотчас же открыть кран 6, считать и

записать поровое давление в основании образца. После того как поровое

давление станет постоянным закрыть краны 8 и 6, записать показания

бюретки.

Используя методику, описанную в п. 3, увеличивают боковое давление

и обратное давление ступенями, поддерживая, чтобы обратное давление было

на 5 кПа меньше давления в камере. Размер ступени может быть 5, 10 или

кПа, в зависимости от сжимаемости образца грунта и величины желаемого

давления консолидации. На каждой ступени открывают кран 6 и измеряется

поровое давление до полной стабилизации. Время, требуемое для стаби

лизации порового давления, может быть от нескольких минут до нескольких

часов, что зависит от водопроницаемости грунта.

Для того чтобы проверить, достигнуто или нет полное водонасыщение

образца при закрытом кране 8, давление в камере увеличивается на 5 кПа.

Если тотчас же открыть кран 6 и при этом поровое давление также увеличится

на 5 кПа, то это будет означать, что образец полностью водонасыщен.

Когда образец полностью водонасыщен, обратное давление под

держивают постоянным, а давление в камере увеличивают до тех пор, пока

разница между давлением в камере и обратным давлением не станет равной

требуемому боковому давлению. Далее открывают кран 8 и позволяют

образцу консолидироваться при заданном боковом давлении. Кран 7 может

быть также открыт для двухсторонней фильтрации поровой воды из образца.

В процессе консолидации через интервалы времени (0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 4; 8; 15

и 30 минут, 1, 2, 4 и 8 часов, например) записывают показания бюретки для

измерения изменения объема.

Закрыв краны 6, 7, 8, выполняют девиаторное нагружение образца, как

описано в п. 6–10, с той разницей, что скорость деформации принимается

равной: около 0,5 %/мин (для мягкопластичных глинистых грунтов) и

0,3 %/

мин или менее для тугопластичных и твердых глинистых грунтов.

Общее время девиаторного нагружения должно быть не более 30 минут. При

этих скоростях деформации создаваемое поровое давление не успевает

равномерно распределиться по всему образцу грунта. Поэтому его измерение

на концах образца не имеет смысла. Если необходимо измерить поровое

Глава 7

376

давление при девиаторном нагружении, то время до достижения макси

мального значения девиатора должно быть не менее 120 минут. Значительно

большее время потребуется при испытании грунтов с меньшей степенью

водопроницаемости.

Вычисления

Из данных измерений вычисляют начальную влажность грунта, объем

твердых частиц, начальное значение коэффициента пористости, начальную

плотность.

Определяют площадь поперечного сечения образца после завершения

консолидации по формуле

2HH

−Δ

= , (7.27)

или, если он был полностью водонасыщен в течение испытания, используют

более точную формулу:

VV V

−−Δ

−Δ

, (7.28)

где

– начальный объем образца;

– начальный объем воздуха в образце;

– начальный объем воды;

– начальный объем твердых частиц;

VΔ

–

изменение в объеме воды в образце в течение водонасыщения и кон

солидации;

– начальная высота образца;

НΔ

– изменение высоты

образца в течение консолидации.

Используя размеры образца, рассчитанные после консолидации, и

предполагая, что влажность грунта не изменяется при сдвиге, вычисляют

коэффициент пористости и степень водонасыщения.

Результаты КН испытаний могут быть представлены в виде кругов Мора

(

см. рис. 7.37, 7.38) или траекторий напряжений (7.39, в). Графики траек

торий напряжений отображаются в координатах

′′

−

или

−

в виде серии

точек, которые представляют максимальное касательное напряжение на

кругах Мора, т.е. τ

max

соответствует вершине круга Мора при нормальном

напряжении

)(2/1

σ+σ=σ

. На рис. 7.39. б показана только одна точка (B)

максимального касательного напряжения, соответствующая завершению

прямолинейной траектории напряжений. Координатами каждой точки линии

являются

)(2/1

σ+σ=p

)(2/1

σ−σ=q

. Линия, проведенная через эти

точки, представляет собой траекторию трехосных полных напряжений. Если

используются эффективные напряжения, то

upp Δ−=

′

. Параметр q остается

тем же, так как

[

]

σ−σ =σ−Δ −σ−Δ =σ−σ

13 1 3 13

() ( )uu

Испытания в условиях осесимметричной деформации

377

Рис. 7.37. Результаты обработки консолидированнонедренированных испытаний:

а – нормально уплотненные образцы ненарушенной структуры; б – переуплотненные

образцы ненарушенной структуры

Рис. 7.38. Круг Мора и предельная прямая Кулона

Глава 7

378

(а) (б)

Рис. 7.39. Зависимость осевой деформации от девиатора напряжений (а)

и траектория напряжений (б) в полных напряжениях:

OAB – траектория в полных напряжениях

Используя представление о напряженном состоянии в рассматриваемой

точке сплошной среды по Мору (в нашем случае – это образец грунта) (см.

рис. 7.38), и полагая, что предельное состояние возникает при максимуме

касательных напряжений на плоскости (по Кулону), проходящих через эту

точку, из прямоугольного треугольника OAB на рис. 7.38 можно получить

следующее условие прочности:

()

sin

()

tg 2

σ−σ

ϕ=

σ+σ

. (7.29)

Это условие прочности используется в методе трехосного сжатия

ГОСТ 1224896 для определения параметров прочности ϕ и c. Данное условие

прочности может быть преобразовано для получения ряда различных зави

симостей между главными напряжениями и параметрами прочности ϕ и c.

Первая зависимость называется « q

− »диаграммой, которая исполь

зуется при оценке прочности грунтов в стандартах ASTM и BS, но ее нет в

ГОСТ 1224896. Уравнение (7.29) может быть представлено как зависимость

)(2/1

σ−σ=q

от

)(2/1

σ+σ=p

cos sinqc p=

, (7.30)

а может быть записано также в виде:

tgqdp=+

. (7.31)

Уравнение (7.31) выражает линейную зависимость q и p, а d и ψ –

коэффициенты этого уравнения. Угол наклона ψ связан с углом внутреннего

трения ϕ выражением

tg sin

или

arcsin(tg )

. (7.32)

Испытания в условиях осесимметричной деформации

379

Таким образом, параметр, характеризующий сцепление из диаграммы

Мора – Кулона, связан с углом внутреннего трения и сцеплением d на

модифицированной диаграмме Мора – Кулона (рис. 7.41 б) выражением

cos

с =

. (7.33)

Зависимость q

− применяется при обработке результатов трехосных

испытаний и при определении параметров прочности Мора – Кулона

и с.

Для этого в каждом опыте строится своя траектория напряжений, как

показано на рис. 7.39, б и рис. 7.40, б. Затем с использованием уравнения

прямой линии выполняют аппроксимацию максимальных значений каса

тельных напряжений, определяют коэффициенты d и ψ. Затем, используя

найденные значения коэффициентов d, ψ и выражения (7.32), (7.33),

вычисляют угол внутреннего трения ϕ и силы сцепления c.

(а) (б)

Рис. 7.40. Зависимость осевой деформации от девиатора напряжений (а)

и траектория напряжений (б) в эффективных напряжениях:

1 – девиатор напряжения; 2 – поровое давление; 3,4 – траектории напряжений в

эффективных и полных напряжениях соответственно

Следует помнить, что использование условий прочности (7.29) и (7.31) не

дает одинаковых результатов. Для того чтобы привести параметры d и ψ к

параметрам прочности ϕ и c, необходимо использовать выражения (7.32) и

(7.33).

Глава 7

380

Рис. 7.41. Определение параметров прочности

с использованием различных диаграмм прочности

На рис. 7.42–7.44 приведены результаты КНиспытаний на прочность с

построением эффективной траектории напряжений для трех образцов,

которые были изотропно консолидированы с использованием различных

значений всестороннего давления. На рис. 7.42 приведены данные измерений

и их зависимости. Предельные касательные напряжения обозначены

крестиком. Используя их и диаграмму прочности в осях

)(

σ−σ

, строят

круги Мора, затем к ним проводят касательную и находят параметры

прочности ϕ и c.

В то же время для определения ϕ и с из диаграммы прочности,

представленной на рис. 7.43, применяют выражения (7.32) и (7.33).

Как упоминалось ранее, как полные, так и эффективные параметры

прочности могут быть получены из КНиспытаний, если в опытах измеряется

поровое давление. Параметры прочности в эффективных напряжениях ϕ′, с′

могут быть использованы для определения длительной прочности связных

грунтов. Следует заметить, однако, что для испытания образцов в эффективных

напряжениях необходимо знать распределение порового давления в полевых

условиях, в месте отбора монолитов. Это поровое давление должно быть

использовано при реконсолидации образца грунта в эффективных напря

жениях. На практике подобная процедура выполняется редко изза со слож

ности измерения порового давления в полевых условиях. Недренированную

прочность, полученную в полных напряжениях, полученную из КНиспытаний,

рекомендуется использовать для оценки кратковременной прочности связных

грунтов, включая определение зависимости между недренированной

прочностью

(когда ϕ=0) и вертикальным эффективным напряжением.