Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов
Подождите немного. Документ загружается.
Испытания в условиях осесимметричной деформации
381
Рис. 7.42. Результаты КНиспытаний трех образцов грунта
Глава 7
382
Рис. 7.43. Диаграммы прочности Мора – Кулона (девиатор напряжения – среднее
напряжение) (а) и октаэдрической прочности (интенсивность касательных напряжений –
среднее напряжение) (б)
Испытания в условиях осесимметричной деформации
383
Рис. 7.44. Диаграммы прочности Мора – Кулона в эффективных (а)
и полных напряжениях (б)
Глава 7
384
Для связных грунтов (от нормально уплотненных до слегка переуплот
ненных), КНиспытания, выполненные с образцами, структура которых
деформирована при отборе монолитов, а затем реконсолидирована природным
эффективным давлением, показывают заниженное значение недренированной
прочности. Это объясняется тем, что плотность образца при эффективных
напряжениях в лаборатории будет меньше, чем его плотность в полевых
условиях при тех же эффективных напряжениях в грунте на глубине отбора
монолита. Вследствие этого КНиспытания должны быть выполнены при дав
лении консолидации, превышающей эффективные напряжения в массиве
грунта, чтобы компенсировать эффект разрушения структуры. В связи с тем, что
большие значения давления консолидации дают большую недренированную
прочность, недренированная прочность, измеренная с использованием КНис
пытания, при давлении консолидации больше, чем ее значение на
соответствующей глубине отбора монолита будет ошибочной. Однако с исполь
зованием этой информации может быть получена зависимость между
недренированной прочностью и давлением консолидации. Обычно с помощью
этой зависимости вычисляется коэффициент недренированной прочности,
определяемый как
0
/
vu
c σ
′
. При расчете устойчивости откосов, например,
программа расчета будет вычислять вертикальные эффективные напряжения
для каждого участка поверхности скольжения, и затем, основываясь на зависи
мости между недренированной прочностью и эффективными вертикальными
напряжениями, выберет соответствующее значение недренированной проч
ности. В более простом случае расчета устойчивости откосов устанавливается
постоянное значение
u
c
для каждого слоя грунта.
При интерпретации результатов КНиспытаний в полных напряжениях
полученные значения угла внутреннего трения ϕ и силы сцепления с не могут
быть применены для анализа, предполагающего недренированные условия.
Например, при строительстве насыпи из связных грунтов нагружение
основания выполняется ступенями по мере ее отсыпки и уплотнения.
Консолидация основания и насыпи не успевает завершиться в ходе строи
тельства. Поэтому некорректно использовать значения ϕ и с, полученные из
КНиспытаний, для расчета устойчивости насыпи или ее основания, полагая,
что ее вес будет вызывать возрастание нормальных напряжений σ и, как
следствие, возрастание прочности грунтов, в соответствии с уравнением
c+
ϕ
σ=τ tg
. (7.34)
Из уравнения (7.34) следует, что увеличение веса насыпи σ приводит к мгно
венному возрастанию прочности, что не соответствует действительности. По
этому при проектировании следует исходить из консервативной оценки недре
нированной прочности, принимая условие (7.34) в виде (Sabatini et al., 2002):
uu
cc =+σ=τ )0(tg
. (7.35)
Испытания в условиях осесимметричной деформации
385
В этом случае недренированная прочность грунтов основания не будет
возрастать в результате увеличения высоты насыпи, но будет изменяться в
соответствии с напряженным состоянием в основании перед каждым этапом
отсыпки тела насыпи, согласно изменению коэффициента недренированной
прочности
0
/
vu
c σ
′
. Этот прием используют при оценке устойчивости насыпи
при ее ступенчатом возведении, полагая, что вертикальные эффективные
напряжения в грунте возрастают в результате предыдущего этапа отсыпки
насыпи после завершения процесса консолидации на каждом этапе.
7.6.4. Консолидированно"дренированные испытания
В
консолидированнодренированных трехосных испытаниях (КД) допус
кается дренирование полностью как при создании всестороннего давления
(
консолидации), так и при сдвиге. В этом типе испытаний, как и в испытаниях на
прямой срез, нагрузка должна создаваться достаточно медленно, чтобы образец
дренировался свободно и чтобы не возникало избыточное поровое давление в
образце при нагружении. Необходимо полностью водонасыщать образцы грунта,
чтобы избежать всасывания, соответствующего капиллярным напряжениям, что
может привести к увеличению эффективных напряжений и прочности образца.
При условии свободного дренирования поровое давление остается постоянным в
течение сдвига и равно его начальному значению. Поэтому результаты
консолидированнодренированных испытаний можно представить и в
эффективных напряжениях (рис. 7.46). На рис. 7.46 показана линейная
огибающая к кругам Мора – Кулона, однако в некоторых случаях огибающая
может быть криволинейной. Вследствие того что параметры прочности c′ и ϕ′
определяются в эффективных напряжениях, при решении инженерных задач
должны быть использованы эффективные, а не полные напряжения.
Рис. 7.46. Прямолинейная предельная огибающая к кругам Мора – Кулона
в эффективных напряжениях
Глава 7
386
В этом типе испытаний выполняются условия полной консолидации
образца как при боковом обжатии, так и при сдвиге. Так как в опытах
выполняются условия полного дренирования и стабилизации деформаций при
гидростатическом сжатии и девиаторном нагружении, то избыточное поровое
давление отсутствует. Консолидированнодренированным испытаниям как
правило, подвергаются грунты с относительно высокой проницаемостью.
Консолидация образца грунта с меньшей степенью проницаемости происходит
значительно медленнее, что сдерживает применение на практике схемы
консолидированнодренированных испытаний для грунтов этого типа. Данный
вид испытаний также хорошо подходит для гравелистых и крупнообломочных
грунтов, когда затруднительно применять приборы прямого среза.
В общем случае испытания относительно проницаемых грунтов выпол
няются в условиях нагружения с контролем деформации (непрерывное), а
грунтов с меньшей проницаемостью – в услових нагружения с контролем
напряжений (статическое).
Процедура испытаний включает следующие шаги.
1.
Для грунтов с водонасыщением обратным давлением, выполняют шаги
пп. 1–6. Для проницаемых грунтов, которые могут быть эффективно
водонасыщены инфильтрацией (пропускание воды через образец при
небольшом напоре), система водонасыщения обратным давлением не
используется. Измерительная система должна включать устройство для
создания давления вакуума (до 5 кПа), которое прикладывается внутри образца
грунта при его подготовке и заполнении камеры водой.
2.
Сохраняя краны 10 и 17 закрытыми (см. рис. 7.36), создают давление
около 5 кПа в сети трубопровода, затем кран 10 открывают, и это давление
прикладывается к образцу грунта в камере.
3.
При закрытых кранах 7, 6 и открытом кране 8 прикладывают
разряжение через сухую бюретку 16 к верхней части образца грунта. Затем
кран 5 открывают, и вода подается под напором 0,3–0,6 м через основание
образца.
4.
После того как в бюретке появляется вода, вакуум от нее отключают, и,
когда скорость поступления воды в бюретку станет постоянной, кран 5
закрывают.
5.
Консолидацию образца всесторонним давлением выполняют ступенями до
полной стабилизации деформаций на каждой ступени нагружения.
6.
Шток приводят в соприкосновение с нагрузочным штампом, затем
прикладывают осевую нагрузку с низкой скоростью таким образом, чтобы выпол
нялись условия полного дренирования при непрерывном нагружении или после
каждого приращения нагрузки при статическом нагружении.
Так как опыты занимают значительное время, необходимо выполнение следу
ющих условий. Давление в камере должно сохраняться постоянным, колебания
Испытания в условиях осесимметричной деформации
387
температуры в лаборатории должны быть минимальными, испарение воды из
бюретки должно быть исключено.
Девиаторное нагружение выполняют до осевой деформации 15 %. Однако
если девиаторное напряжение начинает уменьшаться после максимума, то
нагружение продолжают до деформации 20 %.
7.6.5. Ошибки, влияющие на результаты испытаний
Ошибки
возникают по следующим причинам.
Конструкция камеры
1.
Проникание жидкости из камеры в образец грунта. Подобная утечка
наблюдается в местах соединения резиновой оболочки и штампов и через
штуцеры дренажных соединений, что приводит к уменьшению эффективных
напряжений в образце при недренированном сдвиге. Даже очень малая утечка
может привести к большому изменению эффективных напряжений, тем
большему, чем больше утечка. Утечки не влияют на эффективные напря
жения при дренировании образца, но приводят к ошибке измерения
изменения объема.
2.
Проникание воды из образца в камеру давления. Утечки из соединений
или кранов могут привести к увеличению эффективных напряжений в
образце течение недренированного сдвига.
3.
Слишком низкая проницаемость керамических фильтров замедляет
процесс рассеивания порового давления.
4.
Ограничения, связанные с резиновой оболочкой и фильтровальной
бумагой. Это жесткость резины и проницаемость бумаги.
5.
Трение между штоком и втулкой камеры давления.
6.
Трение между образцом и штампами, ограничивающее радиальную де
формацию и приводящее к возникновению неоднородности деформации в
образце и неравномерности напряжений (нормального давления) на контакте
штамп–образец.
Подготовка образца
1.
Структура образцов нарушается при их вырезании из монолитов грунта.
Образцы с нарушенной структурой будут испытывать большую степень
уплотнения при консолидации и показывать затем завышенную прочность
грунта.
2.
Образцы деформируются при размещении их в резиновой оболочке и при
ее натягивании на верхний штамп. Применяемый метод пригоден для твердых
грунтов, но не подходит для текучепластичных и текучих глинистых грунтов.
3.
Размеры образца (как высота, так и диаметр) не измеряются точно. При
измерении диаметра образца после его размещения в резиновой мембране
необходимо учитывать толщину оболочки. Измерение высоты сложно выпол
нить, используя цифровой штангенциркуль или микрометр.
Глава 7
388
Методика испытаний
1.
Скорость деформации слишком высокая.
2.
Образцы не полностью водонасыщены. Сжимаемость воздуха и воды
различна.
3.
Влажность, определенная после испытаний, оказывается различной в
центральной части и вблизи торцов образца, как правило, изза неоднород
ности порового давления внутри образца грунта.
4.
Величина ступеней обратного давления слишком большая.
5.
Образцы не полностью консолидированы перед сдвигом.
6.
Изменение температуры при сдвиге. Увеличение температуры приводит к
уменьшению эффективных напряжений при недренированном сдвиге.
7.
Наличие пузырьков воздуха в пористых фильтрах и системе измерения
изменения объема образца.
7.7. Методика испытаний не полностью водонасыщенных
грунтов
Описание напряженнодеформированного поведения не полностью водо
насыщенных грунтов связано со сложностью учета в определяющих уравнениях
взаимодействия его отдельных фаз: скелета грунта, воды и воздуха в поровом
пространстве. Принимая матричное всасывание
)(
wa
uus −=
и разницу между
полным напряжением и давлением воздуха
)(
a
u−σ
, как внутренние перемен
ные состояния, ряд авторов предложили несколько моделей деформационного
поведения не полностью водонасыщенных грунтов в виде определяющих
уравнений (Fredlund and Morgenstern, 1977; Fredlund and Rahardjo, 1993).
Как правило, большинство предложенных определяющих уравнений по
лучено путем анализа результатов испытания не полностью водонасыщенных
грунтов, которое проводилось в стандартных стабилометрах, одометрах и
приборах прямого среза с их модификацией для независимого измерения и
контроля порового давления воздуха (
a
u
) и порового давления воды (
w
u
).
Поэтому эти приборы позволяют создавать нагрузки и измерять напряжения
только вдоль ограниченного ряда траекторий напряжений или деформаций.
В естественных условиях грунт, находящийся выше уровня грунтовых вод,
подвержен трехмерному напряженному состоянию
)(
ijaij
u δ−σ
и
ijwa
uu δ− )(
в
результате воздействия внешнего градиента напряжений и изменяющихся условий
матричного всасывания. В связи с этим, решая конкретные задачи геотехники, при
определении напряжений и деформации в массиве грунта следует учитывать
различие в описании напряженнодеформированного состояния выше и ниже
уровня грунтовых вод. Это возможно, если модель грунта учитывает изменение
соотношения его фаз с переходом от трехфазной системы к двухфазной при
полном водонасыщении.
Сложности при испытании не полностью водонасыщенных грунтов
возникают вследствие того, что в грунтах может присутствовать отрицательное
Испытания в условиях осесимметричной деформации
389
поровое давление, приближающееся к –1 атм (т.е. 101,3 кПа). Вода в
измерительной системе начинает «вскипать», если давление в воде при
ближается к –1 атм. Метод осевого перемещения, часто применяемый в
лабораториях для испытаний не полностью водонасыщенных грунтов при
высоких условиях матричного всасывания позволяет преодолеть отмеченные
ограничения. Сущность метода состоит в том, что поровое давление воздуха (
a
u
)
и поровое давление воды (
w
u
) смещаются в область положительного давления
таким образом, чтобы создаваемое состояние матричного всасывания в образце
)(
wa
uus −=
оставалось постоянным зависимо от величины порового давления
воздуха
a
u (Hilf, 1956; Bishop et al., 1960; Fredlund, 1989).
На рис. 7.46 показано применение метода к неводонасыщенному образцу
грунта, испытывающему матричное всасывание в 101 кПа. Поровое давление
воды (
w
u
) измеряется ниже уровня воды под керамическим фильтром с уров
нем проницаемости в 202 кПа. Начальное давление поровой воды равно
101
кПа. Давление воздуха 202 кПа прикладывается непосредственно к
образцу для увеличения порового давления воздуха (
a
u ) до этого же значения.
В результате поровое давление воды возрастает на величину, равную оконча
тельному значению в 101 кПа. При этих условиях не возникает проблемы,
связанной с кавитацией воды в измерительной системе. Несмотря на пе
ремещение отсчетного давления порового воздуха от 0 до 202 кПа, матричное
всасывание, испытываемое
грунтом,
)(
wa
uus −=
остается
постоянным и равным 101 кПа.
Этот метод часто требует
значительного периода времени
до достижения состояния рав
новесия, обеспеченного матрич
ным всасыванием. В процессе
испытаний поровый воздух про
никает сквозь воду под керами
ческий фильтр и собирается там
в виде пузырьков. Поэтому вы
полняют периодическую про
мывку для удаления пузырьков
воздуха с целью обеспечения
гидравлической непрерывности между частицами грунта и водой, а также в воде
системы измерения.
Fredlund (1989)
предложил следующее уравнение для определения
прочности не полностью водонасыщенных грунтов:
b
waa
uuuc ϕ−+ϕ
′
−σ+
′
=τ tg)(tg)( , (7.36)
Рис. 7.46. Схема к методу осевого перемещения
(Hoyos, 2001)
Глава 7
390
где
c
′
– эффективное сцепление; ϕ′ – эффективный угол внутреннего трения;
ϕ
b
– угол внутреннего трения при изменении матричного всасывания
)(
wa
uus −= .
В условии (7.36) предполагается, что значение
b
ϕ
остается постоянным
для всех значений матричного всасывания. Это условие широко используется
при интерпретации прочности маловлажных грунтов.
Опыты, выполненные позднее, свидетельствуют о нелинейной зави
симости
b
ϕ от величины всасывания. На рис. 7.47 приведены результаты
трехосных испытаний, выполненных в модифицированном стабилометре с
использованием GDSконтроллеров для управления боковым давлением,
поровым давлением и осевой деформацией. В опытах контролировали
всасывание, управляя давлением порового воздуха и давлением поровой воды
в образцах грунта.
Рис. 7.47. Зависимость прочности от параметра всасывания (Estabgarh et al., 2007):
а – изменение девиатора напряжений с ростом всасывания; б – зависимость эффективных
сил сцепления от всасывания
Из рис. 7.47 видно, что прочность грунта возрастает с ростом всасывания,
причем эта зависимость является нелинейной. Подобная зависимость
получена Sun et al. (2007) для угла внутреннего трения
b
ϕ
при проведении
опытов в приборе прямого среза, модифицированном с целью управления
параметрами всасывания.
(а)
(б)