Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов
Подождите немного. Документ загружается.
391
Глава 8. ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА В УСЛОВИЯХ
ИСТИННОГО ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ
8.1. Общие положения
Испытания цилиндрических образцов грунта в стабилометре не поз
воляют провести исследования с произвольно изменяемыми главными
напряжениями по трем взаимно перпендикулярным осям Х, Y, Z. В
большинстве случаев распределение напряжений в основании сооружений
является трехмерным с неравными значениями напряжений по трем осям
координат. Подобный характер распределения напряжений невозможно
создать в цилиндрических образцах грунта. Форма образца грунта в виде
кубика позволяет однозначно прикладывать напряжения на его сторонах, что
является достоинством данных испытаний. В то же время существенным
недостатком является влияние граничных условий и геометрических
размеров образца на возникающую в опытах неоднородность деформации.
Приборы, в которых проводятся испытания кубических образцов грунта,
называются приборами истинного трехосного сжатия, так как в них можно
реализовать общий случай нагружения, когда
123
σ≠σ≠σ (рис. 8.1).
(а) (б)
Рис. 8.1. Условия нагружения образца грунта в приборе истинного трехосного сжатия:
а – общий случай нагружения, б – вращение наибольшего главного напряжения
1
σ на 90
о
Большинство опытов с грунтами при определении их механических
свойств выполняется в лабораториях, в условиях осесимметричной дефор
мации с использованием стабилометров, в которых невозможно выполнить
опыты с независимым изменением промежуточного
2
σ и наименьшего
3
σ
главных напряжений.
Глава 8
392
Необходимость независимого контроля этих напряжений была понята
давно и привела к созданию приборов истинного трехосного сжатия (Да
виденко, 1934; Kjelman, 1936). Вследствие сложности конструкции эти
приборы вначале имели ограниченную область применения. В то же время,
начиная с 1960х годов, стали более часто проводить исследования с ис
пользованием приборов истинного трехосного сжатия (Ломизе Г.М и Кры
жановский А.Л., 1966, 1968). В этих приборах напряжения или деформации
контролируются независимо друг от друга, что позволяет проводить опыты с
большей разновидностью траекторий напряжений, по сравнению с
испытаниями в стабилометре.
Разработано несколько типов приборов истинного трехосного сжатия, но
все их можно подразделить на три главные категории.
1.
Контроль напряжений с гибкими граничными условиями.
2.
Контроль деформации с жесткими границами.
3.
Приборы со смешанными граничными условиями.
Приборы истинного трехосного сжатия больше подходят для научных
испытаний, так как позволяют не только исследовать количественное влияние
всех главных напряжений на характер зависимости «напряжение – де
формация» и на прочность грунта, но и определять качественную сторону про
цесса деформации грунта. Для этой цели используется способ фотограмметрии
или рентгенографии, когда одна из сторон прибора выполняется прозрачной
(
Болдырев Г.Г., 1992). Подобные опыты позволяют выявить процесс образо
вания разрывов в глинистых грунтах или локализацию деформаций в
песчаных грунтах.
Общепринято называть приборы для испытания образцов грунтов в ус
ловиях осесимметричной деформации приборами трехосного сжатия, не
смотря на то что независимыми являются только два главных напряжения:
вертикальное
1
σ
и радиальное
23
σ=σ
.
В отечественной практике подобные
приборы стали называть стабилометрами для того, чтобы отличить их от
приборов, в которых независимо к образцу грунта прикладываются три
главных напряжения
123
σ≠σ≠σ. Эти приборы стали называть приборами
истинного трехосного сжатия. Несмотря на то что эти приборы позволяют
проводить испытания по различным траекториям напряжений даже с
вращением осей главных напряжений, они в основном применяются в
исследовательских лабораториях.
Arthur (1988)
представил обширный обзор существующих видов приборов
истинного трехосного сжатия и ввел их классификацию соответственно
граничным условиям: приборы с жесткими границами (Hambly, 1969; Pearce,
1972; Ibsen et al., 2002),
с гибкими границами (Крыжановский, 1966; Ko and
Scott, 1967; Sture and Desai, 1979; Meier et al., 1982; Mandevile and Penumadu,
2004)
и со смешанными (как жесткими, так и гибкими) границами (Lade and
Duncan, 1973; Michelis , 1988; Hoyos et al., 2001; Alshibli, 2005).
Испытания в условиях истинного трехосного сжатия
393
(а) (б)
Рис. 8.2. Нагружение образца грунта через гибкую (а) и жесткую (б) границу:
1 – жесткая плита; 2 – датчик перемещения; 3 – шток датчика; 4 – резиновая мембрана;
5 – удлиняющий стержень
Очевидно, что жесткие штампы не могут обеспечить однородность
приложенных напряжений на границах образца и что гибкие штампы не
могут обеспечить однородность приложенных перемещений на границе
«
образец – штамп». Следовательно, результаты испытаний, полученные во
всех трех типах приборов истинного трехосного сжатия, могут оказаться
различными.
Ibsen (2002)
отметил следующее: «…Важный вопрос, но на него нет пока
ответа, какие граничные условия реально испытывает элемент грунта в
полевых условиях? Является граница между элементами грунта жесткой,
гибкой или смешанной и как она зависит от типа грунта?».
Следует заметить, что разделение грунта на элементы в природе не
существует и что это разделение было сделано при разработке аппарата меха
ники сплошной среды с целью введения понятия напряжений. Профессор
Scott (1987)
в своей обзорной лекции, посвященной памяти Ренкина, сказал
следующее: «… Напряжение – это философское понятие, а деформация –
реальность, которую мы наблюдаем…».
За рубежом, начиная с 1969 года, под руководством профессора
Arthur J.R.F. (1988)
в University College London разрабатывалось несколько
типов приборов, различающихся видом нагрузочных штампов. В первых
приборах применялись гибкие штампы, затем гладкие жесткие штампы и
позднее одновременно жесткие и гибкие штампы. Нагружение образца
жесткими штампами приводит к неоднородности напряженного состояния на
границах образца, даже если нагружение выполняется равномерно с заданной
Глава 8
394
скоростью деформации. Напротив, нагружение гибкими штампами позволяет
создать однородное поле напряжений на границах образца, но, вследствие
того что по периметру граней образца штамп деформируется меньше, чем в
центре, поле деформаций становится неоднородным (рис. 8.3). Растяжение
мембран исключает возникновение концентрации напряжений. Однако
следует заметить, что неравномерность деформаций в виде полос сдвига или
разрывов наблюдается в опытах и при нагружении образцов грунта через
гибкие границы (см. рис. 8.3).
(а) (б)
Рис. 8.3. Неоднородность напряжений и деформаций при нагружении (Desrues, 1985):
а – жесткие штампы: б – гибкие штампы (Alshibli, 2005)
Неоднородность деформации в приборах с жесткими штампами можно
уменьшить, если ввести смазку между образцом грунта и поверхностью
штампа. Рекомендуется одновременно использовать смазку и две тонкие
резиновые пластины, разделенные также смазкой для уменьшения сил трения
между штампами и гранями образца. Однако в этом случае возможно замятие
резиновых пластин при перемещении жестких штампов.
Тип используемого на практике прибора определяется видом решаемой
задачи. Например, если необходимо исследовать влияние напряженного
состояния на деформируемость грунта, как правило, при небольших
деформациях, не превышающих 12 %, то следует применять приборы с
гибкими штампами. В случае, когда решающим является вопрос определения
прочности грунта и деформации при этом большие, лучше использовать
приборы с жесткими штампами. В последнем случае следует иметь в виду, что
Испытания в условиях истинного трехосного сжатия
395
поведение грунта сильно зависит от возникающих касательных напряжений
на границе между штампом и образцом грунта. Грунт может упрочняться, а
затем разупрочняться, и трудно оценить за счет чего: изза влияния сил
трения и наведенной граничными условиями неоднородности деформации
внутри образца или изза присущей неоднородности, возникающей даже при
однородных граничных условиях.
В отличие от испытаний, проводимых с полыми образцами грунта (рис.
8.4,
а), когда можно непрерывно изменять угол наклона главных напряжений
от 0 до 180°, при испытании кубических образцов в приборах трехосного и
истинного трехосного сжатия возможен лишь скачок главных напряжений на
90° (
рис. 8.4, в).
(а) (б) (в)
Рис. 8.4. Главные напряжения:
а – полые образцы; б – сплошные цилиндрические образцы; в – кубические образцы
Схему нагружения цилиндрического образца грунта (рис. 8.4, б) принято
называть нагружением в условиях трехосного сжатия. С точки зрения
механики сплошной среды данный вид нагружения соответствует случаю
осесимметричной деформации, когда радиальная деформация ε
r
=ε
2
=ε
3
точно
так же, как и главные напряжения σ
r
=σ
2
=σ
3
. Истинное трехосное сжатие
подразумевает нагружение кубического образца грунта при независимом
действии трех главных напряжений
12 3
σ≠σ≠σ.
На рис. 8.5, а показаны кубический элемент среды и компоненты главных
напряжений, действующие на его сторонах, так, как это принято в механике
сплошной среды. В действительности на сторонах кубического элемента
среды действуют не только нормальные, но и касательные напряжения. Под
действием этих шести независимых компонент напряжений
(,,, , , )
x
yzxyyzzx
σσστ τ τ
элемент деформируется различным образом. Подобным
образом следовало бы нагружать образцы грунта при исследовании их
напряженнодеформированного состояния. В действительности, конструк
Глава 8
396
тивно реализовать нагружение образца как нормальными, так и касатель
ными напряжениями одновременно, независимо на каждой стороне куби
ческого элемента, достаточно сложно. Подобные условия нагружения в
условиях плоской деформации были реализованы при исследовании
песчаных грунтов Arthur J. et al. (1981) и Wong R. et al. (1985).
(а)
(б)
Рис. 8.5. Изменение напряженного состояния при вращении главных напряжений
(Wong R., 1985):
а – компоненты напряжений; б – напряженное состояние в трех случаях нагружения (1, 2, 3)
Испытания в условиях истинного трехосного сжатия
397
Нормальная нагрузка прикладывалась с использованием четырех гибких
оболочек 2, заполненных жидкостью, а касательная нагрузка создавалась с
помощью резиновых листов 3 (удлинение до 300 %), выдергиваемых с
поверхности контакта между грунтом и гибкой оболочкой (рис. 8.6). Для
усиления эффекта сцепления резиновых листов с нагружаемым грунтом к
ним были приклеены частички песка. Оставшиеся две стороны кубического
образца размером 100х100х100 мм были выполнены из стекла, чтобы можно
было наблюдать за деформациями в процессе нагружения.
Рис. 8.6. Нагружение в приборе с вращением главных напряжений (Wong R., 1985):
1 – жесткая плита; 2 – резиновая гидравлическая подушка; 3 – армированные резиновые
листы; 4 – неармированные резиновые полоски; 5 – треугольные призмы из акрила;
6 – образец грунта; 7 – марки из свинцовой дроби для радиографии
Подобные приборы позволяют исследовать деформируемое поведение
грунтов с вращением главных напряжений. Несмотря на влияние несо
осности между главными осями деформаций и напряжений на характер
исследуемого напряженнодеформированного состояния в большинстве
случаев принимается, что при нагружении образцов грунта направления осей
напряжений и деформаций совпадают.
Глава 8
398
Этот подход значительно упрощает конструкцию приборов для испы
тания грунтов, так как отпадает необходимость в нагружении образца каса
тельными напряжениями. Полагается, что на трех взаимно перпен
дикулярных парах сторон кубического образца грунта действуют только
нормальные напряжения. Эти напряжения создаются с использованием жест
ких штампов или гибких оболочек, заполненных водой или глицерином.
8.2. Устройства для испытания образцов грунта в условиях
истинного трехосного сжатия
Конструкция одного из первых приборов для испытания кубических
образцов грунта была разработана в Московском инженерностроительном
институте (ныне – МГСУ) А.Л.Крыжановским в 1966 г. В данной кон
струкции нагрузка на кубический образец прикладывается через гибкие
границы (рис. 8.7). Общий вид стенда для подобных исследований показан на
рис. 8.8. В каждой стенке прибора имеется камера давления (всего шесть),
закрытая резиновой мембраной 8. Глубина камеры давления принята из
расчета 20 % максимальной относительной деформации образца по каждой из
трех осей. Резиновые мембраны изготовлены из латексной резины на
специальных формах. После вулканизации на формах фигурные резиновые обо
лочки наклеиваются на стенки прибора. Стенки прибора соединяются на
шпильках, причем одну из стенок (крышку) можно снимать, не разбирая
прибора полностью. Давление в камерах создается путем нагнетания в них
жидкости. Резиновые мембраны передают возникающее давление на образец
грунта размером 71×71×71 мм или 100×100×100 мм. Подводящие жидкость
трубки 14 соединяют попарно противоположные камеры давления с тари
рованными волюмометрами 12. Краны 11 дают возможность управлять
давлением через волюмометры. Давление на жидкость осуществляется
сжатым воздухом, поступающим от компрессора. В воздушный коллектор
может подаваться как положительное давление от компрессора, так и
разряжение, создаваемое вакуумнасосом. Разряжение в системе прибора
необходимо для заполнения соответствующих объемов дегазированной
жидкостью и для установки уровня жидкости в трубках волюмометров на
исходную отметку. При сжатии образца объем камер давления изменяется, и
в них входит или выходит определенное количество жидкости, фиксируемое
по смещению границы раздела воздух – жидкость в трубках волюмометров.
Принимая перемещение мембран поступательным, по замеренному
перемещению жидкости определяются линейные деформации образца.
Испытания в условиях истинного трехосного сжатия
399
Рис. 8.7. Схема стенда с прибором истинного трехосного сжатия А.Л.Крыжановского:
1 – плиты корпуса; 2 – перемещаемый шток; 3 – сальник; 4 – перфорированный штамп; 5
– игольчатый датчик для измерения порового давления; 6 – подшипник; 7 – гайка для
принудительного перемещения штока; 8 – гибкие резиновые мембраны; 9 – коллектор
сжатого воздуха; 10 – манометры; 11 – краны; 12 – трубки волюмометров; 13 – бак с
резервной жидкостью; 14 – трубки высокого давления
Рис. 8.8. Общий вид конструкции стенда истинного трехосного сжатия
А.Л.Крыжановского (фото из лаборатории Балаковского института техники,
технологии и управления)
Глава 8
400
Подобная конструкция прибора истинного трехосного сжатия была пред
ложена позднее Desai et al. в 1982 году и Meier et al. в 1985 году (рис. 8.9).
Ko and Scott
разработали в 1967 году прибор истинного трехосного сжатия
с контролем напряжений, который использовался позже в качестве прототипа
другими исследователями (Sture and Desai, 1979) и производителями
(www.ergotech.co.uk).
Основная идея заключалась в использовании жесткой
кубической рамы, способной воспринимать реакцию от гибких резиновых
мембран, на которые прикладывается давление воды для создания одно
родных напряжений внутри образца грунта по трем главным направлениям. К
недостатку данной конструкции следует отнести наличие недеформируемых
зон в углах образца грунта.
С целью устранения данного недостатка Hambly E.C. (1969) предложил
конструкцию прибора истинного трехосного сжатия с жесткими, взаимно
смещаемыми нагрузочными штампами. Конструкция, разработанная Hambly,
отличается от предыдущей заменой гибких мембран гладкими жесткими
штампами. Деформации легко измеряются по величине перемещений
штампов, а напряжения (нормальные и касательные) могут быть определены
с использованием датчиков, встроенных в штампы. Однако, несмотря на то
что поверхность штампов полируется, на границе штамп – образец все равно
возникают силы трения, что приводит к неоднородности напряжений как
внутри образца, так и на его границе. Для снижения сил трения вводят смазку
и резиновые пластинки.
Рис. 8.9. Схема прибора конструкции Meier et al. (1982):
1 – соединительные болты; 2 – канал ввода жидкости; 3 – корпус; 4 – стенка;
5 – мембрана; 6 – образец; 7 – блок датчиков перемещения; 8 – главная стенка;
9 – основание для бесконтактных датчиков; 10 – бесконтактные датчики перемещения в
водозащитном исполнении; 11 – полиуретановый вкладыш; 12 – кожаный вкладыш