Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях истинного трехосного сжатия

401

Прибор включает шесть взаимно перпендикулярно расположенных

жестких стальных плит (рис. 8.10), которые могут двигаться относительно

друг друга и поэтому могут деформировать начальный кубический образец в

правильную призму. Следовательно, главные оси остаются фиксированными,

но вращение главных напряжений невозможно. Однако скачок на 90

главных напряжениях или деформациях возможен. Поэтому испытания в

приборах истинного трехосного сжатия не позволяют непрерывно изменять

траекторию напряжений в пространстве главных напряжений. Образцы

грунта могут быть испытаны до больших деформаций без возникновения

разрывов между штампами. Для уменьшения сил трения между плитами

вводится небольшой конструктивный зазор (0,25 мм), который заполняется

тефлоновой пленкой. Камера делается таким образом, чтобы один угол

каждой плиты оставался неподвижным относительно образца грунта. В этом

месте делается отверстие для дренирования воды из образца грунта. Для

измерения напряжений на контакте образец – штамп в последний

монтируется один или несколько датчиков силы.

(а) (б)

Рис. 8.10. Прибор истинного трехосного сжатия конструкции Hambly (1969)

В отличие от конструкции А.Л.Крыжановского прибор конструкции

Hambly

позволяет проводить испытания при больших деформациях. Это

важно при испытании мягкопластичных и текучих глинистых грунтов. Если

для твердой глины и плотных песков величина деформации, как правило, не

превышает 5 %, то для мягких глинистых грунтов деформация при дости

жении предельного состояния может превышать 50 %. Существенным

недостатком жестких нагрузочных штампов является их шероховатость, что

Глава 8

402

приводит к возникновению деформаций сдвига на их контакте с грунтом.

Трение снимается полировкой нагрузочных штампов с введением сили

коновой или тефлоновой смазки.

Использование жестких штампов позволяет легко измерять нормальную

деформацию и деформацию сдвига по перемещениям штампов. При этом

вследствие плоскопараллельного перемещения штампов выполняется

соосность между деформациями и напряжениями. В случае гибких штампов

прямое измерение деформаций осуществить сложно, и они измеряются по

перемещению уровня жидкости в трубках волюмометра. Неравномерность

прогиба резиновых мембран штампов вызывает неоднородность деформации

внутри образца грунта.

С целью уменьшения влияния граничных эффектов на напряженно

деформированное поведение образцов грунта Michelis (1988) предложил кон

струкцию камеры истинного трехосного сжатия, приведенную на рис. 8.11.

(а) (б)

Рис. 8.11. Конструкция камеры трехосного сжатия Michelis (1988):

а – трехмерное сечение; б – поперечное сечение: 1 – цилиндрическая обойма;

2 – нагрузочный шток; 3 – оболочка; 4 – сферический штамп; 5 – датчик силы;

6 – тонкий медный лист; 7 – гидравлическая подушка; 8 – канал подачи масла; 9 –

стержень для измерения относительной деформации; 10 – верхний и нижний стержни для

измерения полной деформации; 11 – стержень для измерения боковой деформации;

12 – канал для оттока поровой жидкости и под кабель датчика деформации; 13 – масло;

14 – образец грунта

Нагружение призматического образца грунта размером 100×52×52 м

можно приложить через жесткие или гибкие границы. Боковое давление (до

400

МН/м

) создается с использованием двух пар гидравлических подушек.

Осевая нагрузка (до 1500 МН/м

) прикладывается через пару самоуста

навливающихся штампов с использованием обычного пресса. Боковые

Испытания в условиях истинного трехосного сжатия

403

деформации измеряются в центральной части образца с помощью тонких

стержней, пропущенных между двумя гидравлическими подушками.

Подобную камеру для испытания скальных пород и бетонов выпускает

фирма ELE (www.ele.com), но образец имеет цилиндрическую форму и

испытания проводят в условиях осесимметричной деформации.

Большинство опытов с целью измерения скорости прохождения про

дольных V

и поперечных V

волн для определения модуля сдвига и модуля

компрессии выполняется с использованием стабилометров в условиях

осесимметричной деформации. В этих опытах оценивается влияние

наибольшего при двух равных боковых напряжений на механические

характеристики грунтов как при статическом, так и при динамическом

нагружении. Однако известно (Roesler, 1979), что все три главных

напряжения влияют на модуль сдвига в большей степени, чем величина сред

него напряжения в образце грунта. Ясно, что испытания с независимым

регулированием всех трех главных напряжений, в особенности при малых

деформациях, позволяют исследовать их влияние на скорость прохождения

волн по направлению всех трех главных осей, с оценкой как изотропного,

так, возможно, и анизотропного поведения грунта.

В работе Stokoe et al. (1985) представлены результаты испытаний образцов

большого размера (длина стороны 2,1 м). Опыты проводились с целью

измерения скорости прохождения продольных и поперечных волн через

образец грунта. Очевидно, что подобные испытания чрезвычайно дорого

стоящие. Поэтому в большинстве случаев в лабораториях проводятся

испытания кубических образов с длиной стороны от 5 до 30 см. Roesler (1979)

измерял скорость поперечных волн в приборе истинного трехосного сжатия

на образцах 30х30х30 см, но в ограниченном режиме нагружения: изотропное

сжатие (вакуумом) и последующее вертикальное нагружение.

В публикации Ismail et al. (2005) описана конструкция прибора истинного

трехосного сжатия, в котором испытывались образцы размером 25×25×25 см,

с независимым контролем V

и V

по направлению каждой из трех главных

осей или под углом к ним. Общий вид камеры трехосного сжатия показан на

рис. 8.12, а, а детали конструкции – на рис. 8.12, б.

Камера сделана из алюминия и состоит из шести пар квадратных

штампов, смонтированных на кубической раме. За каждым штампом имеется

резиновая диафрагма, которая закреплена между опорными плитами рамы и

штампами с помощью болтов. Размер штампов на 17,5 мм меньше

внутреннего размера рамы камеры, чтобы они могли свободно перемещаться.

Каждый штамп прикреплен к цилиндрической втулке, которая движется в

центральном отверстии через уплотнительное резиновое кольцо. Движение

каждого штампа ограничено (10 мм) до контакта взаимно перпендикулярных

штампов. Для образца с начальной длиной стороны 250 мм это означает, что

максимальная деформация в любом направлении не превышает 8 %.

Глава 8

404

Каждый из шести штампов имеет отверстия диаметром 8 мм, закрытые

керамическим диском, для дренажа и измерения изменения объема. Ли

нейная деформация образца каждой из сторон измеряется потенциометром.

(а)

(б)

Рис. 8.12. Камера истинного трехосного сжатия Ismail et al. (2005):

1 – штамп; 2 – канал дренирования; 3 – пьезодатчики; 4 – резиновая мембрана;

5 – потенциометр; 6 – цилиндрическая направляющая; 7 – регулятор положения пьезодат

чиков; 8 – внешняя плита

В приборах со смешанными граничными условиями для создания

наименьшего главного напряжения

σ используют камеру и датчики давле

ния, наибольшее главное напряжение

σ создается силой, как и в стаби

лометрах, промежуточное главное напряжение

σ – также силой с помощью

горизонтальной системы нагружения. В приборе конструкции Green (1969)

горизонтальная система нагружения включает гидравлический цилиндр с

контролем перемещения плунжера, располагаемый с одной стороны образца,

и датчик силы, размещаемый с противоположной стороны образца грунта.

Горизонтальная нагрузка передается на образец через жесткие полированные

плиты из нержавеющей стали. Между этими плитами и штампом (

σ ) имеется

зазор, величина которого определяется требуемым значением вертикальной

деформации. Наличие мертвой (нет нагрузки) зоны в углах приводит к

ошибке. Lade and Duncan (1973) модернизировали конструкцию Green (1969):

они ввели возможность изменения высоты штампов, создающих горизон

тальные напряжения (рис. 8.13). Эти штампы состоят из отдельных полос

нержавеющей стали и древесины бальзы. Древесина бальзамного дерева

имеет низкие модуль упругости и прочность в направлении, перпен

дикулярном к волокнам, в то время как модуль упругости и прочность в

направлении волокон значительно выше. Для уменьшения сил трения также

вводятся смазка и листы латексной резины.

Испытания в условиях истинного трехосного сжатия

405

Alshibli et al. (2005)

опубликовали

статью, в которой рассмотрены воз

можности новой конструкции, кото

рая используется в Louisiana State

University.

Прибор разработан с уче

том обеспечения: гибкости в изме

нении граничных условий (горизон

тальное движение плит), лучших ус

ловий для оптических измерений, ре

гистрации данных измерений и на

блюдения полос сдвига. Конструкция

прибора показана на рис. 8.14. Камера

давления в сборе имеет размеры:

ширина 255 мм, длина 327 мм и

высота 482,6 мм. В стенках камеры

имеются отверстия и втулки для што

ков датчиков горизонтальных переме

щений. Размеры образца: ширина

мм; длина 120 мм и высота

180

мм. Верхний и нижний горизон

тальные штампы имеют большие раз

меры, чем образец грунта, для обеспе

чения возможности горизонтального

расширения образца.

(а) (б)

Рис. 8.14. Образец грунта в оболочке (а) и общий вид камеры давления (б)

(Williams, 2004; Alshibli, 2005)

Рис. 8.13. Конструкция прибора Lade and

Duncan (1973):

1 – рама для крепления системы гори

зонтального нагружения; 2 – датчик силы;

3 – система горизонтального нагружения

Глава 8

406

Система контроля давления, примененная в данном приборе истинного

трехосного сжатия, показана на рис. 8.15. Эта система позволяет регулировать

боковое давление в камере и измерять изменение объема образца. Емкость с

водой используется для заполнения прибора водой, а трубки справа – для

регулирования давления в камере и измерения изменения объема образца.

(а) (б)

Рис. 8.15. Схема системы контроля давления (а) и общий вид панели (б):

1 – сосуд с водой; 2 – внутренний резервуар; 3 – внешний резервуар; А – регулятор

давления воды в емкости или трубках; В – кран емкости с водой; С – кран трубок; D –

кран, соединяющий внутренний резервуар или с емкостью с водой или с камерой; Е –

кран, соединяющий внешний резервуар или с емкостью с водой, или камерой; F – кран,

соединенный с одной стороны с дифференциальным датчиком давления, а с другой

стороны с внешним резервуаром; G – кран, соединенный одной стороной с

дифференциальным датчиком давления, а с другой стороны – с внутренним резервуаром;

Н – дает доступ к регулятору давления воздухом; I,J,K – переключатели от ручного

управления к автоматическому

При испытании не полностью водонасыщенных грунтов используется

специальная методика, предполагающая раздельное регулирование давления

порового воздуха и воды. Эти испытания проводятся, как правило, в

стабилометрах и значительно реже в приборах истинного трехосного сжатия.

Hoyos et al. (2001)

описали метод и конструкцию прибора истинного

трехосного сжатия для испытания не полностью водонасыщенных грунтов в

условиях трехмерной деформации (рис. 8.16). Они использовали прибор со

смешанными границами, в котором кубический образец одной стороной

устанавливается на жесткий диск с низкой проницаемостью воздуха между

пятью гибкими мембранами, расположенными на других пяти сторонах. Идея

подобной конструкции была предложена Atkinson (1972) для проведения

Испытания в условиях истинного трехосного сжатия

407

многоосных испытаний скальных пород, а затем развита для испытаний

глинистых грунтов (Hoyos, 1988).

Прибор состоит из девяти главных

частей: стальной рамы; верхней и

четырех боковых стенок; системы из

мерения деформации; системы созда

ния и управления напряжениями; пяти

гибких мембран; системы контроля

управления поровым давлением воды;

панели питания воздух – вода; систе

мы сбора данных и управления.

Деформация образца измеряется в

трех точках на верхней и боковых

сторонах образца грунта с помощью 15

датчиков LVDT, которые расположены

по три на каждой стороне образца под

углом 120

относительно друг друга.

Штоки датчиков подпружинены к

мембранам и находятся внутри камеры

давления в воде.

На рис. 8.17 показана схема сбора

данных и управления прибором. Ана

логовые сигналы снимаются с дат

чиков перемещения LVDT, далее

превращаются в цифровой код и передаются в компьютер. Скорость

считывания с датчиков LVDT может быть изменена в меню программы

компьютера, которая написана с использованием инструментальной среды

LABTECHNOTEBOOK

из Laboratory Technologies Corp.

В работе авторов Mandevile and Penumadu (2004) приведена конструкция

автоматизированной системы для испытания 102 мм кубических образцов

связных грунтов. Эта система подобна системам, разработанным Sture and

Desai (1979)

и Sivakugan еt al. (1988). Система включает контрольную панель,

компьютерную консоль и программу, которая связывает компьютер, силовую

раму и шесть камер давления. Система в состоянии выполнить изотропную и

– консолидацию образца, а затем девиаторное нагружение с контролем

напряжений или деформаций. Главными преимуществами системы истин

ного трехосного сжатия являются использование электропневматического

ПИДрегулятора и программное обеспечение, которое позволяет автомати

чески водонасыщать, консолидировать и прикладывать девиаторное напря

жение автоматически по заданной траектории напряжений.

Рис. 8.16. Поперечное сечение камеры

прибора (Hoyos et al., 2001):

1 – рама; 2 – латексная мембрана; 3 – ку

бическое основание; 4 – керамический

диск; 5 – образец грунта; 6 – опорная

плита; 7 – датчик перемещений; 8 – канал

давления; 9 – гибкий виток трубки; 10 –

кран трубопровода сжатого воздуха;

11 – кран трубопровода воды; 12 – краны

трубопровода промывки; 13 – масло

Глава 8

408

Рис. 8.17. Принципиальная схема сбора данных и управления испытаниями

(Hoyos et al., 2001)

На рис. 8.18 показана общая конфигурация автоматизированной системы

для испытаний в условиях истинного трехосного сжатия Mandevile and

Penumadu (2004).

Рис. 8.18. Схема автоматизированной системы испытаний

(Mandevile et al., 2004)

Испытания в условиях истинного трехосного сжатия

409

Устройство трехосного сжатия состоит из пространственной кубической

рамы (рис. 8.19, б) с шестью блоками нагружения (рис. 8.19, в). Шесть гибких

резиновых мембран отделяют образец грунта от блоков нагружения. Каждый

блок нагружения содержит датчик перемещения (LVDT), используемый для

измерения деформации в центре каждой стороны образца грунта и два

дополнительных отверстия для создания давления между мембраной и

торцом блока нагружения. Измерение и регулирование давления выполня

ются с помощью шести электропневматических датчиков давления (Fairchild

T6000, 0840

кПа). Внешнее и внутреннее поровое давление измеряется с по

мощью абсолютных датчиков давления (Data Instruments, AB4, 01375 кПа).

(а) (б)

(в) (г)

Рис. 8.19. Система трехосного сжатия (а), рама и мембраны (б), блок нагружения (в)

и камера давления в сборе (г) (Mandevile et al., 2004)

Глава 8

410

Для измерения внутреннего порового давления используется пьезо

метрическая игла (диаметр 1,8 мм, длина 150 мм), которая вводится

диагонально в образец грунта через один из его углов. Подобная схема

измерения порового давления была реализована ранее А.Л.Крыжановским в

МИСИ (см рис. 8.7). Конец иглы закрыт пористым вкладышем. Дрени

рование образца выполняется с использованием двух дренажных линий,

которые укладываются на верхней и нижней сторонах кубического образца,

предварительно покрытых фильтровальной бумагой. Эти гибкие трубки

имеют прорези для оттока воды из образца при его нагружении и ввода воды

при водонасыщении.

Контрольная панель, показанная на рис. 8.19,а, используется для

управления вручную давлением воздуха в сети питания пневмопривода, а

также обратным давлением в системе. Устройство измерения изменения

объема образца на контрольной панели включает дифференциальные дат

чики давления и бюретки. Дифференциальные датчики давления (Validyne,

Model P305D

могут измерять вес столба воды высотой 50 см) измеряют

изменения в высоте столба воды в процессе дренирования воды из образца

грунта.

Одной из особенностей испытаний с использованием гибких мембран яв

ляется их смыкание на углах. Один из возможных путей решения данной

проблемы был предложен Sture и Desai (1979). В их конструкции мембраны,

сделанные из силиконовой резины, были несколько толще на углах. Кроме

того, для снижения сил трения между грунтом и мембранами на них

наклеивались полоски из тефлона. В этом случае исключается возможность

их взаимного смещения в полость, которая образуется в углах, и уменьшаются

силы трения.

В опытах Sture и Desai (1979) наблюдалась однородная деформация

образца глины. Деформация образца в центре и на границе (24 точки

измерений) была практически одинакова. Форма образца в опытах оставалась

призматической.

В устройстве трехосного сжатия Mandevile and Penumadu (2004) мембрана

имела постоянную толщину, равную 3 мм, на всей поверхности. Для сни

жения сил трения контактная поверхность мембран покрывалась силико

новой смазкой распылением.

Программа для автоматического управления устройством была написана с

использованием пакета Viewdac (Keithley Metrabyte Corporation), последний

имеет ряд структурных компонент, позволяющих решать задачи сбора данных

и управления. Скорость опроса датчиков и процесса контроля составляет не

более 5 мс. Различные фазы трехосных испытаний, такие, как водонасы

щение, консолидация и создание главных нормальных напряжений, полно

стью автоматизированы. Создание и поддержание постоянными заданных

главных напряжений выполняются с использованием алгоритма ПИД