Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания грунта на кручение

421

приборах истинного трехосного сжатия, ни в обычных стабилометрах. Однако

известно, что отложения песчаных грунтов не являются изотропными.

Несферические частицы песка откладываются преимущественно в направ

лении, нормальном к плоскости отложения. В результате механические свой

ства песка становятся анизотропными. При нагружении частицы песка

изменяют свое положение по отношению к направлению созданных на

пряжений. Подобная анизотропия механических свойств проявляется и у

глинистых грунтов, но не только изза отложения их минералов, но и изза

формирования структуры с прочностью связей, зависящей от направления.

Влияние анизотропии, как правило, не учитывается при проектировании,

не только вследствие кажущейся малости ее влияния, но преимущественно

изза отсутствия соответствующих методов исследования. Известны работы

проф. Tatsuoka et al. (1986, 1991, 1997), в которых приведены результаты

исследования анизотропии механических свойств песчаных грунтов. Испы

таниям подвергались образцы, сформированные падением частиц песка на

плоскость, наклоненную различным образом к вертикали. Оказалось, что

более предпочтительны испытания с полыми образцами, когда возможно

изменение наклона главных напряжений путем комбинации осевых и

касательных напряжений (рис. 9.1).

(а) (б)

(в)

Рис. 9.1. Схема нагружения образца (а), компоненты напряжений

(б) и напряженное состояние по Мору (в)

Глава 9

422

Исторический обзор развития метода подобных испытаний приведен в

работе Saada (1988). Примечательно то, что в данной работе имеется ссылка

на статью Г.М. Ломизе (1969), который работал в свое время на кафедре

Механика грунтов, основания и фундаменты» бывшего Московского

инженерностроительного института (ныне – МГСУ).

Несмотря на основное достоинство данного типа испытаний – воз

можность исследовать образцы грунта в условиях истинного трехосного

сжатия с вращением направления осей главных напряжений, им присущ

такой недостаток, как неоднородность напряженнодеформированного

состояния после определенного уровня нагружения.

9.2. Устройства для испытания полых образцов

Размеры образца выбираются исходя из требования обеспечения однород

ности напряжений и деформаций внутри образца при его нагружении. До

полнительно стремятся к минимальному нарушению структуры при

вырезании образца из монолита. Поэтому внешний диаметр принимается

близким к диаметру грунтоноса. Обычно внешний диаметр образца из

монолита доводится до 100 мм с соблюдением требования минимального на

рушения структуры. Внутренний диаметр принимается равным 50–60 мм.

Опыты показывают, что наибольшая неоднородность напряженного

состояния возникает при 45

α= ° для всех значений параметра

, а также при

α=° с

1b =

и 90

α= ° с

0b =

. Неоднородность напряжений обусловлена

также эффектом концевых ограничений образца (Tatsuoka et al., 1986).

В настоящее время стабилометр с кручением выпускают несколько фирм.

На рис. 9.2 показан стенд конструкции фирмы Wykeham Farrance (Англия).

Нагружение полого образца выполняется внешним и внутренним давлением

независимо. Независимо могут быть приложены также осевая нагрузка и

крутящий момент на торце образца. Измеряемыми величинами являются:

осевое усилие, крутящий момент, давление внутри и вне полого цилинд

рического образца, поровое давление для недренированных испытаний и

изменение объема для дренированных испытаний, осевая деформация,

относительное вращение двух сечений вдоль длины образца и изменения во

внешнем и внутреннем радиусах. В некоторых случаях измеряется локальная

деформация на заданной высоте образца. Изменение объема измеряется или

по объему поровой воды, вытесненной из образца в случае полностью

водонасыщенных образцов, или по разности уровней жидкости внутри и вне

образца, или по изменению внутреннего и внешнего диаметров.

Испытания грунта на кручение

423

Рис. 9.2. Стенд для испытаний полых образцов с динамическим нагружением:

а – внешний вид; б – образец грунта (www.wfi.co.uk)

Приборы кручения вполне подходят для исследования механических

свойств грунта в малом диапазоне деформаций (менее 10

–3

) при монотонном,

циклическом или динамическом условии нагружения. Один из таких

приборов (RCTS) был разработан в University of Texas at Austin (Isenhower,

1979; All

еn and Stokoe, 1982; Ni, 1987) и использовался для изучения пове

дения геоматериалов при значениях деформации сдвига от 10

3

до 10

2

напряжении сдвига до 50 кПа.

Основываясь на рассмотренных критериях и используя предыдущие

конструкции различных авторов, в University of Naples (D’Onofrio et al., 1999)

разработали новую конструкцию прибора кручения (рис. 9.3), предназна

ченного для испытания жестких грунтов при малых уровнях деформации как

при упругом, так и неупругом поведении грунта. Для решения этой задачи в

новый прибор была введена электромагнитная система нагружения (рис. 9.4),

которая может создавать крутящий момент более 5 Н⋅м и обладает высокой

разрешающей способностью измерения с точностью не менее 10

3

% от

уровня деформации.

Основные особенности прибора.

1. Внешний цилиндр имеет диаметр 350 мм и высоту 630 мм, толщину

стенок 25 мм, выполнен из сплава алюминия, выдерживает давление воздуха

в 1,5 МПа.

Образец размещается между неподвижным штампом и нагрузочным

штампом, который соединен с системой нагружения.

Может производиться замена верхнего и нижнего штампов с целью ис

пытания образцов различного диаметра (от 35 до 100 мм).

Глава 9

424

Неподвижная часть системы нагружения закреплена на внешней раме,

разделенной на две части с целью изменения высоты в случае модификации

рабочей камеры.

Внутренний цилиндр заполнен жидкостью.

Рис. 9.3. Прибор кручения конструкции

University of Naples (D’Onofrio, 1999):

1 – верхняя плита; 2 – нижняя плита;

3 – стойка; 4 – нижний штамп; 5 – нагру

зочный штамп; 6 – движущаяся часть плиты;

7 – неподвижная часть системы привода; 8 –

опорная рама; 9 – внутренний цилиндр; 10 –

жесткие плиты; 11 – магнит; 12 – внешний

цилиндр; 13 – датчик перемещения LVDT;

14 – проксиметр; 15 – target; 16 – микро

проксиметр; 17 – датчик крутящего момента;

18 – катушка; 19 – образец грунта

Рис. 9.4. Электромагнитная система

нагружения (D’Onofrio, 1999):

1 – движущаяся плита; 2 – датчик

крутящего момента; 3 – поддерживающая

плита; 4 – магнит; 5 – катушка; 6 –

акселерометр

Конструкция прибора имеет следующие достоинства.

Электромагнитная система нагружения расположена внутри камеры,

непосредственно над образцом грунта. Это уменьшает ошибку вследствие

податливости конструкции и позволяет проводить испытания на кручение

при малых уровнях деформации.

Испытания грунта на кручение

425

Простым изменением частоты нагружения можно выполнить стати

ческие или динамические испытания на одном и том же образце, что

позволяет более полно изучить влияние скорости деформации на

механическое поведение грунта.

Учитывая сжимаемость воздуха, многие исследователи относятся скеп

тически или по крайней мере с осторожностью к его использованию для

создания бокового давления. Полагают, что воздух может проникать через рези

новую оболочку внутрь образца, особенно при высоком давлении. Для

устранения данного недостатка Marcuson and Wahls (1972), так же как и Novak

and Kim (1981),

поместили образец в ванну из ртути, которую сегодня не

используют изза высокой токсичности. Afifi (1970) расположил образец в

ванной с водой или силиконовым маслом. Они применили две резиновые

оболочки с силиконовым маслом между ними, однако это позволило только

уменьшить диффузию воздуха внутрь образца, но не исключить ее полностью.

Опыты показывают, что при относительно высоком уровне бокового давления

(

≥0,5 МПа) диффузия воздуха получается значительной в течение 24 часов.

С целью исключения диффузии воздуха было предложено покрывать

резиновую оболочку тонкой фольгой, которую приклеивают клеем. Окон

чательно перед установкой и заполнением внутреннего цилиндра водой, для

дополнительной защиты против проникания воздуха, вторая резиновая

оболочка размещается вокруг образца для защиты клея от окружающей воды.

Следуя этой процедуре, можно проводить испытания мелкозернистых

грунтов в течение двух или трех недель без любого проявления диффузии

воздуха, даже при высоком боковом давлении (1,5 МПа).

Особенностью прибора является также применение электромагнитной

системы для создания усилия кручения с использованием четырех пар

катушек и соответствующих магнитов (см. рис. 9.4). Этот тип системы

нагружения позволяет прикладывать кручение без любых физических

ограничений.

Интенсивность крутящего момента зависит от нескольких факторов:

Длины рычага плиты привода.

Размера и мощности магнитов.

Размера катушки и количества витков проволоки (20 А, 200 витков ди

аметром 1 мм).

Максимума электрического тока, который может быть пропущен через

катушку.

Обеспечение максимального эффекта данной системы нагружения может

быть достигнуто при соблюдении баланса между предъявляемыми требова

ниями и условиями испытания. Без такого баланса результаты испытания

могут быть ошибочными изза излишнего веса плиты привода и любых огра

ничений между фиксированными и свободными частями системы нагру

жения, которые могут быть причиной непредвиденных вертикальных пере

Глава 9

426

мещений образца в процессе испытания. Градуировка усилия при различной

интенсивности электрического тока приведена в работе (Lodde, 1982).

Общая конфигурация различных датчиков, совмещенных с устройствами

контроля и сбора данных под управлением персонального компьютера, схе

матически показана на рис. 9.5. Положение датчиков внутри камеры

приведено на рис. 9.3 и рис. 9.5. Датчики кручения имеют разрешение, равное

0,006

Нм. Ниже этого значения необходимо использовать градуировочную

кривую «момент – напряжение», которая зависит от температуры электромаг

нитов. В этом случае разрешение равно 5⋅10

–5

Н⋅м (касательное напряжение

⋅10

–4

кПа на образце диаметром 36 мм). Так как невозможно найти одно

средство измерения, подходящее для измерения деформации в пределах всего

необходимого интервала (от 10

–5

до 0,5 %), то были использованы два

различных бесконтактных датчика (производитель Bentley Nevada Inc.).

Чувствительность первого (79 V/мм) в десять раз выше чувствительности

второго датчика, а полный диапазон второго, равный 0,2 мм, в десять раз

меньше диапазона (10 мм) первого датчика.

Рис. 9.5. Схема управления прибором кручения (D’Onofrio, 1999):

– осевая деформация;

θ – вращение; θ



– ускорение;

– крутящий момент;

– пи

тание усилителя;

– боковое давление; u – поровое давление;

– объемная деформация;

1 – блок управления датчиками; 2 – датчик давления в рабочей камере; 3 – датчик

порового давления; 4 – датчик изменения объема; 5 – датчик перемещения LVDT; 6 –

усилитель сигналов датчиков и АЦП; 7 – переключатель каналов; 8 – восьмиканальный

осциллограф; 9 – двухканальный осциллограф; 10 – цифровой вольтметр; 11 – генератор

сигналов; 12 – цифровой счетчик

Испытания грунта на кручение

427

Правая сторона рис. 9.5 схематически представляет набор цифровых

преобразователей, включающий в себя:

Полностью программируемый цифровой генератор сигналов, который

совместно с мощным усилителем генерирует усилие кручения в широком

диапазоне амплитуды (от 5⋅10

–4

до 5 Н⋅м), частоты (от 0,1 до 100 Гц, с

минимальным шагом частоты 0,001 Гц) и формы волны, соответственно

требованиям испытания.

Второй генератор сигналов используется для выполнения монотонных

испытаний. Он позволяет прикладывать линейно возрастающий вращающий

момент в течение выбранного интервала времени между 1 мс и 99,9 ч.

Полностью программируемый цифровой вольтметр, который регист

рирует сигнал во времени с датчика давления, датчика перемещения и

акселерометра.

Цифровой счетчик, который записывает частоту сигнала сдвигающей

нагрузки в течение динамических испытаний.

Два осциллографа, которые регистрируют крутящий момент, поровое

давление и осевое перемещение в течение монотонного и циклического

нагружения.

При выполнении диссертационной работы Nishimura (2005) для иссле

дования глинистых грунтов использовал прибор (НСА) для испытания полых

образцов, находящийся в лаборатории Imperial Colledge London (рис. 9.6).

Образец имеет внутренний диаметр 38 мм, внешний диаметр 71 мм и обыч

ную высоту 170190 мм. Система, в которую входит данный прибор,

позволяет проводить испытания по четырем траекториям напряжений. Автор

провел также сравнительные опыты, в которых использовался стабилометр для

испытания образцов грунта диаметром 100 мм и 38 мм при отношении

высоты к диаметру, равном 2. Конструкция прибора НСА была доработана с

целью проведения испытаний методом резонансной колонны, после чего этот

прибор получил наименование «Imperial College Resonant Column Hollow

Cylinder Apparatus (ICRCHCA).

Прибор типа ICRCHCA был разработан на основе прибора НСА,

конструкция которого была предложена проф. V.P. Drnevich и изготовлен Soil

Dynamic Instrument Ltd. (SDI, U.S.A.).

Осциллятор, разработанный проф.

B.O. Hardin (Hardin and Music, 1965),

называется сегодня осциллятором

Хардина. Система управления в этом приборе выполнена раздельно для

статического и динамического нагружения, что позволяет проводить

статические и динамические испытания одновременно или раздельно.

Электропневматические контроллеры производства WatsonSmith были

использованы для контроля внешнего и внутреннего давления в камере,

обратного давления и давления в цилиндре двойного действия. Исключая

цилиндр двойного действия, давление воздуха передавалось на воду через

интерфейс воздух – вода прежде, чем приложить его к образцу. В пневма

Глава 9

428

тическом контроллере применен шаговый двигатель, который получает

дискретные сигналы от компьютера. Минимальный шаг двигателя позволяет

создавать давление 0,06 кПа.

(а) (б)

Рис. 9.6. Схема установки для испытаний полых образцов (Nishimura, 2005):

а – общий вид измерительной системы; б – конструкция прибора для испытания полых

образцов: 1 – датчик перемещения; 2 – скоба; 3 – шаговый двигатель для кручения; 4 –

стойка; 5 – кулачок; 6 – стенка акриловой камеры; 7 – датчики порового давления и

бокового давления в камере; 8 – цилиндр двойного действия; 9 – плунжер; 10 – звездочка

и цепь передачи кручения; 11 – вращательный цилиндр растяжения; 12 – вибратор

Хардина; 13 – бесконтактные датчики; 14 – образец грунта; 15 – датчик силы; 16 –

основание

Крутящий момент создается шаговым двигателем и системой нагружения,

которая расположена выше камеры давления. Вращение шагового двигателя

передавалось через систему редукции. Минимальный контролируемый шаг

вращения около 8,3×10

–5

град. Крутящий момент передается на верхний и

нижний штампы, которые выполнены из бронзы шереховатыми, с дополни

тельными пластинчатыми вкладышами, обеспечивающими большее сцеп

ление с образцом.

Испытания грунта на кручение

429

Рис. 9.7. Общая схема соединений (Nishimura, 2005):

1, 2 – бесконтактные датчики; 3, 15 – к каналам отвода воды; 4 – питание водой;

5 – образец грунта; 6 – уплотнительное кольцо; 7 – кран открытзакрыт; 8, 9 – к пневмати

ческому контроллеру; 10, 18 – к усилителю сигналов и АЦП; 11, 12 – датчики давления;

13, 14 – датчик перемещения; 15, 16 – канал дренирования; W – вода; А – воздух

Цилиндр двойного действия расположен в верхней части силовой рамы и

используется для создания растягивающего или сжимающего усилия.

Нижняя камера цилиндра соединена с ручным регулятором давления и

предназначена для создания противодавления давлению в верхней камере

цилиндра плюс давление веса от рамы и осциллятора. Это давление

поддерживается постоянным в процессе опыта. Отрицательное значение

девиатора достигается снижением давления в верхней камере пневмоци

линдра, в то время как давление в нижней камере увеличивается до тре

буемого значения. Давление в верхней камере и, следовательно, осевая на

грузка контролируются электропневматическим регулятором автоматически.

При использовании цилиндра двойного действия в качестве устройства

осевого нагружения допускается только статическое нагружение ступенями,

что не позволяет провести испытания в режиме разупрочнения грунта. Эта

проблема может быть решена двояким образом. В первом случае применяется

устройство, которое контролирует постоянную скорость деформации путем

нагнетания воды или масла в камеры пневмоцилиндра двойного действия. Во

втором случае – сервопривод (шаговый двигатель и редуктор), который

Глава 9

430

управляется с использованием обратной связи с датчиками давления и

перемещения. Алгоритм управления непрерывным нагружением с заданной

скоростью деформации показан на рис. 9.8.

Константы

Δε

2,0⋅10



3,0⋅10

N1 +2

Δε

1,5⋅10



1,5⋅10

N2 +20

Δε

2,0⋅10



2,0⋅10

N3 +1

Δε

1,5⋅10



1,0⋅10

N4 +20

N5 –3

N6 –25

N7 –1

n 10 N8 –10

Рис. 9.8. Алгоритм управления процессом контроля нагружением

и измерением (Nishimura, 2005)

Вращение верхнего штампа измеряется двумя бесконтактными датчиками

Kaman KD2310 4S,

расположенными на противоположных сторонах образца

грунта, как показано на рис. 9.6, б, 9.7. Эти бесконтактные датчики

перемещения измеряют расстояние между штампом и стороной образца с

учетом изменения полного сопротивления, вызванного вихревым током

Начало

Вычисление текущей де-

формации

осреднением

предыдущих n шагов

Прошло n

шагов?

εΔ−>ε−ε

εΔ>ε−ε

Вычисление целевой

деформации ε

εΔ−>ε



Разгруз-

ка?

Разгруз-

ка?

Разгруз-

ка?

Разгруз-

ка?

N1 шагов

двигателя

N2 шагов

двигателя

N3 шагов

двигателя

N4 шагов

двигателя

N5 шагов

двигателя

N6 шагов

двигателя

N7 шагов

двигателя

N8 шагов

двигателя

εΔ>ε



εΔ>ε



εΔ−>ε



Нет

Да