Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания грунта на кручение

451

образца определяется путем измерения внешнего и внутреннего радиусов и

высоты образца перед его водонасыщением в рабочей камере. Для дости

жения желаемой степени водонасыщения к образцу грунта прикладывается

обратное давление. После водонасыщения (с небольшим или полным

отсутствием изменения объема) образец подвергается всестороннему эффек

тивному давлению заданного значения, при открытой линии дренирования,

до его полной консолидации. Поэтому коррекция начальных размеров

образца должна быть сделана в течение или в конце первичной консолидации

для получения измененной геометрии образца перед стадией сдвига.

Обычно в процессе испытания осевую деформацию измеряют датчиком

перемещения LVDT, а объемную деформацию определяют путем управления

количеством воды, выходящей из образца в течение стадии консолидации,

используя дифференциальные датчики давления и систему бюреток. Если

образец был полностью водонасыщен, количество воды, выходящей из

образца, должно быть равно изменению его объема в течение консолидации.

Поэтому геометрию образца корректируют, используя эти измерения,

предполагая, что образец деформируется однородно в течение стадии

консолидации. В этих опытах радиальные деформации

r и

r измеряются

косвенным образом. В 1986 году Tatsuoka предложил вычислять внутренний и

внешний радиусы как функцию полной объемной и осевой деформации,

используя следующие выражения:

−ε

;

−ε

, (9.17)

где

ε – объемная деформация (положительная при сжатии образца);

–

осевая деформация (положительная при уменьшении высоты).

Корректировка результатов испытаний с учетом натяжения резиновой

оболочки выполняется следующим образом (Lin et al., 2002). Полагая, что

внешняя и внутренняя резиновые оболочки деформируются в виде

правильного цилиндра, вертикальную нагрузку, воспринимаемую оболочкой,

определяют из выражения

mmm

WA=σ; (9.18)

mmz

Eσ= ε, (9.19)

где

– суммарная площадь поперечного сечения обеих резиновых обо

лочек, которая предполагается постоянной;

σ – вертикальное напряжение в

резиновых оболочках;

E – модуль упругости резиновой оболочки;

ε –

осевая деформация резиновых оболочек, которая предполагается равной

осевой деформации образца. Принимая коэффициент Пуассона резиновой

Глава 9

452

оболочки равным 0,5, вертикальное напряжение в оболочке определяют, ис

пользуя решения теории упругости:

11,5

mzz

σ= ε= ε

+ν

. (9.20)

Это выражение совместно с выражением (9.18) используют для кор

ректировки значения осевой нагрузки и затем напряжений.

Предполагая, что мы имеем случай однородного распределения верти

кальных и касательных напряжений поперек поперечного сечения образца,

изменение вертикальных и касательных напряжений вычисляем из

следующих выражений (Lin et al., 2002):

−

Δσ =

;

3( )

2( )

−

Δτ =

π−

, (9.21)

где W – измеренная осевая нагрузка;

W – осевая нагрузка, воспринимаемая

резиновой оболочкой;

– текущее значение поперечного сечения образца;

–

крутящий момент, воспринимаемый мембраной,

2( )

mmomoimi

Trtrt=πτ + , (9.22)

где

r – среднее значение внешнего радиуса резиновой оболочки;

r – сред

нее значение внутреннего радиуса резиновой оболочки;

t – толщина внеш

ней оболочки;

t – толщина внутренней оболочки. В выражении (9.22) значе

ния радиусов принимаются переменными в течение сдвига.

9.3.3. Результаты испытаний

Испытания

с песчаным грунтом, проведенные Oda (1972), Arhtur and

Menzies (1972), Nakata (1998)

и др., показали, что этому виду грунтов присуща

естественная анизотропия, и поэтому деформации сдвига и прочностные

характеристики песка зависят от направления главных напряжений. Испы

тания песчаных грунтов в условиях недренированного сдвига с контролем

деформации (непрерывное нагружение) свидетельствуют о возникновении

эффекта разупрочнения.

Возможные траектории напряжений образцов полых образцов грунта по

казаны на рис. 9.24, а, б. Эти испытания были проведены с целью опреде

ления эффекта влияния направления наибольшего главного напряжения на

недренированные параметры прочности рыхлого песка (e

min

=0,635,

max

=0,973). На рис. 9.25 приведены результаты недренированных испытаний

(Symes, 1985),

которые были выполнены с приращением угловой дефор

мации сдвига

0,1 /

минdθ= °

при постоянном среднем напряжении 100 кПа,

параметре

0,5b =

и различных значениях угла

Испытания грунта на кручение

453

На рис. 9.24 значение

′

кПа соответствует вакуумному давлению,

которое создавалось для сохранения формы образца при подготовке прибора

к ипытаниям. Образец грунта первоначально был подвержен сдвигу по тра

ектории АС (рис. 9.24, а), затем анизотропно консолидирован по траектории

СD при постоянном отношении напряжений

qp. После этого направление

главного напряжения

изменялось от 0 до 135

при постоянных девиатор

ном напряжении, полном среднем главном напряжении 100 кПа и

0,5b =

(а)

(б)

Рис. 9.24. Траектории напряжений:

а – в p–qпространстве; б – в девиаторной плоскости (Symes, 1985)

Глава 9

454

Выполненные исследования показали, что напряженнодеформирован

ное состояние песка зависит от его начальной плотности (D

%) и величины

отклонения наибольшего главного напряжения

α ; чем больше этот угол, тем

более выражен эффект разупрочнения песка при сдвиге.

Из рис. 9.25 видно влияние вращения наибольшего главного напряжения

σ (угол

α ) на деформационные и прочностные свойства исследуемого пес

чаного грунта. Прочность песка уменьшается по мере роста угла отклонения

;

наименьшее значение прочности имеет место в интервале

= 60–90°.

то же время значения модуля сдвига, которые можно найти по начальному

участку зависимости «девиатор напряжения – деформация сдвига», почти

одинаковы, так как все кривые до девиатора 50 кПа практически совпадают

друг с другом. Следовательно, параметры деформируемости при упругом

поведении песка в меньшей степени зависят от вращения главных

напряжений.

Рис. 9.25. Влияние вращения наибольшего главного напряжения

на прочность песка (Symes, 1985)

Количество траекторий нагружения, которые могут быть реализованы

путем комбинации осевой и касательной нагрузки, практически не

ограничено. На рис. 9.26, а, б показаны эффективные траектории на

пряжений и кривые зависимости «напряжение – деформация» для песка,

подверженного фиксированному отношению касательных и нормальных

напряжений в опытах на кручение. Из рис. 9.26, б видно значительное

влияние траекторий нагружения на прочность песка и меньшее – на его

деформируемость.

Испытания грунта на кручение

455

(а)

(б)

Рис. 9.26. Траектории нагружения (а) и нормализованные (б) кривые «девиатор

напряжения – деформация сдвига» анизотропного песка (Symes, 1985)

456

Глава 10. ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА В УСЛОВИЯХ

ПЛОСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

10.1. Общие положения

В большинстве исследовательских лабораторий и, можно сказать, во всех

практических геотехнических лабораториях проводятся испытания с исполь

зованием стабилометров для определения прочностных и деформационных

свойств грунтов. Как было показано в главе 7, испытания выполняются со

сплошными цилиндрическими образцами грунта в условиях осесимметрич

ной деформации. Однако в реальных основаниях зданий и сооружений имеет

место случай их нагружения в условиях плоской деформации.

В условиях плоской деформации находятся основания многих конст

рукций, таких, как подпорные стены, тоннели, ленточные фундаменты,

земляные насыпи, дамбы и откосы грунта (см. табл. 1.3); отсутствие возмож

ности деформации в направлении, перпендикулярном сечению данных

конструкций, приводит к иному характеру напряженнодеформированного

состояния по сравнению с характером напряженнодеформированного

состояния в условиях осесимметричной и трехмерной деформации.

Испытания в условиях плоской деформации выполняются с приз

матическими образцами различных размеров. Эти испытания можно провести в

приборе истинного трехосного сжатия при неподвижном закреплении двух

нагрузочных штампов. Нагружение образцов выполняется при сохранении

следующих условий:

132

,0;ε≠ε ε=

123

σ≠σ≠σ. Испытания в условиях плоской

деформации и в условиях осесимметричной деформации показывают как

качественное, так и количественное различие напряженнодеформированного

состояния исследуемых образцов грунта. В условиях плоской деформации более

явно выражены пик прочности и последующее разупрочнение грунта при

продолжающейся деформации. Различия возрастают с ростом плотности и

всестороннего давления (Lee, 1970; Marachi et al., 1981; Зарецкий Ю.К. и др.,

1981; Peters et al., 1988).

Условия плоской деформации способствуют в большей

степени возникновению явления локализации деформаций, по сравнению с

подобными испытаниями в условиях осесимметричной деформации (Peric et al.,

1992; Desrues, 1998; Alshibli et al., 2003).

В стандартных приборах плоской деформации прямоугольные образцы

грунта находятся внутри резиновой оболочки, и их деформация ограничена

по направлению промежуточного главного напряжения

σ путем исполь

зования двух пар жестких плит с антифрикционным покрытием. Наименьшее

главное напряжение

σ создается воздухом, водой или вакуумом, а наиболь

шее главное напряжение

σ прикладывается через жесткий верхний штамп.

Испытания в условиях плоской деформации

457

Нижний штамп может быть подвижным или неподвижным, в зависимости от

конструкции устройства. Как и в стабилометре, в этом приборе невозможно

провести испытания с непрерывным вращением главных напряжений. Arthur

et al. (1977)

разработали другой тип прибора плоской деформации, названный

камерой направленного сдвига. В этом приборе применены жесткие штампы

с антифрикционным покрытием по направлению оси напряжения

σ и

гибкие мембраны по направлению осей главных напряжений

σ и

σ , что

обеспечивает непрерывное вращение направления главных напряжений на

любой стадии деформации. Позднее Arthur et al. (1985) разработали другой

тип прибора плоской деформации, названный двухосевым тестером. В этом

приборе исключено наложение мембран друг на друга по осям

Известные типы приборов плоской деформации отличаются друг от друга

размером образца, условиями нагружения (контроль напряжений или

контроль деформации), граничными условиями между штампами и образцом

грунта и в меньшей степени методами подготовки образцов и их размещения

в приборе. Основное различие заключается в использовании жестких штам

пов или гибких мембран для создания давления на образец грунта. Нагру

жение как жесткими, так и гибкими штампами приводит к возникновению

неоднородности деформации внутри образца. Введение антифрикционного

покрытия на поверхности жестких штампов в виде силиконовой смазки или

тефлона не приводит к полному исключению неоднородности деформации, а

только уменьшает степень ее развития. Точно также с использованием гибких

гидравлических подушек возникает неоднородность деформации, что может

быть причиной неравномерной деформации самой подушки.

Различные типы нагрузочных штампов (несмазанные жесткие стальные

плиты, смазанные жесткие стальные плиты, плиты со стальными щетками,

гибкие мембраны или гидравлические подушки) дают различный эффект

трения на границе между образцом и штампами (Gerstle et al., 1976). Согласно

исследованиям Gerstle и соавторов во всех случаях обязательным является

выполнение следующих двух условий: обеспечение нормальности граничных

ограничений в направлении приложенной нагрузки и касательных ограни

чений в плоскости границы. Условие нормальности на границе хорошо

выполняется в случае использования жестких штампов, так как они позво

ляют создавать равные нормальные перемещения по всей границе, но в

результате получаем переменные нормальные (контактные) напряжения на

этой же границе. Гибкие подушки создают равное нормальное напряжение

(

давление) на образце, но с переменными перемещениями на этой же

границе. Для исключения касательных ограничений на границе лучше

использовать гибкие подушки, так как изза их гибкости касательные

напряжения на границе равны нулю, в то время как жестки плиты без смазки

не снимают полностью касательные напряжения, так как изза трения огра

ничено свободное перемещение по плоскости границы. Опыты показывают

Глава 10

458

(Bobet, 2001),

что испытания с использованием жестких штампов как в усло

виях плоской деформации, так и в условиях истинного трехосного сжатия

дают завышенные значения прочности материала до 75%, в то время как

испытания с применением гибких штампов, таких, как щетки и гидравли

ческие подушки, дают более точные результаты.

Таблица 10.1

Устройства для испытания в условиях плоской деформации

и их особенности (Alshibli et al., 2004)

Лаборатории

Размер образца

(ширина × длина ×

высота), мм

Граничные условия

на поверхности

контакта

Боковое пере

мещение верхнего

и нижнего

штампов

Ссылка

Univ. of

Cambridge, UK

70×130×70

130×70×130

Жесткая во всех

направлениях

Отсутствует Hambly

(1969)

Univ. of

Karlsrue,

Germany

34×80×140

50×45×133

Жесткая в направ

лении

Не ограничено

нижнее

Vardoula

kis et al.

(1978)

Лаборатория

3SIMG,

Grenoble,

France

100×100×100

70×100×130

35×75×340

Жесткая во всех

направлениях

Жесткая в направ

лении

σ и

Отсутствует Desrues et

al. (1975)

Univ. of

Minnesota, USA

40×80×140

Жесткая в направ

лении

σ и

Не ограничено

нижнее

Drescher et

al. (1990)

Northwestern

Univ., USA

40×80×140

Жесткая в

направлении

σ и

Не ограничено

нижнее

Finno et al.

(1997)

Univ. of Tokyo,

Japan

40×80×105

Жесткая в направ

лении

σ и

Отсутствует Tatsuoka et

al. (1986)

Univ. of

Louisiana, USA

60×120×180

Жесткая в направ

лении

σ и

Не ограничено

нижнее

Alshibli et

al. (2004)

Univ. College

London

100×100×100

Гибкая в направ

лении

σ и

Отсутствует Ogubekun

(1988)

10.2. Устройства, используемые для испытаний образцов

грунта в условиях плоской деформации

За последние 20 лет проведено достаточно много исследований напря

женнодеформированного поведения грунта в условиях плоской деформации.

В табл. 10.1 представлено обобщение некоторых типов устройств для

испытания образцов грунта в условиях плоской деформации, приведенное в

работе Alshibli et al. (2004). В большинстве случаев для этой цели исполь

зуются специально сконструированные приборы. Одной из подобных

конструкций является устройство, предложенное Vardoulakis and A. Drescher

Испытания в условиях плоской деформации

459

(1978).

Общий вид устройства плоской деформации и схема нагружения

показаны на рис. 10.1, а, б.

Призматический образец грунта, размещенный внутри цилиндрической

камеры давления, находится в резиновой оболочке между двумя неподвиж

ными стенками из оргстекла (см. рис. 10.1, а,в). Образец имеет высоту 14 см и

основание 4×8 см. Осевая нагрузка прикладывается через верхний штамп и

измеряется датчиком силы. Нижний штамп имеет возможность горизон

тального перемещения, что сделано с целью исследования возможной моды

деформации образца при смещении одной из его границ. Наблюдаемая

деформация образца с модой в виде локализации деформаций в пределах

узкой полосы показана на рис. 10.1, г. Деформация образца измеряется в семи

точках (см.рис. 10.1, б) с помощью бесконтактных датчиков. Поровое давле

ние измеряется в нижней части образца. Этот прибор был сконструирован с

целью исследования возникновения локализации деформаций проявля

ющейся при больших деформациях (ε

>10 %). В боковых несмещаемых стен

ках прибора находятся датчики давления для измерения бокового напря

жения

. Особенностью данной конструкции является введение возмож

ности скольжения нижней опоры образца в горизонтальном направлении.

В работе Yasin et al. (1999) приводятся описание и результаты испытания

песчаного грунта с использованием двух типов приборов плоской дефор

мации (рис. 10.2, 10.3), конструкция которых более подробно рассмотрена в

работе Park and Tatsuoka (1994). Это приборы со смешанными границами,

включая жесткие

σ и

σ с антифрикционным покрытием границы и гибкую

σ границу в виде силиконовой мембраны. Одна из двух границ

,σ

ограничивающих плоскости, выполнена из стали, а вторая – из акрила.

Верхний штамп и основание под образец грунта сделаны из алюминия с

полированными стальными плитами на концах. В качестве антифрик

ционного покрытия используется слой латексной резины толщиной 0,3 мм,

покрытый силиконовой смазкой. Размер образца 80×160×200 мм. Осевая

деформация измеряется внешним датчиком, а горизонтальная деформация

как среднее значение из четырех – бесконтактными датчиками перемещения.

Вертикальная нагрузка измеряется внутренним датчиком силы, что позволяет

не учитывать трение в плунжере. Нагрузка в направлении оси

σ измеряется

другим датчиком силы, который закреплен в ограничивающей стальной

плите. Трение, возникающее на вертикальных ограничивающих стенках,

измеряется двумя датчиками силы, встроенными в эти стенки. Девиатор

напряжения корректируется с учетом полученных значений сил трения.

Величина коррекции не превышает 2 % от измеренного девиатора при пике

напряжений.

Глава 10

460

(а)

(б)

(в)

(г)

Рис. 10.1. Прибор плоской деформации конструкции

(Drescher and Vardoulakis, 1990)