Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях плоской деформации

471

Рис. 10.13. Прибор плоской деформации с гибкими границами

(Harder and Schwedes, 1985)

Рис. 10.14. Прибор плоской деформации с жесткими границами

(Harder and Schwedes, 1985)

На рис. 10.15 показан прибор плоской деформации, используемый в гео

технической лаборатории технологического университета в г. Дельфт (Нидер

ланды).

Глава 10

472

Рис. 10.15. Прибор плоской деформации

(Delft University of Technology. Geotechnical Laboratory. The Netherlands)

10.4. Результаты испытаний

При проведении испытаний в приборах плоской деформации образцы

глинистого грунта вырезают из монолита заданных размеров, затем их

вставляют в резиновую оболочку, используя специальную форму, в то время

как песчаные образцы подготавливают методом отсыпки с заданной высоты,

применяя другую форму. Процедура подготовки образцов в приборе

конструкции Alshibli et al., 2004 (см. рис. 10.4) начинается с натяжения

резиновой оболочки вокруг нижней плиты и резинового кольца вокруг нее и

нижней плите (рис. 10.16, а). Далее четыре боковые стенки формы

прикрепляются к нижней плите и друг к другу. На поверхности боковых

стенок в местах соединения введены резиновые жгуты для обеспечения

герметичности. В центре каждой стенки имеется отверстие для создания

разряжения с целью натяжения резиновой оболочки. После натяжения

резиновая оболочка заворачивается поверх стенок и прижимается рамкой

(

рис. 10.16, б). После подключения вакуума она прижимается к стенкам и

принимает форму призмы, после чего туда помещается образец грунта. На

образец устанавливается нагрузочный штамп, на него также натягивается

Испытания в условиях плоской деформации

473

резиновая оболочка. Далее вакуум отключается от стенок и подключается к

каналу, который соединен с внутренним объемом образца грунта, и форма

разбирается. После сборки камеры давления она заполняется водой, созда

ется требуемое боковое давление, канал вакуума отключается и подключается

к линии порового давления.

(а) (б)

Рис. 10.16. Форма для подготовки образца (Alshibli et al., 2004):

а – частично собранная; б – полностью собранная

Опыты с песчаным грунтом показывают возникновение неоднородности

деформации на стадии упрочнения перед пиком напряжения. Однако полосы

сдвига становятся отчетливо видимыми на поверхности образца только после

пика напряжения, на стадии разупрочнения, в момент, когда объемная

деформация изменяется от дилатантного поведения к условиям отсутствия

изменения объема. При больших осевых деформациях нижняя опорная плита

смещается, что приводит к большему пиковому углу внутреннего трения и

большему значению остаточного угла трения.

На рис. 10.17 приведены результаты испытания песчаного образца

размерами 57 мм (ширина) × 121 мм (длина) × 180 мм (высота) в приборе

плоской деформации конструкции Alshibli et al. (2004). Боковое давление

()σ

было постоянным и равным 30 кПа, в то время как осевая нагрузка возрастала

с постоянной скоростью перемещения 1 мм/мин.

Глава 10

474

(а)

(б)

Рис. 10.17. Результаты испытания песка (Alshibli et al., 2004):

1 – начало неоднородной деформации; 2 – начало видимой полосы сдвига

В опытах при относительной плотности песка 75 % допускалось

свободное горизонтальное перемещение нижнего штампа. Пиковая нагрузка

была получена при осевом перемещении около 2,8 мм, после чего в опытах

наблюдалось разупрочнение песка. Остаточное значение прочности соот

ветствует 4,7 мм осевого перемещения (рис. 10.17, а). Образец незначительно

сжимается на начальной стадии нагружения, а затем непрерывно расши

ряется до осевого перемещения 3,2 мм, после чего скорость расширения

постепенно уменьшается практически до нуля. Измерения горизонтальных

перемещений (рис. 10.17, б) показывают на их незначительное возрастание до

момента изменения знака объемной деформации от сжатия к расширению

(

до осевой деформации 0,5 мм). При этом до осевой деформации 1,35 мм

Испытания в условиях плоской деформации

475

показания всех трех датчиков горизонтальных перемещений одинаковы,

после чего начинается неоднородная деформация образца. Видимая локали

зация деформаций наблюдается при осевой деформации 3,5 мм в режиме

разупрочнения песка после пика напряжений. Этому моменту соответствует

изменение объемной деформации от расширения к постоянному значению. В

то же время неоднородность деформации возникает в режиме упрочнения

песка перед пиком напряжений. Проявляющееся смещение нижнего штампа

в горизонтальном направлении, если его сравнивать с неподвижным

штампом при больших значениях осевого перемещения, приводит к большим

значениям как пиковой, так и остаточной прочности песка.

На рис. 10.18, а показана зависимость между нормализованными напря

жениями

′

объемной деформацией

13v

ε=ε+ε

и осевой деформацией

полученные из испытаний в приборе плоской деформации со смешанными

границами (

– жесткая,

– гибкая). На рис. 10.18, б приведены подобные

графики, но испытания были проведены в приборе со всеми гибкими

границами (Yasin et al., 1999). Конструкция приборов была описана ранее.

Во втором приборе нагружение было прекращено на пике напряжений,

так как эти испытания были проведены с контролем напряжений. Для обоих

типов испытаний осевые напряжения определялись в средней части высоты

каждого образца с учетом изменения площади поперечного сечения. В

первом приборе при вычислении осевого напряжения после пика напря

жений в режиме разупрочнения поперечное сечение образца было постоян

ным изза постпиковой локализации деформаций в виде полосы сдвига и

равным сечению в пиковом состоянии. Влияние сил натяжения резиновой

оболочки на измеренные значения напряжений (метод учета описан в работе

Tatsuoka et al., 1986)

было незначительным и не учитывалось при обработке

результатов обоих типов опытов. В то же время исследования, выполненные

Tatsuoka and Shibuya (1991)

и Tatsuoka and Kohata (1995), показывают, что на

измеряемые значения осевой деформации оказывает влияние ряд факторов,

таких, как ошибка вследствие внедрения частиц в резиновую оболочку и в

слой смазки, а также податливость конструкции прибора. Эти эффекты

оказывают очень существенное влияние на напряженнодеформированное

состояние образцов при малых деформациях, в особенности при испытании

крупнозернистого песка с неокатанными частицами.

Из сравнения рис. 10.18, а, б видно, что напряженнодеформированное

поведение одного и того же песка, испытываемого в первом и втором

приборах, имеет различия. Пиковая прочность и жесткость (касательный

модуль деформации) песка оказались больше при испытании во втором

приборе образцов с гибкими границами. Осевая деформация на пике

прочности значительно меньше также при нагружении образца с гибкими

границами. Наблюдаемая дилатансия также различна в двух типах приборов

плоской деформации.

Глава 10

476

(а)

(б)

Рис. 10.18. Зависимость между нормализованным напряжением

и осевой деформацией (Yasin et al., 1999)

Данные опыты показывают, что, для того чтобы результаты испытаний,

полученные в других лабораториях процедуры испытаний должны быть при

ведены более детально.

477

Глава 11. ИСПЫТАНИЯ С ЦЕЛЬЮ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОВЕДЕНИЯ ГРУНТА НА ГРАНИЦЕ

«ГРУНТ – КОНСТРУКЦИЯ»

При проектировании конструкций, заглубленных в грунт, на их поверх

ности контакта с окружающим грунтом возникают нормальные и касатель

ные напряжения, связанные соответствующим образом с деформациями. К

подобным конструкциям относятся сваи и оболочки, подпорные стены и

анкера. Трение, возникающее на их поверхности, при перемещении образца

материала конструкции или образца грунта относительно конструкции при

водит к отклонению осей реактивных давлений от нормали к поверхности

конструкции. Коэффициент трения определяется экспериментально при

испытании натурных конструкций в полевых условиях или в лаборатории

путем смещения материала конструкции относительно грунта (или наоборот)

при заданном нормальном давлении. При расчете подобных конструкций

численными методами используются интерфейсные конечные элементы,

которые вводятся на границе между конструкцией и грунтом. Работа подоб

ного конечного элемента определяется видом зависимости между касатель

ным напряжением и деформацией сдвига (Goodman et al., 1968).

За рубежом первые работы по определению коэффициента трения между

грунтом и материалом конструкции в лаборатории с применением прибора

прямого среза были выполнены Potyondy (1961). Применительно к сваям и

анкерам обзор исследований приведен в работе Wernick (1978, а). Иссле

дования взаимодействия между грунтом и бетоном были выполнены Clough

and Duncan (1971),

между грунтом и анкером – Wernick (1978, б), между

грунтом и геотекстилем – Guilloux et al. (1979). Они провели испытания в

приборе прямого среза, в котором образец бетона занимал половину нижней

части кольца срезной коробки. Испытания выполнялись с нагружением

вертикальным давлением до заданного значения и последующим сдвигом до

максимального перемещения в 12,5 мм.

В 2004 году Corfdir et al. использовали конструкцию устройства для

исследования взаимодействия грунта с материалом конструкции, которое

обладает более расширенными возможностями по сравнению с устройством

ранее применявшимся для этой же цели. Последнее устройство, позволяющее

выполнять испытания водонасыщенных грунтов с измерением порового

давления, было разработано в 1993 году.

Согласно классификации, предложенной Corfdir et al. (2004), существует две

группы устройств для исследования взаимодействия грунта и материала кон

струкции. В первой группе или конструкция смещается относительно грунта,

Глава 11

478

или грунт смещается относительно конструкции с обеих сторон, а во второй –

грунт и конструкция смещаются относительно друг друга (табл. 11.1).

Таблица 11.1

Классификация методов испытания (Corfdir et al., 2004)

Вид интерфейса Движение перемещением Движение вращением

Многосторонний/

двухсторонний

интерфейс

Осевая симметрия напряжений

Одномерная деформация

Сдвиг материала или грунта

Вращение включения

Односторонний

интерфейс

Прибор плоской деформации

Прибор прямого среза

Прибор простого сдвига

Кольцевой срез

Кольцевой чистый срез

Цилиндрический срез

Все устройства, в которых материал конструкции находится внутри

грунта, подразделяются на два типа: с цилиндрической поверхностью и с

плоской поверхностью. В первом случае движение конструкции выполняется

почти всегда путем её перемещения относительно неподвижного грунта. В то

же время в работе Chen et al. (1993) приведены результаты испытаний с

вращением цилиндра из бетона в песке.

Исследования поведения грунта на границе «грунт – конструкция»

479

Устройства с осевой симметрией. Большинство устройств, которые были

разработаны с целью определения механических свойств интерфейса между

грунтом и цилиндрическими образцами материала (бетон, сталь) конструк

ции. Вначале они были разработаны на основе конструкции стабилометра,

т.е. для проведения испытаний в условиях осесимметричной деформации

(Coyle and Sulaiman 1967).

Не так давно De Gennaro et al. (1999) применили

гильзу для измерения сил трения, в то время как Reddy et al. (1998)

разработали прибор, в котором модель сваи выдергивается из грунта.

Недостатком данных устройств является то, что нормальные напряжения на

поверхности интерфейса не известны.

Устройства с плоским интерфейсом главным образом предназначены для

изучения взаимодействия геотекстиля, геомембран и георешеток с грунтом.

Delmas et al. (1989)

использовали срезной прибор с кареткой большого

размера (250×400 мм), который позволяет проводить испытания на срез или

выдергивание. Подобное устройство было применено Palmеira and Milligan

(1989),

но с введением одной прозрачной стенки для наблюдения за

перемещением марок.

Испытания в условиях прямого среза имеют два главных преимущества:

возможность использования стандартных приборов и простота выполнения как

испытаний, так и подготовки образцов и связи с этим наиболее часто проводятся

на практике.

Устройства с односторонним интерфейсом. В этих устройствах грунт

взаимодействует с материалом конструкции только с одной ее стороны. Как

правило, испытания проводятся в приборах прямого или кольцевого среза, а

также в приборах простого сдвига (рис. 11.1). Тем не менее, как исключение,

Gudehus and Tejchman (1988)

применили для этой цели устройство плоской

деформации. Fakharina and Evgin (1996) показали, что действительное

перемещение смещаемого материала бетона относительно частиц грунта (см.

рис. 11.1)

actual

не может быть прямо измерено в испытаниях на срез. При

определении перемещения

meas

Δ между образцом грунта и образцом бетона

измеряют перемещение скольжения на интерфейсе (граница между

образцами) и деформацию

dis

Δ массы образца песка, вызванную его разру

шением от приложенного касательного напряжения.

Модифицированные приборы прямого среза. Изменение конструкции

приборов прямого среза связано в основном с увеличением размеров образца

и изменением граничных условий для испытаний геотекстиля и георешеток.

Размеры изменялись от 6х6 см (Potyondi, 1961) до 1,5×0,6 м. Модификация в

конструкции направлена на устранение наклона верхней каретки при

больших деформациях сдвига (Wernick, 1979; Jewell, 1989). С целью создания

более однородного напряженного состояния жесткая плита была заменена

гибкой гидравлической подушкой для создания нормального давления

Глава 11

480

(Nakamura et al., 1999).

В конструкции Fakharina and Evgin (1996) интерфейс

имеет возможность перемещаться в любом направлении плоскости среза.

Модифицированные приборы простого сдвига. Приборы простого сдвига в

последнее время часто используются для исследования поведения песчаного

и глинистого грунта на стальной или бетонной границе. Одним из главных

преимуществ этих приборов является возможность раздельного измерения

полного перемещения границы

meas

Δ и перемещения, вызванного разру

шением грунта

dis

Δ , как показано на рис. 11.1, б. Исследования показывают

существенное влияние деформации самого образца грунта на величину

горизонтальной деформации.

(а) (б)

Рис. 11.1. Схема испытания в условиях прямого среза (а) и простого сдвига (б)

Приборы простого сдвига могут быть подразделены на три типа. В первом

типе, известном как “NGI” (Норвежский институт геотехники), используют

резиновую мембрану, усиленную проволокой (Kjellman, 1951, см. рис. 6.35);

во втором типе (к данному относится прибор конструкции университета

Cambridge) –

жесткие шарнирно соединенные в углах штампы (Roskoe, 1953,

см. рис. 6.28). Позднее он был изменен введением мембран (Budhu, 1988) –

третий тип. Первый тип был модифицирован для изучения интерфейса

грунт – бетон (Goh and Donald, 1984), третий тип – для изучения интерфейса

грунт – сталь (Uesugi and Kishida, 1986).