Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях одноосного сжатия

511

алов. Вязкопластичное деформирование сопровождается образованием

бочкообразной моды деформации образца (3а на рис. 13.12). Переход от

хрупкоупругого поведения к вязкопластичному поведению возникает при

увеличении давления, температуры или порового давления. Для большинства

скальных пород этот переход происходит при давлениях и температурах, не

характерных для реальных конструкций и условий. Однако для некоторых

глинистых сланцев, известняков (мел) и каменной соли, поташа, гипса и др.,

залегающих вблизи поверхности, также характерно вязкопластичное пове

дение даже при обычной температуре.

Прочность скальных пород определяется путем испытания образцов в

лабораторных условиях. Прочность сильно зависит от напряженного состо

яния породы в естественных условиях. Прочность на сжатие скальных пород,

как и грунтов, значительно выше их прочности на растяжение.

Используются в основном два типа испытаний скальных пород на сжатие:

• одноосное сжатие – цилиндрический образец нагружается осевым

усилием до тех пор, пока он не разрушится (рис. 13.14, а);

• трехосное сжатие – цилиндрический образец помещается в камеру, к

его боковой поверхности через резиновую оболочку прикладывается

всестороннее давление, создаваемое давлением масла, а затем выполняется

осевое нагружение до разрушения (рис. 13.14, б).

(а) (б)

(г) (д)

Рис. 13.14. Схемы испытаний образцов скальных пород:

а – одноосное сжатие; б – трехосное сжатие; в – прямое растяжение; г – раскалывание;

д – изгиб

(в)

Глава 13

512

Для определения прочности на растяжение

используются следующие методы:

• прямое растяжение – цилиндрический

образец через специальные захваты на торцах

подвергается осевому растяжению (рис. 13.14, в);

• бразильский метод – относительно тонкий

диск нагружается усилием поперек диаметра до

раскалывания (рис. 13.14, г);

• испытания на изгиб – призматическая ба

лочка нагружается вертикально в трех или четырех

точках по ее длине (рис. 13.14, д).

На рис. 13.15 показана камера трехосного дав

ления, которая является разновидностью камер

трехосного сжатия и может быть применена с

нагружающим устройством в виде обычного

гидравлического домкрата. Это делает ее удобной

для полевых испытаний. Всестороннее давление

прикладывается радиально через тонкую мемб

рану. Осевое давление создается на торцах с

помощью штампов.

Все перечисленные методы применяются для

определения свойств нетрещиноватых скальных

пород, поведение которых в реальных породах

определяется существующими разрывами, осо

бенно это касается пород, залегающих вблизи

дневной поверхности.

В стандартных испытаниях на прочность

образцов скальной породы осевые напряжения

постепенно возрастают до разрушения образца.

Скальные породы также могут деформироваться

при постоянном уровне напряжений; этот

процесс деформации называется ползучестью.

Ползучесть зависит от времени при постоянном

напряжении (рис. 13.16).

Стандартные испытания показывают, что

деформации возрастают пропорционально прило

женному напряжению до пиковой прочности, при

которой образец скальной породы разрушается. В

испытаниях на ползучесть (стрелочки на

рис. 13.16) напряжения увеличиваются быстро и

сохраняются постоянными. Образец дефор

мируется до разрушения. Деформация, соответ

ствующая пиковой прочности, обычно меньше

деформации при ползучести.

Рис. 13.15. Камера трехосного

сжатия высокого давления:

1 – сферическая поверхность

штампа; 2 – зазор; 3 – верх

нее опорное кольцо; 4 – об

разец; 5 – канал подачи мас

ла; 6 – датчики деформации;

7 – резиновая оболочка

Рис. 13.16. Упругие деформации

и деформации ползучести:

А,В,С – упругое дефор

мирование; D – пик прочности;

Е – длительная прочность

Испытания в условиях одноосного сжатия

513

Кривая зависимости «деформация – время» для испытаний на ползучесть

имеет характерные участки (рис. 13.17). В начале, когда приложена мгно

венная нагрузка, возникает упругая деформация. В дальнейший период вре

мени скорость деформации снижается. Этот период называется первичной

ползучестью. Эта стадия переходит в медленную деформацию и называется

вторичной (установившейся) стадией ползучести. В конце этой стадии

деформация резко возрастает, и материал разрушается – прогрессирующая

ползучесть. Ползучесть в скальных породах связана с распространением тре

щин. В течение первой фазы ползучести материал приспосабливается к при

ложенному напряжению, и трещины распространяются медленно почти с по

стоянной скоростью, достигая устойчивого состояния. В течение установив

шейся второй стадии ползучести наблюдаются рост новых трещин и рас

крытие старых, в третьей стадии неконтролируемый рост трещин приводит к

разрушению материала.

Рис. 13.17. Стадии деформации ползучести

13.4.1. Методика обработки результатов испытаний

Несмотря на то что одноосные испытания скальных пород, как и связных

грунтов просты и не требуют больших затрат времени, имеется ряд факторов,

существенно влияющих на их результаты. Главные из них: форма образцов,

скорость приложения нагрузки, материал, из которого сделаны контак

тирующие с образцом плиты, и их форма, жесткость испытательной машины,

температура и влажность.

Международное общество по механике скальных пород рекомендует

проводить одноосные испытания с соблюдением следующих правил:

а) допуски в размерах цилиндрических образцов:

–

обработка поверхности торцов образцов должна производиться с

точностью не менее 0,02 мм;

Глава 13

514

–

торцы образца должны быть перпендикулярны его оси с откло

нением 0,001 рад;

–

боковые поверхности образца должны быть гладкими, без резких вы

ступов и прямолинейными, допустимое отклонение 0,3 мм на всю его высоту.

б) отношение высоты к диаметру образца H/D = 2,5 – 3,0.

в) форма образца – цилиндрическая, диаметром не меньше диаметра

керна колонкового бурения (около 54 мм).

г) скорость нагружения в пределах от 0,5 до 1,0 МПа/с.

д) окружающие условия: подготовленные образцы выдерживаются до

начала испытания в воздушной среде при температуре (+20 ± 2) °С и влаж

ности 50 %.

Процедура испытаний

Процедуры испытаний скальных пород и связных грунтов подобны, но

есть небольшие различия.

При определении деформационных свойств максимальная нагрузка на

образец не должна быть более 0,6R , в том случае, если до данной нагрузки

диаграмма деформирования имеет линейный участок. На данном участке

определяется модуль общей деформации.

При определении модуля упругости выполняется разгрузка образца от

максимальной величины, равной 0,6R (рис. 13.18, а). В некоторых случаях

выполняется несколько циклов «нагрузка – разгрузка» для определения

модуля упругости (рис. 13.18, б).

(а) (б)

Рис. 13.18. Диаграммы результатов испытаний:

а – по методу одного цикла; б – по методу трех циклов; 1 – ветвь нагрузки;

2 – ветвь разгрузки; I и II – циклы нагрузки и разгрузки; III – цикл нагрузки

Испытания в условиях одноосного сжатия

515

Определение модуля общей деформации

Модуль общей деформации может быть определен с использованием трех

способов, которые показаны на рис. 13.19, согласно выражению:

Δσ

Δε

, (13.7)

где Δσ и Δε – приращения соответственно вертикального напряжения и

вертикальной полной деформации при выбранном способе определения

модуля общей деформации.

Касательный модуль деформации

Е определяется как тангенс угла наклона

прямой (рис. 13.19, а), проведенной через выбранное значение вертикального

напряжения, составляющее 30–50 % от значения предельной прочности.

В том случае, если кривая деформирования имеет явно выраженный ли

нейный участок (рис. 13.19, б), модуль деформации определяется как тангенс

угла наклона прямой, совпадающей с данным участком.

Секущий модуль деформации

используется в том случае, если начальный учас

ток кривой деформирования имеет явно выраженный нелинейный характер.

(а) (б)

(в)

Рис. 13.19. Определение упругих

модулей:

а – касательный модуль, определенный

на уровне напряжений в процентах от

предельной прочности; б – осредненный

модуль на линейном участке; в – секу

щий модуль, определенный на уровне

напряжений в процентах от предельной

прочности

Глава 13

516

Определение модуля упругости

Величина модуля упругости определяется согласно выражению (13.7), но

в знаменателе используется величина только упругой деформации, которая

определяется на цикле «нагрузка – разгрузка» (см. рис. 3.18, а).

Определение коэффициента Пуассона

Коэффициент Пуассона определяют при уровне нагрузки, составляющей

30–50 %

от разрушающей нагрузки, по формуле

Δε

ν=

Δε

, (13.8)

где

Δε

– приращения горизонтальной и вертикальной деформаций

образца соответственно.

517

Глава 14. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ

И НАПРЯЖЕНИЙ

14.1. Общие положения

Измерение деформаций и напряжений является одной из основных

процедур процесса испытания образцов грунта в приборах различной

конструкции. В общем случае необходимо найти отклик от силового

нагружения в виде полей деформации и напряжений. В частном случае при

испытании образцов грунта, если предположить, что они являются доста"

точно малым элементом среды, достаточно измерить три компоненты

главной деформации

εεε

123

и главные напряжения

σσσ

123

Деформация определяется прямыми измерениями вертикальных и го"

ризонтальных компонент перемещения на полной базе (высоте) образца или

только на ее части, в центральной части образца грунта. В то же время

радиальную деформацию, например, в стабилометре можно вычислить

косвенным образом, используя результаты прямого измерения изменения

объема образца грунта и измеренное значение осевой деформации.

В большинстве случаев напряжения в образце грунта не измеряются, а

создаются на поверхности образца давлением воды (воздуха) (кПа) или

жестким штампом в виде силовой нагрузки (кН). В некоторых случаях

выполняется прямое измерение контактных напряжений на границе образца

с использованием датчиков силы или давления, встроенных в жесткие

штампы.

Полагается, что главные напряжения в образце грунта равны контактным

напряжениям на его границе и напряжения на границе распределяются

равномерно, т.е. силы трения равны нулю. Последнее условие при нагру"

жении жесткими штампами выполнить практически невозможно.

В связи с тем, что консолидация водонасыщенных грунтов определяется

эффективными напряжениями, для их вычисления необходимо измерить

поровое давление (кПа) в образце грунта.

14.2. Измерение радиальной и осевой деформации

Техника измерения деформаций образцов грунта начала разрабатываться

с 1940"х гг. (Боткин А.И., 1940; Brown et al., 1980; Burland and Symes, 1982;

Costa"Filho, 1985; Васильев Ю.П. 1989; Shibuya S. et al. 1994, Широков В.Н. и

др.). Было выявлено, что низкие показатели жесткости (модуль дефор"

мации), полученные в лаборатории, как считалось, за счет эффекта

нарушения структуры образцов, в действительности были результатом

Глава 14

518

влияния взаимодействия нагрузочных штампов с образцами грунта. Обще"

принятые измерения осевой деформации на полной базе образца в этом

случае имеют большую погрешность вследствие трения между штампом и

образцом, несоосности штампа и т.д. Измерения локальной деформации в

центральной части образца на базе, меньшей высоты образца (рис. 14.1, б),

показывают значения жесткости, близкие к тем, которые наблюдаются в

основаниях реальных сооружений, или к измеряемым динамическими

методами (Tatsuoka et al., 1997).

(а) (б)

Рис. 14.1. Измерение деформаций на полной базе (а) (www.geoteck.ru)

и локальной базе (б) (www.gdsinstrument.com)

В связи с тем, что стабилометры часто применяются для исследования

напряженно"деформированного состояния грунтов, в последние десятилетия

были затрачены значительные усилия на их усовершенствование, для того

чтобы, в частности, можно было измерять малые деформации при упругом и

линейно"упругом поведении грунтов. Различные устройства, включая

датчики электрического уровня (Burland and Symes, 1982; Jardine et al., 1984);

датчики, основанные на эффекте Холла (Clayton and Khatrush, 1986);

бесконтактные датчики (Hird and Yung 1989; Lo Presti et al., 1994);

тензодатчики (LDT) деформации (Goto et al., 1991); трансформаторные

датчики (LVDT) перемещения (Cuccovillo and Coop, 1997) и лазерные

электрооптические датчики (Takashi, 2002; Messerklinger et al., 2003), были

применены для измерения осевой и радиальной деформации порядка

−−

−

10 10 . Обзор этой техники и обобщение их возможностей и ограничений

представлены в работе Scholey et al. (1995).

Большое количество работ в последние 10 лет посвящено изучению иссле"

дований поведения грунтов при малых деформациях, которые значительно

ниже разрушающих. Этот интерес объсняется тем, что в основании неко"

Методы измерения деформаций и напряжений

519

торых зданий и сооружений при действующих нагрузках в грунте возникают

деформации менее 0,1 % (Burland, 1989; Jardine, 1994; Tatsuoka and Kohata,

1994). Поэтому для описания осадок зданий и сооружений или начального

движения склонов, подпорных стен и др. необходимо понять и оценить

поведение грунта именно при малых уровнях деформаций.

Cuccovillo and Coop (1997) выполнили детальный анализ ошибки,

возникающей при внешнем измерении осевой деформации на полной базе,

путем сравнения с данными локальных измерений и показали, что техника

испытаний, применяемая на практике, неэффективна для жестких грунтов.

Используя внутренние датчики, расположенные на центральной части

образцов, можно устранить ошибку в измерении деформации, вызванную эф"

фектом «бочкообразования» (неоднородности деформации). Процедура

подготовки образцов также оказывает влияние на точность измерения

деформации с использованием внешних датчиков. Так, точность измерения

начальной высоты образца должна быть не менее

0,01 мм, торцы образца

должны быть перпендикулярны его сторонам, нагрузочный штамп должен быть

соосен оси симметрии образца. Для выполнения этих условий авторы

предлагают использовать дополнительную внутреннюю камеру в стандартном

стабилометре. Основное назначение внутренней камеры состоит в реализации

соосности штампа и образца грунта и предотвращении возможности его вра"

щения, а также в исключении зазора между штампом и верхним торцом

образца грунта.

Измерение локальной деформации необходимо для определения упругих

параметров грунта и выполняется при небольших деформациях (меньше 10

Применение внешних датчиков перемещений для измерения деформации на

полной высоте образца дает значительную погрешность из"за податливости

системы нагружения, наличия трения между штампами и образцом грунта. К

тому же опыты с использованием метода рентгенографии показывают, что

неоднородность деформации меньше в центральной части высоты образца, где

и размещаются датчики для измерения локальной деформации. В настоящее

время применяются различные типы датчиков для измерения локальной

деформации (Brown and Snaith, 1974; Burland and Symes, 1982; Jardine et al., 1984;

Clayton and Khatrush, 1986; Tatsuoka, 1988; Goto et al., 1991; Hird and Yng, 1989;

Cuccovilo and Coop, 1997; Clayton and Heymann, 2001; Da Re et al., 2001; Ibraim

and Benedetto, 2005; Yimsiri et al., 2005).

В табл. 14.1 приведено сравнение ряда датчиков, используемых для изме"

рения локальной деформации. Для измерения жесткости грунта при малых

деформациях необходимы датчики с высокими разрешением и точностью.

Глава 14

520

Таблица 14.1

Характеристики датчиков перемещения (Heymann et al., 2005)

Тип датчика Диапазон, мм

Точность,

мкр

Разрешение,

мкр

Ссылка

Датчик электроуровня 15

2 <1 Jardine et al.

(1984)

Датчик Холла 2,5

6 <1 Clayton and

Khatrush

(1986)

Датчик Холла 7

30 …. Clayton et al.

(1989)

Тензодатчик 0,2 0,09 0,12 Goto et al.

(1991)

Бесконтактный

датчик

5 ± 2 1 Hird and Yng

(1989)

Датчик трансформа"

торного типа LVDT

5 …. 1 Cuccovillo

(1995)

LVDT 0,02 0,05 0.005 Cuccovillo

(1995)

LVDT 5 …. 0,025 Da Re et al.

(2001)

Как видно из табл. 14.1, точность измерения больше 0,05 микрона пока не

достигнута. Процедура градуировки датчиков перемещения в диапазоне

меньше 1 микрона также является сложной задачей в связи с отсутствием

простых эталонных средств измерения. В 1997 году Heymann et al.

предложили использовать лазерную интерферометрию для градуировки

локальных датчиков деформации.

14.2.1. Измерение деформаций с использованием

дифференциальных датчиков перемещения

В работе Da Re and Santagata (2001) описана система, которая может

достаточно точно измерять малые деформации геоматериалов в стабилометре.

Это выполняется с помощью двух миниатюрных дифференциальных

трансформаторов (LVDTs), смонтированных на паре кулис, которые

закреплены на образце грунта. Система позволяет измерять перемещения

менее 0,1 микрона, что соответствует деформации менее 0,0002 % для

стандартных размеров образца 38×76 мм. Измерительная система устойчива к

помехам и обладает высокой чувствительностью.