Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Методы измерения деформаций и напряжений

521

При создании измерительной системы Da Re and Santagata (2001)

исходили из следующих требований:

1. Достаточно высокая разрешающая способность (порядка

−

510

)

датчи"

ков для измерения деформаций. Этот уровень разрешения необходим, на"

пример, при исследовании начального линейно"упругого поведения грунтов.

2. Неограниченные (насколько возможно) пределы измерений. Это тре"

бование вытекает из необходимости проведения испытаний на консолидацию и

сдвиг при больших деформациях, желательно без перестановки датчиков.

3. Цифровой выход, совместимый с цифровым выходом с существующих

систем сбора данных.

4. Небольшие размеры, позволяющие разместить устройство измерения

деформаций в достаточно малом объеме камеры стабилометра любого типа.

5. Нечувствительность к изменению давления в камере стабилометра в

диапазоне 0–10 МПа.

6. Относительная нечувствительность к изменению температуры в диа"

пазоне от –20 до + 20 °С.

7. Отсутствие влияния механизма нагружения образца на результат

измерения перемещений.

Успех исследования поведения грунтов при малых деформациях зависит

не только от точности устройства для измерения деформаций, но и от других

характеристик оборудования, в частности, от конструкции рабочей камеры и

системы осевого нагружения. Точность измерения зависит не только от

разрешающей способности датчиков, но и от разрешающей способности

самой измерительной системы.

Приборы трехосного сжатия включают пять основных компонент: камеру

давления; систему для создания нагрузки, состоящую из контроллера давление–

объем и силовой рамы; персональный компьютер, который управляет всеми

фазами испытаний; пакет программ; контроллер управления сервоприводом –

и эектронно"преобразующую аппаратуру.

Конструкция стабилометра (Da Re and Santagata, 2001) показана на

рис. 14.2. Камера стабилометра заполняется силиконовым маслом, которое

является прозрачным диэлектриком, не реагирует с резиновой оболочкой и

обладает низкой вязкостью. Диэлектрические свойства масла позволяют

разместить датчики перемещения LVDT внутри камеры давления.

Устройство для измерения локальной осевой деформации состоит из двух

кулис (рис. 14.2,б), соединенных шарнирно и примыкающих в трех точках к

образцу через 120° друг от друга. Кулисы слегка прижимаются к образцу

пружиной с регулируемым усилием. Масса кулис не превышает 12 г.

Подобная конструкция была применена также Klotz and Coop (2002).

Глава 14

522

(а)

(б)

Рис. 14.2. Конструкция стабилометра для испытания связных грунтов (а) и устройства для

измерения локальной деформации (б) (Da Re and Santagata, 2001):

1 – внешний датчик осевой деформации; 2 – внутренняя стойка; 3 – миниатюрный датчик

локальной осевой деформации; 4 – датчики давления; 5 – втулка с низким трением;

6 – скатываемая диафрагма; 7 – датчик силы; 8, 10 – кулисы; 9 – шарнир; 11 –

регулировочная пружина; 12 – отверстие для крепления датчика; 13 – образец; 14 –

регулировочный винт; 15 – перемещаемый сердечник; 16 – нить из кевлара; 17 –

свинцовая дробинка

В отличие от других известных способов (GDS Instrument Ltd.) данный

механизм крепления датчиков исключает использование специальных

вкладышей, которые приклеиваются к резиновой оболочке. Последнее не

гарантирует обеспечения герметичности соединения вкладыша и резиновой

оболочки.

Устройство, представленное на рис. 14.2,б, можно также использовать для

одновременного измерения осевой и радиальной деформации, если ввести в

него один или два датчика радиальной деформации.

Как показано на рис. 14.2,б, шток датчика перемещений проходит сквозь

корпус датчика. Этот прием исключает эффект «заклинивания» штока,

особенно при малых перемещениях. Для дальнейшего снижения сил трения

между штоком и корпусом датчика, в особенности при больших пере"

Методы измерения деформаций и напряжений

523

мещениях, когда форма образца становится бочкообразной, шток может быть

подвешен на нити к верхней кулисе. Небольшой свинцовый шарик

обеспечивает натяжение нити.

В качестве датчика перемещений используются датчики LVDT фирмы

Schaevitz Sensors. Они имеют длину 22,4 мм, диаметр 4,77 мм и массу 4,0 г.

Диапазон измерения

2,54 мм. Рабочая температура от –55 до +150

С.

Две основные характеристики, определяющие индуктивный принцип

работы LVDT датчиков перемещения, первая – способность генерировать

сигнал непрерывно во времени с определенной частотой, что в принципе и

определяет чувствительность измерительной системы; вторая, вытекающая из

симметрии конструкции датчиков LVDT, – нулевая повторность, которая

означает, что устройства с нулевой позицией дают устойчивые и повторимые

сигналы. В то же время датчики типа LVDT требуют усиления сигналов как на

входе, так и на выходе. Стандартные устройства усиления сигналов, приме"

няемые для этих датчиков, показывают неудовлетворительные устойчивость и

уровень шумов в том случае, если необходимо получить разрешение в

измеряемой деформации порядка 10

и менее.

Одной из наиболее важных характеристик LVDT системы усиления

сигнала является устойчивость его выхода как в короткий, так и длительный

период времени. Кратковременная устойчивость необходима для точного

измерения деформированного поведения грунта, в то время как длительная

устойчивость является существенной для точного измерения деформаций

ползучести.

Электрическая стабильность LVDT"системы усиления сигнала была

определена путем управления выходным сигналом датчика с помощью

измерительной системы. На рис. 14.3, а, б показаны результаты, полученные в

лаборатории при температуре 20 °С за периоды времени 5 мин и 24 ч,

соответственно. В этих испытаниях датчики LVDT были расположены

горизонтально вблизи стабилометра для того, чтобы избежать влияния

ползучести нити, поддерживающей шток датчика. Как показано на рис. 14.3,

а, за весь период, составляющий 300 с, сигнал датчика отклоняется только на

0,15 мВ, что соответствует 3 битам цифрового шума (когда абсолютное

значение сигнала превышает 1,0 В). По градуировочной кривой определили,

что эта полоса шума соответствует перемещению в 0,075 микрона или

0,00015 % диапазона датчика деформаций 5,08 см. Заметим, что даже

наименьшее значение назначаемой скорости деформации нагружения

силовым устройством, равное 0,1 %/ч, полностью реализует диапазон малых

деформаций в течение первых 5 мин процесса деформирования образца грунта.

Из рис. 14.3,б видно, что в течение 24 ч выходной сигнал датчика отклоняется

примерно на

0,3 мВ без существенного дрейфа сигнала.

Глава 14

524

(а)

(б)

Рис. 14.3. Показания датчика LVDT в разные периоды времени

(Da Re and Santagata, 2001)

На рис 14.4,а и 14.4,б приведены показания датчика LVDT при прове"

дении кратковременных и длительных испытаний при температуре –10 °С и

–20 °С для сравнения с данными, представленными на рис. 14.3, а,б для

комнатной температуры; эти данные свидетельствуют об отсутствии сущест"

венного влияния температуры на кратковременные показания (300 с) при

температуре –10

°С, в то время как при температуре –20 °С полоса сигнала

шума увеличивается с

0,15 до

0,30 мВ.

Данные, полученные за длительный период времени (24 ч) проведения

испытаний показывают, что полоса сигнала шума возрастает с уменьшением

температуры (от

± 0,3 мВ при 20 °С до примерно ± 1 мВ при –10

°С и ± 2 мВ

при – 20

°С) и имеет тенденцию слегка колебаться при низких температурах,

так как в таких условиях измерительная система не может реагировать с

должной скоростью. Следует отметить, что это колебание незначительно по

сравнению с наблюдаемыми деформациями, например, в течение вторичной

консолидации.

Методы измерения деформаций и напряжений

525

(а)

(б)

Рис. 14.4. Показания датчика LVDT в разные периоды времени при различной температуре

(Da Re and Santagata, 2001)

Важно заметить, что величина сигнала LVDT зависит от температуры. Это

происходит из"за изменения сопротивления катушки датчика и схемы

усиления сигнала, когда температура датчика и образца грунта одна и та же.

Флуктуация в температуре присутствует вокруг контрольной точки, поэтому

может быть решающим фактором в колебании показаний датчика, в

особенности при низкой температуре. Однако в диапазоне исследованных

температур (–20 до +20

°С) градуировочная зависимость датчика является

линейной. Поэтому, если испытания проводятся при постоянной темпе"

ратуре, отклонения в значении сигнала датчика не ограничивают возмож"

ности измерительной системы. В некоторых специальных случаях, например

при подготовке песчаных образцов грунта методом замораживания, в период

Глава 14

526

после установки образца до его оттаивания изменения в показаниях датчика

должны учитываться при определении истинной деформации образца песча"

ного грунта.

Da Re and Santagata проводили исследования зависимости показаний

датчика от величины давления в рабочей камере стабилометра. Испытания

проходили при комнатной температуре с датчиками, размещенными внутри

камеры, при скорости изменения давления от 180 кПа/мин до 10 МПа/мин.

Как видно из рис. 14.5, в исследованном диапазоне давлений выходной

сигнал возрастает примерно на 14 мВ и показывает гистерезис в 0,005 % от

предела измерения датчика в

10 В.

Рис. 14.5. Устойчивость сигнала датчика перемещений как функция давления

в рабочей камере (Da Re and Santagata, 2001)

На рис. 14.6 приведены результаты испытаний двух образцов материалов

различной жесткости. Для образца из алюминия модуль упругости при

линейной осевой деформации до 0,03 % равен 71,6 ГПа. Это значение получено

методом регрессивного анализа. Для образца из пластмассы модуль упругости

при осевой деформации 0,01 % равен 3,3 ГПа. Эти данные свидетельствуют о

возможности использования трансформаторных датчиков для измерения

деформации различных материалов как при малых, так и при больших

деформациях.

Методы измерения деформаций и напряжений

527

(а)

(б)

Рис. 14.6. Зависимость осевой деформации от девиатора напряжений:

а – алюминий; б – полиметилметалкрилат (Da Re and Santagata, 2001)

14.2.2. Измерение осевой и радиальной деформации

с использованием тензодатчиков деформации

Техника измерения деформаций при испытании образцов грунта в ста"

билометре существенно влияет на определяемую опытным путем зависимость

«напряжение – деформация». Измерение деформации образца с исполь"

зованием тензодатчиков деформации, размещаемых непосредственно на

образце грунта, имеет следующие преимущества по сравнению с исполь"

Глава 14

528

зованием внешних (вне камеры) датчиков деформации LVDT (Besuelle and

Desrues, 2001):

1. При измерении деформации на базе, высота которой меньше, чем

высота образца грунта, исключается влияние неоднородности деформаций,

обусловленной трением между штампами и торцами образца грунта.

2. Отсутствует влияние способа соединения штока с верхним нагрузочным

штампом.

3. Точность измерения осевой деформации возрастает, так как умень"

шается база датчика.

4. Отсутствует влияние зазора между штоком и верхним штампом,

возникающего при консолидации образца грунта боковым давлением.

5. Использование нескольких датчиков на образце грунта позволяет

выявить момент возникновения неоднородности деформации по разнице

показаний датчиков осевой и датчиков радиальной деформации (Tatsuoka and

Kim, 1994).

К недостатку тензодатчиков деформации можно отнести возможность

измерения деформаций только при упругом поведении элементов из берил"

лиевой бронзы, на которые наклеиваются тензосопротивления, соединяемые

по мостовой или полумостовой схеме. При больших деформациях (более

10 %), на которых, как правило, проявляется эффект локализации дефор"

маций в образце грунта, они могут быть разрушены.

В настоящее время известно несколько типов тензодатчиков, которые

измеряют деформацию между двумя точками в центральной части образца

грунта (Ярошенко В.А., 1961; Широков В.Н.; Васильев Ю.П., 1989; Kolymbas

et al., 1989; Scholey еt al., 1995; Besuelle and Desrues, 2001). Ярошенко В.А. в

1961 году предложил измерять радиальную деформацию с использованием

проволочного датчика сопротивления реостатного типа.

Упругие элементы тензодатчиков делаются из бронзы (медь 91,2 %, олово

8,3 %, фосфор 0,3 %) с высоким пределом текучести (510 МПа). Проволочные

или фольговые тензосопротивления наклеиваются на упругие элементы.

Датчики успешно используются в нейтральной жидкости (масло) с давлением

до 60 МПа.

Одна из конструкций тензодатчика осевой деформации показана на

рис. 14.7, а.

Датчик закрепляется между двумя упорами, которые приклеиваются к

резиновой оболочке клеем с прочностью на сдвиг около 30 МПа. Расстояние

между упорами принимается несколько меньшим длины датчика так, чтобы

датчик был немного подпружинен к упорам. Благодаря специальной форме

упора и концов упругого элемента датчика обеспечивается надежность соеди"

нения. В ходе опыта при сжатии образца расстояние между упорами

уменьшается, и деформация упругого элемента измеряется тензодатчиком по

величине сигнала в вольтах. Градуировочная зависимость используется для

Методы измерения деформаций и напряжений

529

преобразования значения измеряемого напряжения в перемещение, а по

известной базе (

) определяется осевая деформация образца грунта.

(а) (б)

Рис. 14.7. Форма и размеры датчиков (Besuelle and Desrues, 2001):

а – осевой деформаций; б – радиальной деформации: 1 – вкладыш, приклеиваемый к

резиновой оболочке; 2 – упругий элемент; 3 – тензосопротивление; 4 – сферическая

опора; 5 – жесткое крепление

Измерение радиальной деформации

выполняется такими же датчиками, как тот,

схема и размеры которого приведены на

рис. 14.7,б, или датчиками конструкции

Ю.П. Васильева (1989) (рис. 14.8). Четыре

датчика используются для измерения

радиальной деформации в двух взаимно

перпендикулярных направлениях отно"

сительно поперечного сечения образца.

Верхняя часть упругого элемента делается

более жесткой по сравнению с нижней, на

которую и наклеиваются тензосопротив"

ления. Датчики подключаются к тензоуси"

лителю, а затем через АЦП и интерфейс –

к компьютеру. Разрешение выходного сиг"

нала не менее 1 mV.

Поведение датчика осевой деформации в диапазоне 0–3,5 мм (при осевой

деформации 7 %) и, в частности, в диапазоне 0–0,25 мм (при осевой

деформации 0,5 %) показано на рис. 14.9.

Рис. 14.8. Устройство измерения

радиальной деформации

Ю.П.Васильева (1989)

Глава 14

530

Рис. 14.9. Градуировочная зависимость (Besuelle and Desrues, 2001)

Градуировочные кривые при нагрузке и разгрузке практически совпадают,

показывая незначительный гистерезис. Максимальная ошибка соответствует

нелинейности около 20 микрон в рабочем диапазоне датчика при точности

измерения осевой деформации около 0,04 %. Если уменьшить диапазон

измерения деформации (0,25 мм), можно получить максимальную ошибку,

соответствующую нелинейности около 2 микрон при точности измерения

осевой деформации около 0,004 %.

Рис. 14.10. Сравнение значений деформации, измеренной внешними и внутренним

датчиками (Besuelle and Desrues, 2001):

1 – внутренний датчик; 2 – скорректированный внешний датчик; 3 – внешний датчик