Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Методы измерения деформаций и напряжений

551

камера расширялась или сжималась при колебаниях температуры;

вода испарялась из системы.

Влияние первых двух факторов было изучено Leong et al. (2004).

При проведении длительных испытаний возникает ошибка измерений из"

за абсорбции воды в камере стабилометра (Wheeler, 1986; Fredlund and

Rahardio, 1993; Sivakumar, 1993). Agus et al. (2000)

использовали стальную

камеру давления, чтобы избежать расширения стенок камеры при возрас"

тании давления и исключить явление абсорбции воды на ее стенках. Aversa

and Nicotera (2002), Ng et al. (2002)

применяли внутреннюю камеру, сделан"

ную из алюминия.

Точность измерения изменения полного объема может быть оценена

через объемную деформацию образца грунта:

ε= ×

100 %

, (14.6)

где

– начальный объем образца грунта.

Geiser et al. (2000)

заметили, что объемная деформация может быть

определена как сумма величины измерения объемной деформации и ее абсо"

лютной ошибки

ε=ε ±

vvm

. (14.7)

Объемная деформация в стабилометре может достигать более 20 % для

мягких глин. Однако такое большое значение объемной деформации

характерно скорее для водонасыщенных грунтов, обычное ее значение менее

чем 10 % (Бишоп и Хенкель, 1962). У неводонасыщенных грунтов, в

особенности с высоким матричным всасыванием, объемная деформация при

разрушении меньше, чем у водонасыщенных грунтов. Geiser et al. (2000)

предположили, что значение

=0,1 % адекватно для трехосных испытаний

неводонасыщенных грунтов, у которых объемная деформация изменяется в

диапазоне 1–10 %.

В работе Leong (2004) рассматривается метод коррекции эффекта влияния

температуры при контроле объема воды в системе. В этом методе необходимо

определить коэффициент объемного расширения системы в заданном

интервале времени. Это предлагается выполнять путем использования

образца из нержавеющей стали и контроля значений объема и температуры в

течение 5 суток или более. Далее, используя уравнение (14.7), определяют

изменение объема соответствующее изменению температуры в ходе опыта, и

выполняют корректировку результатов измерения объема. Значение α

уменьшается, когда сокращается объем воды в стальной камере и когда

измеренная температура ближе к температуре воды в системе. Отмечено

также, что использование стальной камеры позволяет исключить явление

абсорбции и избежать расширения стенок камеры при возрастании давления.

Глава 14

552

14.3.3. Измерение изменения объема образцов

с использованием контроллеров давление – объем

настоящее время при измерении изменения объема образцов перешли

от традиционного устройства измерения изменения объема, предусматри"

вающего использование двух бюреток, к устройствам с двумя гидравли"

ческими камерами.

В двухбюреточной системе изменение объема воды измеряется по изме"

нению положения поверхности воды с пленкой жидкости меньшей плотности

(

масло, керосин) внутри градуированной прозрачной трубки.

Работа двухкамерных гидравлических устройств основаны на исполь"

зовании принципа разности давлений. Поршень находится в середине

цилиндра и разделяет его на две части (камеры) с помощью двух чулочных

(

раскатывающихся) мембран (рис. 14.29). Применение этих мембран

обеспечивает движение поршня без трения и гарантирует полное сжатие

воды. Нижняя камера соединена с источником постоянного давления, а

верхняя камера – с камерой давления стабилометра. Выравнивание давления

в каждой камере выполняется автоматически, потому что блок «поршень –

мембрана» действует как гибкий перемещаемый интерфейс. Изменение объе"

ма вычисляется по перемещению поршня, соответствующему течению воды

внутрь или из камеры. На практике перемещение поршня измеряется элект"

ронным датчиком перемещения (обычно LVDT), и соответствующее изме"

нение объема определяется с использованием градуировочной кривой.

Подобное устройство измерения изменения объема выпускается рядом фирм,

в том числе и компанией ELE International (www.ele.co.uk).

Рис. 14.29. Устройство для измерения изменения

объема образца Head (1980):

1 – от сосуда с водой; 2 – к образцу грунта;

3 – датчик перемещения LVDT; 4 – уплотнительное

кольцо; 5 – чулочная мембрана; 6 – поршень; 7 – от

источника обратного давления

В 1992 году в фирме GDS Instrument LTD (www.gdsinstrument.com) была

реализована конструкцию контроллера давление"объем, предложенная

B.Menzies (1988).

Это устройство (рис. 14.30, а) позволяет регулировать дав"

ление жидкости (обычно дегазированная вода) в цилиндре путем переме"

щения поршня. Поршень через редуктор связан с шаговым двигателем, кото"

Методы измерения деформаций и напряжений

553

рый перемещается линейно на опорах качения. Давление измеряется встро"

енным датчиком. Встроенный микропроцессор реализует алгоритм, который

задает направление движения и скорость вращения шагового двигателя и

осуществляет подсчет шагов при измерении изменения объема. Устройство

может работать или автономно, с использованием встроенной клавиатуры и

дисплея, и управляться компьютером через интерфейс. Измерительная

система для трехосных испытаний с применением контроллеров показана на

рис. 14.31. В этой системе используются три контроллера для создания

осевого усилия, обратного давления и измерения изменения объема образца.

(а)

(б)

(в)

Рис. 14.30. Общий вид контроллеров

давление – объем производства фирм GDS

Instrument (a), ООО «НПП Геотек» (б) и

схема устройства для регулирования

давления и измерения объема (Menzies,

1988) (в):

1 – шаговый двигатель; 2 – шток; 3 – втулка;

4 – цилиндр; 5,8 – к прибору;

6 – подвижная опора; 7 – поршень; 9 – мик"

ропроцессор

Рис. 14.31. Система измерения с использованием контроллеров давление – объем:

1 – устройство усиления и управления сигналами; 2,3,4 – линии датчиков перемещения,

порового давления и силы соответственно; 5 – компьютер; 6,7,8 – устройства управления

боковым давлением, обратным давлением и осевой нагрузкой, соответственно

Глава 14

554

Контроллеры давление – объем используются для управления давлением

в камере, обратным давлением, а иногда и осевым нагружением. Эти

устройства включают червячный редуктор, который превращает враща"

тельное движение мотора в линейное движение плунжера, передающего дав"

ление на жидкость. Давление в камере и обратное давление контролируются

датчиками давления. Датчик силы расположен внутри камеры стабилометра и

непосредственно измеряет девиатор напряжения, при этом шток, датчик

силы и нагрузочный штамп соединены в единое целое, что исключает

эксцентриситет приложения осевой нагрузки.

14.3.4. Измерение изменения объема не полностью

водонасыщенных образцов грунта

Испытания

не полностью водонасыщенных грунтов имеют свои особен"

ности. Эти грунты являются трехфазной системой: воздух, вода и твердые

частицы. Наличие воды и воздуха в поровом пространстве генерирует

дополнительные внутренние межчастичные напряжения. Эти дополнитель"

ные напряжения являются функцией всасывания. Поэтому для лучшего

понимания поведения подобных грунтов изменение всех напряжений и

деформаций должно производиться с необходимой точностью. При трех"

осных осесимметричных условиях нагружения необходимо определить следу"

ющий набор переменных для полного описания поведения не полностью

водонасыщенных грунтов:

•

среднее нетто"напряжение

u−σ=σ – разница между средним

напряжением и давлением порового воздуха;

•

девиатор напряжения

=σ −σ

– разница между двумя главными

напряжениями;

•

всасывание

=−

– разница между давлением порового воздуха и

поровой воды;

•

удельный объем v – объем элемента, который содержит единицу

объема твердых частиц;

Среднее нетто"напряжение и девиатор напряжений могут быть

установлены с использованием обычных приборов, предназначенных для

испытания водонасыщенных грунтов. Изменения удельного объема могут

быть определены измерением объема воды, поступающей в образец или

вытекающей из него. Один из методов измерения и контроля всасывания был

разработан Fredlund and Rahardio (1993). Однако определение изменения

удельного объема ненасыщенных грунтов остается сложной задачей. В

последние годы были предприняты попытки улучшить технику измерений,

что будет рассмотрено ниже.

Методы измерения деформаций и напряжений

555

Для определения изменения удельного объема необходимо измерить

изменение объема образца с приемлемой точностью. Изменение объема

образца определяется как

Δ=Δ +Δ

VV V

, (14.8)

где

– изменения объема воздуха и объема воды, соответственно.

Измерение изменения объема может быть выполнено с использованием

обычных лабораторных методов, которые рассматривались ранее. Однако

измерить изменение объема воздуха не так как легко, так как воздух обладает

сильной сжимаемостью и растворяется при создании давления в окружающей

воде. В большинстве случаев испытания не полностью водонасыщенных

грунтов выполняются в одометре. Измеряя вертикальную деформацию в

условиях одномерной деформации, изменение объема воздуха определяют по

изменению объема образца. В условиях трехосного сжатия для этой цели

могут быть применены внутренние датчики для оценки изменения объема

образца грунта (Maatouk et al., 1995; Zakaria et al., 1995; Blatz and Graham,

2003).

Однако недостатком всех этих методов является невозможность

измерения изменения объема при больших деформациях.

Измерение изменения объема не полностью водонасыщенных образцов

грунтов не может быть выполнено с использованием стандартных стаби"

лометров. Стандартные стабилометры предназначены, как правило, для

испытаний полностью водонасыщенных грунтов (s

=95–100 %). В случае

дренированных испытаний водонасыщенных грунтов изменение объема

образца обычно определяется по количеству воды, отжатой из образца или

вошедшей в образец, в то время как поровое давление сохраняется

постоянным.

Для исследования механических свойств сухих и частично водонасы"

щенных грунтов процедура испытаний и конструкция обычного стаби"

лометра должны быть изменены. Измерения можно выполнить, используя

следующие методы (Laudahn et al., 2005):

Контроль изменения объема жидкости в камере давления. Из"за утечек,

деформации и ползучести камеры давления и вследствие влияния

температуры этот метод не может быть точным. К тому же, когда создается

низкое боковое давление в камере, воздух может быть вовлечен в жидкость и

влиять на последующие измерения. Rifa’I et al. (2002) сравнили этот метод с

стандартным методом на примере испытания водонасыщенных образцов.

Несмотря на выполненную калибровку для учета возможных ошибок,

различие между двумя методами было около 4 % на стадии консолидации и

около 6 % при девиаторном нагружении при осевой деформации 7 %.

Точность может быть повышена, если использовать стабилометр с двумя

камерами (Sivakumar et al., 2006; Klotz et al., 2002; Yin, 2003).

Глава 14

556

При испытании частично водонасыщенных образцов обычно разделяют

дренирование порового воздуха и поровой воды, используя стандартные

пористые фильтры для измерения давления воздуха и фильтры с большим

диаметром каналов для измерения давления поровой воды на результаты

прямого измерения порового воздуха влияют высокая сжимаемость воздуха и

изменения температуры, а также диффузия воздуха сквозь резиновую оболоч"

ку в жидкость камеры.

Общее изменение объема образца может быть измерено с исполь"

зованием технологии регистрации и обработки образов (Rifa’I et al., 2002) или

прямого измерения изменения размеров образца с помощью датчиков ра"

диальной и осевой деформации, пригодных для работы под водой (Klotz et al.,

2002).

Одним из первых методов измерения изменения объема образца грунта

стал метод, предложенный Бишопом и Хенкелем (рис. 14.32). В дренированных

испытаниях при обычной комнатной температуре в лаборатории прямое

измерение изменения объема порового воздуха производится с помощью

бюретки, заполненной ртутью. Уровень масла при этом должен быть

постоянным.

На рис. 14.33 приведена модификация данного метода, предложенная в

работе Laudahn et al. (2005). Стеклянная U"образная трубка 9 заполнена

подкрашенной жидкостью (этанол) и служит как индикатор атмосферных

условий в образце. При деформации образца грунта воздух из него выжи"

мается и поднимает уровень жидкости в U"образной трубке. Как только

Рис. 14.32. Метод измерения из"

менения объема (Bishop and

Henkel, 1962):

1 – камера давления; 2 – от сис"

темы контроля бокового давле"

ния; 3 – кран; 4 – масло; 5 – воз"

дух; 6 – бюретка; 7 – ртуть; 8 –

вода; 9 – регулятор давления

Методы измерения деформаций и напряжений

557

жидкость превысит положение верхнего фотоэлектрического датчика, вклю"

чается контроллер 8, давление воздуха уменьшается, и уровень жидкости

понижается до среднего. При расширении образца, наоборот, контроллер

увеличивает давление воздуха.

Точность измерения изменения объема определяется геометрией U"об"

разной трубки. При расстоянии между двумя фотоэлектрическими датчиками

в 6 мм и внутреннем диаметре трубки 2,6 мм точность измерения объема

составляет ±15 мм

, что соответствует объемной деформации

Δε

=±0,01 %

при объеме образца 330 см

. Точность измерений может быть повышена, если

уменьшить расстояние между фотоэлектрическими датчиками.

Рис. 14.33. Схема измерительной системы (Laudahn, 2005):

1 – образец; 2 – локальный датчик осевой деформации (LVDT); 3 – датчик силы;

4 – кран контроля жидкости в камере давления; 5 –стандартный контроллер объема

жидкости в камере давления фирмы GDS; 6 – шаговый мотор; 7 – кран дренирования

(контроль давления порового воздуха); 8 –стандартный контроллер для измерения

давления порового воздуха фирмы GDS; 9 – U"образная наблюдательная трубка; 10 –

фотоэлектрический датчик; 11 – аналого"цифровой преобразователь; 12, 13 – силовая

рама

Рис. 14.34. Схема устройства для контроля давления порового воздуха (Laudahn, 2005):

1 – фотоэлектрический датчик; 2 – средний уровень жидкости в наблюдательной трубке;

2а и 2б – верхнее и нижнее положения уровней; 3 – шаровый кран;

4 – GDS стандартный контроллер давление – объем; 5 – образец грунта

Глава 14

558

В последние годы разработано несколько методов непрямого измерения

изменения объема. Bishop and Donald (1961) модифицировали камеру

трехосного сжатия с целью управления изменением объема образца грунта и

оценки влияния эффективных напряжений в неводонасыщенных грунтах (см.

рис. 14.21). Модифицированная камера включает дополнительный внут"

ренний цилиндр, герметично соединенный с основанием камеры. Полное

изменение объема определяется по изменениям показаний положения

стального шарика, плавающего на ртути. Использование данного метода

показало, что в процессе опытов сложно обеспечить условия безопасности

работы с ртутью и одновременно достичь высокой точности измерений. Chui

and Delage (1996)

в этом методе заменили ртуть подкрашенной водой. Для

устранения явления абсорбции воздуха водой и для снижения испарения

воды они применили тонкий слой силиконового масла, покрывающий воду.

Rampino et al. (1999)

предложили технику для измерения изменения объема

неводонасыщенных грунтов, основанную на идее, высказанной ранее Okochi

and Tatsuoka (1984), Tatsuoka (1988).

Метод, предусматривающий измерение

разницы между уровнем воды внутри открытой внутренней камеры в форме

бутылки и отсчетным уровнем воды (см. рис. 14.24), был успешно применен

многими другими исследователями, включая Aversa and Nicotera (2002), Ng et

al. (2002).

Результаты измерения записываются с применением высокоточных

дифференциальных датчиков давления. Для устранения испарения воды Ng et

al. (2002)

использовали парафин, как рекомендовал ранее Tatsuoka (1988).

Однако парафин, плавающий на поверхности воды, может вызвать

дополнительные проблемы при изменении направления течения воды.

На рис. 14.35 показано поперечное сечение двойной камеры трехосного

сжатия нового типа, приведенной в работе Sivakumar et al. (2006). Устройство

содержит две индивидуальные камеры: внешнюю, которая является стандарт"

ной камерой (V J Tech Ltd) с управлением траекториями напряжений, и

внутреннюю, которая является малой камерой трехосного сжатия образца

диаметром 50 мм. Стенки внутренней камеры сделаны из стекла высокого

качества, что полностью устраняет абсорбцию воды акрилом, наблю"

давшуюся в устройствах, применявшихся раньше. Цилиндрическая выемка в

основании используется для установки внутренней камеры. Трубопроводы

дренирования воды и воздуха закрепляются на основании внутренней

камеры, а затем пропускаются через внешнюю камеру и соединяются с

системой давления. Когда система собрана, внешняя камера полностью

закрывает внутреннюю камеру и предотвращает ее расширение, когда

создается боковое давление. Датчик силы расположен во внутренней камере.

Круглое уплотнительное кольцо на нагрузочном штоке используется для пре"

дотвращения просачивания воды внутрь или из камеры. Девиаторная

нагрузка на образец может быть создана путем управления давлением во

внешней камере. Устройство нагружения подобно устройству Bishop and

Wesley (1975).

Методы измерения деформаций и напряжений

559

Сборка внутренней камеры под водой исключает попадание пузырьков

воздуха во внутреннюю камеру. Так как измерение изменения объема воды

определяется по количеству воды, вытесненной или поглощенной внут"

ренним цилиндром, важно минимизировать изменение комнатной темпе"

ратуры. Эффект от изменения температуры может быть уменьшен, если при

калибровке учесть изменение объема камеры в зависимости от температуры.

Давление порового воздуха и боковое давление в камере создаются дав"

лением воздуха. Если давления от компрессора недостаточно, то используется

гидравлическая система для создания бокового давления. Поровое давление

контролируется гидравлическим устройством, подобным контроллеру давле"

ние – объем. Одно и то же давление прикладывается во внешней и внутрен"

ней камерах. Одно устройство измерения изменения объема подключено к

трубопроводу давления, создающему давление во внутренней камере так,

чтобы управлять потоком воды, поступающей внутрь или вне внутренней

камеры. Точность измерения изменения объема составляет

0,02 см

Рис. 14.35. Камеры трехосного сжатия

(Ng, 2002; Sivakumar et al., 2006):

1 – шаровая опора; 2 – внешняя камера;

3 – датчик силы; 4 – канал дрени"

рования воды; 5 – датчик перемещения

LVDT; 6 – внутренняя камера; 7 – канал

дренирования воздуха; 8 – устройство

нагружения

Глава 14

560

Управление всасыванием осуществляется с использованием метода одновре"

менного нагружения с помощью контроля давления порового воздуха и

порового давления воды.

С целью управления процессом испытания и сбора данных с датчиков

стабилометр через интерфейс подключен к компьютеру, что образует измери"

тельную систему. Аналоговые сигналы с датчиков усиливаются и преобра"

зуются в цифровой код с помощью 24"разрядного аналогово"цифрового

преобразователя. Последовательный интерфейс позволяет считывать пока"

зания датчиков со скоростью 1 Гц.

С помощью чувствительной измерительной системы можно отслеживать

наблюдаемый уровень деформации порядка 10

. Данная система имеет

автоматический усилитель сигналов датчиков для 4 диапазонов вольт 0,1; 1,0;

5,0; 10.

Это позволяет получить разрешение в 0,001 В в диапазоне 0,1 В.

14.4. Измерение порового давления

До начала 1970"х гг. для измерения порового давления применялся «Нуль"

индикатор» (рис. 14.36), состоящий из прозрачной U"образной трубки 4,

которая частично заполнена ртутью 5. Одна сторона индикатора соединена

трубкой 2 с камерой давления, а другая – с манометром 7 и источником

давления 8 в виде цилиндра с поршнем. Насос используется для создания

обратного давления, уравновешивающего давление в камере. Коррекцию дав"

ления выполняют, сохраняя постоянным положение ртути относительно

метки на трубке индикатора. Результирующее обратное давление, которое

равно давлению в камере, считывается по показаниям манометра. На практике

при использовании данного устройства необходимо проявлять осторожность и

тщательно выполнять регулировку давлений, так как любая ошибка оператора

может привести к потере результатов или вызвать большую погрешность в

измерении. Поэтому в настоящее время предпочтение отдают электронным

датчикам давления (рис. 14.37), связанным с цифровым дисплеем.

Датчик конструктивно встраивается в основание камеры и гидравлически

соединяется с бачком дегазированной воды. Значение давления отображется на

экране дисплея (кПа). В измерительных системах сигнал с датчика давления в

вольтах передается через устройство сбора данных в компьютер для анализа и

принятия управляющих решений.

На рис. 14.37 показана конструкция датчика давления, предназначенного

для измерения только порового давления и отличающегося от стандартного

датчика давления размерами приемной камеры и наличием диска из

пористой керамики. Разрыв между мембраной и пористым диском должен

быть минимальным, обычно не более 200–300 микрон. Объем свободной

воды в разрыве составляет при этом всего около 3 мм

, благодаря чему здесь

практически невозможно образование пузырьков воздуха. Конструктивно