Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Методы измерения деформаций и напряжений

561

этот датчик устанавливается в основании стабилометра, как можно ближе к

основанию образца грунта.

Рис. 14.36. Устройство для измерения порового давления с использованием нулевого

метода (Бишоп и Хенкель, 1961):

1,3 – кран; 2 – жесткий трубопровод; 4 – U"образная стеклянная трубка небольшого

диаметра; 5 – ртуть; 6 – вода; 7 – манометр; 8 – цилиндр; 9 – отсчетная бюретка

Рис. 14.37. Датчик порового давления:

1 – пластиковая труба; 2 – проводники; 3 – стальной цилиндр; 4 – стеклянное кольцо;

5 – стальная мембрана с наклеенными тензосопротивлениями; 6 – пористый камень

Глава 14

562

В некоторых случаях поровое давление измеряется не только у торцов

образца, но и в его центральной части. Для этого ранее использовалась игла с

отсчетной трубкой, которая вводилась внутрь образца. В настоящее время для

этой цели применяются специальные резиновые вкладыши, которые при"

клеиваются к резиновой оболочке (рис. 14.38). Резиновый вкладыш необхо"

дим для установки датчика давления. Внутренний диаметр вкладыша должен

быть чуть меньше внешнего диаметра датчика давления.

Рис. 14.38. Схема установки датчика порового давления в средней части

по высоте образца грунта (Wong, 2001):

1 – давление порового воздуха; 2 – пористый диск с высокой проницаемостью;

3 – бумажный фильтр; 4 – образец; 5 – пористый диск с проницаемостью воздуха при 500

кПа; 6 – основание; 7 – линия к устройству контроля порового давления"объема; 8 –

силиконовый вкладыш; 9 – уплотнительное кольцо; 10 – оболочка датчика; 11 – датчик

давления; 12 – латексная резина, приклеенная к резиновой оболочке и прижатая кольцами

к вкладышу; 13 – резиновая мембрана с отверстием под вкладыш

Поровое давление, как правило, измеряется с точностью не менее

2 кПа.

В течение недренированного сдвига поровое давление измеряется таким

образом, чтобы удавалось контролировать небольшое количество воды,

вводимое в образец или вытесняемое из образца. Для этого применяются

устройства с очень жестким датчиком давления. В случае использования

нуль"индикатора давление регулируется непрерывно, чтобы поддержать

постоянный уровень воды – ртути в бюретке устройства измерения порового

давления. Давление, требуемое для предотвращения движения воды, в этом

случае равно поровому давлению. Обе системы измерения должны иметь как

Методы измерения деформаций и напряжений

563

можно более короткие трубопроводы (толстые стенки, малый диаметр) между

образцом и устройством измерения и удовлетворять следующему условию:

−

ΔΔ<×

(/)/ 3,210VV u

/кН, (14.9)

где

ΔV

– изменение в объеме измерения поровой воды системы, соот"

ветствующее изменению порового давления, мм

; V – полный объем образца,

мм

;

Δu

– изменение порового давления, кПа.

Поровое давление можно точно измерить только при полном водо"

насыщении образца грунта. Контроль степени водонасыщения определяется

с помощью параметра из выражения

=Δ Δσ

/Вu

, (14.10)

где

Δu

– изменение порового давления в образце, которое является

результатом изменения давления в камере, когда кран дренирования закрыт;

Δσ

– изменение давления в камере.

На рис. 14.39 показаны результаты измерения параметра B в процессе

водонасыщения образца с контролем порового давления датчиком, который

расположен в центральной части образца грунта (рис. 14.38). Результаты

свидетельствуют о том, что датчик практически мгновенно реагирует на

изменение бокового давления в рабочей камере стабилометра.

Рассмотрим процедуру подготовки стабилометра к измерению порового

давления, которая применяется на практике (Wong, 2001). Для этого ис"

пользуется измерительная система, включающая оборудование, показанное

на рис. 14.40.

Рис. 14.39. Изменение порового давления во времени (Wong, 2001):

1 – в средней части образца; 2 – давление в камере

Глава 14

564

Рис. 14.40. Схема управления процессом водонасыщения образца грунта (Wong, 2001):

1 – индикатор объема диффузированного воздуха; 2 – трубопровод выпуска воздуха; 3 –

спускной кран; 4 – образец; 5 – трубопровод контроля давления порового воздуха; 6 – от

компрессора; 7 – воздух; 8 – вода; 9 – резервуар; 10 – трубопровод питания водой; 11 –

трубопровод контроля давления в камере; 12 – кран; 13 – регулятор давления; 14 – датчик

давления; 15 – контроллер давление – объем

Перед началом испытаний все керамические диски (фильтры) и при"

емные камеры датчиков порового давления должны быть насыщены водой.

Для этого рабочая камера стабилометра заполняется дистиллированной

водой, и в ней создается давление, равное 500 кПа. После открытия крана В

пузырьки воздуха вытесненяются из каналов фильтров и приемных камер

датчиков. На втором этапе, после установки образца грунта, открываются

краны С и В, создается давление воды, примерно равное 30 кПа, и таким

образом воздух вытесняется из образца. Вытесненный воздух собирается в

диффузионном индикаторе.

Цель водонасыщения образца – снижение начального матричного вса"

сывания грунта до 0 кПа. Обычно образец насыщается сверху. Линия

контроля давления в камере 11 отключается, и кран D соединяется с

резервуаром 9, который заполнен водой. Кран D и спускной кран Е после

этого открываются до заполнения камеры водой. Затем спускной кран Е и

кран D закрываются. После этого линия контроля давления воздуха 5 в порах

образца заменяется линией контроля порового давления воды 11. Линия

резервуара с водой 10 отключается от крана D, а линия контроля давления в

камере 11 вновь соединяется с краном D. Затем линия контроля давления

воздуха в порах 5 отключается от крана А и кран А подключается к линии 10

резервуара с водой. Таким образом, линия 5 контроля давления воздуха

Методы измерения деформаций и напряжений

565

заменяется линией 11 контроля давления воды. Это означает, что образец

может быть водонасыщен сверху вниз, а не снизу, где находится диск с

низкой проницаемостью. Периодически для удаления пузырьков воздуха

открывается кран В. Данная процедура позволяет водонасытить образец до

значения B

несколько большее 0,9. Поэтому внутри образца создается

давление воды, несколько меньшее давления в рабочей камере. Обычно

разница составляет не более 10 кПа.

Процедуры испытаний водонасыщенных и не полностью водона"

сыщенных образцов грунта различны.

Для испытания водонасыщенных грунтов дренирование поровой воды

выполняется вверх. Это ускоряет процесс равномерного насыщения, так как

проницаемость грубого пористого диска на верхнем торце образца

значительно выше. Затем кран С закрывается, а кран А подключается к

контроллеру давление – объем (DPVC), который отключается от крана С.

DPVC

используется для измерения давления в течение дренирования

поровой воды из образца при консолидации. Значение порового давления

определяется требуемой величиной эффективных напряжений

σ−

3 w

. Состо"

яние равновесия достигается при стабилизации изменения дренируемого

объема воды.

При испытаниях не полностью водонасыщенных грунтов линия 10

резервуара с водой отключается, и линия 5 давления воздуха вновь

подключается к крану А в конце водонасыщения. Кран D открывается, а

краны А и С последовательно закрываются. Устанавливаются заданные

значения давления воздуха в порах

и давления в поровой воде

для

достижения желаемых значений эффективного напряжения

σ−

3 a

и матрич"

ного всасывания

−

. Затем краны А и С последовательно открываются.

Изменение объема воды измеряется и записывается DPVC. За стабилизацию

деформаций принимается состояние, характеризуемое отсутствием

изменения объема поровой воды.

14.5. Использование компьютерной томографии

Механическое поведение песчаных грунтов (сыпучих материалов) зависит

в значительной степени от взаимного расположения частиц, их формы и

пористости, т.е. от структуры грунта. Методы определения структуры грунта

подразделяются на разрушающие и неразрушающие. К первой группе

относится метод электронного сканирования тонких слоев, вырезанных из

образца грунта. Вторая группа более обширна и включает метод магнитного

резонанса, метод ультразвуковых испытаний, метод рентгенографии и метод

компьютерной томографии.

Глава 14

566

Метод электронного сканирования используется в основном при ис"

следовании структуры грунтов с определением пространственного располо"

жения минералов, их формы и вида структурных связей.

Метод радиографии был впервые применен Roscoe (1970), а затем

Vardoulakis and Graf (1985), Vardoulakis et al. (1985).

Метод компьютерной

томографии предназначен для исследования распределения плотности в

песчаных образцах в условиях трехосного сжатия (Desrues et al., 1996; Alshibli

et al., 2000; Batiste, 2001).

Это лучший из неразрушающих методов,

используемых при сканировании внутренней структуры сыпучих материалов.

Одно из последних исследований в этом направлении выполнили Batiste et al.

(2004).

Авторы применили метод компьютерной томографии при исследо"

вании процесса образования и развития полос сдвига в песчаных образцах.

Они выявили толщину полос, угол их наклона, коэффициент пористости и

т.д. при небольших значениях всестороннего давления (0,05–1,3 кПа). С

учетом небольших значений давления, была выполнена коррекция влияния

резиновой оболочки при определении радиальных напряжений.

В методе компьютерной томографии образец грунта подвергается

рентгеновскому или гамма"излучению, которое собирается массивом

датчиков. При излучении под углом к исследуемому сечению можно получить

как двухмерный, так и трехмерный компьютерный образ – слайды со срезом

в 1 мм как в вертикальном, так и в поперечном направлении.

Результаты исследований показали, что в процессе деформации песчаного

образца образуются две системы полос сдвига: осевая коническая и

радиальная плоская. Конические полосы проявляются в виде набора тонких

кольцевых полос с низкой плотностью в горизонтальном сечении (рис.

14.41,

а), формирующие V"образную форму в вертикальном поперечном

сечении (рис. 14.41,б). Конические полосы распространяются от концов

штампов к центру образца. Второй тип полос сдвига более богатый. Эти

полосы обычно плоские, но ориентированы под углом к центральной оси, и

их семейство похоже по очертанию на турбину.

Проводилось исследование распределения коэффициента пористости и

объемной деформации в образцах. В области, примыкающей к штампам,

песок испытывает меньшую деформацию из"за концевых ограничений.

Исследования показали, что радиальные полосы сдвига в песке в условиях

стандартных трехосных испытаний зарождаются далеко от области пика

девиатора напряжений. В процессе деформирования образца образуется

большое количество полос сдвига. Далее часть полос сдвига распадается, но

образуются новые. Этот цикл продолжается непрерывно, при этом

формируются новые полосы сдвига. В условиях стандартных трехосных

испытаний примерно одна треть каждого образца была занята конусом сдвига

(

уплотненная зона), а оставшиеся две трети занимала комбинация полос

сдвига и окружающего песка. С ростом деформации соотношение объемов

Методы измерения деформаций и напряжений

567

этих областей изменяется: зона уплотнения уменьшается, а зона сдвига

увеличивается. Примерно при деформации 25 % они имеют равный объем.

(а) (б)

Рис. 14.41. Результаты сканирования образов песчаного грунта (Batiste, 2004)

В 2005 году Heymann et al. разработали устройство для измерения

локальной деформации при очень малых деформациях (рис. 14.42). Этот

метод измерения основан на использовании интерферометра Fabry"Perot.

Глава 14

568

Рис. 14.42. Устройство для измерения локальной деформации

при очень малых деформациях:

1 – ось симметрии; 2 – нагрузочный штамп; 3 – резиновая оболочка;

4 – кронштейн; 5 – штифт; 6 – направляющая платформа; 7 – пьезокерамический привод;

8 – фотодиод; 9 – зеркало; 10 – линза; 11 – соединительная плита;

12 – микродвигатели; 13 – оптоволокно; 14 – основание камеры давления

Для измерения локальной деформации были применены два интерфе"

рометра, прикрепленных к образцу мела с высокой пористостью. В качестве

источника света был использован гелиевый лазер с длиной волны 0,6328

m и

мощностью 8 мВ. Свет передавался через оптоволокно с диаметром 4

апертурой 0,12. Свет, выходящий из оптоволокна, был сведен в параллельный

пучок цилиндрической линзой с углом расхождения менее 0,3

. Колли"

мированный свет был выпущен в полость интерферометра Fabry"Perot, в

которой параллельно друг другу установлены два зеркала, диаметр которых

12,5

мм, отражательная способность 60 %. Интенсивность света, проходящего

через полость, измерялась силиконовым фотодиодом с активной площадью

мм

, и сигнал подавался на осциллограф и сохранялся затем в цифровом

виде. Оба зеркала были закреплены на направляющей платформе, таким

образом, чтобы каждое могло вращаться относительно двух перпенди"

кулярных осей под прямым углом к оси интерферометра. Верхняя платформа

регулировалась вручную при снятой прозрачной оболочке камеры давления, в

то время как положение нижней платформы контролировалось двумя

миниатюрными двигателями. Эти двигатели использовались для

регулирования положения зеркала после сборки камеры давления и создания

Методы измерения деформаций и напряжений

569

бокового давления. Верхнее зеркало было прикреплено к направляющей

платформе через одноосный пьезоэлектрический привод. Привод, который

имеет диапазон 5 μm и разрешение 0,007 μm, позволяет в процессе испытания

изменять расстояние между зеркалами в любое время. Используя технику

интерполяции, можно получить разрешение, соответствующее одному бит

информации порядка 0,0006 μm. Для базы длиной 72 мм это дает разрешение

деформации около

−

810 %

, что значительно лучше по сравнению с

возможностями других типов датчиков.

14.6. Измерения с использованием пьезокерамических

датчиков

Главным ограничением при исследовании деформационного поведения

образцов грунта является разрешение и устойчивость измерительной

системы. При статическом нагружении в стабилометрах (диаметр образца 38

мм) и приборах кручения Imperial College, University of London (Nishimura,

2005)

точность измерения осевой деформации составляет около

−

510

, а

реальное значение упругого модуля можно получить только при меньшей

деформации (

−

ε< ×

510

). Если диаметр образца составляет 100 мм, в камерах

давления точность измерения осевой и радиальной деформации составляет

около

−

510

−

710

, соответственно. Реальные значения модуля упругости

удается получить при деформации

−

ε>×

110

. Объединяя проведение стати"

ческих испытаний с измерением скорости прохождения поперечной волны в

этих приборах, можно получить пять упругих параметров анизотропного

материала, таких, как

,,,

vhhhvh

EEv

Основываясь на гипотезе, что поведение многих грунтовых отложений

при небольших деформациях (менее 10

) может быть хорошо аппрокси"

мировано упругой поперечно"анизотропной моделью с осевой симметрией,

многие исследователи определяют ряд ее независимых параметров с ис"

пользованием волны, проходящей сквозь грунт, по крайней мере, по направ"

лению двух главных напряжений (в осевом и радиальном направлении). В

первых исследованиях Lee and Stokoe (1986); Stokoe et al. (1985, 1991, 1995)

испытывали большие образцы грунта в стабилометрах. Bellotti et al. (1996),

Fioravante et al. (1998)

регистрировали волны, проходящие сквозь образец, с

использованием ориентированных геофонов, вставленных внутрь образца.

Сравнительно недавно, после широкого обсуждения, стали применять

пьезокерамические датчики для определения анизотропных упругих свойств,

создавая вертикальную и горизонтальную волны сдвига в образце грунта

(Dyvik and Madschus, 1985; Brignoli and Gotti, 1992; Lo Presti et al., 1995;

Глава 14

570

Viggiani and Atkinson, 1995; Brignoli et al., 1996; Jovicic et al., 1996; Pennington et

al., 1997; Kuwano et al., 1999; Nash et al., 1999

и др.).

(а)

(б)

Рис. 14.43. Испытания грунта с использованием пьезокерамических датчиков

(www.ngi.no) (Dyvik, 1985):

а – схема испытаний; б – схема размещения датчика;1 – элемент, генерирующий упругую

волну; 2 – элемент, принимающий упругую волну; 3 – штамп; 4 – образец; 5 – волна

сдвига; 6 – основание; 7 – генератор; 8 – осциллограф; 9 – генерируемый сигнал; 10 – по"

лучаемый сигнал; 11 – керамический фильтр; 12 – пьезокерамический элемент; 13 – эпок"

сидная смола; 14 – силиконовая резина; 15 – основание; 16 – отверстие для проводников

Соотношение между скоростью сейсмической волны и модулем сдвига

основано на предположении, что грунт является изотропной упругой средой,

и имеет вид

, (14.11)

где

– плотность среды;

– скорость волны сдвига.

Этот модуль определяется обычно деформацией сдвига, не превышающей

0,001 %.

Ряд производителей геотехнического оборудования (www.ngi.no)

выпускают приборы трехосного сжатия, одометры и приборы прямого среза,

предусматривающие использование пьезокерамических датчиков для

измерения скорости прохождения волны сдвига.

Пьезокерамические датчики располагаются в нижней и верхней частях

образца грунта. Нижний датчик – обычно в основании прибора, а верхний –

в нагрузочном штампе (рис. 14.43, а, б).

В процессе опыта измеряется время прохождения волны сдвига от верха

образца до его основания с помощью осциллографа или компьютера (см.рис.

14.43,

а).