Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания грунта на кручение

431

наведенным в металлическом штампе. Выходное напряжение и величина

зазора имеют линейную зависимость в диапазоне до ±2 мм. Этот датчик не

может быть погружен в воду, так как его электрические соединения не

герметичны. Поэтому уровень воды в камере прибора должен быть ниже

места расположения датчиков перемещения. В качестве цели для бескон

тактного датчика используется кулачок (рис. 9.9), две стороны которого в

плане сделаны в виде логарифмической спирали. Расстояние между стороной

кулачка и датчиком пропорционально вращению последнего. Так как кулачок

жестко связан с верхним штампом, то имеется линейная зависимость между

вращением верха образца и положением бесконтактного датчика.

Рис. 9.9. Измерение вращения (а) и перемещения (б) нагрузочного штампа

с использованием бесконтактных датчиков (Nishimura, 2005)

В алгоритме управления с заданной скоростью деформации скорость

контролируемой девиаторной деформации определяется из выражения

222

12 23 31

()()()

⎡

⎤

ε= ε−ε +ε−ε +ε−ε

⎣

⎦

. (9.1)

Осредненное значение

ε , определяемое из последовательных считыва

ний показаний датчиков (считывание осуществлялось каждые 0,3 с с ис

пользованием низкочастотного фильтра), обозначено как

ε . Нагружение

выполнялось после каждых десяти считываний с направлением и величиной,

основанной на абсолютном значении

ε , значении ее приращения



и це

левого значения

ε . Значение

ε вычислялось умножением заданной скорос

ти деформации на время деформации, если необходима постоянная скорость

деформации. В алгоритм включено четыре порога деформации (см. рис. 9.8)

для изменения скорости нагружения. Если значение

ddt

ε−ε находится внут

ри заданных пределов, то приращение нагрузки не требуется. В противном

случае прикладывается нагрузка, для того чтобы изменить

ε до желаемого

значения

. Размер приращения нагрузки определяется при проведении

опытных испытаний для каждой области между порогами. В порядке

Глава 9

432

минимизации флуктуации из переоценки или недооценки целевого значения,

приращение нагрузки не задается, если



является достаточно большим, даже

если

ε находится вне заданного порога деформации. Это показано в блок

схеме алгоритма, приведенной на рис. 9.8.

В приборе применена дополнительная процедура для учета различного

поведения пневмоцилиндра при нагружении и разгрузке (рис. 9.10). На рис.

9.10

показана зависимость между осевой нагрузкой и количеством импульсов,

поступивших на шаговый двигатель. Зависимость имеет гистерезис, и, что

более важно, нагрузка продолжает увеличиваться в предыдущем направлении

даже после обратного хода (от точки А к В и А′ к B′). Это обстоятельство может

вызвать разрушение образца вблизи пика напряжений. Для исключения

нежелаемого возрастания нагрузки в начале обратного цикла вводится

дополнительное количество импульсов. Этот прием дает эффективный

результат (рис. 9.11).

(а) (б)

Рис. 9.10. Различное поведение пневмоцилиндра при нагружении (а)

и разгрузке (б) (Nishimura, 2005)

Испытания грунта на кручение

433

Рис. 9.11. Пример контроля постоянной скорости деформации ( 0, 0,5b

α= = )

(Nishimura, 2005)

Испытания с вращением главных напряжений можно выполнить, используя

приборы, в которых одновременно с нормальной нагрузкой на торце полого

цилиндрического образца создается кручение. На рис. 9.12 показана кон

струкция подобного прибора (Nakata, 1998). Образец грунта в виде цилиндра

имеет высоту 200 мм, внешний диаметр 100 мм и внутренний диаметр 60 мм.

В опытах изменяются крутящий момент Т, осевая нагрузка W, внутреннее

давление

, внешнее давление

и обратное давление внутри образца.

Эти величины контролируются и записываются компьютером. Направ

ление и скорость приложения крутящего момента (касательной нагрузки) оп

ределяются шаговым двигателем, в то время как осевая нагрузка, внешнее и

внутреннее давление управляются с использованием электропневматических

преобразователей с разрешением 1 кПа. Девять параметров: крутящий

момент Т, осевая нагрузка W, давление внутри полого образца

, внешнее

давление

, поровое давление u , осевая деформация

ε , тангенциальная де

формация

, изменение объема образца dV , изменение объема полости

dV – независимо управляются компьютером с использованием аналого

цифрового преобразователя.

В работе авторов (Chaudhary et al., 2004) приводится описание двух систем

для испытания полых образцов на кручение и сплошных образцов в условиях

трехосного сжатия. Системы были разработаны с целью определения

параметров деформируемости для анизотропной модели грунта.

Глава 9

434

Рис. 9.12. Стенд для испытания полых образцов грунта на кручение (Nakata, 1998):

1 – цилиндр двойного действия; 2 – датчик осевого перемещения; 3 – система контроля

вращением; 4 – линейный подшипник; 5 – потенциометр; 6 – датчик контроля внешнего

давления (р

); 7а – контроль осевого давления; 7б – регулятор постоянного давления

воздуха; 8 – муфта; 9 – нагрузочный шток; 10 – контроль внешнего давления; 11 – датчик

силы; 12 – датчик крутящего момента; 13 – пористый металлический фильтр; 14 – полый

цилиндрический образец грунта; 15 – обратное давление; 16 – контроль внутреннего

давления; 17 – датчик контроля внутреннего давления (р

); 18а, 19а – бюретки; 18б, 19б –

отсчетные трубки; 20 – датчик контроля порового давления; 21 – дифференциальный

датчик контроля изменения внешнего объема образца; 22 – дифференциальный датчик

контроля изменения внутреннего объема образца

Схематическая диаграмма системы для испытания полых цилиндрических

образцов, описанная в работе (Chaudhary et al., 2004), показана на рис. 9.13.

Образец имеет следующие размеры: высота – 200 мм; внутренний радиус 30

мм и внешний радиус 50 мм. Детали данной системы более подробно

рассмотрены в работе Nakamura et al. (1998). Все измерения и управление

выполняются компьютером через 16разрядный АЦП и ЦАП. Осевая нагруз

ка создается с помощью пневмоцилиндра двойного действия. Крутящий

момент контролируется по давлению масла с использованием устройства

гидравлического нагружения. Внутреннее и внешнее давление на образец

Испытания грунта на кручение

435

грунта создаются с помощью воздуха. Полость образца полностью заполня

ется дегазированной водой. Давление в камере с внешней стороны образца

создается воздухом, поступающим в воду, которая покрывает верхний штамп.

Осевая нагрузка и крутящий момент измеряются внутренними датчиками

силы, которые размещены выше нагрузочного штампа. Внутреннее и внеш

нее давления измеряются датчиками давления, расположенными в основании

рабочей камеры прибора.

Рис. 9.13. Схема системы для испытания полых образцов грунта

(Chaudhary et al., 2004):

1 – 16разрядный АЦП; 2 – компьютер; 3 – 16битный ЦАП; 4,6,7 – датчики давления;

5 – сервопривод; 8 – внешний датчик осевого перемещения

Глава 9

436

Среднее значение напряжений и соответствующие деформации рас

считывают с использованием выражений, которые приведены в табл. 9.5.

Тангенциальное

σ и радиальное

σ напряжения вычисляют исходя из

предположения, что наблюдается линейноупругое распределение напряже

ний поперек стенки образца, сделанное ранее (Hight et al. 1983, Saada, 1988).

Касательное напряжение

определяют, предполагая, что преобладает

линейноупругое и идеально пластическое поведение грунта (Iwasaki et al.,

1978).

Малые значения вертикального перемещения hΔ и касательное

перемещение

измеряются бесконтактным датчиком на верхнем штампе.

Большие значения hΔ и θ – датчиком перемещения LVDT и потенци

ометрическим датчиком, соответственно, вне камеры прибора. Текущие

значения внутреннего и внешнего радиусов при проведении опытов

определяются по величине изменения объема образца. В опытах учитывается

также изменение объема вследствие деформации резиновой оболочки.

Точность и разрешение измерений приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Точность измерения напряжений

и деформаций с использованием измерительной системы

,кПа

σ ,кПа

,кПа

310

−

±⋅

810

−

±⋅

210

−

±⋅

710

−

±⋅

710

−

±⋅

810

−

±⋅

310

−

±⋅

410

−

±⋅

Схема измерительной системы для испытания сплошных цилиндрических

образцов грунта показана на рис. 9.14. Образец имеет высоту 150 мм и

диаметр 75 мм. Система работает в автоматическом режиме под управлением

компьютера. Осевая нагрузка управляется сервоприводом. Давление в камере

создается воздухом (камера заполнена водой до верха нагрузочного штампа) и

контролируется электроннопневматическим датчиком. Осевая нагрузка

определяется внутренним датчиком силы, размещенным над верхним

штампом. Осевая деформация измеряется локально на центральной части

образца двумя тензодатчиками деформации (LDT) и двумя датчиками

трансформаторного типа (LVDT), смонтированными на диаметрально про

тивоположных сторонах образца. Радиальная деформация определяется в

зависимости от изменения объема образца, которое измеряется автоматичес

ким устройством. Для измерения скорости волны сдвига в вертикальной и

горизонтальной плоскости одна пара пьезоэлектрических датчиков

устанавливаются в осевом направлении и две пары – в горизонтальном

(

радиальном) направлении, как показано на рис. 9.15. Точность измерений

напряжений и деформаций приведена в табл. 9.2.

Испытания грунта на кручение

437

Рис. 9.14. Схема системы для трехосных испытаний образцов грунта

(Chaudhary et al., 2004):

1 – дифференциальный датчик давления; 2 – устройство измерения изменения объема; 3 –

датчик силы; 4 – внутренний датчик вертикального перемещения LVDT; 5 – внешний

датчик вертикального перемещения LVDT; 6 – внутренний тензометрический датчик

вертикального перемещения; 7, 8,9 – пьезоэлектрические датчики; 10 – генератор

импульсов; 11 – осциллограф; 12 – 16разрядный АЦП; 13 – датчик давления; 14 –

12битный ЦАП

Таблица 9.2

Точность измерения напряжений и деформаций

с помощью измерительной системы

, кПа

σ , кПа

1, в неш

1,LVDT

1,LDT

1, 3 5 1 0

−

±⋅ 1, 0±

1, 5 1 0

−

±⋅

5, 09 10

−

±⋅

1,14 10

−

±⋅

6,08 10

−

±⋅

Рис. 9.15. Расположение

пьезоэлектрических датчиков

на образце грунта

(Chaudhary et al., 2004):

S – волна сдвига (первый подстрочный

индекс обозначает направление распро

странения волны; второй подстрочный

индекс – направление поляризации);

Т – источник; R – приемник

Глава 9

438

В статье Silvestri et al. (2005) приведены результаты исследования тон

костенного цилиндрического образца глинистого водонасыщенного грунта

при расширении. Для этой цели был разработан новый прибор, схема

которого показана на рис. 9.16.

(а)

(б) (в)

Рис. 9.16. Схема испытательной системы (а), камеры (б) и образец грунта

в верхнем и нижнем штампах (в) (Silvestri et al., 2005):

1 – регулировочный винт; 2 – цилиндр из оргстекла; 3 – образец грунта; 4 – пневмоци

линдр с чулочной мембраной; 5 – линейный подшипник; 6 – основание; 7 – насадка;

8 – штамп; 9,14 – датчик порового давления; 10 – образец грунта; 11 – полый винт; 12 –

резиновый ограничитель; 13 – пористый камень; 15, 16 – резиновая оболочка; 17 –

нижний штамп

Испытания грунта на кручение

439

Персональный компьютер связан с гидравлической трехосной камерой и

полым образцом грунта через семь управляемых микропроцессором гидравли

ческих устройств, называемых цифровыми контроллерами давления (Menzies,

1984, 1988; Sheahan et al., 1990; GDS, 2002) (

рис. 9.16). Эти контроллеры точно

регулируют и измеряют давление и изменение объема дегазированной воды,

подаваемой в цилиндр прибора для создания осевой нагрузки или определения

радиальной деформации по величине изменения объема образца, внешнее и

внутреннее давление в образце, обратное давление и поровое давление в трех

различных местах. Система также измеряет осевую деформацию косвенным

методом по изменению объема внутри нижней камеры или непосредственно с

помощью цифрового датчика перемещений. Поровое давление может быть

измерено цифровым контроллером или датчиками давления. Цифровые

контроллеры, датчики порового давления и датчик осевой деформации связаны

через стандартный параллельный интерфейс IEEE 488 с компьютером.

Рис. 9.17. Устройство управления гидравлическим нагружением (Menzies 1980):

1 – плата цифрового контроля; 2 – шаговый двигатель и редуктор; 3 – подшипник; 4 –

цилиндр давления; 5 – от источника давления; 6 – датчик давления

Принцип работы цифрового контроллера показан на рис. 9.17. Дегази

рованная вода в цилиндре сжимается поршнем, который соединен червячной

передачей с шаговым двигателем. Перемещение поршня измеряется

датчиком типа LVDT, а давление в воде – датчиком давления. В данных

опытах применялся цифровой контроллер с максимальным изменением

объема 1000 мм

при диапазоне давления 02000 кПа. Точность измерения

давления – 0,2 кПа и объема – 0,5 мм

Рабочая камера системы представляет собой модифицированную версию

гидравлической трехосной камеры давления Bishop and Wesley (1975) для

испытания образцов диаметром 100 мм. Модификацию произвели, изменив

конструкцию верхнего и нижнего шампов так, чтобы в них входила часть

цилиндрического образца (рис. 9.16, в). Дополнительно были введены три

игольчатых датчика (тефлоновая трубка диаметром 0,7 мм) порового давления

в различных местах образца грунта.

Глава 9

440

В университетe гражданского строитель

ства города Дублина (Ирландия) разработана

конструкция прибора, которая облегчает

исследование напряженнодеформирован

ного состояния грунтов в широком диапазоне

деформаций (O`Kelly et al., 2005). Инновация

конструкции заключается в возможности

точного контроля создаваемых траекторий

напряжений как в малом, так и в большом

диапазоне деформаций.

Камера давления смонтирована на столе

(

рис. 9.18), механизмы осевого нагружения и

вращения (рис. 9.19) – на раме стола под

рабочей камерой. Датчики осевой нагрузки,

крутящего момента, давления и перемещения

расположены вне и внутри камеры давления.

Новый прибор получился более компактным,

в отличие от традиционных приборов.

Образец грунта подготавливается проще, а

камера легко собирается.

Торцы полого цилиндрического образца

контактируют с кольцевыми нагрузочными

плитами, а сам он размещается внутри акри

лового цилиндра, который имеет диаметр 340

мм и высоту 600 мм. Внутренняя полость

образца и его внешняя поверхность герме

тично разделены двумя резиновыми оболоч

ками. Гидростатическое боковое давление

прикладывается через резиновые оболочки к

внешней и внутренней сторонам полого

образца грунта. Осевая нагрузка и крутящий

момент создаются в основании образца

посредством штампа, в то время как верхний конец образца неподвижен.

Нижний подвижный кольцевой штамп выполнен из бронзы с отверстиями

для дренажа и имеет 8 пластин высотой 1,5 мм, прикрепленных радиально к

верху штампа для лучшей передачи крутящего момента на образец грунта.

Стойки, воспринимающие реакцию осевой нагрузки, расположены внутри

акриловой камеры и соединены со столом рамы.

Особенностью прибора является использование механизма для создания

осевого усилия и крутящего момента. Механизм нагружения (рис. 9.19)

состоит из двух частей для создания линейного перемещения и вращения

(

производство THK Co.Ltd., Japan), реакция от которых воспринимается рамой.

Рис. 9.18. Схема прибора

конструкции O`Kelly et al.(2005):

1 – датчик крутящего усилия;

2 – верхний штамп; 3 – образец грун

та; 4 – нижний штамп; 5 – плунжер;

6 – опорная рама; 7 – механизм

осевого нагружения и вращения;

8 – камера давления; 9 – внешняя

камера давления; 10 – внутренняя

камера давления; 11 – опорная

стойка; 12 – стол; 13 – энкодер вра

щения; 14 – два датчика осевого

перемещения