Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов
Подождите немного. Документ загружается.
Исследования поведения грунта на границе «грунт – конструкция»
481
Этот тип приборов имеет следующие ограничения для проведения
интерфейсных исследований: 1) неоднородное распределение напряжений на
границе; 2) сложная подготовка образцов; 3) ограниченное значение
горизонтального перемещения, которое не превышает 25 мм.
Приборы кольцевого среза. В этих приборах устранено возникновение
концентрации напряжений на торцах образцов. Обзор первых приборов
кольцевого среза был выполнен Bishop et al. (1971). Эти приборы могут быть
классифицированы на три типа, в зависимости от формы поверхности сдвига.
От приборов первого типа, с полной круговой поверхностью сдвига, в
дальнейшем отказались вследствие неоднородности деформаций. По всей
видимости, первым, кто предложил испытания с цилиндрическими
образцами, был Hvorslev (1939), а конструкцию, известную как ICNGI тип, и
метод испытаний разработали Bishop et al. (1971), и Bromhead (1979). Оба
были использованы для исследования поверхности стыка разных материалов
(Stark and Pe
оppel, 1994; Negussey et al., 1988). Прибор кольцевого среза с
тонкими металлическими плитами был разработан Yoshimi and OhOka (1973)
и применен (Yoshimi and Kishida, 1981) для оценки трения между грунтом и
поверхностью стали. Huck and Saxena (1981) использовали прибор кольцевого
среза с мембранами для испытания поверхности стыка грунт – бетон.
С целью устранения ограничений, отмечаемых у стандартных приборов,
были разработаны конструкции специальных устройств. Brummund and
Leonards (1973)
предложили устройство, в котором цилиндрический образец
из материала конструкции размещался внутри песка. В течение испытания
образец конструкции вытаскивался из песка вдоль своей оси вплоть до срыва
при постоянном всестороннем давлении на границе массива песка. Это
устройство позволяет моделировать поведение свай в грунте. При
использовании этого устройства подготовка грунта и контроль нормальных
напряжений на поверхности стыка являются сложными и зависят от
жесткости образца конструкции и песка.
Прибор цилиндрического среза. В этом устройстве сдвиг создается
вращением центрального цилиндра относительно неподвижного цилин
дрического образца грунта с размерами: внутренний радиус 100 мм, внешний
радиус 200 мм и высота 100 мм. Образец ограничен: снизу – стеклянной
плитой, сверху – плитой из алюминиевого сплава, с внутренней стороны
центральным цилиндром и с внешней – мембраной из неопрена (рис. 11.2).
Радиальные напряжения создаются на внешней стороне давлением воды, а
вертикальные напряжения – с помощью трех домкратов. Герметичность
соединения между центральным цилиндром и верхней и нижней плитами
достигается за счет введения двух колец из неопрена. Трение в результате
уплотнения не превышает касательного напряжения, равного 8 кПа.
Глава 11
482
Рис. 11.2. Схема рабочей камеры прибора цилиндрического среза
(Corfdir et al., 2004):
1 – гидроцилиндр; 2 – крутящий момент; 3 – стальной вращающийся цилиндр;
4 – уплотнительные кольца из неопрена; 5 – поверхность стыка «грунт – конструкция»;
6 – верхняя плита из сплава алюминия; 7 – стальная стойка; 8 – оболочка камеры
давления, выполненная из сплава алюминия; 9 – нагрузочный штамп; 10 – оболочка из
неопрена; 11 – боковое давление; 12 – нижняя плита из стекла; 13 – вкладыш из сплава
алюминия; 14 – основание; 15 – образец грунта; 16 – вода
Подобно приборам кольцевого среза прибор цилиндрического среза не
имеет концевых эффектов, т.е. отсутствует трение между торцами образца
грунта и верхней или нижней плитой, так как нормальное давление в
процессе опыта не изменяется. Это очень важно, так как угол трения может
значительно изменяться между задней и передней частями поверхности
стыка. Все точки поверхности стыка подвергаются одному и тому же
перемещению центрального цилиндра, что является преимуществом прибора
цилиндрического среза по сравнению с прибором кольцевого среза. Герме
тичность камеры прибора позволяет проводить статические или циклические
недренированные испытания с большими значениями перемещения (до 2 м)
без потери грунта (высыпание из камеры).
Главным недостатком прибора является то, что нормальные напряжения
на поверхности сдвига не могут непосредственно контролироваться. В те
чение сдвига поле напряжений неоднородно, в частности касательные напря
жения уменьшаются пропорционально квадрату радиуса от плоскости стыка.
Измерение бокового давления, нормальных напряжений на стенке централь
ного цилиндра, крутящего момента, вертикальной деформации, поворота
цилиндра выполняется датчиками, которые показаны на рис. 11.3. Для
наблюдения характера деформации образца в нижней части камеры введено
окно, через которое с помощью цифровой камеры выполняется съемка полос
сдвига. Поверхность металлического цилиндра может быть гладкой или
шероховатой, что зависит от решаемой задачи.
Исследования поведения грунта на границе «грунт – конструкция»
483
Рис. 11.3. Датчики в приборе цилиндрического среза (Corfdir et al., 2004):
1 – гидроцилиндр; 2 – датчик перемещения LVDT; 3 – оптический энкодер (encoder);
4 – датчик полных напряжений; 5 – датчик крутящего момента; 6 – редуктор; 7 –
асинхронный двигатель; 8 – зеркало; 9 – окно; 10, 11, 12 – контроллеры осевого усилия,
давления в камере и изменения объема соответственно; 13 – источник переменного тока
Датчики через интерфейс RS 232 соединены с компьютером, который
выполняет сбор и обработку данных измерений (рис. 11.4).
Рис. 11.4. Схема управления прибором (Corfdir et al., 2004):
1 – три цифровых контроллера давления, объема, усилия; 2 – пять датчиков полного дав
ления в стенке центрального цилиндра; 3 – три датчика LVDT; 4 – датчик крутящего
момента; 5 – два датчика давления; 6 – мотор; 7 – оптический энкодер; 8,9 – источник
питания и усилитель сигналов; 10 – источник питания переменного тока; 11 – выбор
направления вращения; 12 – TTLконвертер; 13 – мультиметр; 14 – плата сбора данных;
15 – аналоговый вход; 16 – аналоговый выход; 17 – TTLвыход; 18 – персональный
компьютер
Глава 11
484
На рис. 11.5, 11.6 приведены данные, показывающие зависимость каса
тельного и нормального напряжений от тангенциального перемещения. В
опытах был отмечен рост нормальных напряжений перед пиком прочности
изза дилатансии песка.
Рис. 11.5. Изменение касательного напряжения на поверхности сдвига
()τ
, бокового
давления
3
()σ
, среднего измеренного нормального напряжения
()
n
σ
в процессе сдвига
при постоянном объеме (гладкая поверхность, песок,
начальное
3
400σ=
кПа) (Corfdir et al., 2004)
(а) (б)
Рис. 11.6. Изменение касательного напряжения
τ и объема в течение сдвига (шероховатая
поверхность, песок, постоянное
3
400σ= кПа, нет вертикальной деформации)
(Corfdir et al., 2004):
а – малые перемещения; б – большие перемещения
Исследования поведения грунта на границе «грунт – конструкция»
485
В работе Miller and Hamid (2004) приведена конструкция прибора, который
был разработан с целью исследования взаимодействия не полностью водонасы
щенных грунтов с материалом ограждающей конструкции. Известно влияние
эффекта всасывания на поведение не полностью водонасыщенных грунтов
(Burland and Ridley, 1996; Fredlund and Rahardjo, 1993),
которые залегают, как
правило, в сухих климатических районах. Кроме того, большинство искус
ственных насыпей или дамб выполняется из уплотненного грунта при оптималь
ной влажности, которая значительно меньше влажности грунта при полном
водонасыщении, и, следовательно, при эксплуатации насыпей и дамб возможно
изменение прочности грунта при его увлажнении. Другим примером, когда
необходимо учитывать взаимодействие не полностью водонасыщенного грунта с
инженерной конструкцией, является оценка несущей способности свай. При
нагружении свай в не полностью водонасыщенных грунтах на ее поверхности
выше уровня грунтовых вод, силы трения между материалом сваи и окружающим
грунтом будут зависеть от степени водонасыщения грунта. При проектировании
принимают значения сил трения как для сухого или полностью водонасы
щенного грунта. Влияние эффекта всасывания на прочность грунта не учиты
вается. Прибор, который позволяет проводить интерфейсные испытания, не пол
ностью водонасыщенного грунта и материала конструкции с учетом изменения
давления воздуха и воды в поровом пространстве, показан на рис. 11.7.
Рис. 11.7. Схема прибора конструкции Miller and Hamid (2004):
1 – болты; 2 – вход воздуха; 3 – верхний стальной штамп; 4 – стяжной винт; 5, 14 –
дренажная трубка; 6, 11, 15 – тефлоновые уплотнительные кольца; 7 – к горизонтальному
приводу и датчику перемещения LVDT; 8 – кольцо под образец материала; 9 –
нагрузочный шток; 10 – выход воздуха; 12 – пористый диск с высокой проницаемостью
воздуха; 13 – камера давления; 16 – к датчику силы горизонтальной нагрузки; 17 – срезная
каретка; 18 – внутренний датчик силы
Глава 11
486
Для нагружения вертикальной и горизонтальной нагрузкой применяется
стандартный прибор прямого среза, выпускаемый фирмой «Geocomp
Corporation» (www.geocom.com).
В этом приборе используется автома
тическая прямая и обратная связь при контроле вертикальной и гори
зонтальной нагрузок. Эти нагрузки создаются шаговым двигателем. Базисное
устройство включает срезную каретку, два механизма нагружения, два
датчика перемещения, два микропроцессора для контроля вертикальной и
горизонтальной деформации и систему сбора информации с использованием
персонального компьютера. Miller and Hamid разместили срезную каретку в
герметичной камере, что позволяет создавать в ней необходимое давление
воздуха, которое измеряется с помощью системы контроля давления.
Поровое давление создается и контролируется дополнительным устройством
с точностью измерения давления ±1 кПа и изменения объема ±1 мм
3
.
487
Глава 12. ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ
12.1. Общие положения
В большинстве случаев прочность грунта, полученная при испытании на
растяжение, в расчетах оснований не учитывается, так как полагается, что она
имеет место только в связных грунтах и незначительна. Учет растягивающих
напряжений с использованием аналитических решений теории упругости
также ограничен, так как строгие решения в основном были получены для
определенного класса задач при действии сжимающих напряжений. Однако с
развитием численных методов расчета стало возможным решать задачи с
учетом возникновения и развития разрывов в грунтах и скальных породах.
Испытания природных грунтов, в особенности геоматериалов, на рас
тяжение выполняются для определения предела прочности и показателей
деформируемости с целью последующего использования при проектирова
нии различных инженерных сооружений. Уплотняемые слои грунта при
возведении дамб, насыпей, плотин испытывают растяжение с образованием
трещин. В глинистых основаниях анкерных фундаментов при их нагружении
возникают не только зоны сдвига, но и трещины в пределах этих зон
деформации. В последние годы широко применяется метод стабилизации
грунтов введением в него цемента. В результате повышается не только проч
ность природного грунта при сжатии, но и предел прочности при растяжении.
Первые испытания грунтов на растяжение были выполнены рядом
исследователей: Bishop and Garga (1969); Snyder and Miller (1985); Alonso et al.
(1990); Delage and Graham (1995); Tang et al. (1999) –
за рубежом и З.Г. Тер
Мартиросяном и др. (1970) в России.
Принято разделять методы испытаний на растяжение на прямые (Leavell
and Peters, 1987; Wallace, 1998; Hannant et al., 1999; Tang and Graham, 2000)
и
косвенные (Бразильский метод испытаний, испытание на изгиб призм и т.д.).
При косвенных методах образец раскалывается при действии сосре
доточенной или погонной сжимающей нагрузки. Предполагается, что в
плоскости разрушения возникают однородные растягивающие напряжения.
Как правило, эти методы в большей степени подходят для испытания упругих
и хрупких материалов и в меньшей степени – для испытаний пластичных ма
териалов. Поэтому их рекомендуется использовать для испытаний на растя
жение скальных пород и бетонов.
Прямые методы испытаний более предпочтительны, так как они по
казывают результаты, совпадающие с результатаими испытаний в полевых
условиях. Tang and Graham (2000) разработали прямой метод испытаний
частично водонасыщенных грунтов. Особенность данного метода заключа
Глава 12
488
ется в том, что он позволяет измерить прочность на растяжение поперек
направления сжатия, что моделирует полевые условия более близко.
Tang and Graham
провели опыты с образцами диаметром 50 мм и длиной 100
мм, использовать стандартное устройство силового нагружения с заданной
скоростью деформации (рис. 12.1, а) и форму (рис. 12.1, б). Форма состоит из
двух частей, нижняя закреплена неподвижно на основании устройства
нагружения, а к верхней приложено растягивающее усилие. Образец
приклеен к форме эпоксидным клеем. Зазор между частями формы принят
равным 6 мм. Образцы были изготовлены из смеси песка и бентонита
(
230 250%
L
w =−
, 200
p
I = ) с выдержкой в течение трех суток и получены при
трех уровнях давления всасывания: 1) 4 МПа, возникающем при обычном
процессе уплотнения грунта; 2) 6,5 МПа, созданном путем высушивания
уплотненных образцов в сушильной камере с контролем давления пара и 3) 10
МПа – после дальнейшего высушивания. Всасывание оценивалось по харак
теристической кривой влажности (SWCC), которая была измерена в
отдельной серии испытаний (Tang et al., 1988).
(а)
Данные испытаний, приведенные на рис. 12.2, показывают, что с воз
растанием всасывания прочность и жесткость материала увеличиваются.
Несмотря на заметные перемещения, возникающие перед разрушением,
кривые показывают хрупкую природу разрушения.
Рис. 12.1. Форма с образцом (а) и
устройство нагружения (б) (Tang
and Graham, 2000):
1 – датчик силы; 2 – цифровой
индикатор перемещения; 3 – обра
зец; 4 – форма
(б)
Испытания на растяжение
489
Рис. 12.2. Зависимость усилия растяжения от перемещения при различном давлении
всасывания (Tang and Graham, 2000)
Hannant et al. (1999) разработали прямой метод испытаний на растяжение
семисуточного бетона. Другой метод не может быть использован для испы
тания очень слабых материалов, так как их необходимо поддерживать, чтобы
они сохраняли свою форму. В методе Hannant et al. (1999) используется форма
из двух раздельных частей, в которой формируется бетон с введением
воздушной подушки для исключения трения между основанием и образцом.
Этот метод был модифицирован позднее Nahlawi et al. (2004) для испытания
как слабых, так и закрепленных цементом грунтов и скальных пород. Метод
позволяет провести испытания материала поперек направления сжатия или
отложения.
Форма, в которую помещается грунт, состоит из двух частей размером
100×100×100
мм, одна из которых опирается на плиту с подшипниками (рис.
12.3).
В боковых стенках формы имеются зубья размером 15×15×15 мм,
реализующие зацепление с образцом материала. При формировании образца
между двумя половинками формы вводится удаляемый вкладыш, который
уменьшает сечение в центре на 15 мм с обеих сторон образца. Образуется
шейка сечением 100×70 мм и длиной 19 мм. Одна половина формы неподвиж
на, а вторая имеет возможность горизонтально смещаться на подшипниках.
Усилие растяжения измеряется датчиком силы, а перемещение –
датчиком LVDT. Коэффициент трения между движущейся половинкой
формы и опорной плитой не превышает 0,007.
Испытания проводятся при постоянной скорости. Скорость деформации
растяжения зависит от жесткости материала.
На рис. 12.4 показана зависимость растягивающих напряжений от де
формации. Напряжения вычислялись делением растягивающего усилия на
площадь центральной части образца (шейка 100×70 мм), а деформация –
делением перемещения на длину шейки (19 мм). Как видно из рис. 12.4, на
Глава 12
490
чальный модуль упругости, как и значение пиковой прочности, уменьшается
с ростом влажности.
Рис. 12.3. Схематический чертеж устройства прямого растяжения
(Nahlawi et al., 2004):
1 – неподвижная часть формы; 2 – датчик перемещения LVDT; 3 – снимаемая плита; 4 –
подвижная часть формы; 5 – датчик силы; 6 – мотор; 7 – пластинчатый подшипник; 8 –
основание
Рис. 12.4. Зависимость растягивающего напряжения
от деформации растяжения для глины (Nahlawi et al., 2004)
Опыты показывают, что прочность растяжения
t
σ возрастает с умень
шением влажности, в то время как деформация растяжения
f
ε
при разруше
нии уменьшается с ростом влажности (рис. 12.5).