Скачать 181.67 Kb.
|
Определение деформационных характеристик грунтов различными методами Болдырев Г.Г., Арефьев Д.В., Гордеев А.В. ООО «НПП Геотек» Определение деформационных характеристик грунтов, а именно модулей деформации ![]() ![]() В приборе трехосного сжатия (стабилометр) можно определить не только модули деформации, коэффициент Пуассона, давление предварительного уплотнения, но и коэффициент бокового давления. В связи с тем, что приборы трехосного сжатия значительно дороже, то для определения коэффициента бокового давления стали использовать одометры с гибкими или жесткими границами на боковой поверхности образца грунта. Фактически испытания в стабилометре по схеме ![]()
В 1985 году Dyvik et al. предложили конструкцию одометра с гибкой границей и измерением бокового давления. Схема одометра приведена на рис. 1. В центральной части жесткого кольца находится тефлоновая мембрана. За этой мембраной расположена кольцевая камера по периметру образца, которая заполнена дегазированной водой. Горизонтальное давление в камере измеряется тензометрическим датчиком давления. Конструкция подобного одометра, но с жесткой границей и измерением бокового давления, была разработана в МИСИ им. В.В.Куйбышева (сегодня МГСУ) в 1986 году в лаборатории В.Ф.Сидорчука показана на рис. 2. В отличие от известных конструкций одометра в одометре МИСИ применены жесткие датчики давления (месдозы, Баранов Д.С., 1971) с гидравлическим ![]() ![]() (а) (б) Рис. 2. Одометр конструкции МИСИ (а) и компрессионный прибор конструкции ООО «НПП Геотек» (б) (www.geoteck.ru): 1 – пружина; 2 – верхний штамп; 3 – фильтр; 4 - датчик силы; 5 – образец грунта; 6 – нижний штамп; 7 – датчик порового давления усилителем. Это практически исключает податливость самих датчиков, что позволяет измерять боковое давление при отсутствии смещения вертикальной границы. Два датчика встроены в боковую поверхность жесткой обоймы, в которую помещается образец грунта. Образец грунта имеет высоту 50 мм. Осевая нагрузка прикладывается с двух торцов образца, что снижает влияние сил трения между образцом и боковой поверхностью жесткой цилиндрической обоймы. Одометр имеет датчик порового давления, который расположен в центральной части нижнего штампа. В результате испытаний, приведенные в работе Жамбакиной З.М. (1989), было установлено, что с увеличением податливости (возможность боковых перемещений стенки прибора) уменьшается интенсивность приращения бокового давления при сжатии образца грунта. Так, испытания мелкого песка средней плотности ( ![]() ![]() Результаты испытаний в компрессионном приборе с измерением бокового давления и жесткими стенками были опубликованы ранее и их можно найти в статье Болдырева и Сидорчука (2003). Следует только отметить то, что в выполненных ранее опытах вертикальное давление на образец грунта создавалось ступенями с выдержкой до стабилизации деформаций по ГОСТ 12248-96. Метод компрессионного сжатия, приведенный в ГОСТ 12248-96, предусматривает только ступенчатое нагружение образцов грунта со стабилизацией деформаций во времени от 4 до 24 часов, в зависимости от вида грунта. В этом случае продолжительность испытаний одного образца глинистого грунта, например, мягкопластичной консистенции может составить до 3-4 суток. Известно также, что испытания в одометре при нагружении ступенями не подходят для искусственно упрочненных грунтов, так как их жесткость не только возрастает с нагрузкой, но также возрастает в процессе старения композитного материала, которым является упрочненный грунт. Когда испытываются упрочненные грунты эффект зависимости стабилизации от времени может изменять определяемые характеристики сжимаемости, в особенности если испытания продолжительны. Испытаниям с использованием ступенчатого нагружения присущи следующие недостатки.
так как при его определении используется метод подгонки данных испытаний к известному решению (методы «логрифм времени» и «корень квадратный из времени»). Испытания в стабилометре также занимают несколько суток или даже недель, так как каждое приращение нагрузки сохраняется постоянным до тех пор, пока поровое давление не стабилизируется или не будет достигнута заданная величина стабилизации деформации. Альтернативными испытаниями являются испытания с постоянной скоростью деформации (CRS), позволяющие оценить сжимаемость в зависимости от эффективных напряжений за более короткое время. Метод данных испытаний в одометрах с постоянной скоростью консолидации был предложен Smith and Wahls (1969) и позднее в модифицированном одометре Rowe Sheahan and Watters (1996). В этих опытах избыточное поровое давление допускается, но при условии, что оно небольшое или приращения нагрузки небольшие и вызывают только упругие деформации. Следует заметить, что испытания в действительности являются испытаниями с постоянной скоростью перемещения, так как высота образца не стандартизирована. Высота образца изменяется в течение опытов, но деформация выражается через начальную высоту, которая остается постоянной. Следовательно, постоянная скорость деформации является приемлимой только для одного образца. Скорость деформации должна быть медленной, такой чтобы поровое давление не влияло на результаты испытаний. CRS испытания являются стандартными испытаниями естественных грунтов в Швеции, Норвегии, Соединенных штатах (ASTM D 4186-97) и Франции. Hamilton and Crawford (1959) были первыми, кто описал CRS испытания, но Smith and Wahls (1969) первыми предложили методику интерпретации данных испытаний. Скорость деформации в испытаниях шаговым нагружением (ступенями) изменяется со временем, а скорость деформации в CRS испытаниях является постоянной и отличной от первой. Поэтому сопоставление результатов испытаний по двум методам следует проводить с осторожностью, только если скорость деформации одинакова. CRS испытания были вначале разработаны для определения параметров сжимаемости, но не параметров консолидации, зависящие от времени. Это было обусловлено тем, что параметры сжимаемости являются основными при расчете деформации оснований. Однако, в некоторых случаях, более важно определить не конечную осадку, а изменение осадки во времени (скорость осадки). В этом случае, оригинальную методику использовать нельзя, так как она основана на отсутствии избыточного порового давления. Сравнительно недавно, разработан анализ, способный учитывать некоторую величину избыточного порового давления (Lee and Sills 1979), поэтому сегодня можно определять параметры консолидации из CRS опытов. В испытаниях с постоянной скоростью нагружения, скорость деформации принимается и поддерживается постоянной в течение опыта. Эта скорость зависит главным образом от проницаемости и сжимаемости грунтов. В течение этих испытаний поровое давление изменяется в образце по параболической зависимости (рис. 3). Эта зависимость не постоянная, так как поровое давление возрастает в течение опыта до достижения максимума внешней нагрузки. Дренирование одностороннее, по направлению к поверхности образца. Поровое давление измеряется в нижней части образца. Решение данной задачи с вертикальным дренированием было получено Wissa et al. (1971). Ис- ![]() Рис. 3. Граничные условия в опытах с постоянной скоростью деформации пользуя теорию бесконечно малых деформаций с нелинейным поведением грунта Wissa et al. получили решение для среднего эффективного вертикального напряжения ![]() ![]() ![]() ![]() где: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Для условий горизонтального дренирования решение приведено в работе Yune et al. (2005) и получено в предположении деформации в вертикальном направлении, несжимаемости воды и твердых частиц грунта и полного водонасыщения грунта с использованием дифференциального уравнения консолидации с дренированием в горизонтальном направлении. Среднее эффективное вертикальное напряжение и коэффициент консолидации в горизонтальном направлении определяются из выражений: ![]() ![]() где: ![]() Если известна высота образца грунта Н, скорость деформации ![]() ![]() ![]() ![]() На рис. 4 приведены результаты испытаний выполненные Seah et al. (2003) для глины ненарушенной структуры. Опыты были выполнены с использованием стандартного метода испытаний (OED) и с контролем скорости деформации (CRS). В последнем случае опыты проводились с вертикальным (CRS-V) и горизонтальным (CRS-R) дренированием. Результаты двух различных методов компрессионных испытаний совпадают, причем совпадают и значения коэффициента консолидации, полученные путем вычислений с ![]() Рис. 4. Результаты испытаний в одометрах CRS-R, CRS-V и стандартном одометре OED (Seah et al. 2003) использованием функций ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() В 2009 году в ООО «НПП Геотек» была разработана конструкция компрессионного прибора с целью использования метода CRS для испытаний грунтов. Конструкция одометра и прибора показана на рис. 5. На рис. 6 приведена схема управления испытаниями в компрессионном приборе. ![]() ![]() (а) (б) Рис. 5. Одометр (а) и компрессионный прибор измерением боковых напряжений конструкции ООО «НПП Геотек» (б) (www.geoteck.ru) Компрессионный прибор состоит из следующих основных частей: нагрузочного устройства, одометра, блока обратного давления и блока управления. Нагрузочное устройство (рис. 5 б) включает основание 1 с шаговым двигателем 2, датчик силы 3, датчик осевого перемещения 4. ![]() Рис. 6. Схема управления компрессионными испытаниями Одометр (рис. 5 а) состоит из основания 1, датчика порового давления в центре основания 2, керамический фильтр 3, канал для создания обратного давления 4 и три несквозных цилиндрических отверстия 5 и штуцер 6. В отверстия 5 вставлены на пружинах 7 три подвижных штока 8 на, которые опирается перфорированная платформа 9. Рабочая камера выполнена из стальной или прозрачной оболочки 10 в боковую поверхность, которой встроен датчик давления 11, спускной кран 12, и штуцер 13. Цилиндрическая резиновая оболочка 14 закреплена на выступах 15 оболочки 10. Крышка 16 одометра включает полый поршень 17, керамический фильтр 18, стальное кольцо 19 с образцом грунта 20, трубопровод 21, уплотнительные кольца 22 и опорное кольцо 23. Основание 1, оболочка 10 и крышка 16 соединены тремя винтами 24. Блок обратного давления (рис. 6) состоит из резервуара 20, трубопроводов 13,14,15, штуцера 21, кранов 16,17,18,19, датчика давления 22 и кабеля подключения 24 к блоку электронной преобразующей аппаратуры (ЭПА). Блок управления компрессионным прибором (рис. 6) включает компьютер 12, интерфейс 11, блок ЭПА 10 для усиления и преобразования сигналов в цифровой вид с датчиков давления, силы и перемещения. В отличие от компрессионного прибора конструкции Сидорчука В.Ф (рис. 2 а) в предлагаемой конструкции используется гибкая граница в виде резиновой оболочки, а условия невозможности бокового расширения обеспечиваются несжимаемостью дегазированной жидкости в рабочей камере прибора. В этом есть преимущество и недостаток. Преимущество в том, что на границе между образцом грунта и резиновой оболочкой отсутствуют силы трения, недостаток в том, что жидкость имеет небольшую сжимаемость. ![]() ![]() Рис. 7. Стабилометр (а) и стандартный компрессионный прибор (б) конструкции ООО «НПП Геотек» (www.geoteck.ru) С целью сравнения различных методов определения модуля деформации в лаборатории ООО «НПП Геотек» была проведена серия опытов с образцами глины нарушенной структуры. Исследовались следующие методы: - метод компрессионного сжатия по ГОСТ 12248-96; - метод трехосного сжатия по ГОСТ 12248-96; - метод ASTM D 4186 в модифицированном компрессионном приборе; - метод релаксации напряжений. Физические характеристики образцов глины приведены в табл. 1. Водонасыщение образцов выполнялось в специальной камере методом вакуумирования до их размещения в приборах. Методику водонасыщения и оборудование можно найти на сайте www.geoteck.ru/. Опыты были выполнены в компрессионном приборе с измерением боковых напряжений с жесткими (рис. 2) и гибкими (рис. 5) границами, стабилометре (рис. 7 а) и стандартном компрессионном приборе (рис. 7 б). Табл. 1. Физические характеристики глины
Условия нагружения в стабилометере, стандартном компрессионном приборе и компрессионном приборе с измерением боковых напряжений и жесткой границей приняты по ГОСТ 12248-96, т.е. ступенями и до стабилизации деформаций. Испытания в модифицированном компрессионном приборе (рис. 5) выполнялись по стандарту ASTM D 4186 с измерением бокового давления и контролем коэффициента порового давления ![]() ![]() ![]() Выполненные ранее исследования (Smith and Wahls, 1969; Gorman et al., 1978) показывают, что контроль изменения порового давления при непрерывном нагружении практически невозможно использовать для оценки процесса стабилизации деформаций. Поэтому было предложено использовать (Smith and Wahls, 1969) коэффициент, который является отношением порового давления к полному напряжению ![]() Во всех опытах, наблюдается наибольшее значения коэффициента порового давления вначале нагружения, а затем он уменьшаются до значений ниже 0,06 для образцов с нарушенной структурой и ниже 0,35 с ненарушенной структурой. Значения коэффициента порового давления возрастают с ростом скорости деформации. CRS испытания даже в случаях, когда значение коэффициента порового давления выше предела в 50%, показывают хорошее совпадение в компрессионных кривых и ![]() ![]() Как видно из рис. 8 на графике зависимости изменения коэффициента порового давления с ростом вертикального давления имеется минимум, который соответствует величине давления предварительного уплотнения ![]() ![]() ![]() Рис. 8. Изменение коэффициента порового давления с ростом вертикального давления При проведении компрессионных испытаний методом релаксации напряжений была применена методика, приведенная в патенте Труфанова А.Н. (2006), разработанная в НИИОСП им. М.Н.Герсеванова. В этом методе грунт испытывают в режиме релаксации напряжений, а по конечным значениям напряжений и соответствующих деформаций образца при завершении каждой из ступеней строят компрессионную кривую. При этом после достижения заданной величины деформирования образца грунта на каждой ступени дополнительную осадку образца грунта ограничивают путем частичного сбрасывания нагрузки, приближая к условной стабилизации напряжений или деформаций образца. Результаты испытаний в условиях компрессионного сжатия различными методами приведены на рис. 9. В табл. 2 приведено сравнение значений модулей деформации, полученные в условиях компрессионного и трехосного сжатия. Как видно из табл. 2 продолжительность испытаний существенным образом зависит от выбранного метода испытаний. Компрессионные испытания методом CRS почти до 10 раз быстрее компрессионных испытаний по ГОСТ 12248-96. Значения компрессионного модуля деформации для принятых условий испытаний и глинистого грунта различаются незначительно. Модуль деформации, полученный из трехосных испытаний от 4,8 до 5,3 раз оказался более значений полученных в условиях компрессионного сжатия. Наибольшая продолжительность испытаний имеет место в случае испытаний в одометре с измерением боковых напряжений с жесткой границей. Это объ- ![]() Рис. 9. Сравнение различных методов компрессионных испытаний: 1 – одометр с измерением боковых напряжений и жесткой границей, ступенчатое нагружение ГОСТ 12248-96; 2 - одометр с измерением боковых напряжений, гибкой границей и непрерывным нагружением; 3 – стандартный одометр, ступенчатое нагружение ГОСТ 12248-96; 4 – одометр с релаксацией напряжений ясняется тем, что высота образца грунта в этом одометре равна 50 мм, а в других она стандартная и равна 25 мм. На рис. 9 также показано давление предварительного уплотнения, которое равно 68 кПа. Это давление определено с использованием стандартной процедуры, которая используется на практике, и была предложена ранее Каза- Табл. 2. Значения модулей деформации, полученные различными методами
гранде. Эта же характеристика может быть определена прямым способом используя результаты испытаний в компрессионном приборе с измерением бокового давления (рис. 10). Используя зависимость ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рис. 10. К определению давления предварительного уплотнения Как уже отмечалось ранее, применение одометра с измерением бокового давления позволяет определить также и коэффициент бокового давления, а затем и коэффициент Пуассона. Коэффициент бокового давления, ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы. 1. Компрессионный модуль деформации для исследованной разновидности глинистого грунта практически не зависит от способа силового нагружения и оказывается одинаковым при непрерывном нагружении, ступенчатом нагружении и в испытаниях с релаксацией вертикальных напряжений. 2. Продолжительность компрессионных испытаний глинистого грунта при непрерывном нагружении с контролем величины порового давления и в опытах с релаксацией вертикальных напряжений в 9-10 раз менее по сравнению с испытаниями ступенчатым нагружением по ГОСТ 12248-96. 3. Значения модуля деформации из трехосных испытаний в 4,8 – 5,2 раз более компрессионного модуля деформации. 4. Результаты испытаний в компрессионном приборе с измерением бокового давления зависят от жесткости границы на боковой поверхности образца грунта. 5. Величина давления предварительного уплотнения может быть найдена прямым способом из результатов испытаний в компрессионном приборе с измерением бокового давления или из испытаний при непрерывном нагружении вертикальным давлением. 6. Учитывая перспективность компрессионных испытаний как с непрерывным нагружением, так и с релаксацией вертикальных напряжений ООО «НПП Геотек» предлагает продолжить подобные исследования на других разновидностях глинистого грунта с ненарушенной структурой в других инженерно-геологических организациях России. Обобщение полученного опыта позволит разработать более совершенную методику определения деформационных характеристик грунтов. Литература 1. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М., 1997. 2. Медков Е.И. Практическое руководство к исследованию механических свойств грунтов с применением стабилометров типа М-2. М.-Л., Госэнергоиздат, 1959. с. 183. 3. Dyvik R., Laclasse S., Martin R. Coefficient of Lateral Stress from Oedometer Cell. Proceedings of the Eleventh International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, San Francisco, 1985, Vol. 2, pp. 1003-1006. 4. Баранов Д.С. Тензометрические приборы для исследования строительных конструкций. ЦНИИСК им В.А.Кучеренко, М., 1971. 5. Жамбакина З.М. Экспериментальное изучение связи коэффициента бокового давления с прочностными свойствами грунта. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., МИСИ, 1989. – 201 с. 6. Болдырев Г.Г., Сидорчук В.Ф. Определение механических свойств грунтов в компрессионном приборе с измерением боковых напряжений. Автоматизированные технологии изысканий и проектирование, 2003, № 9-10, стр. 69-71. 7. Smith, R. E., and Wahls, H. E. Consolidation under Constant Rates of Strain, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol 95, No. SM2, March 1969. 8. Shean T.C., Watters P.J. Using an Automated Rowe Cell for Constant Rate of Strain Consolidation Testing. Geotechnical Testing Journal, Vol. 19, No. 4, 1996, pp. 354-363. 9. ASTM D4186. Standard Test Method for One-Dimensional Consolidation Properties of Saturated Cohesive Soils Using Controlled-Strain Loading. 2006. 10. Hamilton J.J., Crawford C.B. Improved Determination of Preconsolidation Pressure of a Sensitive Clay, STP 254, ASTM, 1959, West Conshohocken, PA, pp. 254-270. 11. Lee K., Sills G. A Moving Boundary Approach to the Large Strain Consolidation of a Thin Soil Layer. Proceedings, 3rd International Conference Numerical Mhetods Geomechanics, 1979, pp. 16-17. 12. Wissa, A. E. Z., Christian, J. T., Davis, E. H., and Heiberg, S.,“ Consolidation at Constant Rate of Strain,” Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol 97, No. SM10, October 1971. 13. Yune C.-Y., Chung C.-K. Consolidation Test at Constant Rate of Strain for Radial Drainage. Geotechnical Testing Journal, Vol. 28, No. 1, 2005, pp. 71-78. 14. Seah H.T., Koslanant S. Anisotropic Consolidation Behavior of Soft Bangkok Clay. Geotechnical Testing Journal, Vol. 26, No. 3, 2003, pp. 266-276. 15.Gorman C.T., Hopkins T.C., Deen R.C., Drnevich V.P. Constant Rate of Strain and Controlled Gradient Consolidation Testing. Geotechnical Testing Journal, Vol. 1, No. 1, 1978, pp. 3-15. 16. Труфанов А.Н. Способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов» или метод релаксации напряжений Труфанова. Патент № 2272101, 2006. |
![]() | Лабораторная работа изучение метрологических характеристик и правил поверки деформационных приборов давления Цель работы: Ознакомление с классификацией метрологических характеристик средств измерений и методами их определения, освоение правил... | ![]() | Программа вступительного испытания по направлению Управляемость и наблюдаемость. Определение характеристик объектов управления методами активного эксперимента. Методы определения... |
![]() | Программа собеседования по направлению «Автоматизация и управление» Управляемость и наблюдаемость. Определение характеристик объектов управления методами активного эксперимента. Методы определения... | ![]() | Определение характеристик надёжности оборудования аэс непараметрическими методами По разработанным моделям проведены расчеты характеристик надежности насосного оборудования подпитки и борного регулирования аэс с... |
![]() | «Газовые законы. Определение характеристик газа» Обучающие: формирование навыков решения задач, анализа графиков зависимости параметров газа одного от другого, экспериментального... | ![]() | Построение графика функции различными методами (самостоятельная работа учащихся) |
![]() | Рекомендации по определению физико-механических свойств мерзлых дисперсных грунтов геофизическими методами Москва Стройиздат 1989 Приведены примеры выполнения расчетов и форма представления получаемых результатов | ![]() | Урок по информатике в 8 Цель: познакомить учащихся с различными видами компьютерных вируссов, способов их распространения и профилактикой и методами бор... |
![]() | Темы вашего учебного проекта ... | ![]() | Лабораторная работа №4 Измерение характеристик и определение параметров транзистора по схеме с общей базой Цель работы состоит в определении входных и выходных характеристик транзистора по схеме с общей базой и вычислении на этой основе... |