Отправить сообщение, заявку, вопрос

Зарегистрироваться для участия в конференции

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению

Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 70 , продуктов - 1827 , авторов - 203

Copyright © 2016-2018 ГеоИнфо
Все права защищены

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
Оборудование и технологии
22 ноября 2016 года

К определению параметров прочности и деформируемости в компрессионном приборе

В статье рассматриваются три метода компрессионных испытаний: испытания при ступенчатом нагружении (ГОСТ 12248, ASTM D 2435); испытания при непрерывном нагружении (ГОСТ 12248, метод CRS – constant rate strain, ASTM D 4186); испытания с релаксацией напряжений (СТО 60284311-003-2012). Рассказывается о разработанной в 2009 году в ООО «НПП Геотек» конструкции компрессионного прибора (КПБ) с целью использования метода CRS ASTM 4186 для испытаний водонасыщенных грунтов.

Болдырев Геннадий ГригорьевичДиректор по научной работе и инновациям ООО «НПП Геотек», д.т.н.

Компрессионные испытания грунтов являются в настоящее время основным методом массовых испытаний грунтов с целью определения характеристик деформируемости. Методика испытаний регламентирована отечественным ГОСТ 12248 и рядом зарубежных стандартов: ASTM D 2435, ASTM D 4186 в США и ISO 17892-5 в Евросоюзе.

Применяются три метода испытаний:

  • испытания при ступенчатом нагружении (ГОСТ 12248, ASTM D 2435);
  • испытания при непрерывном нагружении (ГОСТ 12248, метод CRS – constant rate strain, ASTM D 4186);
  • испытания с релаксацией напряжений (СРО «КубаньCтройИзыскания», СТО 60284311-003-2012, http://www.kubstriz.ru/).
  • К специальным видам компрессионных испытаний относят испытания образцов структурно-неустойчивых грунтов:
  • испытания на просадочность по ГОСТ 23161-2012;
  • испытания на набухание по ГОСТ 24143-80;
  • испытания мерзлых грунтов по ГОСТ 12248.

В первом методе компрессионных испытаний нормальное давление прикладывается к образцу грунта ступенями (кПа) с ожиданием стабилизации деформаций во времени на каждой ступени нагружения. Данные испытания являются достаточно длительными и могут продолжаться до нескольких недель.

При непрерывном нагружении с заданной скоростью деформации (мм/мин) испытания проводятся значительно быстрее и продолжаются, как правило, не более 8-10 часов. В этом методе нормальное давление не задается, а измеряется как отклик грунта при непрерывном перемещении штампа в одометре. Скорость нагружения влияет на результаты испытаний. В опытах она контролируется по величине рассеивания порового давления. Поэтому обязательным условием испытаний является предварительное полное водонасыщение образцов грунта. В связи с тем, что не все грунты можно полностью водонасытить, например, твердые глины, то этот метод рекомендуется для испытаний водонасыщенных мягкопластичных глинистых грунтов.

Метод испытаний с релаксацией напряжений подобен методу испытаний с постоянной скоростью деформации, но в опытах контролируется не скорость деформации, а скорость релаксации нормальных напряжений. Нагрузка также задается деформацией, но не непрерывно, а ступенями с ожиданием релаксации напряжений. Опыты также проходят быстро, в течение нескольких часов (СТО 60284311-003-2012).

В 2009 году в ООО «НПП Геотек» была разработана конструкция компрессионного прибора (КПБ) с целью использования метода CRS ASTM 4186 для испытаний водонасыщенных грунтов. Общий вид прибора показан на рисунке 1. Компрессионный прибор состоит из следующих основных частей: нагрузочного устройства, одометра, блока обратного давления и блока управления. В отличие от методов ASTM D 2435, ISO 17892-5 в процессе испытаний измеряется боковое давление грунта и поровое давление. ГОСТ 12248 допускает проведение испытаний в компрессионном приборе с постоянной скоростью деформации и измерением бокового давления/горизонтальных напряжений. На рисунке 2 показана последовательность подготовки образцов связного грунта из монолита и его размещение в одометре.

Рис. 1. Компрессионный прибор с измерением боковых напряжений (КПБ): слева на право – блок электроники, устройство силового нагружения с одометром, панель управления давлением для мягкопластичных глин, устройство управления давлением для полутвердых и твердых глин

Рис. 1. Компрессионный прибор с измерением боковых напряжений (КПБ): слева на право – блок электроники, устройство силового нагружения с одометром, панель управления давлением для мягкопластичных глин, устройство управления давлением для полутвердых и твердых глин

 

Рис. 2. Схема подготовки образца связного грунта к испытаниям: а) – устройство для подготовки образцов; б) – оснастка для вырезания; в) – сборка одометра; г) – установка одометра в устройство нагружения

Рис. 2. Схема подготовки образца связного грунта к испытаниям: а) – устройство для подготовки образцов; б) – оснастка для вырезания; в) – сборка одометра; г) – установка одометра в устройство нагружения

 

В результате испытаний в КПБ можно получить следующие характеристики грунтов:
- одометрический модуль деформации Eoed;
- компрессионный модуль деформации Ek;
- компрессионный модуль деформации на вторичной ветви нагружения, Ee;
- структурная прочность Pstr;
- коэффициент фильтрационной консолидации cv;
- коэффициент вторичной консолидации (ползучести) cα ;
- коэффициент фильтрации связных грунтов kf;
- время консолидации t50, t90, t100, мин.;
- давление предварительного уплотнения &cigma;p;
- коэффициент бокового давления ξ;
- коэффициент Пуассона ν;
- угол внутреннего трения φ (гравелистых, песчаных и супесчаных грунтов).

Отличительной особенность данного метода испытаний является возможность определения не только характеристик деформируемости, но и прочности. При этом все характеристики, в том числе угол внутреннего трения, находятся из испытаний одного образца грунта. Если же использовать для этой цели метод одноплоскостного среза или трехосного сжатия, то необходимо провести испытания не менее трех образцов грунта.

Еще одной отличительной особенностью по сравнению со стандартными компрессионными приборами является возможность определения коэффициента Пуассона через измеренные значения горизонтальных напряжений. Как и в методе релаксации напряжений продолжительность одного испытания составляет не более 8-10 часов в зависимости от вида грунта.

На рисунке 3 приведен практический пример определения различных характеристик грунтов по результатам компрессионных испытаний с измерением боковых напряжений.

 

Рис. 3. Результаты испытаний: а) и б) давление предварительного уплотнения - метод Казагранде и метод ООО «НПП Геотек», соответственно; в) угол внутреннего трения; г) коэффициенты бокового давления и Пуассона

Рис. 3. Результаты испытаний: а) и б) давление предварительного уплотнения - метод Казагранде и метод ООО «НПП Геотек», соответственно; в) угол внутреннего трения; г) коэффициенты бокового давления и Пуассона

 

 

Определение давления предварительного уплотнения σp можно найти из этих же испытаний третьим методом. Для этого следует использовать измерения порового давления. Результаты подобных компрессионных испытаний представляются в виде зависимости изменения коэффициента порового давления от эффективного нормального давления (рис. 4).

Давление предварительного уплотнения соответствует минимальному значению коэффициента

Таким образом, одно и то же испытание можно интерпретировать различным образом с целью определения характеристик прочности и деформируемости. При этом, давление предварительного уплотнения находится тремя методами. Причем, если используется метод Казагранда, то требуются дополнительные графические построения после испытания, в случае применения зависимостей на рисунке 3б и рисунке 4 они находятся прямым образом.

 

Список литературы
  1. Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов с комментариями к ГОСТ 12248-2010.2-е изд., доп. и испр. – М., 2014. – 812с.
  2. Болдырев Г.Г., Малышев М.В. Механика грунтов (в вопросах и ответах): монография. ООО «Прондо», 2015. 426 с.
  3. ГОСТ 12248–2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. МНТКС, 2011.
  4. СТО 60284311-003-2012 Грунты. Метод компрессионных испытаний грунтов в режиме релаксации напряжений. 2012.
  5. Труфанов А.Н. Патент № 2272101. Способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов или метод релаксации напряжений.
  6. ASTM D4186 / D4186M - 12. Standard Test Method for One-Dimensional Consolidation Properties of Saturated Cohesive Soils Using Controlled-Strain Loading. 2012.
  7. ASTM D2435 / D2435M – 11. Standard Test Methods for One-Dimensional Consolidation Properties of Soils Using Incremental Loading. 2011.
  8. ISO/TS 17892-5:2004. Geotechnical investigation and testing - Laboratory testing of soil - Part 5: Incremental loading oedometer test. 2004.