Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению

Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 76 , авторов - 236 ,
всего информационных продуктов - 2229 , из них
статей журнала - 484 , статей базы знаний - 53 , новостей - 1631 , конференций - 3 ,
блогов - 7 , постов и видео - 46 , технических решений - 4

Copyright © 2016-2018 ГеоИнфо
Все права защищены

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
26 июля 2018 года

Установка для испытаний дисперсных грунтов в резонансной колонке

Статья посвящена основам метода испытаний дисперсных грунтов в резонансной колонке. Описана процедура испытаний. Представлена установка разработки ООО «НПП «Геотек», реализующая указанный метод.

Живаев Александр АлександровичВедущий инженер ООО «НПП «Геотек», к.т.н.
Идрисов Илья ХамитовичГенеральный директор ООО «НПП Геотек»

Введение

Для решения динамических задач механики грунтов требуется знать динамические характеристики последних. К основным динамическим характеристикам относятся модуль сдвига G и коэффициент демпфирования ξ. В лаборатории указанные характеристики определяют, как правило, с помощью изгибных ультразвуковых элементов (bender element) или при помощи резонансной колонки (resonant column). Наиболее распространенным и стандартизированным методом является метод малоамплитудных динамических испытаний в резонансной колонке.

 

Теоретические основы метода

Метод испытания в резонансной колонке согласно ГОСТ Р 56353-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов» (аналогично ASTM D 4015 Standard Test Methods for Modulus and Damping of Soils by the Resonant-Column Method) заключается в следующем. В камеру осесимметричного трехосного сжатия с возможностью бокового расширения помещается образец грунта цилиндрической формы (сплошной или полый), как показано на рисунке 1. После выполнения стадий водонасыщения, консолидации, девиаторного нагружения, выполняется динамическое испытание, сводящееся к поиску резонансных частот системы образец-прибор при различных уровнях деформаций сдвига. Из величины резонансной частоты колебания системы вычисляется модуль сдвига G образца грунта, по параметрам затухания колебаний вычисляется коэффициент демпфирования ξ. Значительный вклад в развитие метода внеси такие учёные как Hardin [2], Drnevich [4].

 

Рис. 1. Принципиальная схема нагружения образца по ГОСТ Р 56353-2015 Рис. 1. Принципиальная схема нагружения образца по ГОСТ Р 56353-2015

 

Зависимости, лежащие в основе метода, получены исходя из следующих рассуждений. С одной стороны, рассматривается распространение упругих волн сдвига в стержне (или объёме). Решением дифференциальных уравнений, описывающих распространение указанных волн, является уравнение, связывающее скорость и модуль сдвига [1]:

,      (1)

 

где Vs - скорость распространения волн сдвига; G - модуль сдвига (упругий), ρ - плотность тела.

С другой стороны рассматриваются колебания системы образец - активная плита резонансной колонки (рисунок 2 (а) из работы [3]). Решением дифференциального уравнения, описывающего колебания указанной системы является следующее уравнение [3]:

,       (2)

 

 

где ωr - угловая резонансная частота системы; ωA - угловая резонансная частота активной плиты прибора (без образца), в случае отсутствия у активной плиты жёсткости при кручении равняется 0; h - высота образца; J - полярный момент инерции масс образца; JA - полярный момент инерции масс активной плиты прибора.

 

Рис. 2. Система образец – активная плита резонансной колонки: (а) – система с распределенной массой и одной обобщенной координатой; (б) – система с сосредоточенной массой и одной степенью свободы Рис. 2. Система образец – активная плита резонансной колонки: (а) – система с распределенной массой и одной обобщенной координатой; (б) – система с сосредоточенной массой и одной степенью свободы

 

Из результатов измерения резонансной частоты колебаний системы и последующего решения уравнение (2), определяется скорость волн сдвига. Модуль сдвига в свою очередь определяется из уравнения (1).

Коэффициент демпфирования определяется из параметров свободных затухающих колебаний системы образец – активная плита резонансной колонки.

Уравнение (2) является трансцендентным и его решение получается в численном виде, что для практических задач неудобно. Удобнее применять аппроксимацию эквивалентной системой с сосредоточенной массой с одной степенью свободы [3], показанной на рисунке 2 (б). Из результатов аппроксимации модуль сдвига определяется следующим образом:

,            (3)

 

где ωr - угловая резонансная частота системы; ωA - угловая резонансная частота активной плиты прибора (без образца), в случае отсутствия у активной плиты жёсткости при кручении равняется 0.

 

Процедура испытаний

Испытания в резонансной колонке можно разделить на два этапа – статический и динамический. Статический этап содержит те же стадии, что и классическое трехосное испытание: водонасыщение, консолидацию, девиаторное нагружение. После завершения статического этапа выполняется динамический этап.

Динамический этап по стандартной процедуре ГОСТ Р 56353-2015 (раздел 7) предполагает нагружение верхнего торца образца крутящим моментом, изменяющемуся по закону синуса. Крутящий момент изменяется от минимального значения до максимального так, чтобы деформации сдвига изменялись в диапазоне от 10-6 до не более 10-3 (в общем случае). Для каждой амплитуды крутящего момента перебираются различные частоты от минимальной до максимальной так, чтобы в указанном диапазоне находилась резонансная частота системы образец – активная плита прибора (рисунок 3).

 

Рис. 3. Графики динамического этапа нагружения Рис. 3. Графики динамического этапа нагружения

 

Коэффициент демпфирования определяется из графика свободных затухающих колебаний:

 

Рис. 4. Процесс свободных затухающих колебаний Рис. 4. Процесс свободных затухающих колебаний

 

Результатом динамического этапа испытаний являются кривые модуля сдвига (рисунок 5 (б) – испытания сухого кварцевого песка средней крупности) и коэффициента демпфирования, представленные в зависимости от деформации сдвига.

 

Рис. 5. Процесс установки образца и результаты испытаний в установке ООО «НПП «Геотек» Рис. 5. Процесс установки образца и результаты испытаний в установке ООО «НПП «Геотек»

 

Установка ООО «НПП «Геотек»

Одной из установок, реализующей испытания методом резонансной колонки, является установка разработки и производства ООО «НПП «Геотек».

 

Назначение установки ООО «НПП «Геотек»

Назначение установки – проведение малоамплитудных динамических испытаний в резонансной колонке согласно ГОСТ Р 56353—2015 «Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов» для целей расчета колебаний зданий и сооружений и сейсмического микрорайонирования.

 

Характеристики установки ООО «НПП «Геотек»

  • Общие характеристики.
  • Требования к образцу: цилиндр 50 мм; 71,4 мм. Отношение высоты к диаметру 2:1.
  • Характеристики крутильного привода установки.
  • Максимальный крутящий момент – до 2 Н*м.
  • Возбуждение и регистрация крутильных колебаний в диапазоне частот 20 – 200 Гц.
  • Диапазон деформаций сдвига – 10-6 – 10-3.
  • Требования к устройству трехосного сжатия.
  • Возможность анизотропной консолидации образца.
  • Осевая нагрузка – до 5 кН.
  • Боковое давление – до 1 МПа.
  • Контроль порового давления - до 1 МПа.
  • Измерение вертикальной деформации образца – до 20 мм.
  • Среда создания бокового давления – воздух.

 

Описание принципа работы установки ООО «НПП «Геотек»

 

Общий вид основных узлов установки показан на рисунке 6.

 

Рис. 6. Основные узлы установки ООО «НПП «Геотек» Рис. 6. Основные узлы установки ООО «НПП «Геотек»

 

На рисунке 6 показана установка в двух состояниях – в режиме установки образца (слева) и в режиме испытания. Для установки/демонтажа образца в режиме установки образца стенка камеры поднимается пневматическими цилиндрами. Управление пневматическими цилиндрами осуществляется кнопками, распложенными на переднем торце прибора.

Камера установки с крутильным приводом показана на рисунке 7.

 

Рис. 7. Основные узлы камеры трехосного сжатия резонансной колонки ООО «НПП «Геотек» Рис. 7. Основные узлы камеры трехосного сжатия резонансной колонки ООО «НПП «Геотек»

 

Боковое давление на образец задаётся воздухом. Вертикальная нагрузка на образец задаётся актуатором, осуществляющим вертикальное перемещение верхнего штампа. Нагрузка кручения задаётся крутильным приводом.

Для исключения высыхания образца вокруг последнего находится внутренняя камера (стакан) с открытым верхом, заполняющаяся водой. Для исключения испарения воды на поверхность последней добавляют небольшое количество масла. В данной установке можно выполнить изотропную/анизотропную консолидацию.

Для удобства подготовки образца нижний штамп расположен на съёмной платформе. Это позволяет при необходимости подготавливать образец вне установки резонансной колонки.

Крутящий момент создаётся двумя парами магнитоэлектрических приводов, формирующих крутильный привод. Каждый магнитоэлектрический привод состоит из двух катушек индуктивности и сердечника - постоянного магнита. При подаче напряжения на катушки индуктивности со стороны постоянного магнита на катушки действует сила Ампера, пропорциональная силе тока. Таким образом, каждая пара приводов создаёт момент пары сил.

Вертикальная деформация фиксируется датчиком перемещения. Величина деформации сдвига контролируется по углу закручивания. Угол закручивания в свою очередь определяется по величине виброперемещения активной плиты, совершающей крутильные колебания. Виброперемещение вычисляется по величине виброускорения.

Управление процессом испытания осуществляется программой GeotekStudio. Рабочий стол программы на динамическом этапе (при испытании металлического имитатора) показан на рисунке 8.

 

Рис. 8. Рабочий стол динамического этапа испытания в GeotekStudio Рис. 8. Рабочий стол динамического этапа испытания в GeotekStudio

 

Выводы

В статье представлены основы метода малоамплитудных динамических испытаний грунтов в резонансной колонке. Описана процедура испытания и получаемые результаты. Так же в статье приведены основные характеристики установки разработки ООО «НПП «Геотек».

 

Список литературы
  1. F.E. Richart. Vibrations of soils and foundations // С. 60-80.
  2. B. Hardin, J. Music. Apparatus for vibration of soils specimens during the triaxial testing // Instruments and apparatus for soil and rock mechanics. Special technical publication № 392. 1965.
  3. J. F. Camacho Tauta. Evaluation of the small-strain stiffness of soil by non-conventional dynamic testing methods. // Dissertation PhD 2011.
  4. Vincent P. Drnevich. Resonant column test // Miscellaneous Paper
    S-78-6. 1978.