искать
Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 109 , авторов - 383 ,
всего информационных продуктов - 3811 , из них
статей журнала - 816 , статей базы знаний - 87 , новостей - 2674 , конференций - 4 ,
блогов - 9 , постов и видео - 174 , технических решений - 7

© 2016-2020 ГеоИнфо

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
Инженерная геология и геотехника. Рассказывает Алексей Бершов

K0-консолидация в камерах трехосного сжатия

Бершов Алексей Викторович и др.
1 июня 2020 года
Бершов Алексей ВикторовичГенеральный директор Группы компаний «Петромоделинг»
Мирный Анатолий ЮрьевичСтарший научный сотрудник Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, руководитель проекта «Независимая геотехника»
Идрисов Илья ХамитовичГенеральный директор ООО НПП« Геотек»

Статья продолжает цикл публикаций, посвященных возможностям современного лабораторного оборудования в области инженерно-геологических изысканий. В этом материале рассматривается определение параметра анизотропного напряженного состояния K0 в приборах трехосного сжатия, в том числе методика, включенная в проект ГОСТ 12248.3. Без данного параметра невозможно воспроизведение исходного напряженного состояния, как в лабораторном образце, так и в массиве при численном моделировании.

Постоянное действие вертикальных напряжений в массиве грунта приводит к формированию бокового распора – горизонтальных напряжений, пропорциональных вертикальным. В зависимости от величины вертикальных напряжений боковой распор может достигать значительных величин, что требует обязательного учета этой нагрузки при проектировании подземных сооружений, подпорных стен, выработок в горнодобывающей промышленности. В простейшем случае связь между напряжениями, действующими в вертикальном и горизонтальном направлении, предполагается линейной, и выражается с помощью коэффициента бокового давления грунта K0 по аналогии со сплошными телами:

Для нормально уплотненных грунтов вертикальные напряжения в основании превышают горизонтальные, и значение K0 меньше 1 (обычно в этом случае он обозначается как K0nc – то есть коэффициент бокового давления нормально уплотненного грунта). В этом случае могут быть получены аналитические решения с использованием различных предпосылок.

Например, широко известна гипотеза А.Н. Динника (1925), предложенная на основании решения теории упругости. Для нормально уплотненных пылевато-глинистых грунтов при отсутствии радиальных перемещений (в условиях компрессионного сжатия) была предложена зависимость от коэффициента относительной поперечной деформации:

Еще одно распространенное решение для несвязных грунтов было получено J. Jáky исходя из равенства угла естественного откоса и угла трения. Рассмотрев задачу равновесия гипотетических тел скольжения в массиве, автор получил формулу, позволяющую с достаточной точностью определять коэффициент бокового давления для рыхлых и нормально уплотненных песков:

Все данные решения справедливы исключительно для первичного нагружения нормально уплотненных грунтов, так как только в этом случае применимы решения теории упругого сплошного тела. Тем не менее, дисперсные грунты отличаются от сплошных тел отсутствием жестких связей между частицами, и с точки зрения теоретической механики относятся к механизмам, а не к твердым телам: отдельные частицы имеют возможность необратимого взаимного смещения. При первичном нагружении частицы вдавливаются в поры, расклинивая соседние частицы, возникает горизонтальное давление. Но при разгрузке трение между частицами не позволяет горизонтальным напряжениям полностью рассеяться – даже при полном снятии вертикального напряжения сохраняется напряжение горизонтальное.

По мере развития переуплотнения соотношение между напряжениями будет меняться (горизонтальное напряжение снижается медленнее вертикального), и в результате значение K0 может стать равным и даже превысить 1 (для переуплотненных грунтов параметр обозначается K0oc). При этом происходит инверсия главных напряжений: большее главное напряжение становится горизонтальным, и коэффициент бокового давления о все равно не превышает 1.

 

 

В зависимости от значения коэффициента переуплотнения OCR и вида грунта используются многочисленные эмпирические формулы. Наибольшее распространение имеет формула, предложенная P. Mayne и F. Kulhawy:

Разумеется, при использовании эмпирических решений следует помнить о границах их применимости. В частности, использование параметров, определенных косвенными методами по эмпирическим зависимостям допускается при проектировании только сооружений, относящихся к I (простой) геотехнической категории.

Напомним, что в отличие от большинства конструкционных материалов, на момент проведения геотехнического расчета основание уже испытывает действие некоторых напряжений. При этом деформациями, вызванными этими напряжениями, обычно пренебрегают. В этом случае, отношение между вертикальным и горизонтальным напряжением носит название «коэффициент бокового давления покоя», то есть в отсутствие деформаций. Если же под действием напряжений грунт деформируется, то есть идет активное нагружение, коэффициент бокового давления может иметь другую величину. Таким образом, параметр K0 характеризует соотношение между ортогональными напряжениями (вертикальными и горизонтальными) в основании, а при повороте осей главных напряжений не следует за ними. Это делает его важнейшим параметром основания, необходимым для корректного определения параметров в режиме анизотропной консолидации, о которой рассказывалось ранее.

Коэффициент бокового давления может быть определен отдельно в рамках специальных испытаний в трехосных приборах различных конструкций. Данный режим испытаний известен, фактически, с момента разработки установок трехосного сжатия (A. Bishop, D. Henkel, 1957), по умолчанию включается в предустановленные схемы испытаний, однако в отечественной практике до недавнего времени не находил широкого применения.

По своей сути метод очень близок к испытаниям компрессионного сжатия, но выполняется в трехосном приборе. Роль жестких недеформируемых стенок в данном случае играет несжимаемая жидкость, которой заполнена камера. В ходе постепенного увеличения вертикального давления будет увеличиваться и горизонтальное давление образца на воду, как следствие, давление в жидкости. В результате может быть определено приращение горизонтального давления и коэффициент бокового давления K0.

В основе метода лежит определение коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя как соотношения между напряжениями, не вызывающими деформаций – такое напряженное состояние и будет соответствовать природному. При современном уровне развития испытательного оборудования данный метод несколько усложняется технически, так как необходимо учитывать жесткость всех элементов установки и компенсировать ее недостаток в ходе опыта. В связи с этим порядок испытаний различается для камер типа А и типа Б.

K0-консолидация в камерах типа Б выполняется легче в связи с их конструктивными особенностями. Испытание проводится при полном водонасыщении образцов и закрытом дренаже, при этом идет измерение порового давления. Объем камеры подключен к поршневому нагнетателю. К верхнему штампу прикладывается ступень давления 25 кПа, что вызывает радиальное расширение образца и вытеснение жидкости из камеры, которое компенсируется нагнетателем. При этом есть возможность учета собственной жесткости оборудования, так как уровень давления известен: паразитные объемные деформации системы компенсируются автоматически на основании тарировочной зависимости. После стабилизации напряжений операция повторяется вплоть до достижения величины вертикального давления, соответствующей расчетному значению. Соотношение между горизонтальными и вертикальными напряжениями позволяет определить естественное значение коэффициента бокового давления. Данный метод разработан и апробирован в лаборатории ГК «Петромоделинг» при участии ООО НПП «Геотек».

Камера типа Б при использовании в таком режиме позволяет также моделировать переуплотнение: при увеличении вертикального давления вплоть до исторического давления уp и последующей разгрузке до современной величины бытового давления соотношение между горизонтальным и вертикальным напряжениями меняется, что позволяет оценить фактическое горизонтальное напряжение с учетом переуплотнения. Это является ценным преимуществом такого режима испытаний. После выполнения K0-консолидации возможно продолжение опыта с тем же образцом по любой схеме испытания.

Режим K0-консолидации в камерах типа А стандартной конструкции возможен только при значении K0  1. Для выполнения опыта с сильно переуплотненными (K0 > 1, OCR > 3) грунтами необходима жесткая фиксация штампа на штоке. Определение коэффициента бокового давления выполняется путем ступенчатого увеличения давления в камере прибора, система дренажа при этом подключена к системе измерения объема (поршневому нагнетателю). Величина ступени составляет 25 кПа. В ходе приложения ступени всестороннего давления путем изменения вертикального давления компенсируется возникающая объемная деформация образца таким образом, чтобы объемная деформация εv отсутствовала. После стабилизации деформаций операция повторяется вплоть до достижения величины вертикального давления, соответствующей расчетному значению. В более сжатом виде обе методики изложена в Приложении И готовящейся редакции ГОСТ 12248.3, что позволит в ближайшем будущем применять ее в производственной деятельности.

Проведение испытаний трехосного сжатия в режиме K0-консолидации – единственный на данный момент апробированный метод определения коэффициента бокового давления покоя. Без данного параметра, в свою очередь, невозможно воспроизведение исходного напряженного состояния, как в лабораторном образце, так и в массиве при численном моделировании.

ООО НПП Геотек» предлагает автоматизированный испытательный комплекс АСИС Про для осесимметричных трехосных испытаний образцов грунта в режиме K0-консолидации. В состав комплекса входят камеры объемного (тип А) и радиального (тип Б) сжатия для создания трехосного напряженного состояния, а также необходимое оборудование для создания вертикального силового воздействия, управления камерным и противодавлением с контролем жесткости системы. Испытания проводятся в автоматизированном режиме с контролем всех параметров испытания в режиме реального времени.

Более подробную техническую информацию можно получить у специалистов компании или на сайте www.npp-geotek.ru

 

 


Список литературы

  1. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.
  2. ГОСТ Р 56363-2015. Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов.
  3. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений.
  4. ISO 17892-9:2018. Geotechnical investigation and testing — Laboratory testing of soil — Part 9: Consolidated triaxial compression tests on water saturated soils.
  5. Болдырев Г.Г., Идрисов И.Х. Исследования анизотропного поведения грунтов в условиях сложного напряженного состояния. Состояние вопроса. Части 1-2. Ж. Геотехника, №№ 5-6, 2017.
  6. Динник А.Н. О давлении горных пород и расчет крепи круглой шахты. Ж. Инженерный работник, № 7, 1925.
  7. Bishop A.W., Henkel D.J. The Measurement of Soil Properties in the Triaxial Test. London: Edward Arnold, 1957.
  8. Jáky J. The coefficient of earth pressure at rest. Journal for Society of Hungarian Architects and engineers, 1944.
  9. Mayne P., Kulhawy F. K0-OCR Relationships in Soil. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 1982.

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению