+7 (8412) 999-189
8 800 200 1605
(звонок по России бесплатный)

Трехосное сжатие

Испытания цилиндрических образцов грунта проводятся в условиях осесимметричной деформации, в рабочей камере, схема которой показана на рис. 1 а. Образец грунта имеет отношение высоты к диаметру, как правило, не менее 2. Обычно диаметр образцов принимается равным 38 или 50 мм, значительно реже, диаметром 100 мм. При испытании крупнообломочных грунтов используются образцы с диаметром 200 мм и более.

                           a)                                     б)

Рис. 1. Конструкция рабочей камеры (а) и схема нагружения образца грунта (б)

На рис. 2, 3 показана конструкция приборов трехосного сжатия производства ООО «ГЕОТЕК». Прибор типа А используется при определении прочностных и деформационных характеристик песчаных и глинистых грунтов в условиях предварительного изотропного обжатия (консолидации), т.е. когда . Прибор типа Б рекомендуется использовать при определении прочностных и деформационных характеристик грунтов в условиях предварительной анизотропной консолидации, т.е. когда . В последнем приборе возможно проведение испытаний и в условиях изотропного сжатия.

В России принято приборы трехосного сжатия называть стабилометрами.

Стабилометр типа А, рекомендуется использовать для определения характеристик прочности грунта, а стабилометр типа Б как для прочностных, так и деформационных характеристик грунтов. В ГОСТ 12248-96 приведена методика, которая позволяет применять стабилометр типа А для определения прочностных и деформационных характеристик грунтов.

В стабилометре типа А можно провести испытания только при изотропной консолидации (), а в стабилометре типа Б, как при изотропной, так и анизотропной консолидации ().

Рис. 2. Общий вид стабилометров типа А и Б конструкции ООО «Геотек». Статическое нагружение

Рис. 3. Общий вид стабилометра при нагружении осевой нагрузки с заданной скоростью деформации от 0,01 до 5 мм/мин

Рис. 4. Электро-пневматический регулятор давления/объема

Рис. 6. Панель контроля изменения объема и обратного давления

Устройства показанные на рис. 5, 6 подключаются к стабилометру и позволяют управлять как измерением изменения объема образца по величине объема жидкости вытесняемой из рабочей камеры стабилометра, так и величину обратного давления, создаваемого внутри образца грунта. Первое устройство (рис. 4) выполняет автоматический контроль управление/измерение изменением объема или давления. Второе устройство (панель, рис. 6) выполняет подобную функцию, но в ручном режиме контроля изменения объема образца и обратного давления.

Табл. 1. Параметры, определяемые по методике ГОСТ 12248-96

Наименование параметров

Обозначение и размерность

Модуль общей деформации

, МПа

Упругий модуль деформации

, МПа

Модуль сдвига

, МПа

Модуль объемной деформации

, МПа

Давление предварительного уплотнения

, МПа

Коэффициент компрессии при нагружении

или 1/МПа

Коэффициент компрессии при разгрузке

, 1/МПа

Коэффициент бокового давления

Коэффициент Пуассона

Структурная прочность

, кПа

Коэффициент переуплотнения

OCR

Критическое значение угла внутреннего трения

, град.

Пиковое значение угла внутреннего трения

, град.

Остаточное значение угла внутреннего трения

, град.

Недренированную прочность

, кПа

Силы удельного сцепления

, кПа

Угол дилатанции

, град.

В тоже время, конструкция стабилометра и разработанные методы, позволяет определить и другие параметры, необходимые для численного расчета с использованием программ Plaxis, Crisp, Z-Soil, CivilFEM, ABAQUS, LS-DYNA и др. Методика определения дополнительных параметров, в зависимости от используемой модели грунта, приведены в соответствующих руководствах отмеченных программ.

Преимущество стабилометров с непрерывным нагружением осевой нагрузки (мм/мин) заключается в том, что эти испытания позволяют определить следующие параметры прочности: критическое значение угла внутреннего трения, ; пиковое значение угла внутреннего трения, ; остаточное значение угла внутреннего трения, ; угол дилатанции, . Испытания при статическом нагружении дают только критическое значение угла внутреннего трения, .

В тоже время, в отличие от компрессионных приборов, испытания в стабилометре можно провести в условиях близких к природным, учитывая начальное напряженное состояние в естественном массиве грунта Боковое давление, которое не регулируется в одометре, в стабилометре принимается равным горизонтальным напряжениям на глубине отбора монолита грунта, а вертикальные напряжения задаются равными бытовым (от собственного веса вышележащих слоев грунта).

Достоинства и недостатки трехосных испытания при определении параметров прочности приведены в табл. 2.

Табл. 2. Сравнение испытаний в условиях прямого среза и трехосного сжатия (Brenner et al., 1997)

Прямой срез

Трехосное сжатие

Преимущества:

- относительно простые и быстрые;

- можно провести до больших деформаций:

- требуется меньше времени для дренирования образца;

- возможность среза вдоль заданной поверхности (например, плоскость ослабления, трещины)

Преимущества:

- можно контролировать условия дренирования и измерять поровое давление;

- распределение напряжений в образце остается более или менее постоянным и более однородным, чем при прямом срезе;

- может быть определено изменение объема при сдвиге

Недостатки/ограничения:

- условия дренирования в течение опыта, особенно для слабо проницаемых грунтов, сложно контролировать;

- поровое давление не может быть измерено;

- напряженное состояние при сдвиге не может быть определено и траектория напряжений не может быть установлена, напряжения в образце неоднородны. Только одна точка может быть отмечена на диаграмме зависимости «предельное касательное напряжение – нормальное напряжение», представляющее среднее касательное напряжение на горизонтальной плоскости сдвига. Круг Мора может быть отображен, только при предположении, что горизонтальная плоскость сдвига является теоретической плоскостью разрушения. В течение деформирования направление главного напряжения вращается;

- касательное напряжение над поверхностью разрушения не однородно и может развиваться прогрессивное разрушение;

- невозможно водонасыщение мелкозернистых образцов (например, обратным давлением);

- площадь среза изменяется непрерывно

Недостатки/ограничения:

- влияние главного промежуточного напряжения, , не может быть определено. В определенных задачах геотехники влияние напряжения может быть выше, чем . Это влияет на параметры ;

- направление главного наибольшего напряжения остается фиксированным, условия, когда главное напряжение изменяется непрерывно реализовать сложно;

- влияние концевых ограничений (штампы) на неоднородность напряженного состояния, поровое давление и деформации в образце и форму деформации в виде «бочки»

Стабилометры ООО «Геотек» входят в состав ИВК АСИС. В процессе автоматизированных испытаний измеряются параметры, приведенные в табл. 3.

Табл. 3. Датчики и контролируемые параметры

Датчики

Измерение/контроль

Разрешение

Датчик силы

Вертикальное напряжение

0,2 кПа

Датчики давления

Поровое и боковое давление

0,05 кПа

Датчик вертикальных перемещений LVDT

Осевая деформация

0,001%

Датчик радиальных перемещений LVDT

Радиальная деформация

0,001%

Электро-пневматический регулятор давления

Объемная деформация

0,001 кПа (2 мм3)

Электро-пневматический регулятор давления

Создание и контроль обратного давления

0,1 кПа