Прибор для компрессионных испытаний грунта
INSTRUMENT FOR SOIL COMPRESSION TESTS

Изобретение относится к строительству и предназначено для определения деформационных характеристик грунтов в лабораторных условиях.
Известен компрессионный прибор, называемый также одометром и предназначенный для испытаний грунтов на одноосное сжатие без возможности бокового расширения образца, который включает рабочее кольцо, корпус с поддоном для воды, датчики перемещения, перфорированные или пористые вкладыши под образец и штамп (ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. МНТКС, 2011, с. 126, аналог).
Недостатком прибора является наличие трудно поддающегося учету трения между образцом и стенками вмещающего его рабочего кольца. Для снижения погрешности измерений ограничивают высоту образца. Согласно ГОСТ 12248-2010 отношение диаметра образца к его высоте должно изменяться в пределах от 2,8 до 3,5. По зарубежным стандартам ASTM D2435, BS 1377-part 5 и др. минимальное значение этого отношения равно 2,5.
Ограничение высоты образца ведет к снижению достоверности результатов, связанных с ошибками измерения деформаций, неоднородностью грунта, наличием в нем включений и др. Увеличение диаметра приводит к росту затрат на проходку скважин большего диаметра. Кроме того, прибор не позволяет определять коэффициент Пуассона грунта.
Известен прибор для компрессионных испытаний грунта, включающий цилиндрическую обойму, рабочее кольцо, поддон, перфорированный штамп и выполненный в виде мембраны перфорированный вкладыш с закрепленными на нем тензорезисторами (Авторское свидетельство СССР №973702. Прибор для компрессионных испытаний грунта. МПК E02D 1/00. Опубл. 15.11.82, бюлл. №42, аналог).
Недостатком прибора является непрямое измерение силы трения между образцом и обоймой, тогда как напряжения на нижнем торце образца из-за прогиба вкладыша распределяются неравномерно, причем их распределение зависит от типа грунта и наличия в нем включений.
th
Известен одометр, включающий кольцо, основание, верхний и нижний штампы с пористыми вкладышами и датчик усилия, размещенный между нижним штампом и основанием (M.R. Lodahl, K.K. , N. Mortensen, H. . Oedometer tests with measurement of internal friction between oedometr ring and clay specimen. Proceedings of the 17 Nordic Geotechnical Meeting, Reykjavik, 2016, p. 289-298, аналог). Нагрузка на образец передается через верхний штамп, а с помощью датчика измеряют усилие, передаваемое образцом на нижний штамп. По разнице усилий, передаваемых на верхний штамп и измеренных датчиком, определяют силу трения между грунтом и кольцом.
Недостатком прибора является наличие трения между рабочим кольцом и штампами, а также отсутствие возможности с его помощью определять коэффициент Пуассона грунта.
Известен одометр, в котором для реализации способа определения коэффициента Пуассона рабочее кольцо имеет внутренний диаметр несколько больший диаметра образца (Авторское свидетельство СССР №1219726. Способ определения коэффициента Пуассона. МПК E02D 1/00. Опубл. 23.03.86, бюлл. №11, аналог). Образец испытывается сначала в условиях одноосного, а затем, по мере развития поперечных деформаций, - компрессионного сжатия.
Указанная последовательность испытаний и является основным недостатком способа и прибора, так как испытания в условиях одноосного сжатия, то есть с возможностью поперечных деформаций, приводят к нарушению природной структуры грунта, в результате чего компрессионному сжатию подвергается уже образец нарушенного сложения с изменившимися характеристиками сжимаемости.
Известны способ автоматического измерения порового и бокового давления в условиях компрессионного сжатия грунта (Патент РФ №2416081. Способ автоматического измерения порового и бокового давления в условиях компрессионного сжатия грунта. МПК G01N 3/08 и E02D 1/00. Опубл. 10.04.2011. Бюлл. №10 - аналог) и прибор для компрессионных испытаний грунтов, реализующий этот способ (Патент РФ №92958. Прибор для компрессионных испытаний грунтов. МПК G01N 3/08. Опубл. 10.04.2010. Бюлл. №10 - прототип). Прибор включает корпус, кольцо для размещения образца, полый поршень с пористым керамическим вкладышем, подвижную перфорированную платформу, цилиндрическую резиновую оболочку, датчики давления жидкости, крышку и винты для ее крепления. В одометр устанавливают кольцо с образцом грунта, винтами закрепляют крышку, затем создав усилие на штамп, переводят образец в резиновую оболочку, и заполняют рабочую камеру водой. В ходе испытаний на компрессионное сжатие измеряют деформации образца, давление в рабочей камере, равное боковому давлению грунта, и поровое давление. Определив боковое давление, вычисляют коэффициент Пуассона исследуемого грунта.
Недостатками прибора являются погрешности измерений, возникающие из-за сил трения на контакте поршня с крышкой и рабочим кольцом и деформации образца при его переводе из рабочего кольца в эластичную резиновую оболочку. Кроме того, устройству присущи недостатки, свойственные приборам трехосного сжатия - стабилометрам, а именно, утечки жидкости из рабочей камеры, повреждения резиновой оболочки частицами грунта и др.
Задачей изобретения является повышение точности результатов измерений модуля деформации и коэффициента поперечных деформаций, то есть коэффициента Пуассона, грунта.
Данная задача решается тем, что в приборе для компрессионных испытаний грунта, содержащем корпус и полый штамп с пористыми вкладышами, рабочее кольцо, крышку и датчики перемещений, нижняя часть рабочего кольца на половину его высоты размещена в кольцевой прорези в корпусе, причем внутренний диаметр этой части кольца превышает диаметр образца, а диаметр его верхней части равен диаметру образца.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен разрез прибора на первом этапе испытаний - компрессионном сжатии, на фиг. 2 показана перестановка прибора для второго этапа испытаний, на фиг. 3 - разрез прибора на втором этапе испытаний - сжатии образца с возможностью ограниченных поперечных деформаций, на фиг. 4 - разрез прибора при завершении испытаний, на фиг. 5 - вид на прибор сверху, на фиг. 6, 7, 8 - стадии испытаний образца, на фиг. 9 и 10 - результаты численного моделирования эксперимента.
Прибор содержит полый корпус 1 с пористым вкладышем 2 и кольцевой прорезью 3, рабочее кольцо 4, внутренний диаметр верхней части которого меньше, чем нижней, жестко связанную с кольцом опорную пластину 5, полый штамп 6 с пористым вкладышем 2, отверстием в стенке 7 для слива отжимаемой из образца воды и крышкой 8, служащей для передачи нагрузки на штамп от загрузочного приспособления и крепления датчиков перемещения 9, центрирующий шарик 10 для опирания загрузочного приспособления и закрепленные в корпусе направляющие штанги 11 с гайками 12.
Работает устройство следующим образом.
Поместив образец грунта в верхнюю часть рабочего кольца 4, собирают прибор. Свободная от образца нижняя часть кольца размещается в кольцевой прорези 3. Штанги 11 свободно проходят через отверстия в опорной пластине 5 и крышке 8. Гайки 12 не затягиваются во избежание сжатия образца. Датчики 9 закрепляются на крышке 8, а их штоки свободно проходят через отверстия в опорной пластине 5 и упираются в корпус 1.
Создав нагрузку на образец с помощью специального приспособления (не показано) через шарик 10, крышку 8 и штамп 6 и, измеряя его деформации S с помощью датчиков 9, проводят компрессионные испытания, то есть испытания без возможности поперечных деформаций образца (фиг. 1, фиг. 6). Избыточная поровая влага через пористый вкладыш 2 в корпусе 1 стекает вниз в полость под ним, а через пористый вкладыш в штампе 6 попадает в полость над ним и сливается через отверстие в стенке штампа 7.
Снимают нагрузку с образца, предварительно предотвратив его разуплотнение путем вращения гаек до контакта с крышкой 8. Приподнимают прибор на высоту равную высоте образца и заводят под опорную пластину 5 временные стойки 13 нужной высоты (фиг. 2).
Постепенно увеличивая нагрузку на штамп 6, добиваются его перемещения вместе с образцом и корпусом 1 вниз относительно неподвижного рабочего кольца 4 и опорной пластины 5. Суммируя вес названных частей прибора, вес образца и значение приложенной нагрузки, находят силу трения образца по поверхности рабочего кольца. Заметим, что прибор позволяет определять силу трения дифференцированно по высоте образца, то есть по мере смещения образца в рабочем кольце.
После касания корпусом 1 станины, образец оказывается в нижней части рабочего кольца, внутренний диаметр которой превышает диаметр образца на заданную величину (фиг. 3, фиг. 7).
Убрав временные стойки 13, с помощью штампа снова нагружают образец и измеряют его вертикальные деформации ΔS с помощью датчиков 9 (фиг. 8).
Снимают нагрузку и, повторно ограничив разуплотнение образца с помощью гаек 12, приподнимают прибор над станиной на высоту, равную высоте образца. Под опорную пластину заводят временные стойки 14 необходимой высоты и, постепенно увеличивая нагрузку на штамп, добиваются перемещения прибора вниз до станины (фиг. 4). Зная вес, указанных выше частей прибора и образца, а также необходимое для перемещения усилие, находят силу трения образца по второй - нижней части кольца.
Выполнив испытания нескольких образцов при различных значениях вертикальной нагрузки, на первом этапе испытаний получают зависимость относительных вертикальных деформаций грунта ε или коэффициента пористости e от давления под поршнем при компрессионном сжатии без возможности поперечных деформаций.
0
Выдавливая образцы из верхней части рабочего кольца вниз, определяют силу трения между их боковой поверхностью и внутренней поверхностью кольца F. Корректируют давление под поршнем p, уменьшив его на величину F/A, где A - площадь образца, строят компрессионную кривую в координатах ε-p или e-p. Аппроксимировав кривую в заданном интервале давления прямой линией, вычисляют одометрический модуль деформации по формуле  или , где e - начальный коэффициент пористости (ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. МНТКС, 2011).
Построив для каждого из образцов график изменения деформаций s во времени t, например, в координатах , находят коэффициенты первичной консолидации  при каждом значении давления p.
На втором этапе испытаний проводят сжатие грунта с возможностью ограниченных поперечных деформаций на величину обеспечивающую упругую работу грунта, , где D - внутренний диаметр нижней части рабочего кольца, d - диаметр образца, равный внутреннему диаметру верхней части кольца. Создав давление на образец, равное давлению при завершении первого этапа испытаний, выжидают стабилизации осадки и находят новое значение относительных деформаций ε' или коэффициента пористости e'.
Выдавливая образцы из нижней части рабочего кольца вниз, определяют силу трения между их боковой поверхностью и внутренней поверхностью кольца и корректируют давление под поршнем p. Коэффициент Пуассона определяют путем численного моделирования образца, например, с помощью одной из программ, реализующих метод конечных элементов.
oed
В качестве примера на фиг. 9 и 10 приведены изолинии вертикальных нормальных напряжений, полученные при численном моделировании испытаний образца в программе PLAXIS. Боковые стенки, основание и штамп при моделировании принимались абсолютно жесткими. Коэффициент трения на контакте образца с рабочим кольцом задавался переменным по высоте. Наличие трения при компрессионном сжатии привело к перераспределению напряжений, а именно, их снижению на периферии образца по сравнению с его центром (фиг. 9). При моделировании второго этапа испытаний при известных значениях поперечных деформаций δ и одометрического модуля E задавали различные значения коэффициента Пуассона и вычисляют деформации образца (фиг. 10). Искомое значение коэффициента Пуассона грунта принимали из условия равенства вычисленных и экспериментальных значений дополнительной осадки штампа ΔS.
Заметим, что прибор позволяет определять характеристики сжимаемости грунта и при ступенчато наращиваемой нагрузке на образец. В этом случае величину силы трения, которая определяется лишь при максимальной вертикальной нагрузке на образец следует снижать на каждой ступени пропорционально этой нагрузке. Кроме того, по результатам испытаний нельзя будет определить коэффициент первичной консолидации.
Преимуществом предложенного прибора компрессионного сжатия является определение в ходе испытаний модуля деформации, коэффициента поперечных деформаций и коэффициента консолидации, с учетом погрешности измерений, возникающих из-за сил трения на контакте образца грунта с рабочим кольцом, а, значит, повышение точности его определения.
Прибор может использоваться для испытания связных грунтов на одноосное сжатие (unconfined compression test) с целью определения сопротивления сдвигу в недренированном состоянии (undrained shear strength) согласно зарубежным стандартам, например, ASTM D2166. Для определения указанной характеристики следует продолжить испытания образца после завершения описанных выше испытаний, то есть после его извлечения из рабочего кольца (фиг. 4).