Основные схемы лабораторных испытаний

Наиболее распространенные схемы испытаний представлены на рис. 6.1. Нормальные силы F_x, F_y, F_z, прикладываемые определенным образом к торцевым и боковым поверхностям образцов, вызывают в них нормальные напряжения а_х, а_у, a_z, а сдвигающая сила Т — касательные напряжения т в плоскости сдвига (пунктирная линия на рис. 6.1, в).

Простейшая схема — одноосное сжатие образца (рис. 6.1, а) — применяется только для испытания прочных связных грунтов (скальные, мерзлые грунты, плотные маловлажные глины и т.п.). В опытах используются образцы цилиндрической или призматической формы. Особенностями схемы являются отсутствие боковых напряжений (а_х = а_у = 0) и возможность неограниченного развития боковых деформаций (ε_х = ε_у → ∞). Эта схема в наименьшей степени соответствует действительным условиям деформирования некоторого объема грунта в массиве, так как не учитывает реакции окружающего его грунта, ограничивающие боковые перемещения. Если заменить сжимающие силы F_z на растягивающие, получим схему одноосного растяжения образца. Все указанные ограничения для нее также будут действительными.

Одноосное сжатие или растяжение используется для определения как деформационных, так и прочностных характеристик.

Рис. 6.1. Основные схемы испытаний образцов грунта:

а – одноосное; б – компрессионное; в – сдвиговое; г – трехосное в стабилометре; д – трехосное в приборе с независимыми главными напряжениями

Схема компрессионных испытаний (рис. 6.1, б) наиболее широко применяется в производственных лабораториях для определения характеристик деформационных свойств грунта. Образец грунта, помещенный в жесткую металлическую обойму кольцевой формы, нагружается с помощью жесткого металлического штампа нормальной силой Fz. Под действием этой силы в образце возникают сжимающие напряжения σ_z = σ, вызывающие уплотнение грунта и осадку штампа. При испытаниях образцов водонасыщенных грунтов отток воды из пор осуществляется через отверстия в штампе и днище. В отличие от предыдущей схемы боковое кольцо препятствует расширению образца и ε_х = ε_у = 0. Однако в образце возникают боковые напряжения σ_х и σ_у, измерить которые в стандартном компрессионном приборе не представляется возможным. Кроме того, в контактах между торцами образца, штампом и днищем прибора и между боковыми поверхностями образца и металлическим кольцом возникают также неопределенные касательные напряжения.

Непосредственно схема компрессионных испытаний близка лишь ограниченному кругу инженерных задач, которые можно рассматривать как одномерные (уплотнение грунта при горизонтальном напластовании под действием собственного веса; осадка ограниченной толщи грунта в основании развитого в плане плитного фундамента и т. п.). Однако результаты компрессионных испытаний с определенными допущениями широко используются в расчетах и более сложных задач.

Наиболее простой схемой определения прочностных характеристик является схема одноплоскостного сдвига (рис. 6.1, в). Образец грунта помещается в жесткое металлическое кольцо, разрезанное на две части (верхнюю и нижнюю), между которыми имеется зазор. Прикладывая к образцу через штамп нормальную силу F_z, добиваются уплотнения грунта в условиях компрессии до требуемого состояния. Затем с помощью горизонтальной силы Т производится разрушение образца путем сдвига одной его части по другой. Характеристики прочности грунта определяются как параметры функции сдвигающих напряжений т = Т/А от нормальных напряжений σ=F_z/A, где А — площадь сечения образца.

Основными недостатками сдвиговых испытаний, так же как и компрессионных, являются неполная определенность напряженного состояния образца и изменчивость значений σ и τ в процессе сдвига. Кроме того, эта схема предусматривает разрушение образца по заранее заданной, фиксированной зазором поверхности сдвига. Наличие в пределах этой поверхности более прочных включений или, наоборот, ослаблений, не характерных для всего образца, может привести к случайным результатам.

В природных условиях схема одноплоскостного сдвига в наибольшей степени соответствует сдвигу фундамента или сооружения с прилегающим к нему грунтом по основанию под действием горизонтальных сил или сдвигу одной части грунта по другой при наличии фиксированной поверхности разрушения, например слабой прослойки. Тем не менее, эта схема широко используется в производственной практике.

В наибольшей степени напряженно-деформированному состоянию образца в массиве соответствуют испытания по схеме трехосного нагружения. Различаются схемы стабилометрического нагружения цилиндрического образца при σ_z > σ_y = σ_x ≠ 0 (рис. 6.1, г) и нагружения кубического образца независимыми нормальными напряжениями σ_z ≥ σ_y ≥ σ_x ≥ 0 (рис. 6.1, д). Конструкции приборов для трехосных испытаний грунта предусматривают передачу усилий на боковую поверхность образца через гибкие резиновые оболочки, что препятствует развитию касательных напряжений по поверхности образца. Следовательно, указанные выше компоненты напряжений соответствуют главным напряжениям, т.е. σ_z = σ₁; σ_y = σ₂; σ_х = σ₃. Разрушение образца за счет сдвига происходит не по какой-то фиксированной поверхности, как в приборе одноплоскостного сдвига, а по некоторым наклоненным к оси z площадкам, где устанавливается предельное соотношение между напряжениями τ и σ.

Схема трехосных испытаний позволяет с наибольшей точностью определить как деформационные, так и прочностные характеристики грунтов, используемые для различных, включая самые сложные, моделей. Однако конструкции приборов и методики экспериментов при этом существенно усложняются по сравнению с компрессионными и сдвиговыми испытаниями. Схема стабилометрического нагружения в промышленном и гражданском строительстве используется при проектировании ответственных сооружений. Схема нагружения независимыми главными напряжениями применяется для исследовательских целей или в особо сложных случаях. При массовом строительстве для определения характеристик деформационных и прочностных свойств пользуются, как правило, компрессионными и сдвиговыми испытаниями грунтов.

Дата добавления: 2014-01-05