title-icon
Яндекс.Метрика
» » Боковое давление и определение объемных деформаций ползучести глинистых грунтов по результатам компрессионных испытаний

Боковое давление и определение объемных деформаций ползучести глинистых грунтов по результатам компрессионных испытаний

При рассмотрении вопроса о конечной относительной деформации объема 0 образцов грунта, которая в случае уплотнения без возможности бокового расширения равна относительной компрессионной деформации 0 = e1 = ec (3.17), была показана ее обусловленность величиной шарового тензора напряжений (3.16):To90 = o1+o2+o3 = o0 (o0 = 3om — сумма нормальных напряжений). Следовательно, для определения зависимости 0 = 0(Тo0) = 0 (о0 по результатам компрессионных испытаний образцов кроме заданной уплотняющей нагрузки o1 следует также Знать величины двух других главных напряжений o2=o3, равных эффективному боковому давлению грунта. Чтобы от компрессионных деформаций перейти к объемным, необходимо согласно (3.16) уплотняющую нагрузку 01 умножить на (1+2e), где e — коэффициент бокового давления.
В соответствии с изложенным выше изменяемость во времени деформации объема 0t (объемная ползучесть) скелета глинистых грунтов в зависимости от действия о0 можно представить в виде следующих соотношений нелинейных теорий старения (2.71), упрочнения (2.97) и упруго-ползучего тела (2.133):


где C0(t, v) — мера объемной деформации ползучести, т, е. деформация объема при единичной сумме главных нормальных напряжений 0°; F[(o0(v)] — функция суммы нормальных напряжений 0°, характеризующая нелинейную зависимость между C0 (t, v) и o0. Остальные обозначения имеют прежние значения.
Боковое давление o2=о3 и коэффициент бокового давления (3.20) грунтов вообще, глинистых грунтов в частности впервые экспериментально определены К. Терцаги. Для этой цели был использован компрессионный прибор большого диаметра. В исследуемый грунт, загружаемый в рабочее кольцо прибора слоями, были уложены две стальные ленты в горизонтальном и вертикальном положениях, концы которых выходили наружу через специальные щели. После полной стабилизации деформации от действия внешней уплотняющей нагрузки стальные ленты вытягивались наружу и замерялись усилия. Из соотношения усилий, полученных при вытягивании вертикально и горизонтально расположенных лент, К. Терцаги для глин получил коэффициент бокового давления порядка e = 0,70—0,75. Аналогичные результаты в 1934 г. были получены В.Г. Булычевым на сконструированном им приборе одноосного сжатия, заключенного в резиновую оболочку цилиндрического образца, помещенного в герметически закрытый (заполненный водой) сосуд. Образец грунта в приборе В.Г. Булычева загружался при помощи рычажного пресса, а боковое давление, равное давлению воды в сосуде, замерялось манометром. В дальнейшем приборы аналогичной конструкции для рассматриваемой цели были применены Н.Н. Давиденковым, Н.В. Лалетиным, Е.И. Медковым, Ю.П. Смолиным, М.Н. Гольдштейном и др.
Обширные исследования по изучению бокового давления и его изменяемости в зависимости от величины уплотняющей нагрузки о1 и во времени, при постоянном значении последней, выполнены Е.И. Медковым в 1959—1962 гг. на стабилометре типа «Б» собственной конструкции.
Процесс уплотнения глинистых грунтов в условиях компрессии Е.И. Медков делил на три фазы сопротивления. В первой фазе сопротивления протекают упругие или почти упругие деформации при отсутствии бокового распора o2 = o3 = 0. Во второй фазе сопротивления зависимость между уплотняющей нагрузкой ai и одномерным уплотнением e1 может быть как линейной, так и нелинейной в виде участка OA структурных деформаций S-образной кривой o1—e1 (см. рис. 64). Наблюдается постепенное возрастание (по нелинейному закону) бокового давления. В третьей фазе сопротивления деформации уплотнения возрастают медленнее чем по линейному закону между о1 и е1, т. е. деформация протекает в области структурно-адсорбционных деформаций (участок кривой АВ на рис. 64) при линейном или почти линейном законе изменяемости общего бокового давления в зависимости от уплотняющей нагрузки.
Условная граница между II и III фазами, при которой имеет место полное разрушение структуры, Е.И. Медковым названа, пределом структурной прочности. Как известно из изложенного выше, автором книги так было названо напряжение, соответствующее границе перехода от структурных к структурно-адсорбционным деформациям (точка А на рис. 64).
Как показали эксперименты автора книги, поведение глинистых грунтов до достижения предела структурной прочности зависит от их состояния, величины и длительности действия уплотняющих нагрузок о1. Причем упругими являются только мгновенные деформации, а деформации ползучести всегда содержат некоторую необратимую часть, даже при очень небольших нагрузках. Поэтому нельзя говорить, что в первой фазе сопротивления протекают только упругие деформации, а разделение периода структурных деформаций на две фазы, на наш взгляд, не является обоснованным.

На основании испытания водонасыщенных глинистых грунтов на ползучесть под действием различных по величине постоянных нагрузок Е.И. Медковым в 1960 г, были установлены следующие характерные случаи развития общего (тотального) бокового давления во времени (рис. 85):
1) боковое давление достигает своего наибольшего значения в момент приложения уплотняющей нагрузки р1, а затем, постепенно снижаясь, стремится к некоторой постоянной величине;
2) боковое давление достигает своего наибольшего значения не в момент приложения p1, а спустя некоторое время, после чего оно снижается по схеме, изложенной в пункте 1;
3) боковое давление достигает своего наибольшего значения постепенно и остается постоянным в течение всего времени действия р1.
Как видно на рис. 85, где показаны экспериментальные кривые изменяемости деформации уплотнения и общего бокового давления образцов аллювиальной мягкопластичной глины во времени (h = 5,5 см; d = 5,0 см) для грех ступеней давления (0,05—0,1; 0,30—0,35 и 0,45—0,50 МПа), при одной и той же величине ступени (0,05 МПа) наблюдаются все три описанные выше характерные случаи изменяемости p2=p3 во времени. Нетрудно понять, что изменяемость характера развития во времени общего бокового давления обусловлена состоянием грунта к началу испытания. Очевидно, изменяемость общего бокового давления во времени зависит также от величины ступени нагрузки.
Кривые изменяемости общего бокового давления глинистых водонасыщенных грунтов, полученные Е.И. Медковым и другими исследователями, по виду полностью совпадают с кривыми изменяемости избыточного давления в поровой воде. Это вполне закономерно, поскольку общее боковое давление водонасыщенного грунта складывается из бокового давления скелета (эффективное боковое давление) и давления в поровой воде. Следовательно, характер изменяемости последнего должен найти отражение в изменяемости во времени общего бокового давления. Это значит, что природа изменяемости общего бокового давления водонасыщенных глинистых грунтов во времени (при возникновении избыточных напоров в поровой воде) идентична с природой развития во времени порового давления и обусловлена структурными и структурно-адсорбционными деформациями их скелета в зависимости от величины Л(6.3) — отношения внешней уплотняющей нагрузки к пределу структурной прочности.
Описанный выше спад общего бокового давления во времени водонасыщенного глинистого грунта практически заканчивается с завершением рассеивания порового давления, т. е. при наступлении второго периода уплотнения — уплотнения за счет ползучести скелета. Это подтверждается установленным Р. Ло примерно постоянным значением бокового давления грунта при компрессии после наступления процесса «вторичной консолидации». Следовательно, когда структурные деформации протекают медленнее отжатия поровой воды и поэтому не возникают избыточные давления в последней, изменяемость бокового давления обусловлена ползучестью скелета. Изменяемость эффективного бокового давления происходит по схеме, описанной в пункте 3. В этом случае, к Которому относятся компрессионные испытания образцов небольшой толщины, пик бокового давления обычно не наблюдается, а если наблюдается, то только в течение первых двух-трех десятков минут.
В целях устранения погрешностей, обусловленных небольшой жесткостью «улитки» манометра, Ю.П. Смолин (1974 г.) для замера давления жидкости в камере прибора типа «Б» применил малогабаритные месдозы на кремниевых тензорезисторах, обладающие очень большой жесткостью. Это позволило зарегистрировать боковое давление начиная с 0,001 MПa и показать, что в «упругой фазе сопротивления» боковое давление не равно нулю. Для исследованных глинистых грунтов при уплотняющих нагрузках до 0,1883 МПа Ю.П. Смолиным получены коэффициенты эффективного бокового давления порядка е = 0,635—0,80.
С точки зрения выяснения природы изменяемости во времени общего и эффективного бокового давления в водонасыщенных и водоненасыщенных глинистых грунтах представляют большой интерес исследования Н.В. Орнатского, проведенные в 1958 г. на одометре квадратной формы собственной конструкции. Одометр (компрессионный прибор) был оборудован пятью мембранными динамометрами для одновременного замера реакции дна, боковых стенок и избыточного давления в поровой воде. В последнем случае два мембранных динамометра были отделены от образца грунта перфорированными пластинками, обеспечивающими свободный доступ поровой воды к их мембранам.
Экспериментами, в частности, установлено, что при уплотнении пасты бентонитовой глины (рис. 86) возникновение и изменяемость бокового распора протекает в соответствии со схемой, описанной в пункте 1, а бокового эффективного давления — по схеме 3. Эти результаты полностью согласуются с опытами, выполненными позже Е.И. Медковым и др. Они доказывают обусловленность спада и возникновения пика общего бокового давления характером изменяемости избыточного давления в поровой воде.

Н.В. Орнатский, а в дальнейшем и другие исследователи (Е.И. Медков, В.А. Мизюмский, А.В. Голли и Л.К. Тихомирова и др.) показали, что при уплотнении очень слабых водонасыщенных глинистых грунтов в текучем состоянии их общее боковое давление равно внешней уплотняющей нагрузке в момент ее приложения. При испытании плотных глинистых грунтов, обладающих ощутимой структурной прочностью, избыточные давления в поровой воде равны нулю, а боковое давление равно эффективному боковому давлению. Такое поведение общего бокового давления обусловлено величиной р1. Известно, что уменьшением р1 можно добиться полной его передачи на скелет очень слабого глинистого грунта и равенства общего бокового давления эффективному. В то же время, сильно увеличивая р1, можно добиться полной его передачи (в момент приложения) на поровую воду даже очень прочного водонасыщенного грунта и наибольшего значения е=1.
Наряду с стабилометрами типа «Б» для исследования бокового давления глинистых грунтов получили применение обычные компрессионные приборы, снабженные тензометрическими рабочими кольцами, которые использовали В.А. Мизюмский, С.P. Mecчян, Ю.П. Смолин, А.В. Долли и Л.К. Тихомирова и др.
В.А. Мизюмский в 1973 г. опубликовал результаты определения общего бокового давления глинистых грунтов в «плавающем» тонкостенном цилиндрическом кольце (с соотношением размеров 1:1) толщиной 0,35 мм, изготовленном из алюминиевого сплава. Для замера общего бокового давления по наружной поверхности кольца были наклеены четыре проволочных датчика сопротивления, а вдоль образующей цилиндра еще один, компенсационный. В целях устранения трения кольцо смазывалось растительным маслом, а между образцом и кольцом помещалась тонкая резиновая оболочка.
Аналогичная методика для определения бокового давления в 1974 г. была использована автором книги совместно с Р.П. Малакяном. В отличие от описанного выше рабочее кольцо прибора (d = 101 мм, h = 24 мм) состояло из набора тензометрических стальных колец толщиной 0,4 мм, высотой 4 мм. Малая толщина испытанных образцов, наличие зазора между кольцами, а также пленки (полиэтиленовой) между кольцами и образцом практически полностью исключили трение по его боковой поверхности.
Тарирование тензометрических колец осуществлялось в тарировочном приборе (рис. 87). Давление в камере тарировочного прибора создавалось азотом и замерялось образцовым манометром с ценой деления 0,005 МПа. Относительная деформация тензометрического кольца под действием внутреннего давления замерялась универсальным измерительным устройством UM-111 (ГДР), позволяющим определить эту деформацию с точностью 10в-6. Деформация тензометрических колец, за исключением небольших давлений (до 0,04 МПа), была линейной.
В приведенном ниже примере образцы-близнецы киевской глины природного сложения испытывали на компрессионную ползучесть после предварительного уплотнения под действием о1,0 = 0,25 МПа. Испытания проводили с замером бокового давления, под действием постоянного (0,2 МПа) и возрастающего во времени ступенями (0,05 и 0,1 МПа) напряжений (рис. 88). Коэффициент бокового давления определялся из соотношения приращения бокового давления к приращению (ступени) уплотняющей нагрузки.

Опыты показали, что коэффициент бокового давления грунта (независимо от величины р1) возрастает от нуля до конечного своего значения за 2—3 дня, а затем остается постоянным (рис. 89). Максимальное значение бокового давления (е=0,82), как и следовало ожидать, было зафиксировано при наибольшей уплотняющей нагрузке p1 = 0,2 МПа. Коэффициент бокового давления от действия p1 = 0,l МПа равен с = 0,76, а от действия p1 = 0,05 МПа — е=0,65. Это значит, что по мере снижения величины внешней нагрузки p1 коэффициент бокового давления снижается. Следовательно, коэффициент бокового давления зависит от величины уплотняющей нагрузки р1.
На рис. 89 видно, что коэффициент бокового давления грунта изменяется также по мере ступенчатого возрастания уплотняющей нагрузки. Причем е зависит как от величины ступени уплотняющей нагрузки, так и скорости возрастания последней.
При последовательном приложении двух равных ступеней нагрузки 0,1 МПа отмечается уменьшение е почти на 25%, а при переходе от первой ступени p1 = 0,05 МПа ко второй равной ступени — на 18%. В случае приложения третьей ступени p1 = 0,05 МПа отмечено скачкообразное возрастание е от 0,56 до 0,72, а при по следующих двух ступенях нагрузки его снижение соответственно до 0,65 и 0,5.
Зафиксированное при приложении третьей ступени р1 = 0,05 МПа возрастание е объясняется скачкообразным нарушением структуры грунта под суммарным действием всех ранее приложенных нагрузок (0,15 МПа), подробно рассмотренном ранее. При приложении относительно больших ступеней нагрузки (в данном случае 0,1 МПа) переход от одной ступени к другой сопровождается периодическим нарушением структуры и уплотнением грунта» приводящим к закономерному снижению коэффициента бокового давления до достижения им упругоуплотненного состояния. Таким образом, коэффициент бокового давления глинистого грунта зависит не только от величины начальной постоянной нагрузки, но и от скорости ее возрастания.
Чтобы исключить необходимость укладки полиэтиленовой изоляционной пленки между образцом и набором тензометрических колец, было использовано сплошное латунное тензометрическое кольцо с толщиной стенки 0,3 мм диаметром 101 мм и высотою 30 мм при высоте образца 24 мм. Увеличение отношения диаметра образца к его высоте до 4,2 позволило существенно снизить величину бокового трения.
Испытаны две очень плотные и прочные набухающие глины (40—82 ЕГУ: ps = 2820 кг/м3; р = 2070 кг/м3; w = 0,188; Ip = 0,289 и 42—82 ЕГУ: ps = 2750 кг/м3; р = 1960 кг/м3; w = 0,29; Ip = 0,26) под действием p1, возрастающем до 0,25 МПа ступенями 0,02 МПа. Для замера деформаций тензометрического кольца использован цифровой тензометрический мост ЦТМ-3.
Опыты показали, что начиная с самого небольшого значения р1 = 0,02 МПа имеет место возрастание р2. Причем если в одном случае (грунт 42—82 ЕГУ) для е получили величину 0,4, близкую к результатам других исследователей, то для грунта 40—82 ЕГУ получили необычно малое значение е=0,33. Это, очевидно, можно объяснить большой структурной прочностью грунта и относительно малым, по сравнению со структурной прочностью, значением р1.
Таким образом, для определения коэффициента эффективного бокового давления, входящего в (3.16), можно пользоваться компрессионными приборами, снабженными тензометрическими рабочими кольцами. В случае испытания цилиндрических образцов в стабилометрах типа «Б» одновременно с боковым давлением должны быть замерены избыточные давления в поровой воде для вычисления эффективного давления и его коэффициента.
Обобщение экспериментальных данных, полученных различными методами, показывает, что упомянутый выше коэффициент изменяется в пределах e=0,5/0,9. Его среднее значение em=0,7 совпадает с величиной, полученной К. Терцаги для глин. Если принять, что e = 0,7, то наибольшая ошибка в определении о0 не превысит ±15% и будет находиться в пределах ошибок обычных компрессионных испытаний глинистых грунтов.

title-icon Подобные новости