Испытание грунта на трехосный сдвиг — процедура, преимущества

Испытание грунта на прочность при трехосном сдвиге измеряет механические свойства грунта. В этом испытании образец грунта подвергается нагрузке, причем напряжение, полученное в одном направлении, будет отличаться от напряжения в перпендикулярном направлении. По результатам этого испытания определяются такие свойства грунта, как сопротивление сдвигу, связность и напряжение дилатансии. Это испытание наиболее широко используется и подходит для всех типов грунтов.

  • Расчеты
    • Условия эффективного напряжения
  • Измерение давления поровой воды
  • Преимущества трехосного испытания
  • Недостатки трехосного испытания
  • Аппаратура для испытания на трехосный сдвиг

    Важными приборами для испытания на трехосный сдвиг являются:

  • Трехосная испытательная машина в комплекте с трехосной ячейкой: В этом устройстве предусмотрена возможность установки цилиндрического образца грунта, который герметизируется с помощью резиновой мембраны для ограничения проникновения боковой жидкости. Радиальное давление жидкости и вертикальное напряжение прикладывается с помощью поршневого механизма. В устройстве также предусмотрена возможность предотвращения слива образца. Давление жидкости в камере может быть измерено с помощью манометра.
  • Оборудование для нагружения
  • Оборудование для измерения нагрузки и деформации: Пробник используется для измерения нагрузки, прикладываемой поршнем. Для измерения деформации образца используется циферблатный манометр.
  • Принцип испытания на трехосный сдвиг

    В испытании используется цилиндрический образец, обычно с отношением длины к диаметру 2, который подвергается нагрузке в условиях осевой симметрии так, как показано на рисунке ниже.
    Испытание на прочность при трехосном сдвиге - распределение давления

    Схематическая диаграмма системы напряжений в почве при трехосном испытании

    Аппарат для трехосного испытания

    Аппарат для трехосного испытания

    Обычный размер образца составляет 76 мм х 38 мм и 100 мм х 50 мм. Образец подвергается трем основным напряжениям. Среди этих трех напряжений два напряжения обусловлены давлением воды, которая находится в пределах ограничивающей ячейки. Эти два значения равны.
    Приложение нагрузки к верхней части ячейки с помощью плунжера, как показано выше, является приложенным третьим напряжением. Это напряжение отличается от двух других напряжений.
    Испытуемый образец имеет концы, уплотненные верхней крышкой и нижней подставкой с помощью резиновых уплотнительных колец. Если речь идет об измерении порового давления, то в нижней и верхней части образца могут быть помещены пористые камни.
    Датчики давления используются для измерения давления, развиваемого внутри образца.
    Испытание на трехосный сдвиг может проводиться в два этапа:
    Шаг 1: Образец грунта подготавливается и помещается в трехосную камеру. Затем прикладывается ограничивающее давление.
    Шаг 2: Здесь прикладывается девиаторное напряжение, которое является дополнительным осевым напряжением. Это вызывает напряжения сдвига в образце. Осевое напряжение увеличивается до тех пор, пока образец грунта не разрушится.
    Приложенные напряжения, осевая деформация и давление поровой воды измеряются для обоих вышеуказанных этапов.

    Процедура испытания на трехосный сдвиг

    Образец может быть подготовлен как в отформованном, так и в ненарушенном виде. Неповрежденный грунт может быть испытан на почвах, обладающих достаточной связностью. Для того чтобы изготовить восстановленный грунт, собирается связный грунт и уплотняется должным образом. При подготовке грунтов с низкой связностью соблюдается осторожность.
    Испытание на трехосный сдвиг может проводиться в различных вариантах. Наиболее часто используемыми типами являются:

  • неконсолидированный недренированный тест (UU)
  • Консолидированный недренированный тест (CU)
  • Консолидированное дренированное испытание (CD)
  • 1. Неконсолидированный недренированный тест (UU)

    Как следует из названия, образец почвы подвергается давлению на клетки без обеспечения дренажа. При этом давление в камере поддерживается на постоянном уровне, а приложенное отклоняющее напряжение увеличивается до тех пор, пока образец не разрушится. Это называется быстрым испытанием.

    2. Консолидированное испытание без дренажа (CU)

    Здесь во время приложения давления в камере к образцу допускается дренаж. А девиаторное напряжение прикладывается при постоянном давлении в камере и без обеспечения дальнейшего дренажа.

    3. Консолидированное дренированное испытание (CD)

    Это испытание также называют дренажным или медленным испытанием. Здесь отклоняющее напряжение увеличивается, позволяя дренажу происходить в прежнем режиме, а давление в камере также поддерживается постоянным. Скорость нагружения прикладывается медленно, чтобы в образце не развивалось избыточное поровое давление.
    Подготовленный образец обволакивается мембраной и помещается в трехосную ячейку. К нему прикладывается необходимое боковое давление. Пока образец не разрушится, прикладывается боковое давление. Регистрируется вертикальная деформация и показания нагрузки.
    Основная цель испытания — определить значения когезии и угла внутреннего трения. Для определения этих значений необходимо испытать на образце три различных значения бокового давления.

    Расчеты

    Образец для испытаний подвергается боковому давлению по всему периметру ( Испытание грунта на трехосный сдвиг - процедура, преимущества ). Девиационное напряжение Испытание грунта на трехосный сдвиг - процедура, преимущества ). Девиационное напряжение . Тогда полное вертикальное напряжение равно Испытание грунта на трехосный сдвиг - процедура, преимущества
    НОРМАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
    Круг Мора строится путем построения графиков Испытание грунта на трехосный сдвиг - процедура, преимущества и Испытание грунта на трехосный сдвиг - процедура, преимущества и по оси x, а напряжение сдвига — по оси y. Огибающая разрыва Мора получается путем проведения касательной к полученным окружностям. Касательная будет пересекаться с осью y. Пересечение по оси y даст значение когезии (C). Наклон плоскости разрушения или линии касательной даст угол внутреннего трения почвы (ø).
    Нагрузка может увеличить поперечное сечение образца грунта. Это потребует поправки на девиационное напряжение Испытание грунта на трехосный сдвиг - процедура, преимущества. В данном случае поправка вводится в предположении, что объем образца остается постоянным, а площадь изменяется. Скорректированное девиатрическое напряжение имеет вид

    Испытание грунта на трехосный сдвиг - процедура, преимущества

    P1 = Приложенная нагрузка
    Ao = Исходная площадь поперечного сечения
    l0 = Исходная длина образца
    l = деформация образца
    Сопротивление сдвигу образца определяется по:

    УРАВНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

     Определение параметров напряжения с помощью круга Мора

    Определение параметров напряжений с помощью круга Мора

    Условия эффективного напряжения

    Эффективные напряжения, действующие на образец грунта во время испытания, показаны на рисунке. В данном случае эффективное малое главное напряжение равно давлению в камере (давление жидкости) минус поровое давление. Главное основное напряжение равно девиаторному напряжению плюс давление в камере. Следовательно, эффективное главное принципиальное напряжение clip_image023 равно главному главному напряжению минус поровое давление.
    Пусть компоненты напряжения на плоскости разрушения MN равны clip_image024 и clip_image025 и плоскость разрушения наклонена под углом clip_image026 к основной плоскости.
    Напряженное состояние в образце грунта при трехосном испытании

    Рис.4.Определение эффективного напряжения с помощью круга Мора

    Пусть огибающая DF рассекает абсциссу под углом clip_image028а C — центр окружности Мора.
    Из clip_image029 и clip_image030 получаем,
    Напряженное состояние образца грунта во время трехосного испытания
    Отношения главных напряжений при разрушении
    clip_image032
    OC = clip_image033
    OF = клип_изображение034
    Опять же из клип_изображение035,
    клип_изображение036
    клип_изображение037
    Решая это уравнение, получаем
    клип_изображение038
    Но клип_изображение039
    Следовательно, клип_изображение040
    Из проведенной окружности Мора прямая линия образует плоскость разрушения, а образовавшийся перекресток является параметром эффективной прочности c’ грунта. Угол, образованный плоскостью ø’, образует угол трения. Следовательно, эффективная прочность на сдвиг определяется как
    Эффективная ШИРОКАЯ СТРЕЛЬБА

    Измерение давления поровой воды

    Давление поровой воды должно измеряться в условиях отсутствия потока как из образца, так и в него, иначе правильное давление будет изменено. Можно измерить давление поровой воды на одном конце образца, в то время как на другом конце происходит дренаж. Условие отсутствия потока поддерживается с помощью нулевого индикатора, представляющего собой U-образную трубку, частично заполненную ртутью.

    Преимущества трехосного испытания

  • Распределение напряжения на плоскости разрушения является равномерным.
  • Образец свободно разрушается по наиболее слабой плоскости
  • Имеется полный контроль над дренажом.
  • Изменения порового давления и объемные изменения могут быть измерены напрямую.
  • Известно состояние напряжения на всех промежуточных стадиях вплоть до разрушения. Круг Мора может быть построен на любой стадии сдвига.
  • Это испытание подходит для точных исследований, а аппарат можно адаптировать к специальным требованиям, таким как испытание на растяжение и испытания для различных путей напряжения.
  • Недостатки трехосного испытания

  • Аппарат сложный, громоздкий и дорогостоящий.
  • Дренированное испытание занимает больше времени по сравнению с испытанием на прямой сдвиг.
  • Невозможно определить площадь поперечного сечения образца при больших деформациях, так как предположение о том, что образец остается цилиндрическим, не соответствует действительности.
  • Условия деформации в образце не являются однородными из-за фрикционных ограничений, создаваемых нагрузочной крышкой и диском-опорой. Это приводит к образованию мертвых зон на каждом конце образца.
  • Консолидация образца при испытании является изотропной, в то время как в полевых условиях консолидация обычно анизотропна.
  • Читайте далее:
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Центрсельстрой