ПРАКТИКУМ ПО МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЮ. Практикум по мерзлотоведению учебное пособие
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
Одноосное сжатие. Испытания на одноосное сжатие выполняются с целью определения деформационных и прочностных свойств мерзлых пород при постоянной температуре. Кратковременные испытания проводятся обычно на гидравлических, пневматических и электромеханических прессах с усилием до 50 кН (5 тс); испытания на ползучесть – на рычажных прессах с усилием до 5–10 кН (0,5–1 тс). Прессы должны обеспечивать центрированное приложение к образцу 39 нагрузки, заданное напряжение в течение длительного времени (с точностью не менее 5 %), возможность деформирования образца не менее чем на 20 % от его начальной высоты. Прессы оборудуются специальными приборами для установки, центрирования и крепления образца, а также измерения его продольной и поперечной деформации. Указанные приборы (рис. 3.3) состоят из основания (10), направляющего приспособления (3), верхнего (4) и нижнего (5) штампов, имеющих углубления на 2,0+0,1 мм, с диаметром, равным диаметру образца (+0,1 мм), подвижного штока (2). При проведении испытаний необходимо обеспечивать неизменное положение оси подвижного штока, через который передается нагрузка на образец (1) в резиновой оболочке (6) от пресса. В качестве устройств для измерения продольной (8) и поперечной (9) деформации могут использоваться индикаторы часового типа, прогибомеры (7), микрометры, электрические датчики перемещения, различные приборы для автоматической записи деформации. Главные требования к этим устройствам – обеспечение измерения деформаций величиной до 20 % от начальной высоты образца с точностью не менее 0,01 мм. Испытания обычно проводятся на образцах мерзлого грунта цилиндрической формы диаметром (40–71,4) ±0,1 мм и высотой (60– 140) ±0,1 мм. Необходимым требованием к размерам образцов является соблюдение отношения высоты к диаметру, равного 1,5–2,0. Следует обращать особое внимание на параллельность торцевых поверхностей образцов, чистоту их обработки и центрирование образцов относительно штампов испытательного прибора. Перед загружением образца измеряют его диаметр и высоту. Нагрузка на образец, помещенный в испытательный прибор на прессе, передается через верхний вертикальный шток. Одноосное растяжение. Испытания мерзлых пород на растяжение проводятся с целью определения прочностных свойств мерзлых грунтов на разрыв (условно- мгновенная R 0 p и предельно-длительная R ∞ p прочности) и деформационных характеристик мерзлых грунтов при растяжении (условно-мгновенный E 0 p и предельно-длительный E ∞ p модули деформации). Для испытаний используются прессы, позволяющие деформировать и разрушать образцы мерзлого грунта Рис. 3.3. Схема установки для испытания мерзлых грунтов на одноосное сжатие [6] 40 приложением одноосного растягивающего напряжения. Для испытания мерзлых грунтов на растяжение существуют несколько типов приборов. Прибор, сконструированный на кафедре геокриологии МГУ (рис. 3.4), с помощью гидравлического пресса обеспечивает растяжение и разрушение образцов при быстром загружении. Устройство состоит из двух металлических рам (неподвижной А и подвижной Б) с захватами (2 и 3) для образца. Установка снабжена ограничителями (6 и 7), между которыми устанавливается захват (3). Крепление и регулировка верхнего захвата (2) по высоте осуществляется при помощи винта (4) и гайки (5). Усилие поршня (1), передаваемое на образец через подвижную раму Б, фиксируется с помощью динамометра (8) или манометра, установленного на прессе. Недостатком описанного прибора является эксцентриситет приложения нагрузок на противоположные стороны образца и возникновение крутящих усилий, делающих получаемые результаты заниженными. От указанных недостатков свободна установка конструкции ВОДГЕО, предложенная В.И. Климовым и М.Н. Захаровым (рис. 3.5). Конструкция прибора включает в себя две симметричные полые муфты, нагрузочные и измерительные устройства. Образец грунта (1) помешается между захватами (2 и 3), соединенными с несущими траверсами (4 и 5). По оси траверс расположены шаровые шарниры (6 и 7), соединенные гибкими тросами (8 и 9) с нагрузочным устройством, выполненным в виде системы рычажного типа, неподвижные опорные стойки (10) и опорный столик (11). Для измерения деформации образца используются индикаторы часового типа (12). Конструкция прибора позволяет измерять Рис. 3.4. Установка для опре- деления прочности мерзлых грунтов на растяжение (конструкция МГУ) [6] Рис. 3.5. Прибор конструкции ВОДГЕО для определения прочности мерзлых грунтов на растяжение [6] 41 боковые деформации образца. Для проведения испытаний мерзлых пород на растяжение используются образцы в форме восьмерок или катушек. К форме и размеру образцов предъявляются следующие требования: 1. длина шейки образца должна быть достаточно большой: чем она длиннее, тем равномернее распределение напряжений по сечению в плоскости разрыва; 2. при испытании образца не должно возникать перекосов, равнодействующая внутренних сил должна совпадать с осью внешних растягивающих сил; 3. в местах закрепления образца в приборе концентрация на- пряжении должна быть сведена к минимуму: 4. поверхность образца не должна иметь выколов, надрезов, царапин, резких изменений сечения, являющихся концентраторами напряжений. Раскалывание. Раскалывание является косвенным методом, позволяющим определить условно-мгновенное сопротивление мерзлых пород разрыву. Сущность метода заключается в раскалывании цилиндрических образцов твердомерзлых грунтов по образующей сосредоточенными нагрузками. Метод основан на решении задачи Герца в теории упругости, из которого следует, что растягивающие напряжения, перпендикулярные к плоскости действия внешних сил, имеют постоянную величину и равномерно распределены по диаметру образца. Данный метод называется «бразильским». В настоящее время используются его различные варианты (рис. 3.6). Ри с. 3.6. Определение прочности мерзлых грунтов на разрыв «бразильским» методом: а – схема нагружения образца; б – варианты «бразильского» метода: сжатие по образующей между двумя плитами (1 и фотография справа), с помощью двух проволок (2), с помощью плиты и проволоки (3) Цилиндрические образцы, используемые для испытания мерзлых грунтов на раскалывание, должны иметь высоту 30–60 мм при ее отношении к диаметру, равном 0,7–1,1. Ось образца и лезвия клиньев 42 при испытании должны находиться в одной вертикальной плоскости. Компрессионные испытания. Компрессионные испытания образцов мерзлых пород проводят в условиях ступенчатого одноосного нагружения без возможности бокового расширения. Основным показателем сжимаемости мерзлых пород является коэффициент сжимаемости δ . Его определяют по величинам стабилизированных продольных деформаций сжатия образца, развивающихся под действием ступенчато возрастающей нагрузки. Для проведения компрессионных испытаний образцов мерзлых пород применяются стандартный металлический одометр и рычажный пресс на 10–15 кН (1,0–1,5 тс). Рычажный пресс должен обеспечивать центрированную передачу нагрузки на штамп, ее постоянство на каждой ступени и неподвижность рабочего кольца в одометре при испытаниях. На рис. 3.7 представлен прибор конструкции МГРИ. На чугунном основании (1) помещается база (2) с муфтой (3), соединяющей базу с рабочим цилиндром (4), в который входит поршень (5). Давление на поршень передается через шарик (б) с помощью системы рычагов (7) и тяги (8). Верхний рычаг укреплен на двух шариковых подшипниках в обойме (9) и имеет противовес (10). Обойма соединена с основанием прибора винтом (11), регулирующим высоту рычага. Для уравновешивания нижнего рычага служит Уравнительный винт (12) на тяге (8). К основанию прибора прикреплена стойка (13), по которой перемещается держатель (14) индикатора (15). Испытываемый образец (16) закладывается в специальное кольцо, которое ввинчивается в рабочий цилиндр. Снизу и сверху образца помешаются пористые фильтры (17). Для закрепления рычага в определенном положении служит специальный винт (18). Нагрузка на рычаги осуществляется грузом, укладываемым на специальный держатель- подвеску (19). Деформации образца измеряются индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. При испытании Рис. 3.7. Прибор конструкции МГРИ для компрессионных испытаний грунтов [6] 43 малосжимаемых мерзлых пород необходимо повышение точности измерения деформации, что может быть достигнуто применением индикаторов часового типа с ценой деления 0,002 или 0,001 мм (или других устройств с той же или большей точностью измерения деформации). Для компрессионных испытаний мерзлых пород кроме металлических могут применяться специальные одометры из нетеплопроводных материалов (плексиглас, текстолит и др.). Их целесообразно применять при температурах, близких к 0 °С, при которых сжимаемость мерзлых грунтов весьма чувствительна даже к незначительным (0,1–0,2 °С) колебаниям температуры. Испытываемые образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 71 мм и отношение высоты к диаметру 1:3,5. При подготовке образцов для компрессионных испытаний должны выполняться общие требования к механическим испытаниям мерзлых грунтов. Особое внимание следует обращать на плотное прилегание боковой поверхности образцов к рабочему кольцу одометра, а также на тщательную обработку торцов и их параллельность. Вдавливание шарикового штампа. Вдавливание в мерзлый грунт шарикового штампа позволяет определить предельно-длительное значение эквивалентного сцепления с eq . Метод заключается в том, что в грунт под заданной нагрузкой Р вдавливается жесткий штамп шаровой формы и измеряется глубина его погружения в процессе вдавливания. Одноштоковый шариковый штамп конструкции НИС «Гидропроект» (рис. 3.8) состоит из опорной плиты (1), направляющей стойки (2), консоли (3), передвигающейся по зубчатой рейке (6) с помощью нивелировочного винта (5), и штока, установленного на консоли с помощью направляющей муфты (7). На верхнем конце штока (4) находится площадка (8) для размещения груза (14) и передачи нагрузки на шариковый штамп (9). Масса штока уравновешивается пружиной, которая находится в направляющей муфте. Для закрепления штампа используется стопорный винт (10); индикатор для измерения деформаций (12) крепится при помощи держателя (11) с винтом (13). Для определения сил сцепления могут использоваться приборы других модификаций. Испытание шариковым штампом рекомендуется проводить при температуре не ниже минус 5°С на мерзлых глинах, суглинках, супесях и песках, имеющих массивную, тонкослоистую и мелкосетчатую криогенные текстуры при отсутствии в них обломочного материала. Диаметр штампа должен составлять 22+2 мм и быть в 8–10 раз больше среднего размера наибольших макроструктурных элементов мерзлого грунта. Испытания проводят на 44 образцах диаметром не менее 71 мм и при отношении высоты к диаметру 1: 3,5. Перед опытом прибор устанавливают по уровню, сопротивление пружины компенсируют нагрузкой АР. Поэтому величина нагрузки, действующей на образец в процессе испытания, должна равняться P=Q–AP, где Q – нагрузка на грузовой площадке. Величина АР определяется следующим образом. При открытом стопорном винте штампа ножка индикатора подводится к грузовой площадке. Нагружая грузовую площадку гирями, определяют нагрузку (с точностью до 50 г), при которой начинается движение штока, фиксирующееся по отклонению стрелки индикатора. Трехосное сжатие. Наиболее достоверную оценку деформационных и прочностных свойств мерзлых пород при сложном напряженном состоянии, развивающемся в массиве пород при воздействии внешних нагрузок, дают испытания на трехосное сжатие. Результатом этих испытаний является определение сцепления, угла внутреннего трения, модуля обшей деформации, коэффициента поперечной деформации, а также параметров, характеризующих реологические свойства мерзлых пород – изменчивость прочности и деформации во времени. В настоящее время разработан ряд конструкций приборов трехосного сжатия – стабилометров. По характеру приложения нагрузки различают статические и динамические стабилометры, а по принципу работы они подразделяются на разные типы. Схема стабилометра конструкции ПНИИИС представлена на рис. 3.9. Цилиндрический образец мерзлого грунта (1) в тонкой резиновой оболочке (2) устанавливается между верхним и нижним поршнями (3) и помещается в герметически закрытую камеру (6). Поверхности поршней, прилегающие к торнам образца, имеют перфорацию. Всестороннее давление на образец передается путем нагнетания в испытательную камеру незамерзающей жидкости (4), имеющей температуру испытания, через штуцер (7). Осевое давление на образец передается через Рис. 3.8. Одноштоковый шариковый штамп конструкции НИС «Гидропроект» [6] 45 вертикальный шток (5) при помощи пресса, благодаря чему создается добавочное давление на торцы образца. При этом можно в зависимости от принятой методики сохранять или снижать боковое давление, поддерживая неизменным вертикальное давление, или менять то и другое в соответствии с заданным режимом. В процессе испыта- ния измеряются осевые и поперечные деформации образца. Стабилометр конструкции ПНИИИС характеризуется тем, что образец всегда находится под действием одинакового всестороннего давления. Осевое давление не может быть меньше бокового. При сжатии образца объем жидкости в камере меняется как в результате вхождения в камеру части штока, так и вследствие изменения объема образца. Испытания статическими нагрузками на ползучесть в условиях сложного напряженного состояния проводятся обычно в стабилометрах этого типа. При этом используются образцы мерзлого грунта цилиндрической формы диаметром 40-70 мм и высотой 100-150 мм. Применяется нагрузка, либо неизменная в течение всего процесса деформирования, либо ступенчато возрастающая, нопостоянная на каждой ступени. Обычно в стабилометрах трехосное сжатие осуществляется всесторонним равномерным деформированием образца при различных величинах гидростатического давления (первая схема) или под воздействием на образец различных комбинаций осевой σ 1 и боковых σ 2 = σ 3 нагрузок (вторая схема). Вторая схема используется в двух вариантах: 1) вертикальное (осевое) напряжение σ 1 ступенчато увеличивается, а радиальное (боковое) σ 2 = σ 3 поддерживается постоянным; 2) σ 1 ступенчато увеличивается, тогда как σ 2 = σ 3 ступенчато уменьшается с сохранением условия: σ m = ( σ 1 + σ 2 + σ 3 )/3 = const. Первую схему используют для изучения объемных деформаций мерзлого грунта, вторую – для исследования его длительной прочности Рис. 3.9. Схема стабилометра конструкции ПНИИИС [6] 46 и деформируемости. При изучении объемных деформаций мерзлого грунта моделируются условия трехосного сжатия элемента грунта в естественном массиве, происходящего под влиянием гидростатического давления (р= σ m = σ 1 = σ 2 = σ 3 ) Изучение изменения прочности и деформируемости мерзлого грунта во времени (вторая схема) является одним из самых распространенных. Первый вариант этой схемы используют для определения только прочностных показателей грунта, в соответствии с теорией Кулона–Мора, это сцепление – с и угол внутреннего трения – ϕ . Второй вариант схемы применяют для изучения реологических свойств мерзлого грунта в условиях ползучести. При этом основной задачей является установление вида функций, связывающих напряжения, деформации и время. Сдвиг. Испытание мерзлых пород на сдвиг позволяет определить основные прочностные показатели: прочность (условно-мгновенную R 0 и предельно-длительную R ∞ ), сцепление с и угол внутреннего трения ϕ (как условно-мгновенные с 0 и ϕ 0 , так и предельно-длительные с ∞ и ϕ ∞ ). Испытания обычно проводятся по схеме одноплоскостного среза. Основными узлами прибора являются срезыватель, состоящий из верхней и нижней обойм, и устройство для передачи на образец нормальной и сдвиговой нагрузки. Сдвиг осуществляется с помощью срезывателя смешением одной части цилиндрического образца относительно другой при одновременном воздействии нормальной нагрузки. Нормальная нагрузка, как правило, задается через рычажное устройство или динамометр. Сдвиговые деформации измеряются индикаторами часового типа. Для испытаний мерзлых грунтов на сдвиг чаше применяют приборы конструкции Гидропроекта ГГП-30 и ВСВ, НИИ оснований ПРС, клиновой прибор конструкции ВНИМИ. Прибор ВСВ (рис. 3.10, а) применяется для кратковременных испытаний мерзлых и оттаивающих пород. Разрушение образца (1), помешенного в рабочее кольцо в приборе ВСВ, осуществляется смешением нижней его части (3) относительно верхней (2) при одновременном действии нормальной нагрузки. Сдвиговое и нор- мальное усилия задаются независимо друг от друга через винтовые устройства (4 и 5) и динамометры (6 и 7). Для испытания на приборах разных типов используют образцы различных размеров: на ГГП-30 – диаметром 60,5 мм и высотой 50,5 мм, на ВСВ – соответственно 71,4 и 35 мм на клиновом приборе соответственно 71,4 и 100 мм. 47 Сдвиг по поверхности смерзания. Испытания мерзлых пород на сдвиг по поверхности смерзания с различными материалами позволяют определять характеристики прочности смерзания – условно- мгновенные, длительные и предельно-длительные значения прочности смерзания R аf , сцепления c af и коэффициента трения по поверхности смерзания f аf Для определения прочности смерзания в лабораторных условиях применяются два метода: 1 – испытание в сдвиговых приборах; 2 – продавливание (или выдергивание) моделей фундаментов, смороженных с грунтом. Для испытания мерзлых грунтов по методу 1 рекомендуется од- ноплоскостной (срезной) прибор ПРС конструкции НИИ оснований, разработанный А.В. Садовским и С.Э. Городецким, а также прибор типа ВСВ для кратковременных опытов с пластично-мерзлыми породами, а для испытания по методу 2 обычно используются приборы Н.А. Цытовича и Е.Ф. Ермакова. Сдвиговой (срезной) прибор ПРС (рис. 3.10, б) состоит из осно- вания (7), сдвиговой камеры (1) и подвижной каретки (2), пере- мещающейся вдоль направляющей обоймы (3) на стальных шариках (6). Приспособление для передачи нормального давления укреплено четырьмя стойками (14) на сдвиговой камере и состоит из боковой упорной плиты (10), винта (11) и динамометра (12, 13). Цилиндрический образец грунта (5), смерзшийся с материалом (4), помещается в углубление сдвиговой камеры, во врез в подвижной каретке, который имеет цилиндрическую форму. Нормальная нагрузка на образец передается винтом (11) через динамометр и боковой штамп (9). Сдвиговая нагрузка прикладывается к образцу с помощью рычажного пресса через верхнюю часть подвижной каретки. Весь а) б) Рис. 3.10. Сдвиговые приборы: а) схема сдвигового прибора ВСВ; б) схема сдвигового прибора ПРС конструкции НИИ оснований [6] 48 прибор закрепляется на опорной плите (8). Деформация сдвига образца измеряется индикатором часового типа. Образцы грунта имеют диаметр 71,4 мм и толщину 35 мм. Они смораживаются в специальных формах с цилиндрическими дисками, имеющими диаметр 71,4 мм и толщину 15 мм и выполненными из технического материала (металл, бетон, дерево и др.). Формы изготавливаются из металла (для всестороннего промерзания грунта при подготовке образца) или из теплоизолирующего материала (для одностороннего промерзания). Прибор Н.А. Цытовича (рис. 3.11, а) состоит из цилиндрической емкости, представляющей собой кольцо (1), вставленное в поддон (2). В днище поддона имеется круглое отверстие, предназначенное для продавливания цилиндрической стойки из материала фундамента (4). Внутренний диаметр кольца должен быть равен пяти диаметрам стойки. Стойка устанавливается в центре емкости над отверстием в ее днище. Устойчивость и вертикальное положение стойки обеспечивается направляющей трубкой, вмонтированной в центр крестовины, которая накладывается сверху емкости и скрепляется с ней. Отверстие в днище закрывается вкладышем (3). Прибор Е.Ф. Ермакова (рис. 3.11, б) представляет собой пря- моугольный корпус (1) с прорезью в днище. В прорезь устанавливают пластину из материала фундамента (2). Емкости приборов Н.А. Цытовича и Е.Ф. Ермакова заполняют грунтом и проводят замораживание грунта с одновременным смораживанием его с материалом фундамента в требуемом режиме. Во время испытания сдвиговая нагрузка задается путем передачи вертикального давления на стойку (в приборе Н.А. Цытовича) и пластину (в приборе Е.Ф. Ермакова). Нормальная нагрузка моделируется давлением на модель фундамента, возникающем при замерзании грунта. Недостатком этих приборов является невозможность задавать нормальную нагрузку, следовательно, и разделять c af и f af [6]. Рис. 3.11. Схемы приборов для определения прочности смерзания грунта с моделями фундамента: а – прибор Н.А. Цытовича, б – прибор В.Ф. Ермакова [6] 49 |