Способ трехосных испытаний грунта

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам для определения физико-механических свойств грунтов.

Известен способ трехосных испытаний грунта путем приложения давления ко всем граням образца (Бугров А.К., Нарбут P.M., Сипидин В.П. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. - Л.: Стройиздат, 1987, с.107-108).

Недостатком данного способа является отсутствие возможности моделирования циклических знакопеременных нагрузок, что снижает эффективность способа.

Наиболее близким техническим решением является способ трехосных испытаний грунта путем приложения давления к трем прилежащим граням (A.с.1032093, E02D 1/00)

Недостатком известного способа является то, что в процессе нагружения образца за счет касательного смещения нагружающих плит и последующего его объемного деформирования, происходит смещение центра тяжести и, как следствие, искажается напряженно-деформированное состояние (НДС) образца. Кроме того, невозможно проведение испытаний с циклическими (знакопеременными)нагрузками, что также снижает эффективность способа.

При создании настоящего изобретения была поставлена задача по устранению указанных недостатков и разработке более эффективного способа трехосных испытаний грунта в условиях регулируемого объемного напряженного состояния.

Поставленная задача достигается тем, что в способе трехосных испытаний грунта путем приложения давления к трем граням кубического образца с замером напряжений: σ_1, σ₂, σ₃ и деформаций: ε₁, ε₂, ε₃ по трем координатным осям и определением абсолютной и относительной погрешности параметра Лоде-Надаи - вида напряженно-деформированного состояния, согласно изобретению производят поочередное приложение давления к трем прилежащим граням и трем противолежащим граням с замером в каждом случае напряжений σ₁ ¹, σ₂ ¹, σ₃ ¹, σ₁ ¹¹, σ₂ ¹¹, σ₃ ¹¹, и деформаций ε₁ ¹, ε₂ ¹, ε₃ ¹, ε₁ ¹¹, ε₂ ¹¹, ε₃ ¹¹, сравнивают отклонения (ε₁ ¹-ε₁ ¹¹), (ε₂ ¹-ε₂ ¹¹), (ε₃ ¹-ε₃ ¹¹), (σ₁ ¹-σ₁ ¹¹), (σ₁ ²-σ₂ ¹¹), (σ₃ ¹-σ₃ ¹¹) и определяют абсолютную Δμ_σ(Δμ_ε) и относительную δ_σ(δ_ε) погрешности параметра Лоде-Надаи:

Δμ_σ=(2Δσ₂-(Δσ₁+Δσ₃)/(Δσ₁-Δσ₃)

Δμ_ε=(2Δε₂-(Δε₁+Δε₃)/(Δε₁-Δε₃),

_где Δσ₁=σ₁ ¹-σ₁ ^11, Δσ₂=σ₂ ¹-σ₂ ¹¹, Δσ₃=σ₃ ¹-σ₃ ¹¹,Δε₁=ε₁ ¹-ε₁ ¹¹,Δε₂=ε₂ ¹-ε₂ ¹¹ ₁,Δε₃=ε₃ ¹-ε₃ ¹¹), - отклонения напряжений и деформаций по прилежащим и противолежащим граням соответственно;

δ_σ=(μ_σ ¹¹-μ_σ ¹)/μ_σ ¹) 100%,

δ_ε=(μ_ε ¹¹-σ₃ ¹¹)/μ_ε ¹ 100%,

μ_σ=(2σ₂-(σ₁+σ₃)/(σ₁-σ₃),

μ_ε=(2ε₂-(ε₁+ε₃)/(ε₁-ε₃),

где σ₁, σ₂, σ₃, ε₁, ε₂, ε₃, - главные напряжения и деформации, μ_σ ¹ и μ_σ ¹¹ - параметр напряженного состояния в случае приложения давления к трем прилежащим и трем противолежащим граням соответственно; μ_ε ¹ и μ_ε ¹¹ - параметр деформированного состояния в случае приложения давления к трем прилежащим и трем противолежащим граням соответственно, по которым судят о характере искажения напряженно-дефомированного состояния и определяют средние значения: σ_1ср,σ_2ср, σ_3ср, ε_1ср, ε_2ср, ε_3ср.

При этом повышается эффективность испытаний за счет возможности более точного моделирования объемно-напряженного состояния грунта для различных случаев действия знакопеременной нагрузки. Поочередное нагружение трех прилежащих и трех противолежащих граней в различном соотношении главных напряжений (σ₁, σ₂, σ₃) позволяет предотвращать смещение центра тяжести образца, что в меньшей степени искажает его НДС.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема действия главных напряжений по трем рабочим прилежащим граням; на фиг.2 - схема смещения центра тяжести в процессе обжатия образца по прилежащим граням; на фиг.3 - схема нагружения образца по прилежащим граням; на фиг.4 - по противолежащим граням; на фиг.5 - положение центра тяжести в процессе нагружения по прилежащим и противолежащим граням.

Способ реализуется следующим образом. Кубический образец грунта устанавливают в приборе с независимым нагружением по всем трем координатным осям. Далее фиксируют противолежащие грани 1, 2, 3 образца и задают давление по трем прилежащим граням 4, 5, 6 (фиг.3) с заданным соотношением главных напряжений (σ₁ ¹, σ₂ ¹, σ₃ ¹), согласно выбранной траектории нагружения, и замером соответствующих деформаций {ε₁ ¹, ε₂ ¹, ε₃ ¹). Затем фиксируют прилежащие три грани 4, 5, 6 и задают давление по трем противолежащим граням 1, 2, 3 (фиг.4) (σ₁ ¹¹, σ₂ ¹¹, σ₃ ¹¹) с замером соответствующих деформаций (ε₁ ¹¹, ε₂ ¹¹, ε₃ ¹¹). При этом центр тяжести 7 образца не смещается, а остается на месте. После этого сравнивают отклонения σ и ε: (σ₁ ¹-σ₁ ¹¹), (σ₂ ¹-σ₂ ¹¹), (σ₃ ¹-σ₃ ¹¹), (ε₁ ¹-ε₁ ¹¹), (ε₂ ¹-ε₂ ¹¹), (ε₃ ¹-ε₃ ¹¹), по которым судят о характере искажения полей напряжений и деформаций в образце (без смещения его центра тяжести). В этом случае характер искажения НДС может быть оценен, например, величиной изменения известного параметра Лоде-Надаи Δμ_σ(Δμ_ε), характеризующего вид напряженного μ_σ и деформированного μ_ε состояний (Бугров А.К., Нарбурт P.M., Сипидин В.П. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. - Л.: Стройиздат, 1987, с.34):

Δμ_σ=(2Δσ₂-(Δσ₁+Δσ₃)/(Δσ₁-Δσ₃)

Δμ_ε=(2Δε₂-(Δε₁+Δε₃)/(Δε₁-Δε₃),

где Δσ₁=σ₁ ¹-σ₁ ¹¹, Δσ₂=σ₂ ¹-σ₂ ¹¹, Δσ₃=σ₃ ¹-σ₃ ¹¹, Δε₁=ε₁ ¹-ε₁ ¹¹, Δε₂=ε₂ ¹-ε₂ ¹¹, Δε₃=ε₃ ¹-ε₃ ¹¹ - отклонения напряжений и деформаций по прилежащим и противолежащим граням. По величине изменения параметра Лоде-Надаи Д Δμ_σ(Δμ_ε) и судят о характере искажения НДС.

Характер искажения НДС может быть также определен, например, по значению рассчитанной относительной погрешности δ любой характеристики (Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация и сертификация. - М.: Логос, 2001, с.47), например, изменения параметра Лоде-Надаи, характеризующего вид напряженного μ_σ и деформированного μ_ε состояний:

δ_σ=(μ_σ ¹¹-μ_σ ¹)/μ_σ ¹)100%,

δ_ε=(μ_ε ¹¹-μ_ε ¹)/μ_ε ¹)100%,

μ_σ=(2σ₂-(σ₁+σ₃)/(σ₁-σ₃),

μ_ε=(2ε₂-(ε₁+ε₃)/(ε₁-ε₃),

где σ₁, σ₂, σ₃, ε₁, ε₂, ε₃ - главные напряжения и деформации, μ_σ ¹ и μ_σ ¹¹ - параметр напряженного состояния в случае приложения давления к трем прилежащим и трем противолежащим граням соответственно, μ_ε ¹ и μ_ε ¹¹ - подпараметр деформированного состояния в случае приложения давления к трем прилежащим и трем противолежащим граням соответственно.

Процент относительного изменения напряженного δ_σ или деформированного δ_ε состояний и будет характеризовать характер искажения НДС.

Далее рассчитывают средние значения напряжений и деформаций по прилежащим и противолежащим граням, которые используются в расчетах в зависимости от объекта строительства (σ_1ср, σ_2ср, σ_3ср, ε_1ср, ε_2ср, ε_3ср). Далее цикл нагружения повторяется.

Способ трехосных испытаний грунта опробован в лаборатории строительного павильона ТГТУ на трехосной установке УИТ-1520 с независимым нагруженном по трем координатным осям. Полученные результаты подтверждают возможность моделирования напряженного состояния образца с учетом его циклического и знакопеременного нагружения без смещения центра тяжести образца.

Способ трехосных испытаний грунта путем приложения давления к трем граням кубического образца с замером напряжений σ₁, σ₂, σ₃, и деформаций ε₁, ε₂, ε₃ по трем координатным осям и определением абсолютной и относительной погрешностей параметра Лоде-Надаи - вида напряженно-деформированного состояния, отличающийся тем, что производят поочередное приложение давления к трем прилежащим граням и трем противолежащим граням с замером в каждом случае напряжений σ₁ ¹, σ₂ ¹, σ₃ ¹, σ₁ ¹¹, σ₂ ¹¹, σ₃ ¹¹ и деформаций ε₁ ¹, ε₂ ¹, ε₃ ¹, ε₁ ¹¹, ε₂ ¹¹, ε₃ ¹¹, сравнивают отклонения (ε₁ ¹-ε₁ ¹¹), (ε₂ ¹-ε₂ ¹¹), (ε₃ ¹-ε₃ ¹¹), (σ₁ ¹-σ₁ ¹¹), (σ₂ ¹-σ₂ ¹¹), (σ₃ ¹-σ₃ ¹¹) и определяют абсолютную Δμ_σ (Δμ_ε) и относительную δ_σ(δ_ε) погрешности параметра Лоде-Надаи:

Δμ_σ=(2Δσ₂-(Δσ₁+Δσ₃)/(Δσ₁-Δσ₃),

Δμ_ε=(2Δε₂-(Δε₁+Δε₃)/(Δε₁-Δε₃),

где Δσ₁=σ₁ ¹-σ₁ ¹¹, Δσ₂=σ₂ ¹-σ₂ ¹¹, Δσ₃=σ₃ ¹-σ₃ ¹¹, Δε₁=ε₁ ¹-ε₁ ¹¹, Δε₂=ε₂ ¹-ε₂ ¹¹, Δε₃=ε₃ ¹-ε₃ ¹¹ - отклонения напряжений и деформаций по прилежащим и противолежащим граням соответственно;

δ_σ=(μ_σ ¹¹-μ_σ ¹)/μ_σ ¹)100%,

δ_ε=(μ_ε ¹¹-μ_ε ¹)/μ_ε ¹)100%,

μ_σ=(2σ₂-(σ₁+σ₃)/(σ₁-σ₃),

μ_ε=(2ε₂-(ε₁+ε₃)/(ε₁-ε₃),

где σ₁, σ₂, σ₃, ε₁, ε₂, ε₃ - главные напряжения и деформации;

μ_σ ¹ и μ_σ ¹¹ - параметр напряженного состояния в случае приложения давления к трем прилежащим и трем противолежащим граням соответственно;

μ_ε ¹ и μ_ε ¹¹ - параметр деформированного состояния в случае приложения давления к трем прилежащим и трем противолежащим граням соответственно, по которым судят о характере искажения напряженно-дефомированного состояния и определяют средние значения σ_1cp, σ_2ср, σ_3ср, ε_1cp, ε_2ср, ε_3ср.