Статьи

Зачем нужны трехосные испытания грунтов?  08.07.2019 06:03

Трехосные испытания грунтов – наиболее прогрессивные лабораторные испытания. В данной статье описывается необходимость данных испытаний. 

В инженерной практике распространенным и простым методом лабораторных исследований грунта является компрессионные испытания, выполняемые в одометре, который представляет из себя стальной цилиндр и препятствует выпору грунта в бок. Таким образом, не учитывается напряженное состояние грунта на глубине. В реальности грунт не работает в стальной обойме. Если выделить из грунта условный цилиндр, то его окружает точно такой же грунт, который оказывает на образец определенное давление. Поэтому возникает необходимость в моделировании окружающего грунта. Это как раз и позволяют сделать трехосные испытания. Суть метода такова, что образец грунта погружают не в стальной цилиндр, а в резиновую оболочку. И эту резиновую оболочку с грунтом опускают в камеру с водой. Таким образом, регулируя давление воды в камере можно добиться определенного давления на грунт, смоделировав тем самым природное давление той глубины, с которой был взять образец (бытовое давление).

Трехосные испытания необходимы для использования в геотехнических расчетах модели упрочняющегося грунта (Hardening soil). Эта модель грунта является усовершенствованием модели Мора-Кулона (модель упрочняющегося грунта также имеет название “Модифицированная модель Мора-Кулона”).  

Модель Мора-Кулона имеет две ветви на графике зависимости относительных деформаций от девиатора напряжений – первая ветвь, работающая по линейному закону, и вторая ветвь – горизонтальная прямая. То есть до определенного значения напряжений грунт работает как линейно-упругий материал, а дальше просто выключается из работы. Это означает, что модуль упругости в такой модели постоянен, и не зависит от девиатора напряжений. В реальности модуль упругости грунта не является постоянной величиной и зависит от напряжений. 

Более реально грунт описывает модель Hardening soil. Данная модель включает модуль упругости при разгрузке Eur, гиперболическую зависимость между значениями относительных деформаций и девиатора напряжений, две функции текучести - для пластических сдвиговых (по аналогии разрушения по критерию Кулона-Мора) и объемных деформаций (в случае действия больших сжимающих напряжений).

В качестве наглядного сравнения в программном комплексе midas GTS NX в программе Soil  Test было проведено моделирование трехосных испытаний в двух моделях –Мор –Кулон (MC) и Hardering Soil (HS) для условного грунта со следующими характеристиками: γ=20кН/м3; ϕ=20⁰; C=20кПа; η=0,3, E=20МПа. 

Для модели HS были также приняты дополнительные характеристики, согласно рекомендациям разработчиков ПК Midas: E50ref = 11Мпа;  Eoedref = 11Мпа; Rf=0.9; Pref=100кПа; m=0.5.
В итоге были построены графики зависимости относительных деформаций от девиатора напряжений для этих двух моделей. 

Разрушение грунта происходит при одном и том же  девиаторе напряжений – это около 160кПа. Однако, сам характер графиков разный, в случае с HS он имеет гиперболическую форму.

Данные характеристики не являются характеристиками реального грунта, но показывают одно из принципиальных различий моделей. Таким образом модель HS более точно описывает работу грунтового массива. Программа Soil Test позволяет по результатам лабораторных испытаний откалибровать входные характеристики модели, что необходимо обязательно делать для точного моделирования грунтового массива. 

К числу задач, для которых нужно применять модель упрочняющегося грунта, относятся расчеты подпорных стен. При использовании модели Мора-Кулона из-за отсутствия модуля упругости при разгрузке, дно котлованов сильно поднимается, что приводит к неадекватным результатам (иногда даже отклонение ограждения в сторону от котлована). Модель Hardening soil решает эту проблему путем ввода модуля разгрузки. Также, расчеты подпорных стен посредством МКЭ – это преобладание нелинейных расчетов. Во-первых, в локальных участках возникают большие напряжения, при которых возникают пластические деформации, во-вторых давление грунта на стену происходит по принципу призмы обрушения, что обуславливается пластическими деформациями.

Поэтому, правильный выбор нелинейной модели и правильное задание характеристик является одним из составляющих достоверности расчета. Определить достоверные деформации стенки и осадки окружающей застройки без использования современных моделей грунта не представляется возможным.

Трехосные испытания также можно проводить по следующим схемам: неконсолидированно-недрениованные, консолидированно-недренированные, консолидированно дренированные. Выбор зависит от типа выполняемого расчета, например, возможен расчет осадки во времени и расчет в условиях быстрого приложения нагрузки

Из вышесказанного следует, что трехосные испытания – это испытания, которые должны стать привычным типом испытаний для инженерно-геологических изысканий, так как модель, на которой базируется эти испытания незаменима для ряда расчетов, а также сама модель является более точной, по сравнению с распространенными моделями.