Характеристики плотности, влажности и пористости грунта. Физические характеристики грунтов позволяют количественно оценить их свойства и не зависят от применяемых методов расчета грунтовых сред. Ряд физических характеристик грунтов может быть получен, исходя из представления грунта как многокомпонентной среды, в общем случае состоящей из твердых частиц, жидкости (воды) и газа. В рассматриваемом объеме грунта (рис. 1.7) можно выделить объем, занятый твердыми частицами У_Т, и объем пор У_П. Тогда полный объем грунта К_гр = У_т + У_п, где У_а = У_г + У_в, а V_г и У_в — соответственно объем газа и воды. Масса грунта определяется массой твердых частиц т_Т и массой воды в порах т_в, т. е. т_{г р} = т_т + т_в.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плотность г р у н т а р_гр (г/см* или т/м³) — это отношение массы грунта (массы твердых частиц и воды) к его объему

 

Ргр = ^гр/^гр = + т_в)/(К_т + 1/_п). (1.8)

Для непосредственного определения плотности грунтов чаще всего применяют способ режущего кольца и способ парафинирования (ГОСТ 5182—78). По первому способу тонкое металлическое кольцо известного объема (К_гр) осторожно врезается в грунт, а далее путем

взвешивания определяют его массу (т_гр). По способу парафинирования находят объем образца (У_гр) известной массы. Для этого образец глинистого грунта, сохраняющего свою форму, покрывают расплавленным парафином и взвешивают в воздухе и в воде. Зная объем парафина (по его массе и плотности), согласно закону Архимеда легко вычислить объем образца*.

При расчете нагрузок на сооружения и напряжений от действия собственного веса грунта необходимо переходить к значению удельного веса грунта (Н/м³), который определится как,

7гр'=сРгр^> (1.9)

где § — 9,81 — ускорение свободного падения, м/с². Наиболее часто встречаемые в строительной практике грунты имеют удельный вес

• .22 кН/м³.

Влажность грунта ш — отношение массы воды к массе твердых частиц (сухого грунта)

ха = т_а1т_Т или т= [т_гр — т_т)//л_т. (1.10)

Для определения влажности (ГОСТ 5180—78) образец грунта после его взвешивания высушивают до постоянной массы (т_Т). Как правило, влажность для большинства грунтов меняется в пределах

1. ,01...0,6, но встречаются грунты (например, илы), у которых влажность достигает 1...2 и более. Иногда влажность грунта выражают в процентах.

Плотность частиц грунта р₈ определяют как отношение массы твердых частиц (сухого грунта) к объему самих твердых частиц

р _а = т_т/Уг (1-11)

Плотность частиц грунта зависит только от их минерального состава и в большинстве случаев изменяется от 2,4 до 2,8 г/см®. Для кварцевых песков р₈ = 2,65 г/см³, а для многих глин 2,70...2,75 г/см⁸.

Г Плотность частиц грунта определяют в лаборатории пикнометри- ческим методом (ГОСТ 5181—-78). В основу способа принято определение объема частиц грунта по массе вытесненной ими воды (закон Архимеда) путем определения массы сосуда известного объема (пикнометра) с водой и с водой и грунтом.

Следует подчеркнуть, что эти три основные физические характеристики грунта р_гр, ш и р₃ определяются только экспериментальным

путем и служат для расчета других приводимых ниже параметров.

Плотность сухого грунта или плотность скелета грунта р_ск определяют как отношение массы сухого грунта (частиц грунта) к объему всего грунта

р_ск = т_т/1/_Гр. (1.12)

Выражение (1.10) можно представить в виде

п = У_п/У_{г р}. (1.14)

Аналогично, величина т = У_т/У_гр и

т + п — 1. (1-15)

Иногда величины пит определяются в процентах. Для большинства грунтов пористость колеблется от 30 до 50%, но в случае илистых и лёссовых грунтов достигает 60% и более.

Величину т легко подсчитать, зная плотности сухого грунта и частиц грунта: /я = р_ск/р₈, а учитывая (1.15),

^п — 1 —Рск/Рз- (1-16)

 

 

 

 

 

 

8_Г = У*/У_а. (1.18)

Умножая числитель и знаменатель на одинаковые величины, получим

5_{г== =} ч^.1у^_ _{= т/ (1Л9)}

т_Т I тп_т т_т I т_т

где р — плотность воды; ш_н — влажность при полном заполнении пор водой, которую называют влагоемкостью (полной влагоем- костью) грунта

И’к = ^ пр/^т1 = ^_пр/(1/_тр₆) = ер/р„ (1.20)

отсюда выражение (1.19) приобретает вид

5_Г = шр₈/(ер).

Степень влажности, характеризующая степень заполнения пор водой, естественно может меняться от 0 в случае сухого грунта до 1 при полном заполнении пор водой. По степени заполнения пор водой крупнообломочные и песчаные грунты весьма условно разделяют на маловлажные при 5_Г< 0,5, влажные при 0,5 < 5_ГС 0,8 и насыщенные при 5_Г> 0,8. Более существенной является степень водо- насыщения, при которой вода в песчаных грунтах или супесях становится гидравлически непрерывной, передающей гидростатическое давление. Для мелких и особенно пылеватых песков или супесей эта величина составляет более 0,6...0,7, в более крупнозернистых грунтах более 0,7...0,8. Степень влажности естественных суглинков и глин, как правило, 0,8... 0,9 и во многих случаях близка к 1. Например, очень плотная и внешне сухая глина может иметь все поры, заполненные водой (5_Г == 1), т. е. быть полностью водонасыщеиной.

Содержание газа в грунте можно оценивать по величине 5 = = У_г/К_гр. Тогда условие (1.15) приобретает вид

т п' 5 = 1, (1.21)

 

где п' — Кц/Угр, т. е. объем воды в единице объема грунта. Величины 5_Г и 5 связаны между собой зависимостью

 

5_Г = У^/У_п = (У_а - У_Г)/У_п = 1 - з/п.

Характеристики консистенции глинистых грунтов, число пластичности. При изменении влажности свойства глинистых грунтов существенно меняются. Сильно увлажненная глина обладает способностью легко растекаться, при уменьшении влажности глина постепенно становится пластичной. Поэтому в зависимости от влажности для глинистых грунтов ввели (К- Терцаги, 1925 г.) три состояния по консиспуенции (рис. 1.8): твердая, пластичная и текучая.

Для оценки консистенции глинистых грунтов введены границы между ними (пределы), характеризуемые величинами влажности (рис. 1.8). Влажность, при которой грунт переходит из твердого состояния в пластичное, называют нижним пределом пластичности или пределом раскатывания пир (границей пластичности или раскатывания). Влажность на границе пластичной и текучей консистенции называют пределом текучести или верхним пределом пластичности (граница текучести).

Свойства глинистых грунтов с изменением их влажности меняются постепенно, и введение границ между консистенциями (пределов Аттерберга) достаточно условно. При нахождении этих пределов следует тщательно выполнять условия стандартности испытаний, кото
рые предусматриваются для предела пластичности и предела текучести (ГОСТ 5183—77).

Предел или граница пластичности выявляется раскатыванием руками теста из грунта в «проволоку». Считается, что влажность грунта достигает значения, соответствующего границе пластичности (раскатывания) тогда, когда «проволока» из грунта, достигнув диаметра 3 мм, начинает при дальнейшем раскатывании распадаться на отдельные кусочки. Границу, или предел текучести, определяют по погружению в замес грунта с водой специального стандартного конуса (конус А. М. Васильева), имеющего метку (риску). Влажность на пределе текучести считается достигнутой, если конус погружается в грунт до метки.

Зная естественную влажность грунта ха и определив для него в лабораторных условиях границы ха и ха^, легко сделать заключение о консистенции грунта в природных условиях (см. рис.

1.8).

Для численной оценки консистенции грунта введен показатель текучести, или показатель консистенции I _ь:

1_Ь =(ха — х0_р )/(хю_ь — ш_р ,. V—/

При /_ь < 0 грунт находится в твердом состоянии (консистенции), при 0< /_ь< 1 — в пластичном, а при /ь> 1 —в текучем (см. рис. 1.8). Для суглинков и глин введено более детальное деление пластичной консистенции на полутвердую (0...0,25), тугопластичную (0,25...0,5), мягкопластичную (0,5 ... 0,75) и текучепластичную (0,75...1,0).

Как показали многочисленные опыты, с увеличением в грунте содержания глинистых частиц растет разность числовых значений влажности на пределе текучести и пластичности, которая названа числом пластичности

1_р-ха_ь—ха_р. (1.23)

Учитывая, что содержание глинистых частиц определяет вид грунта, число пластичности применяют для классификации видов грунтов. По числу пластичности глинистые грунты разделяют на виды: супеси 1р = 0,01...0,07, суглинки 1р = 0,07...0,17, глины 1_Р > >0,17.

Песчаные грунты в «проволоку» не раскатываются или имеют

2. р < 0,01. Следует отметить, что для некоторых глинистых грунтов классификации по зерновому составу и числу пластичности дают разные наименования вида грунта. В соответствии со СНиПом в основу строительной классификации видов грунта принято число пластичности.

В заключение необходимо обратить внимание на некоторую условность оценки консистенции грунтов природного сложения по величинам Юь и ьс>у>, получаемым в лаборатории на образцах нарушенной структуры. Например, благодаря наличию структурных связей многие природные грунты, оцениваемые по /_ь, как находящиеся в текучем состоянии, в натурных условиях ненарушенного состояния могут не проявлять свойств текучести, поэтому иногда для таких грунтов применяют термин скрытотекучее состояние-

Характеристики плотности сложения песчаных грунтов. Для несвязных грунтов важнейшей характеристикой их свойств является плотность сложения, т. е. плотность укладки- упаковки частиц. Основной характеристикой плотности сложения несвязных грунтов является величина степени плотности слощения, или коэффициент относительной плотности сложения:

/д ~ (^шах ^)/(^шах ®т!п)> (1-24)

ГД6 ^тах> ^ И #тт — коэффициент пористости грунта соответственно в максимально рыхлом, естественном и максимально плотном состояниях. При /₀ = 0 грунт находится в самом рыхлом состоянии, а при Уд = 1 грунт имеет самое плотное сложение. Весь диапазон изменения /д от нуля до единицы (рис. 1.9) обычно делят на три равные части и вводят следующую условную классификацию несвязных грунтов по величине относительной плотности сложения: рыхлые —0< /д < 0,33; средней плотности — 0,33 <

<С /д <0,66; плотные — 0,66 < /д < 1,0.

Для подсчета /д по зависимости (1.24) необходимо иметь данные результатов полевых определений величины е и для этого грунта в лабораторных условиях определить е_тах и е_тт- Для нахождения ^тах обычно используют осторожную рыхлую отсыпку грунта в мерный сосуд, а для определения е_ты — динамические методы уплотнения грунта в мерном сосуде.

Различные по зерновому составу грунты имеют существенно отличные значения е_тах и е_тш , причем с увеличением крупности они уменьшаются. На предельные значения коэффициентов пористости не меньшее влияние оказывает форма частиц, и с увеличением окатанности и сферичности они уменьшаются. Поэтому использование в качестве характеристики плотности сложения величины относительной плотности /д, учитывающей как зерновой состав, так и форму частиц, дает наиболее объективный критерий плотности сложения.

Влияние формы частиц можно проиллюстрировать следующими примерами (рис. 1. 10). При намыве ряда крупных плотин использовались мелкие пески практически одинакового зернового состава, но благодаря различной форме частиц, характеризуемой Кф, были

получены значения коэффициентов пористости намытых грунтов е, менявшиеся от 0,62 для наиболее окатанных Шульбинских песков до 0,85...0,90 для очень остроугольных Кайраккумских песков и продуктов дробления горных пород (хвостов). По коэффициенту пористости могло создаться впечатление, что одни пески уложены плотнее других. Однако определение предельных значений коэффициентов пористости показало, что они соответственно смещены (рис. 1.10) и значения /о практически для всех намытых плотин одинаковы (0,40...0,45). Однотипный способ надводного намыва привел к одинаковой плотности сложения — укладке частиц по пляжу намыва. С увеличением окатанности и сферичности частицы песка в рыхлом и плотном сложении, а также при намыве укладываются более компактно, что ведет к уменьшению характерных коэффициентов пористости.

Таким образом, при одном и том же коэффициенте пористости одинаковые по зерновому составу пески могут находиться в состоянии различной плотности сложения.

К сожалению, в ряде нормативных документов (СНиП П-15—74, П-16—76 и др.) плотность сложения песков неправильно оценивается по величине их коэффициентов пористости. Так, для мелких песков средняя плотность сложения считается достигнутой при коэффициентах пористости от 0,6 до 0,75. Следуя такой неудачной классификации в приведенном выше примере (см. рис. 1.10), плотину Шульбинской ГЭС следует признать в состоянии, находящемся близко к плотному, плотину Волжской ГЭС — в состоянии средней плотности сложения, Кайраккумскую плотину в рыхлом состоянии, а пески хвостохранилищ — в сверхрыхлом сложении. На самом деле все эти сооружения имеют одинаковую среднюю плотность сложения 0,4.

Следует подчеркнуть, что коэффициент пористости, или пористость, и тем более плотность грунта не могут приниматься в качестве характеристики свойств и, в частности, плотности сложения несвязных грунтов. Для этой цели следует использовать относительные характеристики, в частности, степень плотности сложения /д.

массивов являются характеристики деформируемости и прочности грунтов, получаемые путем их лабораторных и полевых испытаний.

В лабораториях испытанию подвергаются малые элементы грунта. Для этой цели используют образцы грунта, отобранные из скважин, шурфов или шахт с максимальным сохранением их структуры, так называемые образцы ненарушенной структуры. В некоторых случаях образцы для испытаний формируются непосредственно в лаборатории из грунтов нарушенной структуры, например, для испытаний карьерных грунтов проектируемых грунтовых сооружений. В зависимости от натурных условий испытания проводят при действии статических или статических и динамических нагрузок.

Схемы и приборы для испытаний грунтов статическими нагрузками. Простейшую схему испытаний — одноосное сжатие образца (рис. 1.11, а) — применяют относительно редко и только для достаточно связных, прочных грунтов, из которых можно вырезать образец заданной, обычно цилиндрической, формы. Особенностью этой схемы испытаний является отсутствие бокового давления и каких-либо ограничений боковых деформаций образца грунта.

В этой и других схемах испытаний образцов возможны две методики проведения опытов. По первой методике задаются с помощью любых грузов или домкратов сжимающие напряжения и измеряют осадку образца, а относя ее к начальному размеру получают вертикальную (продольную) деформацию г₂ (методика управляемых нагрузок— напряжений). В результате по мере увеличения вертикальных сжимающих напряжений 0_Х наблюдается характерный для этой и подобных схем испытаний график развития вертикальных

Рис. 1.12. Зависимость вертикальных деформаций е_г от сжимающих напряжений ст при одноосном сжатии (1) и компрессионном испытании

деформаций е_г(а) (рис. 1.12, кривая 1). При малых напряжениях зависимость е₂(а) близка к линейной, а затем наблюдается все более интенсивное нарастание вертикальных деформаций и при = а_пр, происходит разрушение образца грунта.

По второй методике задаются величиной деформации е₂ и измеряют необходимые для ее создания напряжения а_х (методика ?управляемых деформаций). Заданная деформация грунта может, например,

создаваться винтовым домкратом В) (рис. 1.13, а), а контроль напряже

ний вестись по показаниям динамометра. В этом случае в зависимости  (рис. 1.13, б) на участке после достижения а_пр часто наблюдается снижение напряжений а_х, т. е. после нарушения прочности грунта, находящемся в так называемом запредельном состоянии, требуются меньшие напряжения для развития деформаций.

Следует отметить, что схема испытаний с неограниченной возможностью бокового расширения весьма абстрактна и не имеет аналогов в натурных условиях работы любого элемента грунта.

Крайне противоположна по условиям деформирования грунта схема испытаний в широко применяемых всеми лабораториями компрессионных приборах (см. рис. 1.11, б). Образец грунта помещают в жесткую обойму (кольцо) и к нему прикладывают вертикальное сжимающее напряжение о, тем самым обеспечивая деформирование грунта только в вертикальном направлении, т. е. происходит сжатие грунта без возможности бокового расширения (г_х = е_у = 0). Поэтому характер связи вертикальных деформаций е₂ с величиной а крайне противоположен случаю одноосного сжатия — с увеличением а наблюдается затухание развития деформаций (см. рис. 1.12, кривая 2). При испытании грунта по такой схеме разрушение образца грунта невозможно и наблюдается только процесс его уплотнения.

Для того чтобы уменьшить влияние сил трения сжимающегося грунта о стенки кольца, его диаметр обычно в 3...4 раза больше высоты. В процессе сжатия грунта из его пор отжимается вода и по
этому как в базе прибора, так и в штампе, передающем вертикальную нагрузку, устраивают фильтры (пористые камни или дырчатые пластинки) для отвода воды (рис. 1.14).

В природных условиях всегда имеет место какая-либо возможность бокового расширения грунта, т. е. е_х Ф О и Ф 0. Однако характер деформаций грунта в компрессионном приборе теоретически соответствует условиям работы бесконечно простирающегося грунта, загруженного по всей бесконечной поверхности равномерно распределенной нагрузкой. В натурных условиях это оказывается близким к условиям работы грунта при равномерном загружении основания по большой площади и сравнительно небольшом по мощности слое грунта, ограниченным снизу несжимаемой подстилающей толщей, причем в зонах, достаточно удаленных от краев сооружения. Еще больше соответствует компрессионной схеме деформирования сжатие однородного слоя грунта под действием собственного веса при далеко простирающейся горизонтальной поверхности грунта. Во всех остальных случаях прямой перенос результатов компрессионных испытаний на оценку деформаций натурных сооружений ■будет приводить к погрешностям.

Несмотря на широкое применение компрессионных испытаний, оценка напряженного состояния грунта в них по сравнению со всеми другими схемами наиболее неопределенная. Горизонтальные нормальные напряжения (о_х — о_у) в компрессионных приборах не могут быть практически измерены. Известны только вертикальные нормальные напряжения (ст₂ = о), да и то без учета влияния касательных напряжений, развивающихся по контактам жесткого штампа и базы прибора с грунтом, а также грунта с кольцом. Конечно, экономичность, простота и доступность таких испытаний многое оправдывают.

Более ясными в отношении напряженного состояния образца грунта и, что особенно существенно, позволяющими управлять боковыми деформациями, являются приборы трехосного сжатия (ста- билометры). Впервые испытание в стабилометрах было предложено Н. Н. Довиденковым и независимо от него Г. И. Покровским.

В отличие от случая одноосного сжатия в схеме трехосного испытания кроме вертикального создается боковое давление на образец грунта (рис. 1.15, а) и тем самым ограничивается величина боковых деформаций образца. Для создания бокового давления образец грунта помещают в камеру (рис. 1.16), которая заполняется находящейся под давлением жидкостью (водой, глицерином и др.). Для того чтобы жидкость из камеры не попадала в поры грунта, образец грунта цилиндрической формы помещают в тонкую резиновую оболочку. Так как боковое давление создается гидравлическим путем, то по вертикальным граням образца касательные напряжения не возникают и поэтому они являются главными площадками исследуемого элемента грунта. Тогда, учитывая взаимную перпендикулярность главных площадок, торцовые грани образца также можно считать главными площадками с напряжениями а_х (см. рис. 1.15, а). В действительности по торцам образца на контакте с жестким штампом и базой прибора при боковом деформировании грунта возникают искажающие схему испытания касательные напряжения. Поэтому, чтобы уменьшить их влияние, применяют удлиненные (3...4 диаметра) образцы и тогда в качестве «рабочей» принимают среднюю часть образца.

Основной особенностью схемы трехосных испытаний в стабило- метрах является равномерное боковое обжатие образца (а₂ = а₃). В результате не представляется возможным выявить роль третьего главного напряжения на деформационные и прочностные свойства грунта. Увеличивая постепенно вертикальное главное напряжение при постоянных о₂ = а₃, можно получить связь между продольными деформациями е₂ и о_г, ана-

Рис. 1.15. Схема трехосного испытания в стабилометре (а) и в приборе с независимыми тремя главными напряжениями (б)

 

логичную приведенной на рис. 1.12 (кривая 1), и предельное — разрушающее значение а_х = а_пр. Кроме того, на стабилометре можно проводить испытания и по методике управляемых деформаций.

Наиболее универсальной является схема испытания кубических образцов (см. рис. 1.15, б) в приборах, создающих независимо управляемые три главных напряжения (рис. 1.17). Первая удачная конструкция такого прибора была создана в Советском Союзе в 1968 г. (Г. М. Ломизе, А. Л. Крыжановский). В этих приборах давление по каждым двум противоположным граням куба создают отдельные нагрузочные устройства, обычно гидравлического типа. Для обеспечения приложения главных напряжений применяют гидравлическую передачу нагрузки через резиновые мембраны. Конструкция и техника проведения испытаний на таких приборах достаточно сложны и поэтому их используют в основном для исследовательских целей.

Каждая производственная лаборатория использует для получения прочностных характеристик грунтов сдвиговые приборы (приборы прямого или плоского среза) (рис. 1.18, а). В принципе это тоже компрессионный прибор (см. рис. 1.14), кольцо которого разрезано на две части, причем между ними создается небольшой зазор и одна часть может горизонтально смещаться относительно другой. Образец грун

та помещают в кольца и так же, как в компрессионном приборе, уплотняют заданным нормальным напряжением ст. Для отвода отжимаемой из пор воды в штампе, передающем вертикальную нагрузку, и в базе прибора имеются фильтры. После стабилизации вертикальных перемещений (осадок) штампа к подвижной части кольца постепенно ступенями прикладывают горизонтальную нагрузку Т, создающую в плоскости зазора между частями кольца касательные напряжения т = Т/Р, где Р — площадь поперечного сечения образца внутри

Рис. 1.18. Схема сдвигового прибора и зависимость горизонтального смещения образца 5* от величины касательных напряжений т

 Рис. 1.17. Схема (разрез) прибора с тремя независимыми главными напряжениями:

кольца. По мере увеличения Т наблюдается горизонтальное смещение (5_Х) обоймы (рис. 1.18, б). Как при испытании по методике управляе- емых напряжений т (/), так и по методике управляемых смещений (деформаций) (2) зависимости т (5_Х) аналогичны получаемым на приборах одно- и трехосного сжатия (см. рис. 1.12 и 1.13). По методике управляемых напряжений — нагрузок предельное сопротивление грунта сдвигу (срезу) т_пр определяют из условия неограниченного незатухающего смещения (5 _х) одной части грунта относительно другой без дальнейшего увеличения сдвигающей нагрузки Т_пр (рис. 1.18, кривая 1). По методике управляемых деформаций величину т_пр определяют по началу спада касательных напряжений на графике зависимости х (5_х) (рис. 1.18, б, кривая 2).

Основной особенностью сдвиговых испытаний является заданная конструкцией прибора (зазором) плоскость развития сдвиговых деформаций и разрушения (среза) грунта. Образец грунта принудительно срезается только по фиксированной плоскости, не всегда являющейся самой «слабой» в элементе грунта. В природных условиях это больше всего соответствует оценке условий возможности сдвига сооружений в плоскости подошвы фундамента. Кроме того, следует
учитывать, что так же, как и в компрессионном приборе, напряженное состояние в сдвиговом приборе весьма неопределенно, причем к этому добавляется не учитываемое обжатие грунта стенками сдвигаемых колец.

Кроме описанных выше основных схем испытаний и приборов иногда применяют приборы кольцевого сдвига (рис. 1.19, а), приборы с перекашиванием образца (рис. 1.19, б) и схемы испытаний сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (рис. 1.19, б). 15 приборе кольцевого сдвига при любых сдвиговых дефор- мациях сохраняется постоян-

иая площадь среза образца, что невозможно обеспечить в обычных сдвиговых приборах (см. рис. 1.18). На приборе с перекашиванием образца (рис. 1.19, б) можно исследовать формоизменение грунта. При испытании полых цилиндрических образцов на кручение (рис. 1.19, в) можно изменять вертикальное

(о_в), боковое наружное (а_г)

н внутреннее давления (о'_г). В результате создается широкий диапазон возможных вариантов сложного напряженного состояния элемента грунта. Такая схема испытаний очень сложна, и применяют се в исследовательских целях и в основном для образцов нарушенной структуры.

Методы испытаний при динамических воздействиях. Лабораторные методы испытаний грунтов при действии динамических нагрузок преимущественно основаны на использовании известных методов статических испытаний с добавкой динамических воздействий.

В лабораторных условиях воспроизводятся как простейшие динамические воздействия в виде установившихся вибраций, ударов или импульсов, так и более сложные, например сейсмические, воздействия или действия взрывов.

Динамические воздействия создаются обычно двумя путями: 1) установкой приборов на вибрационные и виброударные столы или сейсмические платформы; 2) подключением к системе статического нагружения приставок, создающих дополнительные динамические нагрузки.

Динамические воздействия на столы и платформы создаются механическими вибраторами, ударами грузов, гидравлическими пульсаторами и др. На некоторых платформах возможно создание динамических воздействий во всех трех направлениях (трехкомпонентные платформы), но чаще создаются воздействия одного направления, вертикальные или горизонтальные. На рис. 1.20 в качестве примера показана схема простейшего виброударного стола с механическим вибратором. Благодаря встречному вращению одинаковых эксцентри
ков (рис. 1.21, о) создается направленная возмущающая сила. Горизонтальные составляющие центробежных сил взаимно гасятся, а вертикальные складываются и создают воздействия и колебания стола по гармоническому закону (рис. 1.21, б). Подвешивая вибратор в торце стола, можно создать горизонтальные колебания. Кроме того, имеется маятниковый ударник, с помощью которого можно создавать импульсные воздействия (рис. 1.21, в).

При компрессионных испытаниях инерционные воздействия колеблющегося стола передаются на образец грунта и на инерционную пригрузку (рис. 1.22, а), например, создаваемую весом гирь. При этом в дополнение к статическому воздействию о действуют меняющиеся во времени напряжения ±Асг, вызванные весом колеблющейся на вибростоле пригрузки. При синусоидальных колебаниях стола максимальная величина Да определяется как ОАы²/(§1^:), где С — вес пригрузки; А — амплитуда; а> — частота колебаний стола; Р — площадь образца; § ■— ускорение свободного падения.

Иногда применяют системы создания безынерционных статических нагрузок о путем давления на грунт с помощью резинового баллона, заполненного сжатым газом или жидкостью (рис. 1.22, б), сжатой пружины и др. В этом случае инерционные воздействия стола передаются только частицами грунта, не вызывая практически изменения напряженного состояния грунта по сравнению со статическим, так как толщина слоя грунта и, как следствие, его масса малы.

Во многих случаях динамические воздействия создаются только- пульсацией давления Лег над поршнем компрессионного прибора (рис. 1.22, в). В этом случае практически отсутствуют инерционные воздействия на частицы образца грунта. Изменяющаяся динамиче
ская нагрузка создается с помощью различного рода гидравлических или пневматических пульсаторов, в ряде случаев применяется резкий впуск газа под большим давлением (рис. 1.23, а), создающий импульсное ударное (рис. 1-23, б) воздействие («пневмопушки»). В результате применения различных, иногда весьма сложных, гидравлических или пневматических систем можно создавать весьма широкий диапазон характера изменения давления Да, воспроизводя сложный вид природных динамических воздействий.

Для динамических испытаний в условиях сдвига применяют приборы плоского сдвига, в которых статические и динамические напряжения создаются так же, как в описанных выше динамических компрессионных приборах.

Как и при статических испытаниях, более универсальными и имеющими более четкую схему напряженного состояния являются приборы трехосного сжатия с приложением динамических нагрузок.

Как правило, сами приборы трехосного сжатия такие же, как и для статических испытаний. Основной особенностью динамических ста- билометров являются устройства (рис. 1.24, а) для создания дополнительных динамических вертикального Да_х и бокового До₃ давлений (рис. 1.24, б). В большинстве конструкций они создаются гидравлическими пульсаторами и домкратами. Например, дополнительное динамическое боковое давление Дст₃ создается путем давления плунжера на жидкость, заполняющую камеру и всю систему. Периодическое движение плунжера определяется вращением кулачкового эксцентрика и работой пружины. В результате на имеющийся уровень статических напряжений сг₃ накладываются действующие по гармоническому закону напряжения Дс₃ (рис. 1.24, в). Амплитуда давлений Дс^ и Да₃ может изменяться путем поворота эксцентрика кулачков, а частота-—скоростью их вращения.

Рис. 1.24. Схема создания динамической нагрузки и характер изменения суммарных вертикальных или боковых давлений на образец в динамическом стабнлометре:

/ — кулачковый эксцентрик; 2— пружина; 3 — плунжер