Прибор трехосного сжатия стабилометр

    - механизм для вертикального нагружения  образца;

    - устройства для измерения вертикальных  и объемных деформаций образца;

    - приборы для измерения давления  в поровой жидкости образца  (устройства, основанные на компенсационном  принципе, и датчики давления  высокой жесткости);

    - резиновые оболочки толщиной  не более 0,25 мм;

    - расширитель для заключения образца  в резиновую оболочку.

    Принципиальная  схема камеры трехосного сжатия была приведена ранее на стр.1,2.

    Проведение  неконсолидированно-недренированного испытания

    (непрерывное  нагружение образца) 

    Предварительное обжатие образца осуществляют в  соответствии с программой испытаний или производят в условиях отсутствия дренажа всесторонним давлением в камере, равным среднему полному давлению, воздействующему на грунт в условиях природного залегания, в течение 30 мин.

    Вертикальное  нагружение испытуемого образца  производят равномерно, без ударов ступенями нагрузки, равными 10% от эффективного напряжения в образце грунта после предварительного обжатия, определяемого разностью между полным давлением в камере и давлением в поровой жидкости образца, или от значения вертикального эффективного бытового давления, заданного программой испытаний, с интервалами 15 с или непрерывно, обеспечивая приращение относительной вертикальной деформации образца грунта 0,02 за 1 мин.

    Показания прибора для измерения вертикальной деформации образца грунта записывают на каждой ступени нагружения (по достижении заданной нагрузки) или через 15 с при непрерывном увеличении нагрузки.

    Испытание продолжают до момента разрушения образца  или до возникновения пластического  течения без приращения нагрузки. При отсутствии видимых признаков разрушения испытание прекращают при относительной вертикальной деформации образца грунта = 0,15. 

    Проведение  консолидированно-недренированного испытания

    (образец  нагружается ступенями) 

    Образец уплотняют всесторонним давлением  в камере заданным программой испытаний или принятым по таблице 5.5. Давление передают ступенями (таблица 5.5). При этом обеспечивают отжатие воды из образца грунта.

    Таблица 5.5 значения в мегапаскалях

    

    Kаждую  ступень всестороннего давления  при консолидации выдерживают не менее:

    - 5 мин - для песков;

    - 15 мин - для глинистых, органо-минеральных  и органических грунтов.

    Kонечную  ступень давления выдерживают  до условной стабилизации объемной  деформации образца грунта. 

    Проведение  консолидированно-дренированного испытания 

    При испытаниях для определения характеристик  прочности образец грунта нагружают  вертикальной нагрузкой при соблюдении следующих условий:

    - при постоянном всестороннем  давлении в камере - для песков;

    - при постоянном всестороннем  давлении в камере или при постоянном среднем нормальном напряжении в образце - для глинистых, органо-минеральных и органических грунтов.

    Вертикальное  давление на образец передают ступенями, равными 10% от заданного всестороннего  давления в камере, или непрерывно, обеспечивая приращение относительной вертикальной деформации образца грунта 0,003 за 1 мин.

    При передаче нагрузки ступенями каждую ступень нагружения выдерживают  до условной стабилизации вертикальной деформации образца, за критерий которой  принимают приращение относительной вертикальной деформации, не превышающее 0,0001 за 1 мин.

    Испытание проводят до разрушения образца

    Ступени давления в зависимости от всестороннего  давления в камере принимают по таблице 5.7.

    Таблица 5.7

    

    При определении вертикальных напряжений учитывается изменение площади сечения образца при относительной деформации предполагая, что форма образца не изменяется, т.е. он остается цилиндром и ее изменение находят из выражения: 

    - для  недренированного испытания 

      

    - для  дренированного испытания 

      

    Осевая  нагрузка в стабилометре создается  двумя способами. В первом случае нагрузка прикладывается ступенями (статическое  нагружение), а во втором случае непрерывно (кинематическое нагружение) с заданной скоростью деформации в мм/мин. Обычно скорость деформации изменяется от 0,01 до 10 мм/мин. Статическая нагрузка создается давлением воздуха или жидкости, а кинематическая нагрузка с использованием шагового двигателя и червячного редуктора (сервопривод).

    Основной  проблемой испытаний образцов грунта является возникающая неоднородность деформаций в образце обусловленная не уровнем напряжений, а наличием сил трения между нагрузочными штампами и торцами образцов грунта. На рис. 9 а показана желательная форма разрушения (деформации) образца. 

    

    Рис. 9. Форма (мода) разрушения образцов грунта в стабилометре: а – однородная деформация; б – неоднородная деформация, результат влияния трения на штампах; в – локализация деформаций 
 

    Испытания с полыми образцами  грунта 

    Kirpatrick W. в 1957 предложил проводить испытания грунтов в виде полого цилиндра (рис. 10). В отличие от стабилометра этот способ позволяет провести испытания при различной комбинации между напряжениями действующими на торце, внутренней и внешней боковой поверхности полого цилиндрического образца грунта. Позднее З.Г.Тер-Мартиросян предложил подобный метод испытаний, но с большей разновидностью условий нагружения.

     В отличие от стабилометра, в данной конструкции прибора боковое  давление на образец может создаваться  различным на внутренней и внешней сторонах образца грунта. Осеева нагрузка может прикладывается через шток на штамп или, при фиксированном положении штампа, быть функцией давления на внутренней и внешней поверхности цилиндрического образца грунта. 

    Соотношение для главных напряжений в образце грунта может быть получено из следующего осесимметричного уравнения равновесия 

    

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Датчики измерений 

    Датчики измерений на образце

    

    Состоят из двух осевых и одного радиального  датчиков. При обычных трехосных  испытаниях жесткость определяется на основе внешних измерений. Датчики осевой и радиальной деформации дают возможность измерять деформации с высокой точностью непосредственно на образце во время трехосного испытания. 
 
 
 

    Пьезоэлектрические  датчики 

    Пьезоэлектрические преобразователи позволяют измерять максимальный модуль сдвига (Gmax) образца грунта и,исходя из его значения, оценивать жесткость грунта. Значение Gmax обычно связывается с уровнями деформации сдвига около 0,001%, и оно является ключевым параметром для динамического анализа малых деформаций, например для предсказания поведения грунтов или взаимодействия сооружений с грунтом в результате землетрясений, взрывов или вибраций от работающих механизмов или движения транспорта. Пьезокерамические преобразователи представляют собой электромеханические датчики, способные преобразовывать механическую энергию (движение) в электрическую или обратно. Отдельный пьезоэлектрический преобразователь состоит из двух тонких пьезокерамических пластин, которые жестко связаны с проводящими покрытиями между ними и на внешних сторонах. 

    Система сбора и обработки  данных GEODATALOG 

    Применяется для подключения к датчикам, установленным в одометрах, машинах для испытаний на сдвиг, машинах для испытаний на трехосное сжатие и т.д.. Размещенная в специальной консоли система поставляется как стандартная для приема сигналов, поступающих от датчиков.Для каждого из этих сигналов можно выполнить независимую калибровку и сброс.На мониторе в графическом виде отображается ход каждого выбранного испытания. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Специальные ячейки для трехосных  испытаний TRI-CELL Plus 

Для использования  с пьезоэлектрическим  преобразователями  и внутренними электронными датчиками. Ячейки TRI-CELL Plus позволяют испытывать образцы до 150 мм в диаметре. Конструкция ячейки обеспечивает вертикальное выравнивание поршня ячейки благодаря креплению плексигласовой стенки отдельно от верхней части ячейки. Стенка ячейки бандажирована, чтобы предотвратить излишнее расширение во время испытания и защитить от взрывоподобного разрушения при использовании со сжатым воздухом. Ячейки TRI-CELL Plus включают кольцо с осевыми датчиками с шестью розетками для кабелей датчиков на образце (то есть радиальных и осевых датчиков, датчиков давления поровой воды средней высоты и т.д.) или для измерений с пьезоэлектрическим преобразователями.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Требования  к датчикам 

    Измерительные устройства (приборы) должны обеспечивать погрешность: 

    - при  измерении вертикальной нагрузки  на образец - не более 1% от  нагрузки при разрушении образца; 

    - при  измерении давления в камере - не более 2% от заданного; 

    - при  измерении вертикальной деформации  образца - по ГОСТ 30416; 

    - при  измерении объемных деформаций  образца - не более 0,03% от начального  объема образца. 
 

    Табл. 3. Датчики и контролируемые параметры 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ИСТОРИЯ 

    В настоящее время практически  все приборы для определения  свойств грунта (в том числе  и стабилометр) работают совместно  с мощными компьютерами и набором датчиков силы, давления – тензометирических и датчиков линейных перемещений - траснформаторных.

      Однако так было не всегда. В начале 70-х годов все измеререния  и вычисления производились в  ручную. Это значительно снижало  их оборачиваемость и точность  измерений, из-за  наличия объективных и субъективных факторов. Что к тому же требовало затрат и времени на обработку результатов  измерений. К таким приборам относятся: прибор истинного трехосного сжатия, конструкции А.Л.Крыжановского-Hambly E. (1968); прямого растяжения, конструкции З.Г.Тер-Мартиросяна- Bishop A.W (1968) и др. Аналогичные приборы выпускаемые рядом зарубежных фирм: Buhl+Faubel (Австрия), Tecnotest (Италия), ELI (Англия), Geonor (Канада) и др. (позже в них начал использоваться микрокомпьютер)

    Так продолжалось до середины 80-х годов, пока не началась эра компьютеров. Тогда то их и начали активно использовать совместно с приборами трехосного сжатия ( и др.), что позволяло автоматизировать систему механического испытания образцов грунта. Зарубежные фирмы выпускали приборы исходя  из   концепции "одно механическое устройство - один компьютер"  в различных вариантах  в зависимости от вида устройств и они сразу начали продвигаться в широкое распространение. В России на тот момент такой вариант в массовом порядке был невозможен, по причине высокой стоимости компьютеров ( на тот момент она составляла до 1000 долларов за единицу) и финансового кризиса начавшегося в России в начале 90-х.