Испытание на трехосный сдвиг

Испытание на трехосный сдвиг — распространенный метод измерения механических свойств многих деформируемых твердых тел, особенно почвы (например, песка , глины ) и камня , а также других гранулированных материалов или порошков . Существует несколько вариантов теста. ^[1]^[2]^[3]^[4]

При испытании на трехосный сдвиг к образцу испытуемого материала прилагается напряжение таким образом, что напряжения вдоль одной оси отличаются от напряжений в перпендикулярных направлениях. Обычно это достигается путем помещения образца между двумя параллельными плитами, которые прикладывают напряжение в одном (обычно вертикальном) направлении, и приложения давления жидкости к образцу для приложения напряжения в перпендикулярных направлениях. (Испытательное оборудование, которое позволяет применять различные уровни напряжения в каждом из трех ортогональных направлений, обсуждается ниже, в разделе «Истинное трехосное испытание».)

Приложение различных сжимающих напряжений в испытательном оборудовании приводит к развитию напряжения сдвига в образце; нагрузки можно увеличивать, а прогибы контролировать до разрушения образца. Во время испытания окружающая жидкость находится под давлением, а нагрузка на плиты увеличивается до тех пор, пока материал в цилиндре не разрушается и не образует внутри себя области скольжения, известные как полосы сдвига . Геометрия сдвига при трехосном испытании обычно приводит к тому, что образец становится короче, но выпучивается по бокам. Затем напряжение на плите уменьшается, и давление воды выталкивает стороны обратно внутрь, в результате чего образец снова становится выше. Этот цикл обычно повторяется несколько раз при сборе данных о напряжении и деформации образца. Во время испытания поровое давление жидкостей (например, воды, нефти) или газов в образце может быть измерено с использованием аппарата порового давления Бишопа.

Из данных трехосных испытаний можно извлечь основные параметры материала образца, включая угол сопротивления сдвигу, кажущееся сцепление и угол дилатансии. Эти параметры затем используются в компьютерных моделях, чтобы предсказать, как материал будет вести себя в более масштабных инженерных приложениях. Примером может служить прогнозирование устойчивости почвы на склоне: обрушится ли склон или выдержит ли почва сдвиговые напряжения склона и останется на месте. Трехосные испытания используются наряду с другими испытаниями для получения таких инженерных прогнозов.

Во время резки гранулированный материал обычно имеет чистый прирост или потерю объема. Если изначально он находился в плотном состоянии, то обычно он приобретает объем — характеристика, известная как дилатансия Рейнольдса . Если изначально она находилась в очень рыхлом состоянии, то сокращение может произойти до начала стрижки или одновременно с ней.

Иногда испытание связных образцов проводится без удерживающего давления в ходе испытания на неограниченное сжатие. Это требует гораздо более простого и менее дорогого оборудования и подготовки образцов, хотя применимость ограничена образцами, стороны которых не разрушаются при воздействии, а удерживающее напряжение ниже, чем напряжение на месте, дает результаты, которые могут быть чрезмерно консервативными. Испытание на сжатие, проводимое для испытания бетона на прочность, по сути, является тем же испытанием, но на аппарате, предназначенном для образцов большего размера и более высоких нагрузок, типичных для испытаний бетона.

Выполнение теста

Для образцов почвы образец помещается в цилиндрический латексный рукав с плоской круглой металлической пластиной или валиком, закрывающим верхний и нижний концы. Этот цилиндр помещается в ванну с гидравлической жидкостью для создания давления по бокам цилиндра. Затем верхнюю плиту можно механически перемещать вверх или вниз вдоль оси цилиндра, чтобы сжать материал. Расстояние, которое проходит верхняя плита, измеряется как функция силы, необходимой для ее перемещения, поскольку давление окружающей воды тщательно контролируется. Чистое изменение объема материала также можно измерить по тому, сколько воды поступает в окружающую ванну или выходит из нее, но обычно измеряется (когда образец насыщен водой) путем измерения количества воды, втекающей в ванну или вытекающей из нее. поры образца.

Камень

Для испытаний высокопрочных пород гильза может представлять собой тонкий металлический лист, а не латекс. Трехосные испытания прочных горных пород проводятся довольно редко, поскольку высокие силы и давления, необходимые для разрушения образца горной породы, требуют дорогостоящего и громоздкого испытательного оборудования.

Эффективный стресс

Эффективное напряжение на образце можно измерить, используя пористую поверхность на одной плите и измеряя давление жидкости (обычно воды) во время испытания, а затем вычисляя эффективное напряжение на основе общего напряжения и порового давления .

Трехосное испытание для определения прочности несплошности на сдвиг.

Трехосное испытание можно использовать для определения прочности несплошности на сдвиг . Однородный и изотропный образец разрушается из-за сдвиговых напряжений в образце. Если образец с несплошностью ориентирован так, что несплошность находится примерно параллельно плоскости, в которой во время испытания будет развиваться максимальное напряжение сдвига, образец разрушится из-за сдвигового смещения вдоль несплошности и, следовательно, прочности на сдвиг образца. разрыв можно рассчитать. ^[5]

Виды трехосных испытаний

Существует несколько вариантов трехосного теста:

Консолидированный слив (CD)

В тесте « объединенного дренирования» образец уплотняется и медленно сжимается при сжатии, чтобы позволить рассеяться поровому давлению, созданному в результате сдвига. Скорость осевой деформации поддерживается постоянной, т.е. деформация контролируется. Идея состоит в том, что испытание позволяет образцу и поровому давлению полностью консолидироваться (т.е. приспосабливаться ) к окружающим напряжениям. Испытание может занять много времени, чтобы дать возможность образцу адаптироваться, в частности, образцам с низкой проницаемостью требуется много времени для дренирования и адаптации деформации к уровням напряжения.

Консолидированный неосушенный (CU)

В «объединённом недренированном» тесте образец не должен стечь. Характеристики сдвига измеряются в недренированных условиях, предполагается, что образец полностью насыщен. Измерение порового давления в образце (иногда называемого CUpp) позволяет аппроксимировать прочность консолидированного дренирования. Скорость сдвига часто рассчитывается на основе скорости консолидации при определенном ограничивающем давлении (в насыщенном состоянии). Удерживающее давление может варьироваться от 1 до 100 фунтов на квадратный дюйм или выше, иногда требуются специальные тензодатчики, способные выдерживать более высокие давления.

Неконсолидированные неосушенные

При « неконсолидированном, недренированном» испытании нагрузки прикладывают быстро, и образец не может консолидироваться во время испытания. Образец сжимается с постоянной скоростью ( с контролем деформации ).

Настоящее трехосное испытание

Системы трехосных испытаний были разработаны для обеспечения независимого контроля напряжения в трех перпендикулярных направлениях. Это позволяет исследовать пути напряжений, которые не могут возникнуть в осесимметричных трехосных испытательных машинах, что может быть полезно при исследовании сцементированных песков и анизотропных грунтов. Испытательная камера имеет кубическую форму и состоит из шести отдельных пластин, оказывающих давление на образец, при этом LVDT считывает движение каждой пластины. ^[6] Давление в третьем направлении может быть приложено с использованием гидростатического давления в испытательной камере, для чего требуется всего 4 узла приложения напряжения. Аппарат значительно сложнее, чем для осесимметричных трехосных испытаний, и поэтому применяется реже.

Состояние свободного конца при трехосном испытании

Трехосные испытания классической конструкции подвергались критике за неоднородное поле напряжений и деформаций, возникающее внутри образца при больших амплитудах деформации. ^[7] Сильно локализованный разрыв в зоне сдвига вызван сочетанием шероховатых торцевых пластин и высоты образца.

Для испытаний образцов при большей амплитуде деформации «новые» ^[8] и «улучшенный» ^[9] был изготовлен вариант трехосного аппарата. И «новая», и «улучшенная» трехосная система работают по одному и тому же принципу: высота образца уменьшена до высоты одного диаметра и исключено трение о торцевые пластины.

В классическом аппарате используются шероховатые торцевые пластины – вся поверхность головки поршня состоит из шероховатого пористого фильтра. В модернизированных аппаратах жесткие торцевые пластины заменены гладким полированным стеклом с небольшим фильтром в центре. Такая конфигурация позволяет образцу скользить/расширяться по горизонтали, скользя по полированному стеклу. Таким образом, в зоне контакта между образцом и торцевыми пластинами не возникает ненужного трения сдвига, и внутри образца поддерживается линейное/изотропное поле напряжений.

Благодаря чрезвычайно однородному, близкому к изотропному полю напряжений изотропная текучесть имеет место . При изотропной текучести объемная (дилатационная) деформация изотопно распределяется внутри образца, что улучшает измерение объемного отклика при испытаниях CD и давления поровой воды при нагружении CU. Кроме того, изотропная текучесть заставляет образец равномерно расширяться в радиальном направлении, поскольку он сжимается в осевом направлении. Стенки цилиндрического образца остаются прямыми и вертикальными даже при больших амплитудах деформации (50% амплитуда деформации была зафиксирована Вардулакисом (1980) с использованием «улучшенного» трехосного растяжения на ненасыщенном песке). Это контрастирует с классической установкой, где образец образует выпуклость в центре, сохраняя при этом постоянный радиус в месте контакта с торцевыми пластинами.

«Новый» аппарат был модернизирован ЛБИбсеном до «датского трехосного». ^[10] Датский трехосный двигатель можно использовать для тестирования всех типов грунтов. Он обеспечивает улучшенные измерения объемного отклика — как и при изотропной текучести, объемная деформация распределяется изотопно внутри образца. Изотропное изменение объема особенно важно для испытаний CU, поскольку кавитация поровой воды устанавливает предел прочности недренированного песка. ^[11] Точность измерений повышается за счет проведения измерений вблизи образца. Тензодатчик погружен в воду и находится в прямом контакте с поднятым напором образца. Датчики деформации также крепятся непосредственно к головкам поршней. Управление аппаратом высокоавтоматизировано, поэтому циклическое нагружение может применяться с высокой эффективностью и точностью.

Сочетание высокой автоматизации, повышенной прочности образцов и совместимости с большими деформациями расширяет возможности трехосных испытаний. Датская трехосная установка может придавать образцам песка CD и CU пластичность без образования трещин при сдвиге или вздутия. Образец может быть испытан на текучесть несколько раз за одну непрерывную последовательность загрузки. Образцы можно даже разжижать до большой амплитуды деформации, а затем раздавливать до разрушения CU. При испытаниях CU можно разрешить переход в состояние CD, а при циклических испытаниях в режиме CD можно наблюдать восстановление жесткости и прочности после сжижения. ^[12] Это позволяет в очень высокой степени контролировать образцы и наблюдать закономерности реакции песка, которые недоступны при использовании классических методов трехосного испытания.

Стандарты испытаний

Список неполный; включены только основные стандарты. Более подробный список можно найти на веб-сайтах ASTM International (США), Британских стандартов (Великобритания), Международной организации по стандартизации ( ISO ) или местных организаций по стандартам.

ASTM D7181-11: Стандартный метод испытаний грунтов на сводное дренированное трехосное сжатие ^[13]
ASTM D4767-11 (2011): Стандартный метод испытаний консолидированного недренированного трехосного сжатия связных грунтов. ^[14]
ASTM D2850-03a (2007): Стандартный метод испытаний неконсолидированных-недренированных испытаний на трехосное сжатие связных грунтов. ^[15]
BS 1377-8:1990 Часть 8. Испытания на прочность на сдвиг (эффективное напряжение). Испытание на трехосное сжатие. ^[16]
ISO/TS 17892-8:2004 Геотехнические исследования и испытания. Лабораторные испытания грунта. Часть 8. Неконсолидированные недренированные трехосные испытания. ^[17]
ISO/TS 17892-9:2004 Геотехнические исследования и испытания. Лабораторные испытания грунтов. Часть 9. Сводные испытания на трехосное сжатие водонасыщенных грунтов. ^[18]

Ссылки

^ Барде, Ж.-П. (1997). Экспериментальная механика грунтов . Прентис Холл. ISBN 978-0-13-374935-9 .
^ Руководитель, К.Х. (1998). Эффективные стресс-тесты, Том 3, Руководство по лабораторным испытаниям почвы (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-97795-7 .
^ Хольц, Р.Д.; Ковач, WD (1981). Введение в геотехническую инженерию . Прентис-Холл, Inc. ISBN 0-13-484394-0 .
^ Прайс, генеральный директор (2009). Де Фрейтас, Миннесота (ред.). Инженерная геология: принципы и практика . Спрингер . п. 450. ИСБН 978-3-540-29249-4 .
^ Гудман, Р.Э. (1989). Введение в механику горных пород . Уайли ; 2 издание. п. 576. ИСБН 978-0-471-81200-5 .
^ Редди, КР; Саксена, СК; Будиман, Дж. С. (июнь 1992 г.). «Разработка настоящего устройства для трехосных испытаний» (PDF) . Журнал геотехнических испытаний . 15 (2). АСТМ: 89–105. дои : 10.1520/GTJ10231J .
^ РОУ, П.В., Барден, Л., «ВАЖНОСТЬ СВОБОДНЫХ КОНЦОВ В ТРИАКСИАЛЬНОМ ТЕСТИРОВАНИИ» , Журнал Soil Mechanics & Foundations, Том: 90
^ «Новый одометр и новый трехосный аппарат для твердой почвы». Архивировано 7 июня 2017 г. на Wayback Machine.
^ Вардулакис, И. (1979). «Бифуркационный анализ трехосного испытания образцов песка». Акта Механика . 32 (1–3): 35–54. дои : 10.1007/BF01176132 . S2CID 124243347 .
^ Ибсен, Л.Б. (1994). «Устойчивое состояние при циклических трехосных испытаниях на песке». Динамика грунтов и сейсмическая инженерия . 13 : 63–72. дои : 10.1016/0267-7261(94)90042-6 .
^ vbn.aau.dk ^{[ нужна полная цитата ]}
^ onepetro.org ^{[ нужна полная цитата ]}
^ АСТМ Д7181 (2011). Стандартный метод испытаний грунтов на сводное дренированное трехосное сжатие) . ASTM International, Вест-Коншохокен, Пенсильвания, 2003 г. {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ АСТМ Д4767-11 (2011). Стандартный метод испытаний для комплексного недренированного испытания на трехосное сжатие связных грунтов . ASTM International, Вест-Коншохокен, Пенсильвания, 2003. doi : 10.1520/D4767-11 . {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ ASTM D2850-03а (2007). Стандартный метод испытаний для испытания на трехосное сжатие неуплотненных и недренированных связных грунтов . ASTM International , Вест-Коншохокен, Пенсильвания, 2003. doi : 10.1520/D2850-03AR07 . {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ БС 1377-1 (1990). Методы испытаний грунтов строительного назначения. Общие требования и подготовка проб . БСИ . ISBN 0-580-17692-4 . {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ ИСО/ТС 17892-8:2004 (2007). Геотехнические исследования и испытания. Лабораторные испытания грунтов. Часть 8. Неконсолидированные недренированные трехосные испытания . Международная организация по стандартизации . п. 24. {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ ИСО/ТС 17892-9:2004 (2007). Геотехнические исследования и испытания. Лабораторные испытания грунтов. Часть 9. Сводные испытания на трехосное сжатие водонасыщенных грунтов . Международная организация по стандартизации . п. 30. {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

См. также

[Bardet1997-1] Барде, Ж.-П. (1997). Экспериментальная механика грунтов . Прентис Холл. ISBN 978-0-13-374935-9 .

[Head1998-2] Руководитель, К.Х. (1998). Эффективные стресс-тесты, Том 3, Руководство по лабораторным испытаниям почвы (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-97795-7 .

[Holtz1981-3] Хольц, Р.Д.; Ковач, WD (1981). Введение в геотехническую инженерию . Прентис-Холл, Inc. ISBN 0-13-484394-0 .

[Price2009-4] Прайс, генеральный директор (2009). Де Фрейтас, Миннесота (ред.). Инженерная геология: принципы и практика . Спрингер . п. 450. ИСБН 978-3-540-29249-4 .

[Goodman1989-5] Гудман, Р.Э. (1989). Введение в механику горных пород . Уайли ; 2 издание. п. 576. ИСБН 978-0-471-81200-5 .

[6] Редди, КР; Саксена, СК; Будиман, Дж. С. (июнь 1992 г.). «Разработка настоящего устройства для трехосных испытаний» (PDF) . Журнал геотехнических испытаний . 15 (2). АСТМ: 89–105. дои : 10.1520/GTJ10231J .

[7] РОУ, П.В., Барден, Л., «ВАЖНОСТЬ СВОБОДНЫХ КОНЦОВ В ТРИАКСИАЛЬНОМ ТЕСТИРОВАНИИ» , Журнал Soil Mechanics & Foundations, Том: 90

[8] «Новый одометр и новый трехосный аппарат для твердой почвы». Архивировано 7 июня 2017 г. на Wayback Machine.

[9] Вардулакис, И. (1979). «Бифуркационный анализ трехосного испытания образцов песка». Акта Механика . 32 (1–3): 35–54. дои : 10.1007/BF01176132 . S2CID 124243347 .

[10] Ибсен, Л.Б. (1994). «Устойчивое состояние при циклических трехосных испытаниях на песке». Динамика грунтов и сейсмическая инженерия . 13 : 63–72. дои : 10.1016/0267-7261(94)90042-6 .

[11] vbn.aau.dk ^{[ нужна полная цитата ]}

[12] tro.org ^{[ нужна полная цитата ]}

[ASTMD7181-13] АСТМ Д7181 (2011). Стандартный метод испытаний грунтов на сводное дренированное трехосное сжатие) . ASTM International, Вест-Коншохокен, Пенсильвания, 2003 г. {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[ASTMD4767-14] АСТМ Д4767-11 (2011). Стандартный метод испытаний для комплексного недренированного испытания на трехосное сжатие связных грунтов . ASTM International, Вест-Коншохокен, Пенсильвания, 2003. doi : 10.1520/D4767-11 . {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[ASTMD2850-15] ASTM D2850-03а (2007). Стандартный метод испытаний для испытания на трехосное сжатие неуплотненных и недренированных связных грунтов . ASTM International , Вест-Коншохокен, Пенсильвания, 2003. doi : 10.1520/D2850-03AR07 . {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[BS1377-16] БС 1377-1 (1990). Методы испытаний грунтов строительного назначения. Общие требования и подготовка проб . БСИ . ISBN 0-580-17692-4 . {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[ISO178928-17] ИСО/ТС 17892-8:2004 (2007). Геотехнические исследования и испытания. Лабораторные испытания грунтов. Часть 8. Неконсолидированные недренированные трехосные испытания . Международная организация по стандартизации . п. 24. {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[ISO178929-18] ИСО/ТС 17892-9:2004 (2007). Геотехнические исследования и испытания. Лабораторные испытания грунтов. Часть 9. Сводные испытания на трехосное сжатие водонасыщенных грунтов . Международная организация по стандартизации . п. 30. {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]