Capability of triaxial apparatus with respect to evaluation of nonlinearity of soil stiffness

Typ: referat opublikowany w czasopiśmie

Autor

Lipiński, M. J.

Wdowska, M. K.

Wudzka, A.

Wariant tytułu

polski

Możliwości aparatu trójosiowego ściskania ze względu na określenie nieliniowości rozkładu sztywności gruntu

Data wydania

2020

Opublikowane w

Archives of Civil Engineering

Vol.

Numer

Abstrakt

angielski
polski

Reliable evaluation of stress-strain characteristics can be done only in the laboratory where boundary conditions with respect to stress and strain can be controlled. The most popular laboratory equipment is a triaxial apparatus. Unfortunately, standard version of triaxial apparatus can reliable measure strain not smaller than 0.1 %. Such accuracy does not allow to determine stiffness referred to strain range most often mobilized in situ i.e. 10[^-3] ÷ 10[^-1]%, in which stiffness distribution is highly nonlinear. In order to overcome this problem fundamental modifications of standard triaxial apparatus should be done. The first one concerns construction of the cell. The second refers to method of measurement of vertical and horizontal deformation of a specimen. The paper compares three versions of triaxial equipment i.e. standard cell, the modified one and the cell with system of internal measurement of deformation. The comparison was made with respect to capability of stiffness measurement in strain range relevant for typical geotechnical applications. Examples of some test results are given, which are to illustrate an universal potential of the laboratory triaxial apparatus with proximity transducers capable to trace stress-strain response of soil in a reliable way.

W zagadnieniach doświadczalnych mechaniki gruntów dotyczących wytrzymałości i charakterystyk odkształceniowych badaniami referencyjnymi są testy wykonywane w laboratorium przy poprawnie kontrolowanych warunkach brzegowych ze względu na stan naprężenia, odkształcenia i możliwości odpływu wody z porów. Najbardziej uniwersalnym i popularnym urządzeniem wykorzystywanym do tych badań jest aparat trójosiowego ściskania. O ile standardowe wersje tego aparatu wyposażone w system do nasączania gruntu metodą ciśnienia wyrównawczego można wykorzystywać do badań wytrzymałościowych, to jednak ten rodzaj aparatury nie powinien być wykorzystywany do określania charakterystyk sztywności gruntu. Wynika to z faktu, że ze względów konstrukcyjnych dokładność wyznaczenia odkształceń w standardowej komorze aparatu trójosiowego nie jest większa niż 0.1 %. Budowa komory aparatu wręcz uniemożliwia dokładne wyznaczenie odkształceń próbki a także może powodować błędy w dokładnym określeniu składowej pionowej naprężenia normalnego. Z drugiej strony, dynamiczny rozwój, jaki się dokonał w ostatnich latach w zakresie laboratoryjnych metod badania charakterystyk naprężenie−odkształcenie pozwolił na stwierdzenie silnej nieliniowości fizycznej ośrodka gruntowego w zakresie małych i średnich odkształceń, czyli mniejszych niż 0,1%. Pojęcia małych i średnich odkształceń nabrały obecnie innego znaczenia i określają inne wielkości aniżeli przed dwudziestoma laty, a różnice wyrażają się w dwóch, a nawet trzech rzędach wielkości. Zakres przemieszczeń, który odpowiada warunkom pracy konstrukcji w większości konstrukcji inżynierskich takich jak tunele, fundamenty i ściany odpowiada odkształceniom rzędu 10[^-3]-10[^-1]%, a zatem dokładność możliwa do osiągnięcia w wersji standardowej aparatu trójosiowego ściskania jest niewystarczająca. Z tego względu konieczna jest modyfikacja aparatu, która dotyczy przede wszystkim komory aparatu. W artykule wskazano i przeanalizowano błędy jakie wynikają z konstrukcji komory standardowej. Następnie przedstawiono dwie modyfikacje aparatu, które znacząco zwiększają dokładność wyznaczania sztywności gruntu. Pierwsza modyfikacja polega na innej konstrukcji komory aparatu, która charakteryzuje się wewnętrznymi prętami łączącymi. Takie rozwiązanie pozwala na sztywne połączenie górnej części komory z dolną co pozwala m.in. na wyeliminowanie większości błędów braku współliniowości w dwóch płaszczyznach, pozwala na stały dostęp do próbki na etapie przygotowania (depozycja materiału, pomiary średnicy) a także zwiększa dokładność zadawania i pomiaru składowej wartości naprężenia pionowego. Taki rodzaj modyfikacji zwiększa dokładność pomiaru nawet o jeden rząd wielkości. Następnym etapem w doskonaleniu techniki określania charakterystyki naprężenie odkształcenie w aparacie trójosiowym są wewnątrzkomorowe systemy pomiaru przemieszczeń próbki. W artykule przedstawiono system, który według doświadczenia i opinii Autorów jest bardzo efektywny w porównaniu z innymi systemami. System oparty jest na czujnikach mikroprzemieszczeń działających na zasadzie prądów wirowych, których rozdzielczość pomiaru wynosi 1m. System pomiarowy oparty na konfiguracji sześciu takich czujników pozwala na zwiększenie dokładności pomiaru o następny rząd wielkości. Należy podkreślić, że omówione powyżej modyfikacje aparatu trójosiowego były dokonane samodzielnie, w ramach własnej pracy badawczej a nie w drodze zakupu całego systemu dostępnego komercyjnie. W celu wykazania efektywności przedstawionych modyfikacji aparatu trójosiowego ściskania, w artykule przedstawiono wyniki pomiarów w postaci rozkładu parametrów określających sztywność gruntu tj. modułu odkształcenia E i współczynnika Poissona ν. Wyniki badań przedstawiono dla zagęszczonego i luźnego piasku drobnego przy różnych wartościach naprężenia poprzedzającego ścinanie. Zmienność parametrów przedstawiono w zależności od odkształcenia pionowego dla pomiarów wewnętrznych i zewnętrznych. Wyniki wskazują na istotny wpływ analizowanych czynników tj. zakresu odkształcenia, sposobu pomiaru i stanu materiału reprezentowanego przez wskaźnik porowatości i wielkość naprężenia na przebieg zmienności parametrów określających sztywność gruntu.

Słowa kluczowe