Измерение напряжений в грунтах

Многообразие факторов, определяющих поведение грунтов под воздействием нагрузки, зачастую затрудняет создание достоверной анали­тической модели их напряженного состояния. Действительную картину напряженного состояния может вскрыть лишь метрологически обеспечен­ный эксперимент, позволяющий проводить длительные статические или динамические испытания грунта и изучение явлений на контакте сооруже­ния или конструкции с грунтом.

Для изучения поведения грунтов в основаниях необходимо опреде­лять напряжения, деформации, паровое давление, физико-механические и фильтрационные характеристики грунта в основаниях сооружений в зави­симости от внешних воздействий на сооружение.

Напряженное состояние грунтаопределяется совокупностью контактных взаимодействий между зернами скелета грунта, внутренних напряжений в зернах скелета и давлением воды в порах грунта. Понятие напряженного состояния в грунте относится к некоторой конечной, но ма­лой зоне. Если в этой зоне известны любые шесть независимых компонен­тов напряженного состояния (например, шесть значений нормальных на­пряжений на шести различно ориентированных площадках), то напряжен­ное состояние в зоне считается полностью определенным.

Нормальные напряжения в грунте измеряют путем помещения в заданную зону искусственного тела -- датчика нормальных напряжений, деформации или изменение объема которого могут быть преобразованы в регистрируемый (чаще всего электрический) сигнал. Датчик должен иметь размеры, позволяющие усреднять все факторы, определяющие неоднород­ность напряжений в рассматриваемой зоне.

Идеальный датчик должен обладать деформативными характери­стиками, схожими с деформативными характеристиками грунта, чтобы снизить влияние неоднородного включения. Однако деформативные харак­теристики грунта зависят от ряда факторов, из которых влажность, плот­ность, история нагружения и характер напряженного состояния являются определяющими. Датчик напряжений в грунте, если его механические ха­рактеристики отличаются от характеристик среды, является кон­центратором напряжений в прилегающей к нему зоне, что является причи­ной погрешностей при определении напряжений.

Если необходимо определить пространственную картину напря­женного состояния грунта, то в нем располагают несколько датчиков, нор­мали к которым ориентированы в разных направлениях. Возможно распо­ложение датчиков по одной оси или их пространственная ориентация.

При изучении работы ответственных сооружений создается проект размещения измерительной аппаратуры с учетом трасс прокладки линий измерительной цепи, коммутаторов, мест расположения регистрирующей аппаратуры. Проект определяет последовательность проведения всех работ и является частью проекта сооружения. Для получения достоверных ре­зультатов необходимо, чтобы способы укладки и уплотнения грунта в из­мерительной зоне и в прилегающих к ней зонах не отличались. Датчики должны устанавливаться одновременно с укладкой грунта в контролируе­мую зону. В местах установки датчиков следует отобрать пробы грунта с тем, чтобы определить его физико-механические характеристики. Посколь­ку добиться полного соответствия деформативности датчика и грунта не удается, выбор параметров измерительных преобразователей (датчиков) должен обеспечить требуемую точность измерения напряжений в грунте.

7.1.1. Типы датчиков напряжений в грунте

Экспериментально доказано, что в условиях одноосной деформа­ции датчик должен обладать наибольшей жесткостью и наименьшей тол­щиной. На рис. 7.1. приведены наиболее часто применяемые схемы датчи­ков напряжений в грунтах. Во всех конструкциях внутренняя полость дат­чика может быть заполнена жидкостью, изменение давления в которой пре­образовывается в электрический сигнал при помощи упругого элемента с наклеенными тензорезисторами. Датчики могут выполняться в виде сплош­ных шайб из пьезокристаллов или из магнитострикционных материалов.

ка, измерение третьего главного напряжения, действующего по нормали к поверхности датчика, с учетом влияния режима нагружения позволяет ус­тановить картину взаимодействия жесткого датчика и грунта. Концентра­ция напряжений в грунте для жестких дисковидных датчиков при нали­чии значительных деформаций в грунте может изменяться в значительном диапазоне (в песке плюс 70...100% и минус 30...50%) и зависит от режима нагружения. Повышенную концентрацию напряжений вызывают жесткие грунтовые ядра, возникающие за счет сил трения грунта на поверхности датчика.

7.1.2. Эластичный датчик напряжений в грунте

Датчик в грунте обладает минимальной сжимаемостью и толщи­ной, достаточной площадью, позволяющей усреднять напряжения в задан­ной области. Эластичный датчик представляет собой резиновый тонкий диск, пронизанный сообщающимися полостями заполненными мало­сжимаемой жидкостью. Конструкция эластичного датчика (рис.7.2) пред­ставляет собой прямоугольную тонкую трубку, уложенную двойной спира­лью, или два диска, соединенные по контуру во множестве точек по по­верхности.

Объем жидкости составляет 6... 10% объема датчика, а площадь поперечного сечения по жидкости 75...80% от площади датчика. Внутрен­няя полость соединена со струнным измерителем давления. Напряжения, возникающие в грунте, создают в рабочей жидкости датчика давление, ко­торое измеряется струнным преобразователем. Колебания струны создают­ся электромагнитом. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что при малой толщине диска в однородном поле напряжений

Рис. 7.3. Погрешность эластичного и жесткого датчиков напряжений в грунтах

Для получения достоверных данных о напряжениях в грунтах не­обходимо проводить метрологические испытания датчиков напряжения на специальных испытательных установках. В этих установках воспроизводят гидравлическим или пневматическим способом заданные давления на рабо­чую поверхность датчика. Чувствительность датчиков напряжения к темпе­ратуре определяют в термостатах, оснащенных термометрами.

7.1.3. Струнные жесткие датчики

Для изучения взаимодействия датчика и грунта разработан ряд уст­ройств. Все схемы должны обеспечивать создание на границах с грунтом однородного напряженного состояния. Для измерения напряжений на кон­такте сооружения с грунтом применяют струнные жесткие датчики (рис.7.4) с деформативностью, близкой к деформативности бетона. Давле­ние грунта передается с контактной площадки внешней мембране через гидравлическую полость на рабочую мембрану. Струна крепится к мембра­не нижним струнодержателем и к защитному кожуху верхним струнодер­жателем. Колебания струны возбуждаются электромагнитом.

Кожух имеет заливное отверстие и резьбу для установки датчика в сооружение. Выходной сигнал измеряется частотомером. Датчики устанавливают в жестко забетонированные в конструкцию закладные гнезда или обоймы так, чтобы рабочая поверхность датчика совпадала с поверхностью конструкции. При изучении взаимодействия монолитных фундаментов с грунтом обоймы предварительно бетонируют в небольших блоках, которые после установки в них датчиков располагают в нужных зонах. Чтобы уменьшить влияние напряжений, возникающих в бетоне при твердении, боковую поверхность датчика защищают материалом с низким модулем упругости.

В некоторых конструкциях в датчиках применяют тензорезисторные преобразователи, наклеиваемые на упругий элемент. Малогабаритные датчики с тензорезисторными преобразователями находят применение в модельных исследованиях при статических и динамических испытаниях.

7.1.4. Комбинированный датчик

Для измерения нормальных и касательных напряжений использу­ется комбинированный датчик, схема которого приведена на рис.7.5. При воздействии давления грунта N по нормали к рабочей диафрагме она де­формируется и тензорезистор TR, наклеенный в центре внутренней поверх­ности диафрагмы, преобразует деформацию в электрический сигнал, про­порциональный нормальному давлению грунта.

Конструкция датчика позволяет без применения специальных дорогостящих материалов, прецизионной технологии изготовления и дорогостоящих электронных усилителей добиться высокой чувствительности при изменении давления, достаточной точности и эксплуатационной надежности в случае проведения обязательной тарировки рассматриваемых датчиков перед каждым испытанием в условиях, соответствующих запланированному эксперименту.

Датчик может иметь размеры соизмеримые с рабочей средой, в ча­стности с зернами песчаного фунта, что также может позволить планиро­вать и выполнять эксперименты не только на макро-, но и на микроуровне, который в свою очередь даст возможность принципиально по-новому изу­чить работу грунтового основания под различными зданиями и сооруже­ниями.