№7 «КАВИТАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ» В ПРИБОРАХ ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ

Трехосное сжатие — метод, в котором поровое давление является прямым участником расчёта. Эффективные напряжения, прочность, модуль деформации — всё это считается с его учётом. И ровно поэтому воздух в гидравлической системе прибора способен превратить аккуратно поставленный опыт в цифры, не имеющие отношения к реальному грунту.

Речь не только о человеческом факторе. Существуют скрытые физические процессы, которые могут запускаться даже при идеальной пробоподготовке. Главный из них — выделение растворённого газа из рабочей жидкости.

Вода, которой заполняют систему обратного давления и измерительные линии, всегда содержит растворённый воздух. При изменении температуры или локальном падении давления этот воздух выделяется в виде микроскопических пузырьков — невидимых глазу, но вполне реальных с точки зрения физики. В зонах резкого сужения потока картина может усугубляться кавитацией — образованием пузырьков пара при падении давления ниже давления насыщения. На малых скоростях, характерных для линий порового давления, преобладает именно дегазация, но итог один: в системе появляется газовая фаза.

Жидкость с пузырьками перестаёт быть несжимаемой. Тот объём, который должен передавать давление от штампа к образцу и дальше к датчику порового давления, теперь содержит «пружину». Прикладываете нагрузку — часть энергии уходит на сжатие пузырьков, а не на образец. Поровое давление опаздывает или оказывается заниженным. Эффективные напряжения, которые вы считаете на основе измеренного порового, уходят вверх или вниз от истинных — в зависимости от того, на какой стадии опыта включился этот эффект.

В цифрах это может выглядеть так. Для водонасыщенного суглинка ошибка в измерении порового давления всего на 5–10 кПа способна изменить расчётный модуль деформации на 15–20 %. Угол внутреннего трения при этом может сместиться на градус-полтора — вроде бы немного, но для ответственного объекта это уже решение, принятое на неверных данных [Тут надо бы ссылку дать на проверенный ОБОБЩЕННЫЙ источник данных, с хорошей выборкой, дабы не казалось, что цифры взяты с потолка, но пока что, есть данные только по одной лабе, к сожалению].

ГОСТ 12248.3-2020 требует контролировать насыщение образца, требует измерять поровое давление. Но природа дегазации такова, что она возникает не в образце, а в самом приборе — в его трубках, клапанах, соединениях. И снаружи, глядя на манометр, вы её не увидите.

Мы столкнулись с этой задачей, когда проектировали систему насыщения и создания обратного давления для прибора трехосного сжатия ПВН-1Т-02-1. С самого начала понимали: недостаточно просто купить хороший регулятор давления. Нужно исключить сами условия для образования газовой фазы во всём гидравлическом тракте. 

CFD  — моделирование кавитационных явлений — тема уровня докторской колбасы… кхм.. диссертации. Рано или поздно руки дойдут, проведу моделирование, опыт есть. Однако не исключаю, что такого рода являения дадут поправки не больше требуемой погрешности прибора. НО! Это пока только гипотеза. Я обязательно это проверю. Пока мы обошлись кондовым конструкторским методом.

1. Определили потенциальные зоны разрежения — как кавитационные, так и способствующие дегазации — и оптимизировали геометрию проточной части . 
2. Второй шаг — деаэрация. 
3. Третий момент — клапаны и соединения. Любое уплотнение, любой резкий переход диаметра — потенциальный источник локального разрежения. Мы спроектировали гидравлические линии с минимальным количеством стыков и плавными переходами, а запорную арматуру подобрали с характеристиками, исключающими образование газовой фазы в седле при рабочих перепадах. 

Итог: система создания и измерения порового давления в ПВН-1Т-02-1 спроектирована так, чтобы погрешность, связанная с газовой фазой, была пренебрежимо мала по сравнению с методической погрешностью самого испытания. 

Но всё равно, требуются дополнительные цировые исптытания. Потому как физическими манипуляциями в железе можно решить лишь те вопросы, которые лежат на поверхности. 

продолжение следует…