Динамические свойства мерзлых грунтов. Часть 3. Оборудование для испытаний мерзлых грунтов методом резонансной колонки

Первые резонансные колонки для испытаний мерзлых грунтов начали создаваться в 1970-1980 годах. Они не были оснащены самостоятельным контуром охлаждения, их помещали в морозильные камеры или морозильные комнаты. Так, E.Е. Turcott-Rios (1980) [6] приводит подробное описание принципов модификации резонансной колонки типа Hardin для испытания мерзлых грунтов высокой жёсткости. Для снижения возникающих колебаний испытательной системы резонансная колонка была смонтирована на виброизоляционном столе. В верхней части прибора для предотвращения движения двух постоянных магнитов установили дополнительный элемент, а основание установки значительно утяжелили. Дополнительное увеличение жёсткости системы проведено путем замены верхнего штампа с алюминиевого на стальной. Крутящий момент данной установки на единицу вращения составлял 2,9*10⁶ гр*см/рад. E.Е. Turcott-Rios указывает, что испытания в данной установке можно выполнять с амплитудой деформации от 10^-8 и выше. Для увеличения сцепления образца с установкой в испытании задавали небольшое вертикальное напряжение равное 10 кПа. Кроме этого, на стальные штампы нанесли слой воды для примораживания образца (предотвращение проскальзывания). Цилиндр из акрилового пластика удален, по сути испытания проводили в одноосном режиме. Для контроля возникающих в установке вибраций были смонтированы 4 акселерометра – на основание резонансной колонки, штампы и верхнюю часть. По результатам предварительных испытаний на нижнем штампе зафиксирована вибрация, в связи с этим он был полностью удален, а образец таким образом разместили непосредственно на утяжелённом нижнем основании (рис. 1). Однако данная модификация резонансной колонки оказалась недостаточной – испытания показали повышенные вибрации в основании и верхней части установки, а модуль сдвига материала отличался от реального.

Рис. 1. Схема резонансной колонки типа Hardin до и после модификации [6]

Ted S. Vinson [5] выполнил испытания мёрзлого грунта и льда на резонансной колонке Stevens в 1975 г. (рис. 2). Установка не обладала собственным контуром охлаждения и была размещена в морозильной камере. Конструкция данного прибора предусматривала передачу на образец как крутильных колебаний, так и продольных колебаний. Крутильные колебания передавались на образец от двух вибромоторов (масса каждого 11,3 кг) на вал (spindle на рис. 2), который был соединен с верхней и нижней плитами пружиной. Вертикальные колебания передались от нижнего вибродвигателя массой около 23 кг (см. рис. 2). Испытания мерзлых грунтов с применением данной установки возможны до частоты воздействия более 1000 Гц. При этом амплитуду деформаций можно задавать как минимум в диапазоне 10^-6-10^-5. Проскальзывание образца исключалось примораживанием его торцов к установке.

Рис. 2. Резонансная колонка Stevens [5]

Канадские исследователи Hamdy Youssef и др. в 1982 опубликовали результаты [5] разработки прибора для статических и динамических испытаний льда и мерзлых грунтов для исследования их ползучести. Устройство сконструировано таким образом, что можно одновременно проводить испытания двух образцов: первого – при статическом приложении нагрузки, второго – при статической и динамической нагрузках. Второй образец подвергается статическому осевому напряжению равному напряжению для первого образца, а также синусоидальным крутильным колебаниям, приложенным к его основанию. Для создания динамических нагрузок за основу взята резонансная колонка типа free-free. Принципиальная схема, иллюстрирующая конструкцию оборудования для динамических испытаний, показана на рисунке 3. Собственная резонансная частота устройства составляет 32,15 Гц, диапазон задаваемой частоты воздействия находится в пределе от 0 до 1000 Гц.

Рис. 3. Схема конструкции прибора, разработанного Hamdy Youssef и др. [5]:

1 - образец мерзлого грунта; 2 - датчик давления и упорный подшипник; 3 - нагрузочная балка;
4 - натяжные стержни для передачи нагрузки со скобы; 5 - латунная скоба для передачи статической нагрузки от штока на натяжные стержни; 6 - поршень и цилиндр; 7 - два выравнивающих стержня для предотвращения наклона образца; 8 - бесконтактный датчик вертикального перемещения;
9 - резьбовая втулка для фиксации датчика перемещений; 10 - внутренний охлаждающий контур (змеевик); 11 - антифриз; 12 - наружная акриловая камера; 13 - активные (подвижные) датчики скорости; 14 - пассивные (неподвижные) датчики скорости; 15 - вибрационное устройство

M.O. Al-Hunaidi и др. [1] выполнили динамические испытания мерзлых грунтов на резонансной колонке типа Stokoe достаточно стандартной конструкции. Система привода состояла из подвижного штампа, приводных катушек, генератора синусоидальных колебаний и усилителя мощности. Крутильные колебания измерялись с помощью акселерометра, прикрепленного к приводной пластине со скоростью 40 000 проб/с. Для улучшения сцепления и предотвращения проскальзывания образца на штампах были сделаны насечки, а сам образец приморожен путем добавления слоя воды на его торцевые части. Расчетный крутящий момент данной установки составлял 0,43 Нм, она позволяла реализовать частоты как минимум до 400 Гц с амплитудой деформаций от 10^-6.

Английские ученые C.R. Clayton и др. [2] провели ряд экспериментов и численных расчетов с целью изучения влияния жесткости образца, массы прибора и др. на результаты испытаний в резонансной колонке. По результатам исследований установлено, что из всех типов резонансных колонок для испытания жестких материалов наилучшим образом подходит именно колонка Stokoe типа «fixed–free». Она обладает относительно высоким крутящим моментом. При использовании резонансной колонки типа Stokoe «free–free» отсутствуют сложности с фиксацией образца, однако возникают проблемы с жесткостью соединений каналов. По результатам анализа испытаний и численного моделирования были получено, что значительные отклонения показателей динамических свойств жестких материалов от реальных значений могут возникать из-за гибкости приводной головки, слабых соединений приводных магнитов, плохой фиксации образца и малой массы основания устройства. Так, при испытании на обычной резонансной колонке Stokoe модуль сдвига калибровочного стержня из алюминия оказался примерно на 25% ниже его реального значения.

C.R. Clayton и др. установили, что предотвратить получение недостоверных результатов при динамических испытаниях жестких грунтов можно путем модификации резонансной колонки по следующим принципам. Для недопущения вибрации основания требуется либо чтобы прибор был прочно соединен с полом лаборатории, либо чтобы его основание имело значительную массу. Первый из вариантов в реальности достаточно тяжело осуществить, так как обычно для удобства приборы устанавливаются выше уровня талии. Такая установка зачатую является нежесткой и влияет на результаты испытаний. По результатам исследования установлено, что при испытании жестких материалов для удовлетворительной точности измерения их резонансной частоты необходимо, чтобы массовый полярный момент инерции основания резонансной колонки был как минимум в 100 раз больше, чем у привода кручения. В этом случае вибрация основания составит менее 1% от вибрации образца. Для более высокой точности измерения резонансной частоты жесткого материала, чтобы ее отклонение от реального значения было в районе 0,1%, массовый полярный момент инерции основания должен быть в 500 раз больше, чем у привода кручения. В случае если отличие между данными моментами составит 50 раз, то измеряемая частота может отличаться от реальной на 1% и более. Для предотвращения изгиба привода и его элементов магниты на нем необходимо закрепить цианоакрилатным ударопрочным клеем [2].

Исследователи из Китая Xiaobo Yu и др. [7] использовали для испытаний мёрзлых грунтов переоборудованную под отрицательную температуру обычную резонансную колонку компании GDS. В конструкцию установки был добавлен охлаждающий контур – обмотка образца медной трубой по типу змеевика. Дополнительно для поддержания отрицательной температуры камера была теплоизолирована теплозащитной крышкой. Контроль температуры осуществлялся термопарой в испытательной камере (рис. 4). Расчетный крутящий момент установки составил около 2,9 Нм. Параметры резонансной колонки указаны в таблице 1.

Рис. 4. Схема резонансной колонки GDS [7]

Таблица 1. Параметры резонансной колонки GDS [7]

В работе [7] также оценивается влияние разных сред для передачи всестороннего давления и материалов оболочки на показатели динамических свойств мерзлых грунтов. По результатам получено, что при передаче всестороннего давления антифризом и сжатым воздухом с оболочкой из натурального каучука фиксируется значительная разница в модулях сдвига и коэффициентах поглощения близких по строению образцов мерзлого грунта. При испытании мерзлого грунта с применением силиконового масла и искусственного (хлоропренового) каучука наблюдается малый разброс в показателях динамических свойств мёрзлых грунтов (рис. 5). В связи с этим, по мнению авторов Xiaobo Yu и др., сочетание силиконового масла и хлоропренового каучука наилучшим образом подходит для испытаний мерзлых грунтов в резонансной колонке.

Рис. 5. Результаты испытаний мерзлого пылеватого грунта в резонансной колонке a-b по схеме антифриз + натуральный каучук, c-d по схеме сжатый воздух + натуральный каучук, e-f по схеме силиконовое масло + искусственный (хлоропреновый) каучук [7]

Позже, в 2018 г., Xiaobo Yu и др. выпустили работу [8], в которой приводятся результаты испытания мерзлых грунтов, по-видимому, на вышеописанной (рис. 4) или схожей с ней модифицированной резонансной колонке компании GDS. Приведем некоторые дополнительные сведения, детализирующие конструкцию данной резонансной колонки. Для увеличения жесткости резонансной колонки в соответствии с исследованиями Clayton и др. [2] проведено увеличение массового полярного момента инерции ее основания. С этой целью резонансную колонку жестко прикрепили к стальному столу с массовым полярным моментом инерции равным 46,4 кг*м². Поддержание отрицательной температуры осуществлялось таким же образом, как и в работе [7]. Контроль температуры испытания осуществлялся температурным датчиком, расположенным внутри камеры давления на расстоянии 2 см от образца.

Китайские ученые выполняли динамические испытания мерзлых грунтов также и на приборах собственного производства. Однако описание их особенностей в литературе иногда приведено недостаточно подробно. Одной из современных китайских установок является резонансная колонка DGZ-1, сконструированная Институтом инженерной механики Китая. Ее разработка выполнялась для динамических испытаний жестких материалов, в том числе, например, скальных грунтов [9]. Общий вид установки приведен на рисунке 6. Резонансная колонка DGZ-1 обладает собственной системой охлаждения. Диапазон реализуемой частоты воздействия варьирует от 5 до 300 Гц. С помощью данной установки можно испытывать образцы по двум схемам нагрузки: 1) с амплитудой деформации 10^-6-10^-4; 2) с амплитудой деформации 10^-7-10^-5. Первая схема в работе [9] указана для испытания дисперсных пород, вторая – скальных. Максимальный момент инерции установки составляет 3 Нм, полярный момент инерции подвижного штампа равен 140,3 кг/см². В данной резонансной колонке можно испытывать образцы размером 40/80 мм. Также в работе [9] приведен анализ погрешности динамического модуля сдвига - при снижении реального модуля сдвига разница между экспериментальным и расчетным значениями уменьшалась. При модуле сдвига менее 900 МПа сходимость была достаточно высокая. При жёсткости образца, сопоставимой с жесткостью оборудования, снижалась резонансная частота материала, что приводило к снижению его модуля сдвига.

Рис. 6. Общий вид резонансной колонки DGZ-1 [9]

Исследователи из Южной Кореи Kim, Jae-Hyun и др. [4] выполнили испытание мерзлых грунтов на резонансной колонке типа Stokoe (рис. 7). Передача всестороннего давления на образец производилась пневматически – путем передачи давления сжатого воздуха на силиконовое масло. На верхней подвижной платформе закреплено два акселерометра. Деформации измерялись бесконтактным датчиком деформаций Proximity (Proximiter) Bently Nevada. Резонансная колонка была оборудована системой охлаждения, монтированной вокруг образца по типу змеевика. Медные охлаждающие трубки находились во внутренней камере передачи бокового давления. В качестве хладоносителя использовали этанол. В прибор с нижней части образца (нижнее основание) были установлены два датчика контроля температуры – термопары типа К. Диаметр датчиков составлял 2 мм, они возвышались над основанием на 1 см (рис. 7).

Рис. 7.  Схема резонансной колонки типа Stokoe [4]

Разработка оборудования для испытаний мерзлых грунтов методом резонансной колонки

Анализ опыта испытаний мерзлых грунтов методом резонансной колонки позволяет выделить основные направления ее разработки. В первую очередь следует учитывать значительную жесткость мерзлых грунтов, которая может привести к колебанию самой установки и ее составных частей и, как следствие, некорректным результатам экспериментов. Такое негативное влияние прибора можно предотвратить путем увеличения его собственной жесткости. В первую очередь следует конструктивно обеспечить неподвижность резонансной колонки. Так как фиксация установки к полу лаборатории не всегда возможна, то наиболее эффективным методом представляется увеличение массового полярного момента инерции ее основания. В целом для выполнения динамического испытания мерзлого грунта массовый полярный момент инерции основания можно установить, как минимум в 100 раз выше, чем у привода кручения [2]. Кроме этого, необходимо обеспечить жесткость крепления к резонансной колонке остальных комплектующих. Так, например, предупредить изгиб приводной головки можно с помощью прочного крепления магнитов к ее основанию ударопрочным цианоакрилатным клеем.

Второй проблемой, возникающей в следствие высокой жесткости мерзлого грунта, является необходимость передачи на образец значительных усилий для реализации крутильных колебаний с заданным уровнем деформации. Величина усилия зависит от способности мёрзлого грунта к деформированию, которая со снижением температуры грунта значительно падает. Это обстоятельство требует передачи на образец все большей амплитуды крутильных колебаний. К сожалению, в проанализированной литературе не ко всем типам резонансных колонок приведено значение максимального крутящего момента. В связи с этим прикладываемый крутящий момент в используемых установках был получен расчетными методами по показателям динамических свойств мерзлых грунтов, представленным в работах иностранных исследователей (см. 1 часть цикла настоящих статей). Расчет был выполнен по следующим формулам:

М_z = τ•I_p•r

τ = G_мах•ƴ

I_p= π•r⁴/2

где М_z – максимальный крутящий момент резонансной колонки, Н·м; τ – максимальное касательное напряжение, Па, вызывающее максимальную деформацию сдвига; Ip – полярный момент инерции, м⁴; G_мах – начальный модуль сдвига мерзлого грунта, Па; ƴ – деформация сдвига.

По результатам расчета получены крутящие моменты, прикладываемые в испытаниях мерзлых грунтов с разной температурой (рис. 8). В целом, исходя из произведенных вычислений и на основании проанализированной литературы, максимальный крутящий момент в резонансных колонках варьирует от первых Нм до 12 Нм. При этом необходимость реализации высокого крутящего момента – выше 4 Нм возникает в основном при температуре ниже -6 °С. Для динамических испытаний мерзлых грунтов с меньшей температурой максимальный крутящий момент разрабатываемой установки можно установить до 4 Нм.

Рис. 8. Максимальный крутящий момент резонансных колонок при испытании мерзлых грунтов разной температуры по расчетным и техническим характеристикам приборов

Следующим важным обстоятельством является необходимость расширения диапазона задаваемой амплитуды деформаций резонансной колонки из-за низкой деформируемости мерзлых грунтов. Так, для получения начального модуля сдвига (с фиксацией характерной полки на графике) в некоторых работах исследователи задают амплитуду деформации начиная с 10^-8. При разработке резонансной колонки наилучшим вариантом является реализация диапазона деформации сдвига в диапазоне 10^-8-10^-5, приемлемым – 10^-7-10^-4.

Исследование динамического поведения мёрзлого грунта в резонансной колонке предполагает определение его резонансной частоты. К сожалению, в проанализированной литературе приводится малое количество данных о резонансной частоте мерзлых грунтов, что не позволяет в точности установить рекомендации по ее диапазону. Частные результаты исследований говорят о том, что резонансная частота мерзлого грунта с температурой ниже -9 °С не превосходит 330 Гц, а опираясь же на данные исследователей прошлого века, она может достигать 500-1000 Гц при температуре -10 °С и ниже. Установление необходимого диапазона частоты воздействия для испытаний мерзлых грунтов может быть решено дополнительными исследованиями. Основываясь на существующих данных, максимальное значение частоты воздействие может быть задано на уровне не менее 300-400 Гц.

На основании приведенных в статье исследований известно, что в ходе динамических испытаний мерзлых грунтов зачастую возникает проблема проскальзывания образца. Для устранения его подвижности в методике испытаний можно рекомендовать цементацию мерзлого грунта к прибору до начала испытания.  Для улучшения фиксации образца резонансную колонку можно снабдить стальными штампами с нанесёнными на них насечками.

Конструкция резонансной колонки для испытаний мерзлых грунтов должна обладать собственным контуром охлаждения и поддержания отрицательной температуры. За основу может быть принята система охлаждения, разработанная компанией ООО НПП «Геотек». Для контроля температуры испытания резонансную колонку необходимо оборудовать высокоточными температурными датчиками. Варианты их установки могут быть различные - в теле образца, на его внешней поверхности (например, датчики могут быть вмонтированы в верхний и нижний штампы), либо в объеме камеры. Однако наиболее ценными являются температурные данные, полученные с датчика в непосредственной близости к образцу или расположенном внутри его.

Комплектующие резонансной колонки должны отвечать требованиям работы при отрицательной температуре. Например, это относится к жидкости, передающей всестороннее давление на образец мерзлого грунта. Исходя из распространенной практики, для передачи всестороннего давления на мерзлый образец используют незамерзающие жидкости такие как: силиконовые масла, спиртовые растворы и антифризы. Проблемным остается вопрос выбора материала для изготовления оболочек для изоляции жидкости в камере от образца мерзлого грунта. Они должны обладать высокой степенью эластичности, чтобы не создавать дополнительного сопротивления при выполнении испытаний. Однако распространенные в применении латексные оболочки при отрицательной температуре теряют свою упругость. Их использование в этом случае может несколько влиять на процесс деформирования. На основании исследований, проведенных Xiaobo Yu и др. [7], наилучшая сходимость в результатах испытаний мерзлых грунтов методом резонансной колонки наблюдается при применении оболочки из хлоропренового каучука (искусственный каучук) в сочетании с силиконовым маслом.

Выводы

Под действием динамической нагрузки в мерзлых грунтах наблюдается малый уровень деформации. В связи с этим исследование работы грунта при сверхмалых деформациях оказывается ценным для понимания его динамического поведения. Однако высокая жесткость грунта не позволяет использовать для испытаний обычные резонансные колонки, которые в большинстве своем не могут обеспечить необходимых условий выполнения испытаний. Для получения достоверных показателей динамических свойств мерзлых грунтов необходимо реализовать в резонансной колонке крутящий момент основания, как минимум 4 Нм, оборудование должно обеспечивать частоту воздействия как минимум около 300-400 Гц, если планируется испытание высокотемпературных мерзлых грунтов. Для испытания низкотемпературных мерзлых грунтов крутящий момент можно увеличить до 10 Нм, а частоту воздействия до 1000 Гц. Амплитуду деформаций для более высокой точности лучше реализовать в диапазоне 10^-8-10^-5, приемлемым вариантом является также диапазон 10^-7-10^-4. Кроме этого, конструкция резонансной колонки должна обеспечить полную ее неподвижность, что можно достичь увеличением массового полярного момента инерции ее основания в 100 раз выше, чем у привода кручения, креплением магнитов цианоакрилатным ударопрочным клеем и т.д. Установку резонансной колонки следует оборудовать системой охлаждения, теплоизоляцией и возможностью фиксации температуры испытания.

Список литературы

1. Al-Hunaidi M., P.A. Chen, J.H. Rainer, M. Tremblay. Shear moduli and damping in frozen and unfrozen clay by resonant column tests // Canadian Geotechnical Journal, №33(3), 1996, СС.510-514 1996. DOI:10.1139/T96-073.
2. Chris Clayton, Antonis Zervos, S.G. Kim, Jeffrey A. Priest, Man Tan Bui. The Stokoe resonant column apparatus: effects of stiffness, mass and specimen fixity // Gйotechnique № 59(5), 2009, CC. 429-437. DOI:10.1680/geot.2007.00096.
3. Hamdy Youssef, Roger Kuhlemeyer, Rowland Frenc. Development of an apparatus for static and dynamic creep testing of ice and frozen soils // Laboratory Testing of Frozen Soils. Proc. 4th Can. Permafrost Conf., 1982, CC. 429-432.
4. Kim Jae-Hyun, Kwon Yeong-Man, Park Keunbo, Kim YoungSeok, Kim Dong-Soo. Dynamic Soil Properties of Frozen and Unfrozen Soils from Terra Nova Bay in Eastern Antarctica // Journal of the Korean geotechnical society, №.33(3), 2017, СС. 37-47. https://doi.org/10.7843/kgs.2017.33.3.37.
5. Ted S. Vinson. Dynamic properties of naturally frozen ice. c. 182, 1983.
6. Turcott-Rios E. Е. Resonant column-testing of frozen soils, с. 135, 1980.
7. Xiaobo Yu, Rui Sun, Xiaoming Yuan, Zhuoshi Chen, Jiuqi Zhang. Resonant Column Test on the Frozen Silt Soil Modulus and Damping at Different Temperatures // Periodica Polytechnica Civil Engineering, №61(4), 2017, CC. 762-769. DOI:10.3311/PPci.10349.
8. Xiaobo Yu, Huabei Liu, Rui Sun, Xiaoming Yuan. Improved Hardin-Drnevich model for the dynamic modulus and damping ratio of frozen soil // Cold Regions Science and Technology, № 153(1), 2018. DOI:10.1016/J.COLDREGIONS.2018.05.004.
9. Yuan Xiaoming, Sun Jing, Sun Rui. A Modified approach for calculating dynamic shear modulus of stiff specimens by resonant column tests // Earthquake Engineering and Engineering Vibration, №5, 2006, СС. 143-150.