Метод релаксации напряжений

Классический режим нагружения при компрессионном сжатии – ступенчатое нагружение с выдержкой каждой ступени – требует значительного времени для проведения опыта. В случае глинистых грунтов с очень низкими фильтрационными свойствами, стабилизация только одной ступени может длиться от нескольких часов до нескольких суток. В результате опыты длятся неделями, оборачиваемость оборудования снижается, и лаборатория вынуждена увеличивать количество приборов.

Одним из способов решения данной проблемы является метод релаксации напряжений, разработанный и апробированный А.Н. Труфановым (НИИОСП им. Н.М. Герсеванова). В основе метода лежит комбинация ступенчатого и кинематического режимов нагружения, о которых рассказывалось в предыдущих статьях. Это позволяет добиться сокращения времени стабилизации без искажения результатов испытаний (по данным разработчиков метода).

С точки зрения механики процесс стабилизации деформаций во времени – реологический: развитие деформаций, вызванных ступенью нагружения, происходит не мгновенно, а запаздывает относительно момента приложения нагрузки. При этом напряжения остаются постоянными, а деформации постепенно возрастают. Но если поддерживать постоянной не величину давления на образец, а некоторую достигнутую деформацию, то будет наблюдаться релаксация напряжений.

Релаксацией напряжений называется процесс постепенного снижения напряжений при постоянном значении деформаций. Для дисперсных грунтов релаксация, так же как и консолидация, может быть разделена на два этапа. Фильтрационная релаксация выражается в рассеивании напряжений за счет постепенного снижения порового давления. Релаксация ползучести, или вторичная релаксация, связана с постепенной перестройкой скелета грунта, микросдвигами на контактах между отдельными частицами. С точки зрения механики этот процесс обратен ползучести (росту деформаций при постоянных напряжениях), но в случае испытаний грунтов такое изменение граничных условий действительно приводит к ускорению процесса. Для обоснования этого эффекта необходимо сопоставить процессы стабилизации при фиксации напряжений (статическое нагружение) и деформаций (режим релаксации).

При статическом ступенчатом нагружении в момент приложения нагрузки в образце практически мгновенно возрастает поровое давление – в идеализированном случае полностью водонасыщенного грунта скелет вообще не воспринимает нагрузки. Соответственно, так же мгновенно начинается процесс фильтрационной консолидации, в котором начальное значение порового давления равно давлению ступени или немного меньше его. По мере протекания процесса идет доуплотнение образца, его пористость снижается, как и избыточное поровое давление, что в результате приводит к квадратичному снижению скорости процесса. Наконец, когда избыточное давление рассеивается, начинается процесс ползучести – взаимного смещения частиц скелета при постоянном давлении. Стабилизация деформаций обычно фиксируется после выхода ползучести на постоянную невысокую скорость.

Рис. 1. Распределение порового и эффективного давления при ступенчатом нагружении

В режиме релаксации напряжений в ходе принудительного деформирования образца возникают избыточные напряжения, обусловленные сопротивлением скелета и давлением поровой жидкости. Скорость рассеивания избыточного порового давления определяется градиентом напора и пористостью образца. При кинематическом режиме нагружения величина градиента напора на ступени может регулироваться в ходе эксперимента путем изменения скорости нагружения. Дальнейшее рассеивание избыточного порового давления происходит при постоянной пористости, так как деформации зафиксированы. В результате процесс фильтрации протекает в оптимальном режиме, время стабилизации на ступени уменьшается.

Рис. 2. Распределение порового и эффективного давления при нагружении в режиме релаксации напряжений

На представленном рисунке видно, как меняется поровое давление в ходе одной ступени нагружения и выдержки в режиме релаксации. В начале приложения ступени начинается постепенный рост порового давления, и, соответственно, процесс фильтрационной консолидации. В зависимости от выбранной скорости деформации будет меняться и предельное значение избыточного порового давления – высота «зубца». Для грунтов с низкой прочностью структурных связей следует выбирать более низкие скорости, иначе возможно разрушение структуры избыточным давлением.

После достижения заданной для данной ступени деформации начинается выдержка до стабилизации напряжений - собственно, релаксация. Теоретически, при этом деформации должны оставаться постоянными, а график напряжений - горизонтальным (пунктир на рисунке). На практике в ходе релаксации возникает некоторая дополнительная деформация образца: график линейно идет вниз. Это объясняется конечной жесткостью нагрузочного устройства и измерительной системы. При достижении максимальной нагрузки деформируется не только образец, но и рама, и динамометр. В ходе релаксации напряжений возникшие в них внутренние усилия перестают уравновешиваться реакцией образца, вследствие чего возникает дополнительная деформация за счет упругости рамы.

Критерием стабилизации (окончания релаксации) является постоянная скорость снижения напряжений, соответствующая окончанию фильтрационной релаксации и переходу к релаксации ползучести. Данная точка может считаться принадлежащей компрессионной кривой. Последовательное выполнение нескольких ступеней нагружения позволяет получить необходимое количество точек. Дальнейшая обработка компрессионной кривой может выполняться любым стандартным способом, о которых говорилось ранее. Помимо этого, автором метода разработаны способы интерпретации для определения параметров фильтрационной консолидации, а так же реологических свойств.

Рис. 3. Компрессионная кривая по результатам испытания методом релаксации напряжений

Несмотря на кажущуюся простоту, метод релаксации напряжений налагает определенные требования на испытательное оборудование. Во-первых, установка должна обладать возможностью кинематического нагружения – деформирования с постоянной скоростью. Для приборов трехосного сжатия это уже привычный режим нагружения, но абсолютное большинство приборов компрессионного сжатия в лабораториях нашей страны реализуют только ступенчатое статическое нагружение. При этом необходимо помнить, что автоматизированное кинематическое нагружение возможно реализовать только с помощью электромеханического привода: ни пневматический привод, ни, тем более, грузорычажный, по определению не могут передавать на образец деформации – данные типы привода работают в усилиях.

Во-вторых, установка должна обладать высокой жесткостью, это необходимо для точной выдержки условий нагружения. Это означает увеличение сечений элементов рамы и, как следствие, веса оборудования. К сожалению, полностью исключить паразитные деформации невозможно, так как все устройства измерения силы (динамометры) предполагают собственную деформацию. Тем не менее, современные системы электронного управления с обратной связью позволяют компенсировать собственные деформации на основании тарировочной кривой, ООО НПП «Геотек» имеет опыт разработки подобных алгоритмов управления.

В-третьих, методика проведения испытаний в настоящий момент закреплена только в СТО 60284311-003-2012, и доступ к ней возможен только после приобретения данного документа у правообладателя.

Автором метода проводились сопоставительные испытания методом компрессионного сжатия в режиме статического нагружения и релаксации напряжений на образцах-близнецах, показавшие хорошую сходимость. Между тем, для использования метода с различными видами грунтов необходимо экспериментально подбирать оптимальные скорости кинематического нагружения в зависимости от консистенции и разновидности грунта.

ООО "НПП Геотек" предлагает автоматизированный испытательный комплекс "АСИС Про" для испытаний компрессионного сжатия дисперсных грунтов в режиме релаксации напряжений. В состав комплекса входят компрессионные одометры для образцов различных размеров и нагрузочные устройства для создания вертикального силового воздействия. Приборы могут использоваться для проведения испытаний в любом режиме - статическом, кинематическом, либо с релаксацией напряжений. Испытания проводятся в автоматизированном режиме с контролем всех параметров испытания в режиме реального времени.

Более подробную техническую информацию можно получить у специалистов компании или на сайте www.npp-geotek.ru.

Список литературы

ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.

Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов с комментариями к ГОСТ 12248-2010. М.: Прондо, 2014.

ГОСТ Р 58327-2018. Грунты. Метод лабораторного определения параметров релаксации.

СТО 60284311-003-2012. Грунты. Метод компрессионных испытаний грунтов в режиме релаксации напряжений. НП СРО «КубаньСтройИзыскания», 2012.

Труфанов А.Н. Метод релаксации напряжений. Основания, фундаменты и механика грунтов, № 5, 2012.

Труфанов А.Н. Способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов: патент № 2272101. Бюллетень изобретений, № 8, 2006.

Труфанов А.Н., Чайкин А.А. Сравнительный анализ результатов компрессионных испытаний глинистых грунтов методом релаксации напряжений и по ГОСТ 12248-2010. Инженерные изыскания, № 6, 2014.