Испытание на трехосный сдвиг - Triaxial shear test

Трехосный аппарат с прикрепленным образцом готов к испытаниям.

А испытание на трехосный сдвиг является распространенным методом измерения механических свойств многих деформируемых твердых тел, особенно почва (например., песок, глина ) и камень, и другие сыпучие материалы или же порошки. Есть несколько вариантов теста.[1][2][3][4]

В испытании на трехосный сдвиг стресс применяется к образцу испытуемого материала таким образом, чтобы напряжения вдоль одной оси отличались от напряжений в перпендикулярных направлениях. Обычно это достигается помещением образца между двумя параллельными плитами, которые прикладывают напряжение в одном (обычно вертикальном) направлении, и приложением давления жидкости к образцу для приложения напряжения в перпендикулярных направлениях. (Испытательное оборудование, которое позволяет применять различные уровни нагрузки в каждом из трех ортогональных направлений, обсуждается ниже в разделе «Истинный трехосный тест».)

Приложение различных сжимающих напряжений в испытательном устройстве вызывает напряжение сдвига проявить в образце; можно увеличивать нагрузки и контролировать прогибы до разрушения образца. Во время испытания окружающая жидкость находится под давлением, и напряжение на плитах увеличивается до тех пор, пока материал в цилиндре не разрушится и не образует в себе области скольжения, известные как полосы сдвига. Геометрия сдвига при трехосном испытании обычно приводит к тому, что образец становится короче, а его стороны выпячиваются. Затем напряжение на плите уменьшается, и давление воды толкает стороны назад, в результате чего образец снова становится выше. Этот цикл обычно повторяется несколько раз при сборе данных о напряжении и деформации образца. Во время испытания поровое давление текучих сред (например, воды, нефти) или газов в образце может быть измерено с использованием прибора Бишопа для определения порового давления.

Из данных трехосных испытаний можно извлечь основные параметры материала образца, включая его угол сопротивления сдвигу, кажущуюся когезию и угол дилатансии. Затем эти параметры используются в компьютерных моделях для прогнозирования поведения материала в крупномасштабном инженерном приложении. Примером может служить прогнозирование устойчивости почвы на склоне, обрушится ли склон или будет ли грунт выдерживать поперечные напряжения склона и оставаться на месте. Трехосные испытания используются наряду с другими испытаниями, чтобы сделать такие инженерные прогнозы.

Во время резки гранулированный материал обычно имеет чистый прирост или потерю объема. Если изначально он был в плотном состоянии, то обычно он приобретает объем, характеристика, известная как Дилатансия Рейнольдса. Если изначально он был в очень рыхлом состоянии, то сжатие может произойти до начала резки или в сочетании со сдвигом.

Иногда испытания связных образцов проводят без ограничивающего давления в испытании на неограниченное сжатие. Для этого требуется гораздо более простое и менее дорогое оборудование и подготовка образцов, хотя применимость ограничена образцами, стороны которых не рассыпаются при воздействии, а ограничивающее напряжение, меньшее, чем напряжение на месте, дает результаты, которые могут быть чрезмерно консервативными. Испытание на сжатие, выполняемое для испытания прочности бетона, по сути является таким же испытанием на аппарате, предназначенном для больших образцов и более высоких нагрузок, типичных для испытания бетона.

Выполнение теста

Для образцов почвы образец помещается в цилиндрический латексный рукав с плоской круглой металлической пластиной или валик закрывая верхний и нижний концы. Этот цилиндр помещается в ванну с гидравлической жидкостью для обеспечения давление по сторонам цилиндра. Затем верхнюю плиту можно механически перемещать вверх или вниз вдоль оси цилиндра для сжатия материала. Расстояние, которое проходит верхняя плита, измеряется в зависимости от силы, необходимой для ее перемещения, поскольку давление окружающей воды тщательно контролируется. Чистое изменение объема материала также можно измерить по тому, сколько воды перемещается в окружающую ванну или из нее, но обычно измеряется - когда образец насыщен водой - путем измерения количества воды, которая течет в или из нее. поры образца.

Камень

Для испытания высокопрочной породы втулка может быть выполнена из тонкого металлического листа, а не из латекса. Трехосные испытания на прочных породах проводятся довольно редко, поскольку высокие силы и давления, необходимые для разрушения образца породы, требуют дорогостоящего и громоздкого испытательного оборудования.

Эффективный стресс

В эффективный стресс на образце можно измерить, используя пористую поверхность на одной плите и измерив давление жидкости (обычно воды) во время испытания, затем рассчитав эффективное напряжение из общего напряжения и поровое давление.

Трехосный тест для определения прочности неоднородности на сдвиг

Трехосный тест можно использовать для определения прочность на сдвиг неоднородности. Однородный и изотропный образец разрушается из-за сдвиговых напряжений в образце. Если образец с несплошностью ориентирован так, что несплошность примерно параллельна плоскости, в которой будет развиваться максимальное напряжение сдвига во время испытания, образец выйдет из строя из-за смещения при сдвиге вдоль неоднородности и, следовательно, прочности на сдвиг разрывность можно вычислить.[5]

Виды трехосных тестов

Существует несколько разновидностей трехосного теста:

Консолидированный дренированный (CD)

В 'консолидированный дренированный »образец уплотняется и медленно сдвигается при сжатии, чтобы позволить рассеять поровое давление, создаваемое сдвигом. Скорость осевой деформации сохраняется постоянной, т.е. деформация контролируется. Идея состоит в том, что испытание позволяет образцу и поровому давлению полностью консолидироваться (т.е. регулировать) к окружающим напряжениям. Испытание может занять длительное время, чтобы образец мог приспособиться, в частности, для образцов с низкой проницаемостью требуется много времени для осушения и доведения деформации до уровня напряжения.

Консолидированный недренированный (CU)

В «консолидированном недренированном» испытании образец не может стекать. Характеристики сдвига измеряются в недренированных условиях, и предполагается, что образец полностью насыщен. Измерение порового давления в образце (иногда называемое CUpp) позволяет приблизительно определить прочность консолидированного и дренированного материала. Скорость сдвига часто рассчитывается на основе скорости уплотнения при определенном ограничивающем давлении (в состоянии насыщения). Ограничивающие давления могут варьироваться от 1 до 100 фунтов на квадратный дюйм или выше, иногда требуя специальных датчиков веса, способных выдерживать более высокие давления.

Неконсолидированный недренированный

Внеконсолидированный недренированное испытание, нагрузки прикладываются быстро, и образец не может консолидироваться во время испытания. Образец сжимается с постоянной скоростью (контролируемый деформацией).

Истинный трехосный тест

Системы трехосного тестирования были разработаны, чтобы позволить независимый контроль напряжения в трех перпендикулярных направлениях. Это позволяет исследовать траектории напряжений, которые не могут быть созданы в осесимметричных трехосных испытательных машинах, что может быть полезно при исследовании цементированных песков и анизотропных грунтов. Испытательная ячейка имеет кубическую форму, и есть шесть отдельных пластин, оказывающих давление на образец, с перемещением LVDT для считывания каждой пластины.[6] Давление в третьем направлении может быть приложено с использованием гидростатического давления в испытательной камере, для чего требуется всего 4 узла приложения напряжения. Устройство значительно сложнее, чем для осесимметричных трехосных испытаний, и поэтому используется реже.

Состояние свободного конца при трехосном испытании

Датский трехосный двигатель в действии

Трехосные испытания классической конструкции подвергались критике за их неоднородное поле напряжений и деформаций, накладываемых внутри образца во время больших амплитуд деформации.[7] Сильно локализованная неоднородность в зоне сдвига вызвана сочетанием шероховатости торцевых пластин и высоты образца.

Для испытания образцов при большей амплитуде деформации используется «новый» [8] и "улучшенный"[9] вариант трехосного аппарата. И «новый», и «улучшенный» трехосный механизм следуют одному и тому же принципу - высота образца уменьшается до высоты одного диаметра, а трение с торцевыми пластинами устраняется.

В классическом аппарате используются грубые концевые пластины - вся поверхность головки поршня состоит из грубого пористого фильтра. В модернизированных аппаратах жесткие торцевые пластины заменены гладким полированным стеклом с небольшим фильтром в центре. Эта конфигурация позволяет образцу скользить / расширяться по горизонтали при скольжении по полированному стеклу. Таким образом, зона контакта между образцом и торцевыми пластинами не создает ненужного трения сдвига, а поле линейных / изотропных напряжений внутри образца сохраняется.

Из-за чрезвычайно однородного, почти изотропного поля напряжений - изотропная текучесть происходит. Во время изотропной текучести объемная (дилатационная) деформация изотопно распределяется в образце, это улучшает измерение объемного отклика во время испытаний CD и давление поровой воды во время загрузки CU. Кроме того, изотропная текучесть заставляет образец расширяться в радиальном направлении равномерно, поскольку он сжимается в осевом направлении. Стенки цилиндрического образца остаются прямыми и вертикальными даже при больших амплитудах деформации (амплитуда деформации 50% была задокументирована Вардулакисом (1980) с использованием «улучшенного» трехосного образца на ненасыщенном песке). Это контрастирует с классической установкой, где образец образует горн в центре, сохраняя при этом постоянный радиус в контакте с торцевыми пластинами.

Пост-сжижение. Образец мелкого песка был разжижен во время уплотняет недренированный (CU) циклов и восстановлен с помощью консолидированный дренированный (CD) циклы много раз. Морщины образовались из-за изменения объема, вызванного итерацией между разжижением CU и сливом. В жидком состоянии образец становится достаточно мягким, чтобы оставлять отпечаток на тонком латексе. Во время циклов CD - достаточно жесткий, чтобы сохранить отпечатанный рисунок.

«Новый» аппарат был модернизирован до «датского трехосного» Л.Б. Ибсеном.[10] Датский трехосный датчик можно использовать для тестирования всех типов почв. Он обеспечивает улучшенные измерения объемного отклика - поскольку во время изотропной текучести объемная деформация изотопно распределяется внутри образца. Изотропное изменение объема особенно важно для испытаний CU, поскольку кавитация поровой воды устанавливает предел прочности недренированного песка.[11] Точность измерения повышается за счет проведения измерений рядом с образцом. Датчик веса погружен в воду и находится в прямом контакте с поднятым напором образца. Датчики деформации также крепятся непосредственно к головкам поршней. Управление аппаратом в высокой степени автоматизировано, поэтому циклическое нагружение может применяться с большой эффективностью и точностью.

Сочетание высокой степени автоматизации, повышенной прочности образцов и совместимости с большими деформациями расширяет возможности трехосных испытаний. Датский трехосный песок может придать пластичность образцам песка CD и CU без образования разрыва при сдвиге или вздутия. Образец можно тестировать на текучесть несколько раз за одну непрерывную последовательность загрузки. Образцы можно даже сжижать до большой амплитуды деформации, а затем измельчать до отказа CU. Испытаниям CU можно разрешить переход в состояние CD и циклические испытания в режиме CD для наблюдения восстановления жесткости и прочности после разжижения.[12] Это позволяет контролировать образцы в очень высокой степени и наблюдать закономерности реакции песка, недоступные при использовании классических трехосных методов тестирования.

Стандарты испытаний

Список не полный; включены только основные стандарты. Более подробный список можно найти на сайтах ASTM International (СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ), Британские стандарты (ВЕЛИКОБРИТАНИЯ), Международная организация по стандартизации (ISO ) или местные организации по стандартам.

  • ASTM D7181-11: Стандартный метод испытаний консолидированного дренированного трехосного сжатия почвы[13]
  • ASTM D4767-11 (2011): Стандартный метод испытаний консолидированного недренированного испытания на трехосное сжатие для связных грунтов[14]
  • ASTM D2850-03a (2007): Стандартный метод испытаний на трехосное сжатие неконсолидированных-недренированных связных грунтов[15]
  • BS 1377-8: 1990 Часть 8: Испытания на прочность на сдвиг (эффективное напряжение) Испытание на трехосное сжатие[16]
  • ISO / TS 17892-8: 2004 Геотехнические исследования и испытания. Лабораторные испытания почвы. Часть 8: Трехосные испытания неконсолидированного недренированного грунта.[17]
  • ISO / TS 17892-9: 2004 Геотехнические исследования и испытания. Лабораторные испытания грунта. Часть 9: Комплексные испытания на трехосное сжатие на водонасыщенных почвах.[18]

Рекомендации

  1. ^ Барде, Ж.-П. (1997). Экспериментальная механика грунтов. Прентис Холл. ISBN  978-0-13-374935-9.
  2. ^ Руководитель, К. (1998). Эффективные стресс-тесты, Том 3, Руководство по лабораторным испытаниям почвы, (2-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-97795-7.
  3. ^ Holtz, R.D .; Ковач, У. Д. (1981). Введение в геотехническую инженерию. Prentice-Hall, Inc. ISBN  0-13-484394-0.
  4. ^ Прайс, Д. (2009). Де Фрейтас, М. (ред.). Инженерная геология: принципы и практика. Springer. п. 450. ISBN  3-540-29249-7.
  5. ^ Гудман, Р. (1989). Введение в механику горных пород. Wiley; 2 издание. п. 576. ISBN  978-0-471-81200-5.
  6. ^ Редди, К.Р .; Saxena, S.K .; Будиман, Дж. (Июнь 1992 г.). «Разработка настоящего трехосного испытательного прибора» (pdf). Журнал геотехнических испытаний. ASTM. 15 (2): 89–105.
  7. ^ ROWE, P W, Барден, L, «ВАЖНОСТЬ СВОБОДНЫХ КОНЦОВ В ТРИАКСИАЛЬНОМ ИСПЫТАНИИ» Журнал механики грунтов и основ, том: 90
  8. ^ «Новый одометр и новый трехосный прибор для твердого грунта» В архиве 2017-06-07 в Wayback Machine
  9. ^ Вардулакис, И. (1979). «Бифуркационный анализ трехосного испытания на пробах песка». Acta Mechanica. 32: 35. Дои:10.1007 / BF01176132.
  10. ^ Ибсен, Л. (1994). «Устойчивое состояние при циклических трехосных испытаниях на песке». Динамика почвы и инженерия землетрясений. 13: 63. Дои:10.1016/0267-7261(94)90042-6.
  11. ^ http://vbn.aau.dk/files/65404376/Behaviour_of_Cohesionless_Soils_During_Cyclic_Loading.pdf[требуется полная цитата ]
  12. ^ https://www.onepetro.org/conference-paper/ISOPE-I-15-114[требуется полная цитата ]
  13. ^ ASTM D7181 (2011). Стандартный метод испытаний консолидированного дренированного трехосного сжатия почвы). ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003.
  14. ^ ASTM D4767-11 (2011). Стандартный метод испытаний консолидированного недренированного трехосного сжатия связных грунтов. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003. Дои:10.1520 / D4767-11.
  15. ^ ASTM D2850 - 03a (2007). Стандартный метод испытаний на трехосное сжатие неконсолидированных-недренированных связных грунтов. ASTM International, Вест Коншохокен, Пенсильвания, 2003. Дои:10.1520 / D2850-03AR07.
  16. ^ BS 1377-1 (1990). Методы испытаний грунтов для строительных целей. Общие требования и подготовка проб. BSI. ISBN  0-580-17692-4.
  17. ^ ISO / TS 17892-8: 2004 (2007). Геотехнические исследования и испытания - Лабораторные испытания грунта - Часть 8: Трехосное испытание неконсолидированного недренированного грунта.. Международная организация по стандартизации. п. 24.
  18. ^ ISO / TS 17892-9: 2004 (2007). Геотехнические исследования и испытания - Лабораторные испытания грунта - Часть 9: Сводные испытания на трехосное сжатие на водонасыщенных грунтах. Международная организация по стандартизации. п. 30.

Смотрите также