Войти
Трехосное устройство с прикрепленным образцом, готовым к испытаниям. A Испытание на трехосный сдвиг - распространенный метод измерения механических свойства многих деформируемых твердых тел, особенно грунта (например, песок, глина ) и горных пород и других гранулированных материалов или порошки. Есть несколько вариантов испытания.
В испытании на трехосный сдвиг напряжение прикладывается к образцу испытываемого материала таким образом, что напряжения вдоль одной оси отличаются от напряжения 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 прикладывать различные уровни напряжения в каждом из трех ортогональных направлений, обсуждается ниже в разделе «Истинное трехосное испытание».)
Приложение различных сжимающих напряжений в испытательном устройстве вызывает сдвиг напряжение, развивающееся 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 об образце, 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 грунта на склоне, обрушится ли склон или будет ли грунт выдерживать касательные напряжения склона и оставаться на месте. Трехосные испытания используются наряду с другими испытаниями, чтобы сделать такие инженерные прогнозы.
Во время сдвига гранулированный материал обычно имеет чистый прирост или потерю объема. Если изначально он находился в плотном состоянии, то обычно увеличивается 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 испытание связных образцов проводится без ограничивающего давления при 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.
Для образцов почвы образец содержится в цилиндрической латексной гильзе с плоской круглой металлической пластиной или пластиной, закрывающей верхний и нижний концы. Этот цилиндр помещают в ванну с гидравлической жидкостью для создания давления 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.
Для испытания высокопрочных горных пород рукав может быть выполнен 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.
Эффективное напряжение на образце можно измерить, используя пористую поверхность на одной плите и измеряя давление жидкости (обычно воды) во время испытание, затем вычисление эффективного напряжения из общего напряжения и порового давления.
Трехосное испытание можно использовать для определения сдвига сила разрыва. 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.
Есть несколько вариантов трехосного испытания:
В консолидированный дренированный 'испытание образец консолидируется и медленно сдвигается при сжатии, чтобы позволить рассеяться поровому давлению, создаваемому сдвигом. Скорость осевой деформации сохраняется постоянной, т.е. деформация контролируется. Идея состоит в том, что испытание позволяет образцу и поровому давлению полностью консолидироваться (то есть адаптироваться) 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.
В тесте «консолидированный недренированный» 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 больше, иногда требуя специальных датчиков нагрузки, способных выдерживать более высокие давления.
В тесте «неконсолидированный недренированный» нагрузки прикладываются быстро, и образец не может консолидироваться во время испытания. Образец сжимается с постоянной скоростью (с контролем деформации).
Трехосные испытательные системы 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. 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 тестов, и поэтому используется реже.
Датское трехосное испытание в действии Трехосное испытание классической конструкции подверглось критике за их неоднородное поле напряжений и деформаций, возникающих внутри образца во время больших амплитуд деформации. Сильно локализованная неоднородность в зоне сдвига вызвана сочетанием шероховатости торцевых пластин и высоты образца.
Для испытаний образцов при большей амплитуде деформации были изготовлены «новая» и «улучшенная» версии 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 неровные торцевые 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 имеет место изотропная текучесть . 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.
Испытания после разжижения. Образец мелкого песка был разжижен во время циклов консолидированного дренирования (CU) и многократно восстановлен с помощью циклов консолидированного дренажа (CD). Морщины образовались из-за изменения объема, вызванного итерацией между разжижением CU и сливом. В разжиженном состоянии образец становится достаточно мягким, чтобы оставлять отпечаток на тонком латексе. Во время циклов КД - достаточно жесткий, чтобы сохранить отпечатанный рисунок. «Новый» аппарат был модернизирован до «датского трехосного» Л.Б.Ибсеном. 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. 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 образца 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. Это позволяет контролировать образцы в очень высокой степени и наблюдать закономерности реакции песка, недоступные при использовании классических методов трехосного тестирования.
Список неполный; включены только основные стандарты. Более подробный перечень можно найти на веб-сайтах ASTM International (США), Британские стандарты (Великобритания), Международной организации по стандартизации (ISO ) или местные организации по стандартам.
