Испытание на трехосный сдвиг
Стресс-тест с различными уровнями напряжения в каждом перпендикулярном направлении
Триаксиальный аппарат с прикрепленным образцом, готовый к испытанию.

В материаловедении испытание на трехосный сдвиг является распространенным методом измерения механических свойств многих деформируемых твердых тел, особенно почвы (например, песка , глины ) и горных пород , а также других гранулированных материалов или порошков . Существует несколько вариаций испытания. [1] [2] [3] [4] При испытании на трехосный сдвиг к образцу испытываемого материала прикладывается напряжение таким образом, что напряжения вдоль одной оси отличаются от напряжений в перпендикулярных направлениях. Обычно это достигается путем помещения образца между двумя параллельными пластинами , которые прикладывают напряжение в одном (обычно вертикальном) направлении, и приложения давления жидкости к образцу для приложения напряжения в перпендикулярных направлениях. (Испытательная аппаратура, которая позволяет прикладывать различные уровни напряжения в каждом из трех ортогональных направлений, обсуждается ниже.)

Приложение различных сжимающих напряжений в испытательном устройстве вызывает возникновение напряжения сдвига в образце; нагрузки можно увеличивать, а прогибы отслеживать до разрушения образца. Во время испытания окружающая жидкость находится под давлением, а напряжение на пластинах увеличивается до тех пор, пока материал в цилиндре не разрушается и не образует внутри себя области скольжения, известные как полосы сдвига . Геометрия сдвига в трехосном испытании обычно приводит к тому, что образец становится короче, выпячиваясь вдоль сторон. Затем напряжение на пластине уменьшается, и давление воды вдавливает стороны обратно, заставляя образец снова расти выше. Этот цикл обычно повторяется несколько раз при сборе данных о напряжении и деформации образца. Во время испытания поровое давление жидкостей (например, воды, нефти) или газов в образце можно измерить с помощью аппарата порового давления Бишопа.

Из данных трехосного испытания можно извлечь основные параметры материала об образце, включая его угол сопротивления сдвигу, кажущуюся связность и угол дилатансии. Затем эти параметры используются в компьютерных моделях для прогнозирования того, как материал будет вести себя в крупномасштабном инженерном приложении. Примером может служить прогнозирование устойчивости почвы на склоне, обрушится ли склон или выдержит ли почва касательные напряжения склона и останется на месте. Трехосные испытания используются вместе с другими испытаниями для составления таких инженерных прогнозов.

В процессе сдвига гранулированный материал обычно имеет чистый прирост или потерю объема. Если изначально он был в плотном состоянии, то он обычно набирает объем, характеристика, известная как дилатансия Рейнольдса . Если изначально он был в очень рыхлом состоянии, то сокращение может произойти до начала сдвига или в сочетании со сдвигом.

Иногда испытание связных образцов проводится без ограничивающего давления, в ходе испытания на неограниченное сжатие. Это требует гораздо более простого и менее дорогостоящего оборудования и подготовки образцов, хотя применимость ограничена образцами, стороны которых не будут крошиться при воздействии, а ограничивающее напряжение, которое ниже напряжения на месте, дает результаты, которые могут быть слишком консервативными. Испытание на сжатие, проводимое для испытания прочности бетона, по сути, является тем же испытанием, на оборудовании, разработанном для более крупных образцов и более высоких нагрузок, типичных для испытания бетона.

Выполнение теста

Для образцов почвы образец содержится в цилиндрическом латексном рукаве с плоской круглой металлической пластиной или плитой, закрывающей верхний и нижний концы. Этот цилиндр помещается в ванну с гидравлической жидкостью для обеспечения давления вдоль сторон цилиндра. Затем верхняя плита может механически перемещаться вверх или вниз вдоль оси цилиндра для сжатия материала. Расстояние, которое проходит верхняя плита, измеряется как функция силы, необходимой для ее перемещения, поскольку давление окружающей воды тщательно контролируется. Чистое изменение объема материала также может быть измерено по тому, сколько воды перемещается в окружающую ванну или из нее, но обычно измеряется - когда образец насыщен водой - путем измерения количества воды, которая втекает в поры образца или вытекает из них.

Камень

Для испытания высокопрочных пород рукав может быть выполнен из тонкого металлического листа, а не из латекса. Трехосное испытание прочных пород проводится довольно редко, поскольку высокие силы и давления, необходимые для разрушения образца породы, требуют дорогостоящего и громоздкого испытательного оборудования.

Эффективный стресс

Эффективное напряжение на образце можно измерить, используя пористую поверхность на одной пластине и измеряя давление жидкости (обычно воды) во время испытания, а затем вычисляя эффективное напряжение из общего напряжения и порового давления .

Трехосное испытание для определения прочности на сдвиг разрыва

Трехосное испытание может быть использовано для определения прочности на сдвиг разрыва . Однородный и изотропный образец разрушается из-за сдвиговых напряжений в образце. Если образец с разрывом ориентирован таким образом, что разрыв примерно параллелен плоскости, в которой будет развиваться максимальное касательное напряжение во время испытания, образец разрушится из-за смещения сдвига вдоль разрыва, и, следовательно, можно рассчитать прочность на сдвиг разрыва. [5]

Типы трехосных испытаний

Существует несколько вариантов трехосного испытания:

Консолидированный дренированный (CD)

В тесте « консолидированный дренированный» образец медленно консолидируется и сдвигается при сжатии, чтобы позволить поровому давлению, созданному сдвигом, рассеяться. Скорость осевой деформации поддерживается постоянной, т. е. деформация контролируется. Тест позволяет образцу и поровому давлению полностью консолидироваться (т. е. приспособиться ) к окружающим напряжениям. Тест может занять много времени, чтобы позволить образцу приспособиться, в частности, образцам с низкой проницаемостью требуется много времени для дренирования и приведения деформации в соответствие с уровнями напряжения.

Консолидированный недренированный (CU)

В тесте «консолидированный недренированный» образец не допускает дренирования. Характеристики сдвига измеряются в условиях отсутствия дренирования, и предполагается, что образец полностью насыщен. Измерение порового давления в образце (иногда называемого CUpp) позволяет приблизительно оценить прочность в консолидированном-дренированном состоянии. Скорость сдвига часто рассчитывается на основе скорости консолидации при определенном ограничивающем давлении (при насыщении). ограничивающее давление может варьироваться от 1 фунта на квадратный дюйм до 100 фунтов на квадратный дюйм или более, иногда для этого требуются специальные тензодатчики, способные выдерживать более высокие давления.

Неконсолидированный недренированный

В тесте « неконсолидированный недренированный» нагрузки прикладываются быстро, и образец не может консолидироваться во время теста. Образец сжимается с постоянной скоростью ( контролируется деформацией ).

Истинный трехосный тест

Системы трехосных испытаний были разработаны для обеспечения независимого контроля напряжения в трех перпендикулярных направлениях. Это позволяет исследовать пути напряжения, которые не могут быть созданы в осесимметричных трехосных испытательных машинах, что может быть полезно при изучении цементированных песков и анизотропных грунтов. Испытательная ячейка имеет кубическую форму, и имеется шесть отдельных пластин, оказывающих давление на образец, с LVDT, считывающими движение каждой пластины. [6] Давление в третьем направлении может быть приложено с использованием гидростатического давления в испытательной камере, требуя всего четыре узла приложения напряжения. Аппарат значительно сложнее, чем для осесимметричных трехосных испытаний, и поэтому используется реже.

Состояние свободного конца при трехосном испытании

Датский триаксиал в действии

Трехосные испытания классической конструкции подвергались критике за их неравномерное поле напряжений и деформаций, накладываемое на образец при больших амплитудах деформации. [7] Высоко локализованная неоднородность в зоне сдвига вызвана сочетанием шероховатых торцевых пластин и высоты образца.

Для испытания образцов при большей амплитуде деформации были созданы «новый» [8] и «улучшенный» [9] вариант трехосного аппарата. «Новый» и «улучшенный» трехосный аппарат работают по одному и тому же принципу — высота образца уменьшена до высоты одного диаметра, а трение о торцевые пластины отменено.

Классический аппарат использует грубые торцевые пластины - вся поверхность головки поршня состоит из грубого пористого фильтра. В модернизированных аппаратах жесткие торцевые пластины заменяются гладким полированным стеклом с небольшим фильтром в центре. Такая конфигурация позволяет образцу скользить / расширяться горизонтально, скользя по полированному стеклу. Таким образом, зона контакта между образцом и торцевыми пластинами не создает ненужного трения сдвига, и внутри образца поддерживается линейное / изотропное поле напряжений.

Из-за чрезвычайно однородного, почти изотропного поля напряжений происходит изотропная текучесть . Во время изотропной текучести объемная (дилатационная) деформация изотопно распределена внутри образца, что улучшает измерение объемного отклика во время испытаний CD и давления поровой воды во время нагрузки CU. Кроме того, изотропная текучесть заставляет образец расширяться радиально равномерно, поскольку он сжимается аксиально. Стенки цилиндрического образца остаются прямыми и вертикальными даже при больших амплитудах деформации (50% амплитуды деформации было задокументировано Вардулакисом (1980) с использованием «улучшенного» триаксиального давления на ненасыщенном песке). Это контрастирует с классической установкой, где образец образует горн в центре, сохраняя при этом постоянный радиус в месте контакта с торцевыми пластинами.

Тестирование после разжижения. Образец мелкого песка разжижался во время циклов консолидации без дренажа (CU) и восстанавливался циклами консолидации с дренажом (CD) много раз. Морщины образовались из-за изменения объема, вызванного итерацией между разжижением CU и дренажем. В разжиженном состоянии образец становится достаточно мягким, чтобы впечатать тонкий латекс. Во время циклов CD - достаточно жестким, чтобы сохранить впечатанный рисунок.

«Новый» аппарат был модернизирован до «датского триаксиального» LBIbsen. [10] Датский триаксиальный аппарат может использоваться для испытаний всех типов грунтов. Он обеспечивает улучшенные измерения объемного отклика — так как во время изотропной текучести объемная деформация распределяется изотопно внутри образца. Изотропное изменение объема особенно важно для испытаний CU, поскольку кавитация поровой воды устанавливает предел прочности недренированного песка. [11] Точность измерений повышается за счет проведения измерений вблизи образца. Датчик нагрузки погружен и находится в прямом контакте с поднятой головкой давления образца. Датчики деформации также прикреплены непосредственно к головкам поршней. Управление аппаратом высокоавтоматизировано, поэтому циклическую нагрузку можно применять с большой эффективностью и точностью.

Сочетание высокой автоматизации, улучшенной прочности образцов и совместимости с большими деформациями расширяет область применения триаксиальных испытаний. Датский триаксиальный тест может приводить образцы песка CD и CU к пластичности без образования разрыва при сдвиге или выпячивания. Образец можно испытывать на текучесть несколько раз в одной непрерывной последовательности нагружения. Образцы можно даже разжижать до большой амплитуды деформации, а затем раздавливать до разрушения CU. Испытания CU можно перевести в состояние CD и циклически испытывать в режиме CD, чтобы наблюдать восстановление жесткости и прочности после разжижения. [12] Это позволяет контролировать образцы в очень высокой степени и наблюдать закономерности реакции песка, которые недоступны при использовании классических методов триаксиальных испытаний.

Стандарты испытаний

Список не полный; включены только основные стандарты. Для более подробного списка, пожалуйста, посетите веб-сайты ASTM International (США), British Standards (Великобритания), Международной организации по стандартизации ( ISO ) или местных организаций по стандартам.

  • ASTM D7181-11: Стандартный метод испытаний на трехосное сжатие консолидированных осушенных грунтов [13]
  • ASTM D4767-11 (2011): Стандартный метод испытаний на трехосное сжатие консолидированных недренированных связных грунтов [14]
  • ASTM D2850-03a (2007): Стандартный метод испытаний на трехосное сжатие неконсолидированных и недренированных связных грунтов [15]
  • BS 1377-8:1990 Часть 8: Испытания на прочность при сдвиге (эффективное напряжение) Испытание на трехосное сжатие [16]
  • ISO/TS 17892-8:2004 Геотехнические исследования и испытания. Лабораторные испытания грунтов. Часть 8. Неконсолидированное недренированное трехосное испытание [17]
  • ISO/TS 17892-9:2004 Геотехнические исследования и испытания. Лабораторные испытания грунтов. Часть 9. Испытания на трехосное сжатие консолидированных водонасыщенных грунтов [18]

Ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Трехосное испытание на сдвиг».
  1. ^ Bardet, J.-P. (1997). Экспериментальная механика грунтов . Prentice Hall. ISBN 978-0-13-374935-9.
  2. ^ Head, KH (1998). Эффективные стресс-тесты, том 3, Руководство по лабораторным испытаниям почвы (2-е изд.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-97795-7.
  3. ^ Хольц, РД; Ковач, В.Д. (1981). Введение в геотехническую инженерию . Prentice-Hall, Inc. ISBN 0-13-484394-0.
  4. ^ Прайс, Д. Г. (2009). Де Фрейтас, М. Х. (ред.). Инженерная геология: принципы и практика . Springer . стр. 450. ISBN 978-3-540-29249-4.
  5. ^ Гудман, Р. Э. (1989). Введение в механику горных пород . Wiley ; 2-е издание. стр. 576. ISBN 978-0-471-81200-5.
  6. ^ Reddy, KR; Saxena, SK; Budiman, JS (июнь 1992 г.). «Разработка настоящего трехосного испытательного прибора» (PDF) . Geotechnical Testing Journal . 15 (2). ASTM: 89– 105. doi :10.1520/GTJ10231J.
  7. ^ РОУ, П. В., Барден, Л., «ЗНАЧЕНИЕ СВОБОДНЫХ КОНЦОВ ПРИ ТРЕХОСНЫХ ИСПЫТАНИЯХ» Журнал «Механика грунтов и фундаменты», том: 90
  8. ^ «Новый одометр и новый трехосный прибор для твердой почвы» Архивировано 07.06.2017 на Wayback Machine
  9. ^ Вардулакис, И. (1979). «Бифуркационный анализ трехосного испытания на образцах песка». Acta Mechanica . 32 ( 1–3 ): 35–54 . doi :10.1007/BF01176132. S2CID  124243347.
  10. ^ Ибсен, Л. Б. (1994). «Устойчивое состояние при циклических трехосных испытаниях на песке». Динамика грунтов и сейсмостойкость . 13 : 63–72 . doi :10.1016/0267-7261(94)90042-6.
  11. ^ vbn.aau.dk [ необходима полная цитата ]
  12. ^ onepetro.org [ необходима полная цитата ]
  13. ^ ASTM D7181 (2011). Стандартный метод испытаний на трехосное сжатие консолидированных осушенных грунтов). ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания, 2003.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  14. ^ ASTM D4767-11 (2011). Стандартный метод испытаний на консолидированное недренированное трехосное сжатие связных грунтов . ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003. doi :10.1520/D4767-11.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  15. ^ ASTM D2850 - 03a (2007). Стандартный метод испытаний на трехосное сжатие неконсолидированных и недренированных связных грунтов . ASTM International , West Conshohocken, PA, 2003. doi :10.1520/D2850-03AR07.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  16. ^ BS 1377-1 (1990). Методы испытаний грунтов для целей гражданского строительства. Общие требования и подготовка образцов . BSI . ISBN 0-580-17692-4.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  17. ^ ISO/TS 17892-8:2004 (2007). Геотехнические исследования и испытания - Лабораторные испытания грунтов - Часть 8: Неконсолидированное недренированное трехосное испытание . Международная организация по стандартизации . стр. 24.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  18. ^ ISO/TS 17892-9:2004 (2007). Геотехнические исследования и испытания — Лабораторные испытания грунтов — Часть 9: Консолидированные трехосные испытания на сжатие водонасыщенных грунтов . Международная организация по стандартизации . С. 30.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

Смотрите также

Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Трехосевой_сдвиговой_тест&oldid=1252177174"