5.6. Трехосное сжатие – основной метод определения механических свойств грунтов.
Наиболее достоверную оценку деформационных и прочностных свойств мерзлых пород при сложном напряженном состоянии, развивающемся в массиве пород при воздействии внешних нагрузок, дают испытания на трехосное сжатие. Результатом этих испытаний является определение сцепления, угла внутреннего трения, модуля обшей деформации, коэффициента поперечной деформации, а также параметров, характеризующих реологические свойства мерзлых пород – изменчивость прочности и деформации во времени. В настоящее время разработан ряд конструкций приборов трехосного сжатия – стабилометров. По характеру приложения нагрузки различают статические и динамические стабилометры, а по принципу работы они подразделяются на разные типы. Схема стабилометра конструкции ПНИИИС представлена на рис. 5.8.
Рис. 5.8. Схема стабилометра конструкции ПНИИИС
Цилиндрический образец мерзлого грунта (1) в тонкой резиновой оболочке (2) устанавливается между верхним и нижним поршнями (3) и помещается в герметически закрытую камеру (6). Поверхности поршней, прилегающие к торнам образца, имеют перфорацию. Всестороннее давление на образец передается путем нагнетания в испытательную камеру незамерзающей жидкости (4), имеющей температуру испытания, через штуцер (7). Осевое давление на образец передается через вертикальный шток (5) при помощи пресса, благодаря чему создается добавочное давление на торцы образца.
При этом можно в зависимости от принятой методики сохранять или снижать боковое давление, поддерживая неизменным вертикальное давление, или менять то и другое в соответствии с заданным режимом. В процессе испытания измеряются осевые и поперечные деформации образца. Стабилометр конструкции ПНИИИС характеризуется тем, что образец всегда находится под действием одинакового всестороннего давления. Осевое давление не может быть меньше бокового. При сжатии образца объем жидкости в камере меняется как в результате вхождения в камеру части штока, так и вследствие изменения объема образца.
Испытания статическими нагрузками на ползучесть в условиях сложного напряженного состояния проводятся обычно в стабилометрах этого типа. При этом используются образцы мерзлого грунта цилиндрической формы диаметром 40-70 мм и высотой 100-150 мм. Применяется нагрузка, либо неизменная в течение всего процесса деформирования, либо ступенчато возрастающая, но постоянная на каждой ступени.Обычно в стабилометрах трехосное сжатие осуществляется всесторонним равномерным деформированием образца при различных величинах гидростатического давления (первая схема) или под воздействием на образец различных комбинаций осевой s1 и боковых s2=s3 нагрузок (вторая схема). Вторая схема используется в двух вариантах: 1) вертикальное (осевое) напряжение s1 ступенчато увеличивается, а радиальное (боковое) s2=s3 поддерживается постоянным; 2) s1ступенчато увеличивается, тогда как s2=s3 ступенчато уменьшается с сохранением условия: sm= (s1+ s2 + s3)/3 = const Первую схему используют для изучения объемных деформаций мерзлого грунта, вторую – для исследования его длительной прочности и деформируемости. При изучении объемных деформаций мерзлого грунта моделируются условия трехосного сжатия элемента грунта в
естественном массиве, происходящего под влиянием гидростатического давления (р=sm=s1=s2= s3).
Изучение изменения прочности и деформируемости мерзлого грунта во времени (вторая схема) является одним из самых распространенных. Первый вариант этой схемы используют для определения только прочностных показателей грунта, в соответствии с теорией Кулона–Мора, это сцепление – с и угол внутреннего трения – j. Второй вариант схемы применяют для изучения реологических свойств мерзлого грунта в условиях ползучести. При этом основной задачей является установление вида функций, связывающих напряжения, деформации и время.