Методы измерения напряжений в грунте

Напряженное состояние грунта определяют совокупностью контактных взаимодействий между зернами скелета грунта, внутренних напряжений в зернах скелета и давлением воды в порах грунта. Понятие напряженного состояния в грунте относится к некоторой конечной, но малой зоне. Если в этой зоне известны любые шесть независимых компонентов напряжения (например, шесть значений нормальных напряжений на шести различно ориентированных площадках), то напряженное состояние в зоне считается полностью определенным.

Нормальные напряжения в грунте измеряют путем помещения в заданную зону искусственного тела - датчика нормальных напряжений, деформации или изменение объема которого могут быть преобразованы в регистрируемый (чаще всего электрический) сигнал. Датчик должен иметь размеры, позволяющие усреднять все факторы, определяющие неоднородность напряжений в рассматриваемой зоне.

Идеальный датчик должен обладать деформативными характеристиками, схожими с деформативными характеристиками грунта, чтобы снизить влияние неоднородного включения. Однако деформативные характеристики грунта зависят от ряда факторов, из которых влажность, история нагружения и характер напряженного состояния являются определяющими. Датчик напряжений в грунте, если его механические характеристики отличаются от характеристик среды, является концентратором напряжений в прилегающей к нему зоне, что является причиной погрешности при определении напряжений.

Если необходимо определить пространственную картину напряженного состояния грунта, то в нем располагают (рис.7.6) несколько датчиков 1, нормали 2 которые ориентированы в разных направлениях.

Возможно расположение датчиков по одной оси (рис.7.6, a) или их пространственная ориентация (рис.7.6, б).

При изучении работы ответственных сооружений создается проект размещения измерительной аппаратуры с учетом трасс прокладки линий измерительной цепи, коммутаторов, мест расположения регистрирующей аппаратуры. Проект определяет последовательность проведения всех работ и является частью проекта сооружения. Для получения достоверных результатов необходимо, чтобы способ укладки и уплотнения грунта в измерительной зоне и в прилегающих к ней зонах не отличались. Датчики должны устанавливаться одновременно с укладкой грунта в контролируемую зону. В местах установки датчиков следует отобрать пробы грунта с тем, чтобы определить его физико-механические характеристики. Поскольку добиться соответствия деформативности датчика и грунта не удается, выбор параметров измерительных преобразователей (датчиков) должен обеспечить требуемую точность измерения напряжений в грунте.

Рис. 7.6. Схема измерения объемного напряженного состояния в грунтах

Экспериментально доказано, что в условиях одноосной деформации, датчик должен обладать наибольшей жесткостью и наименьшей толщиной. На рис.7.7 приведены наиболее часто применяемые схемы датчиков напряжений в грунтах: а -с гибкой мембраной, б -мембранный с жесткой шайбой 1, в - поршневой, г - типа “грибок”. Во всех конструкциях внутренняя полость датчика может быть заполнена жидкостью, изменение давления которой преобразовывается в электрический сигнал при помощи упругого элемента с наклеенными тензорезисторами. Датчики могут выполняться в виде сплошных шайб из пьезокристаллов или из магнитострикционных материалов. При одноосном напряженном состоянии, если ось датчика совпадает с направлением главного напряжения, ошибки результатов не превышают 10-15%.

Рис. 7.7. Конструкции датчиков напряжений в грунтах

При наличии напряжений, действующих в плоскостях датчика, обладающего большой жесткостью, искажения выходного сигнала могут достигать 100%. Для тонкого эластичного датчика (тонкая плоскость, заполненная жидкостью) эти искажения не превышают 15%.

При изменении угла между направлениями нормали к рабочей поверхности жесткого датчика и осью максимального напряжения выходной сигнал также претерпевает искажения в пределах 20-25%. Исследования влияния двух главных напряжений s r и s z, действующих в плоскости рабочей поверхности датчика, при измерении третьего главного напряжения, действующего по нормали к поверхности датчика, с учетом влияния режима нагружения позволили установить картину взаимодействия жесткого датчика и грунта. Концентрация напряжений в грунте для жестких дисковидных датчиков при наличии значительных деформаций в грунте может изменяться в значительном диапазоне (в песке плюс 70-100% и минус 30-50%) и зависит от режима нагружения. Повышенную концентрацию напряжений вызывают жесткие грунтовые ядра, возникающие за счет сил трения грунта на поверхности датчика.

Эластичный датчик напряжений в грунте обладает минимальной сжимаемостью и толщиной, достаточной площадью, позволяющей усреднять напряжения в заданной области. Эластичный датчик представляет собой резиновый тонкий диск, пронизанный сообщающимися полостями, заполненными малосжимаемой жидкостью.

Конструкция эластичного датчика (рис.7.8) представляет собой прямоугольную тонкую трубку, уложенную двойной спиралью, или два диска, соединенные по контуру и во множестве точек по поверхности 1.

Рис. 7.8. Эластичный датчик напряжений в грунте

Объем жидкости составляет 6-10% объема датчика, а площадь поперечного сечения по жидкости 75-80% от площади датчика. Внутренняя полость соединена со струнным измерителем давления 2. Напряжения, возникающие в грунте, создают в рабочей жидкости датчика давление, которое измеряется струнным преобразователем 4. Колебания струны создаются электромагнитом 3. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что при малой толщине диска в однородном поле напряжений погрешность измерения нормальных напряжений не превышает ±15%.

На рис. 7.9 представлена кривая 1 погрешности измерения s_д нормальных к плоскости датчика напряжений в зависимости от отношения значений главных напряжений s_r и s_z, действующих в плоскости датчика. Кривая 2 дает аналогичную зависимость для жесткого датчика при сходных режимах нагружения. Максимальная погрешность для эластичного датчика составляет 15%.

Для получения достоверных данных о напряжениях в грунтах необходимо проводить метрологические испытания датчиков напряжения на специальных испытательных установках. В этих установках воспроизводят заданные давления на рабочую поверхность датчика гидравлическим или пневматическим способом.

Чувствительность датчиков напряжения к температуре определяют в термостатах, оснащенных термометрами.

Для измерения напряжений на контакте сооружения с грунтом применяют струнные жесткие датчики (рис.7.10) с деформативностью, близкой к деформативности бетона. Давление грунта передается с контактной площадки 12 внешней мембране 10 через гидравлическую полость 11 на рабочую мембрану 8.

Рис. 7.9. Погрешность эластичного и жесткого датчиков напряжений грунта

Датчики устанавливают в жестко забетонированные в конструкцию закладные гнезда или обоймы так, чтобы рабочая поверхность датчика совпадала с поверхностью конструкции. При изучении взаимодействия монолитных фундаментов с грунтом обоймы предварительно бетонируют в небольшие блоки, которые после установки в них датчиков располагают в нужных зонах. Чтобы уменьшить влияние напряжений, возникающих в бетоне при твердении, боковую поверхность датчика защищают материалом с низким модулем упругости.

В некоторых конструкциях датчиков применяют тензорезисторные преобразователи, наклеиваемые на упругий элемент. Малогабаритные датчики с тензорезисторными преобразователями находят применение в модельных исследованиях при статических и динамических испытаниях.

Рис. 7.10. Схема датчика напряжений

Струна 7 крепится к мембране нижним струнодержателем 9 и к защитному кожуху 4 верхним струнодержателем 3. Колебания струны возбуждаются электромагнитом 5. Кожух 2 имеет заливное отверстие 1 и резьбу 6 для установки датчика в сооружение. Выходной сигнал измеряется частотомером.

Для измерения нормальных и касательных напряжений используется комбинированный датчик, схема которого при-ведена на рис.7.11. При воздействии давления грунта N по нор-мали к рабочей диафрагме 3, она деформируется и тензо-резистор TR, наклеенный в центре внутренней поверхности диафрагмы, преобразует деформацию в электрический сигнал, пропорциональный нормальному давлению грунта.

Для компенсации температурных воздействий в полости прибора на поверхность пластины 5, не подвергающуюся силовым воздействия, наклеен компенсационный тензорезистор TR_к. При появлении сдвиговых усилий Q, действующих в горизонтальном и вертикальном направлении, силы трения на поверхности диафрагмы деформируют упругий элемент 7, жестко закрепленный в корпусе прибора 1. При этом тензорезисторы TR₁ и Tr₂ воспринимают вертикальное касательное усилие, тензорезисторы TR₃ и TR₄ - горизонтальное усилие. Диск диафрагмы 4, жестко закрепленный на свободном конце 6 упругого элемента, за счет зазора 2 имеет возможность перемещаться относительно корпуса 1.

Рис. 7.11. Схема датчика для измерения нормальных и касательных напряжений в грунтах

В приборе, схема которого изображена на рис.7.12, нормальное N и поперечное Q усилия приложены к рабочей поверхности чувствительного элемента. Действие эксцентрично приложенной нормальной силы деформирует упругие элементы, на внутреннюю поверхность которых наклеены тензорезисторы ТR₁ и ТR₂. Касательные усилия вызывают изгиб упругих тонких элементов, на которых установлены тензорезисторы ТR₃ и ТR₄. Такая система позволяет определять эксцентриситет е, а также значения Р, Q_y и Q_z.

Рис. 7.12. Схема прибора для измерения нормальных и касательных напряжений в грунтах