CC BY
9
ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ УПРУГО-ВЯЗКИХ СВОЙСТВ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Дьяконов П.Ю.
В [1] приведены экспериментальные данные убывания декремента колебаний с ростом величины гидростатического обжатия. Аналогичное явление наблюдается по высоте грунтовых плотин от гребня к основанию, в связи с этим максимальное значение коэффициента динамичности Рг- может быть уменьшено. Однако использованная для расчетов программа не позволила адекватно оценить величину возможного уменьшения Рг-.
Поэтому в [2] по тем же экспериментальным данным выполнены расчеты для песчаных плотин высотой 40,0 и 100,0 м с противофильтрационным элементом в виде центральной диафрагмы. Сейсмическое воздействие в них задавалось акселерограммами землетрясения Газли (высокочастотное, Т=0,18с) и Балканского землетрясения 1971г. (низкочастотное, Т=2,0с). Значения декремента колебаний и динамического модуля принимались переменными.
Результаты показали, что влияние изменения декремента колебаний от статического напряженного состояния на динамическую реакцию грунтовых плотин зависит так же от спектрального состава сейсмического воздействия. Учет изменения динамического модуля упругости по высоте плотины влияет на ее динамическую реакцию противоположно влиянию изменения декремента колебаний. Для конкретизации предложений по дополнению к нормам на определение сейсмической нагрузки, необходимо продолжить исследования зависимости логарифмического декремента колебаний от статического напряженного состояния для других видов грунтов, в том числе крупнообломочных.
При проектировании экспериментальной установки, для испытаний крупнообломочных грунтов, в ОАО НИИЭС проанализированы недостатки и преимущества прибора описанного в [1], а так же созданных в других организациях.
Рассматриваемая экспериментальная установка проектировалась как универсальный прибор, позволяющий исследовать упруго-вязкие и вязко-пластические свойства песков и связных грунтов при трехосном напряженном состоянии в широком диапазоне изменения параметров статического и циклического нагружения. При тарировках прибора в целом и отдельных измерительных элементов было установлено, что сложная кинематическая схема и насыщенность датчиками различной конструкции не позволяет проводить исследования в проектном диапазоне частот циклического воздействия до 200Гц без введения поправочных коэффициентов.
Нагружающая система, представляющая собой сквозные сильфоны, заполненные жидкостью и закрытые массивными крышками, обладают массами соизмеримыми, и даже превосходящими массу образца. Таким образом, пружины нельзя рассматривать как невесомые, а прибор как систему с одной степенью свободы. Определить резонанс системы с двумя и более
4/2008_М|ВЕСТНИК
степенями свободы можно только экспериментально. Вибростенд ВЭ-1/10000, создающий гармонические колебания, запитан переменным током частотой 50Гц, что приводит к «раскачке» подвижной катушки стенда на частотах колебаний кратной этой частоте.
Для снятия фазо-частотной характеристики образец заменялся пружиной, упругий модуль которой определялся статической нагрузкой-разгрузкой, и был равен 0,2МПа. Жесткость пружины на два порядка меньше упругого модуля грунта, т.е. пружина, служила только для преодоления трения при обратном ходе штока. На частотах 5, 75, 100 и 125Гц угол запаздывания был практически равен нулю, а на частотах 25, 50, 150 и 175Гц напряжения и деформации шли в противофазе.
Для построения амплитудно-частотной характеристики образец заменялся упругим элементом с длительным модулем упругости равным 30,0МПа, что примерно соответствует упругому модулю грунта. Испытания проведены на двух уровнях гидростатического обжатия 0,1 и 0,2 МПа. На определенных частотах АХЧ имела провалы, для корректировки которых необходимо вводить поправки.
Указанные особенности не позволили провести прямые исследования изменения мгновенного модуля упругости с ростом частоты гармонического воздействия, т.е. не удалось установить прямое соответствие поведение песка той или иной математической модели.
Собственная частота силоизмерительного датчика определялась расчетным путем, и составляла более 2КГц, при наивысшей гармонике вынужденных колебаний в экспериментах не более 0,2КГц, следовательно, возможность применения датчика не вызывает сомнений.
А вот АЧХ тензобалочки общих осевых деформаций, определенная с помощью виброплатформы «Дирретрон», имела пики на частотах 37 и 171Гц.
Погрешности, вносимые усиливающей и регистрирующей аппаратурой, определялась расчетным путем, не превышала 5,0%, и корректировалась в процессе проведения опытов регулировкой нулей мостов, что снижало погрешность до 1,0-1,5%.
Из изложенного видно, что усложнение механической схемы экспериментальной установки влечет за собой необходимость проведения многочисленных тарировок, введения поправок, которые резко снижают точность получаемых результатов.
Изучение влияния параметров статического нагружения на численные значения упругих динамических характеристик показало, что последние не зависят от уровня напряженного состояния, на котором они определялись, а зависят только от величины действующего гидростатического обжатия.
Во ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева под руководством д.т.н. Красникова Н.Д. выполнены экспериментальные исследования динамических деформационных свойств грунтов на различных испытательных установках и стендах, по разным методикам. Установлено, что «полученные динамические характеристики не могут быть непосредственно использованы для расчетов методами динамики сплошных сред с помощью существующих программ для ЭВМ» [3]. В качестве достаточно обоснованной рекомендуется использовать боль-
шую виброкомпрессионную установку Донецкого отделения института, оснащенную дополнительно датчиком для измерения бокового давления.
Этот прибор состоит из рабочей камеры, жестко закрепленной на вибростоле, в которой помещается грунтовый образец, с максимальным размером фракций 10 см, диаметром 1,0 м и высотой 0,7 м. На поверхность образца укладывается металлическая плита с пригрузом, датчиками ускорений и вертикальных деформаций. Для задания статической нагрузки имеется пневмогидравлическая подушка. Испытания проводятся при трех значениях частот / равных 7, 10 и 15 Гц. Динамическая нагрузка определяется как произведение массы грузов на ускорение их колебаний, а коэффициент поглощения колебаний у, по известной формуле, по разности моментов наступления максимумов ускорений колебаний грузов и поверхности образца.
По-нашему мнению, для исследования динамических свойств крупнообломочных грунтов, может использоваться экспериментальная установка ДО ВНИИГ. Однако представляется достаточно сложным определить достоверно сдвиг фаз, который желательно измерять фазометром, а частоту динамического воздействия, как показано выше, желательно иметь в пределах от долей герца. Полезно было бы определить АЧХ и ФЧХ установки и измерительно-регистрирующей аппаратуры.
В ОАО НИИЭС при создании экспериментальной установки для исследований упруго-вязких свойств крупнообломочных грунтов использовано устройство для определения максимальной плотности и коэффициента уплотнения названных грунтов [4], представляющее собой виброкомпрессионную установку диаметром 0,3м. Для создания статического нагруже-ния применены винтовые прессы и /или/ пневмогидравлическая подушка. Особенность измерительной системы прибора состоит в том, напряжения и деформации, регистрируемые при циклическом нагружении, передаются на персональный компьютер, и с помощью звуковой карты преобразовываются в сигнал для построения петель гистерезиса.
Литература
1. Дьяконов П.Ю. Определение поглощающих свойств песка для расчетов сооружений на сейсмические воздействия. Здесь же.
2. Зарецкий Ю.К., Малиновская H.A., Натариус Я.И. исследования зависимости де-кр емента колебаний в грунте от его статического напряженного состояния и влияние этого фактора на динамическую реакцию плотин из грунтовых материалов. Сейсмостойкость энергетических сооружений. Междуведомственный сборник научных трудов. Л., ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева,1990.
3. Красников Н.Д., Пышкин О.Б., Толкачев Г,С., Хорьков В.И., Эйслер Л.А., Ежова H.A. Экспериментальные исследования динамических деформационных свойств грунтов. Известия ВНИИГ им Б.Е. Веденеева: Научное обоснование и опыт строительства и эксплуатации грунтовых плотин. Т. 216. Л., Энергоатомиздат,1989.
4. Патент РФ №2002891. Госстандарт РФ. М., 1982.
Ключевые слова: циклические воздействия, грунт, крупнообломочный, землетрясения, низкие частоты, гидростатическое обжатие.
Рецензент: гл. инж ООО «МИИГ», к.т.н. Карабаев М.И.
