ГОСТ Р 56353-2022. Национальный стандарт Российской Федерации. Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов

7 Метод малоамплитудных динамических испытаний в резонансной колонке

7.1 Сущность метода

7.1.1 Испытание песчаных, глинистых, органоминеральных и органических грунтов методом малоамплитудных динамических испытаний в резонансной колонке проводят для определения V_S, G и D грунта в диапазоне деформаций сдвига порядка 10^-6 - 10^-4, а также для изучения изменения этих показателей в диапазоне малых сдвиговых деформаций (не более 0,001) в целях расчета колебаний сооружений и сейсмического микрорайонирования территории.

7.1.2 Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в резонансных колонках - камерах трехосного сжатия, дающих возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения при с одновременным возбуждением в образце малоамплитудных крутильных колебаний заданного диапазона частот. Метод основан на теории распространения колебательного движения в упругом стержне, нижний торец которого закреплен и деформации сдвига на котором равны нулю.

7.1.3 Подготовленные образцы (нарушенного или ненарушенного сложения) в форме цилиндра (сплошного или трубчатого) помещают в камеру трехосного сжатия и после предварительной изотропной или анизотропной консолидации с заданным соотношением главных напряжений в массиве подвергают действию динамической нагрузки путем приложения крутильных колебаний переменной частоты к верхнему (свободному) торцу образца. В процессе колебаний грунт испытывает деформацию простого сдвига. Амплитуду деформации сдвига определяют на каждой частоте заданного диапазона, что позволяет получить амплитудный спектр реакции грунта и определить резонансную частоту образца. По первой собственной частоте образца рассчитывают V_S, а затем G.

7.1.4 Величину D грунта определяют по затуханию свободных колебаний либо по ширине резонансной кривой вблизи резонанса при вынужденных колебаниях, при этом поглощение полагают классическим по своей природе. В ходе опыта амплитуда динамической нагрузки постепенно увеличивается, что позволяет определить снижение G и рост D с увеличением достигаемой амплитуды сдвиговых деформаций.

7.1.5 Динамические испытания дисперсных грунтов методом резонансной колонки следует проводить только по консолидированно-недренированной схеме, поскольку любое изменение формы или массы образца в процессе испытания изменяет его момент инерции и искажает итоговый результат.

7.1.6 Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности. Образцы должны иметь форму цилиндра или трубки внешним диаметром не менее 50 мм и отношением высоты к диаметру от 2:1 до 2,5:1. При использовании трубчатых образцов толщина их стенки должна составлять не менее 5 мм.

7.2 Оборудование и приборы

7.2.1 Общие требования к составу, конструкции, измерительным устройствам и тарировке установок для испытания грунтов с камерами трехосного сжатия - по ГОСТ 12248.3-2020 (раздел 6). В качестве сжимающей среды в камере допускается использовать воздух, воду или иную неагрессивную к компонентам установки гидравлическую среду совместно с воздухом в верхней части в связи с присутствием внутри камеры силового привода динамического нагружения.

7.2.2 Резонансные колонки должны иметь электромагнитную или электромеханическую систему создания крутильных колебаний, привод которой находится внутри камеры трехосного сжатия, а также устройства для измерения малых угловых перемещений (поворотов) образца, в качестве которых допускается применять, например, оптоволоконные датчики или акселерометры. Система динамического нагружения установки должна обеспечивать создание и контроль заданной и частоты динамических напряжений в течение всего опыта. Система нагружения должна обеспечивать возбуждение крутильных колебаний в диапазоне от 0 до 200 Гц. Схема камеры трехосного сжатия приведена в приложении В, а принципиальная схема динамического нагружения образца при испытаниях в резонансной колонке - в приложении К.

7.2.3 Учитывая быстротечность всех процессов при динамическом нагружении грунта, резонансная колонка должна иметь в своем составе автоматическую систему регистрации данных и управления экспериментом на базе персонального компьютера или сервера.

7.3 Подготовка к испытанию

Подготовку образцов к испытанию проводят в соответствии с 6.3. При изготовлении трубчатых образцов несвязных грунтов требуется двойная форма, позволяющая вести укладку грунта в зазор между двумя растянутыми по ее поверхностям под вакуумом мембранами.

7.4 Проведение испытания

7.4.1 Водонасыщение и предварительную консолидацию образца проводят в соответствии с 6.4.1, 6.4.2.

7.4.2 Проведение динамического испытания

7.4.2.1 После завершения консолидации перекрывают дренаж и проводят испытания образца грунта с заданными параметрами динамической нагрузки, которые не связаны с ожидаемыми динамическими воздействиями на грунтовое основание и создаются для определения характеристик грунтов как среды распространения колебаний. Значение задается значением момента вращения, прикладываемого к верхнему (свободному) торцу образца. Для каждого опыта момент вращения подбирают исходя из особенностей динамической реакции и жесткости испытуемого образца. Диапазон частот колебаний, в которых ожидается резонанс, и шаг изменения частоты в ходе опыта задают подбором исходя из ожидаемой реакции грунта, и корректируют в последующих испытаниях. В ходе опыта измеряют максимальные значения угловых смещений (поворотов) на каждом шаге изменения частоты колебаний.

7.4.2.2 Начальный момент вращения следует выбирать таким образом, чтобы возникающие сдвиговые деформации были как можно меньше, но при этом позволяли уверенно зафиксировать резонансную частоту. Следует учитывать, что значение начального момента вращения зависит также от значения сжимающих напряжений. Если не задано иначе программой эксперимента, диапазон изменения частоты следует принять от 20 до 200 Гц. В последующих опытах диапазон изменения частоты может быть сужен до 20 - 30 Гц в каждую сторону от резонансной частоты. Шаг изменения частоты колебаний в опыте следует задавать не более 2 Гц. На каждой частоте выбранного диапазона проводят по 5 - 10 циклов колебаний для получения устойчивой реакции грунта. В рамках одного испытания проводят несколько последовательных этапов нагружения с постепенным увеличением момента вращения от этапа к этапу испытания в соответствии с программой испытания. Если программой не предусмотрено иное, проводят 7 - 10 этапов нагружения с последовательным увеличением момента вращения до достижения максимальной сдвиговой деформации, которая не должна превышать 0,001.

7.4.2.3 После завершения вынужденных колебаний на каждом шаге нагружения фиксируют затухание свободных колебаний образца, изменение амплитуды которых позволяет в последующем рассчитать коэффициент поглощения.

Примечание - При использовании современных автоматизированных систем управление всей процедурой испытаний проводят из меню управляющей программы, входящей в комплект поставки лабораторного оборудования.

7.4.2.4 По окончании испытания образец грунта разгружают, сбрасывают давление в камере и сливают рабочую жидкость (при ее наличии).

7.4.2.5 Образец грунта извлекают из камеры, отбирают из него пробы для контрольного определения влажности, а для образцов связных грунтов проводят также контрольные измерения размеров и взвешивание. Все результаты испытания заносят в протокол (см. приложение Б).

7.5 Обработка результатов испытаний

7.5.1 Для обработки результатов используют файлы данных, созданные программой испытаний. Расчет напряжений и деформаций следует проводить в соответствии с положениями ГОСТ 12248.3 в части обработки результатов трехосного сжатия, при этом соответствующие операции могут также проводиться системой в автоматическом режиме при формировании файлов данных.

7.5.2 Обработка данных заключается в расчете для всех шагов динамического нагружения значений относительной деформации сдвига , определении ее максимальной величины при резонансной частоте и расчете для этой частоты скорости поперечных волн V_S с последующим определением динамического модуля сдвига G и коэффициента поглощения D.

7.5.3 Значения рассчитывают по измеренным угловым смещениям как тангенс угла перекоса в точке, удаленной от центра образца на 0,707 радиуса r для сплошных образцов, и для среднего сечения для трубчатых образцов (см. приложение К) на каждом шаге изменения частоты возбуждения.

Примечание - 0,707 радиуса r представляет собой поправочный коэффициент, учитывающий неравномерное напряженное состояние сплошного образца от центра к периферии. При соответствующем обосновании допускается использовать другой поправочный коэффициент. Его значение не влияет на рассчитываемые G и D, но изменяет сдвиговую деформацию, для которой измерены их значения.

По результатам расчета строят резонансную кривую (приложение Л), с которой снимают значение резонансной частоты колебаний при .

7.5.4 Значение скорости поперечных волн V_S вычисляют по формуле

, (7.1)

где h - высота образца;

I - момент инерции образца (рассчитывается по массе и геометрическим размерам образца в соответствии с известными физическими соотношениями на момент окончания консолидации):

для сплошного цилиндрического образца массой m и радиусом r;

для трубчатого образца с внутренним радиусом r_i и внешним r₀;

I₀ - момент инерции силового привода установки (указывается изготовителем в технической документации на прибор).

Определив по формуле (7.1) значение V_S, рассчитывают динамический модуль сдвига по формуле

, (7.2)

где - плотность грунта.

Примечание - Если использующееся для испытаний оборудование позволяет создавать также и осевые динамические нагрузки, то на одном образце грунта возможно последовательно определить и динамический модуль сдвига G, и динамический модуль упругости (см. приложение Д), что позволяет получить упругие коэффициенты равномерного и неравномерного сжатия и равномерного и неравномерного сдвига для расчета колебаний фундаментов машин с динамическими нагрузками по СП 26.13330.2016 (пункты 6.1.2, 6.1.3).

7.5.5 По результатам наблюдений за затуханием свободных колебаний во времени строят график изменения во времени сдвиговых деформаций (см. приложение Л), по пиковым значениям которых строят линейную зависимость

, (7.3)

где - пиковое значение относительной деформации сдвига в первом цикле;

- логарифмический декремент затухания.

Коэффициент поглощения D рассчитывают по формуле

. (7.4)

7.5.6 Дальнейший анализ представляет собой построение и изучение зависимостей динамического модуля сдвига и коэффициента поглощения от уровня возникающих деформаций сдвига (см. приложение Л).

Примечание - Указанные в 7.5.3 - 7.5.6 расчеты могут проводиться программным обеспечением системы в автоматическом режиме при формировании файлов данных.