Обзор современных методов динамических испытаний грунтов

Все методы динамических испытаний грунтов различаются, во-первых, спосо­ бом моделирования реальной динамической нагрузки в эксперименте, во-вторых, способом измерения показателей свойств грунта и набором измеряемых показате­ лей. Основные различия методов динамических испытаний грунтов обусловлены задачами, решаемыми с их помощью в том или другом эксперименте. На первом уровне все они делятся на два класса — лабораторные и полевые. Последние далее подразделяются по способу оценки показателей свойств грунтов на две группы: прямые и косвенные (геофизические). Выделять аналогичные группы лабораторных методов не имеет практического смысла, т. к. они различаются более существенно в зависимости от объекта исследования. Поэтому целесообразно рассмотреть раз­ дельно методы, применяемые для динамических испытаний дисперсных грунтов, грунтов с жесткими структурными связями и лабораторных физических моделей оснований и инженерных сооружений (например, насыпей или плотин). Наиболее разнообразны методы лабораторных динамических испытаний дисперсных грунтов.

За рамками нашего рассмотрения остались численные методы анализа по­ ведения грунтов в условиях динамического нагружения, т. к. они не являются собственно методами испытаний грунтов, имеют дело уже не с грунтом, а с его упрощенной физико-математической моделью, и их результаты требуют, в свою очередь, экспериментальной проверки. Кроме того, из обзора автором исключены заведомо устаревшие (относительно современного уровня технологии эксперимен­ та) методы. В нем также, вероятно, нашли отражение не все из появившихся в последнее время модификаций описанных методик и устройств, поскольку спектр решаемых в этой области задач настолько широк, что часто методика эксперимента разрабатывается под определенную, весьма специфическую задачу.

При динамических испытаниях грунтов измеряются следующие основные показатели:

1)ряд динамических модулей грунта — модуль Юнга, динамический модуль сдвига, динамический модуль общей деформации и др.;

2)коэффициент Пуассона;

3)характеристики затухания и поглощения волн напряжений в грунтах;

4)характеристики разжижаемости грунтов: отношение циклических напряже­ ний, циклическая деформация и избыточное поровое давление;

5)параметры сдвиговой прочности в зависимости от: а) скорости деформи­

рования; б) скорости нагружения, в) количества циклов воздействия; г) силовых и временных параметров динамической нагрузки (амплитуды напряжений и дефор­ маций, ускорения, частоты, продолжительности);

6)параметры прочности на разрыв, срез, одноосное сжатие, изгиб и кручение

взависимости от тех же факторов (преимущественно при усталостных испытаниях грунтов с жесткими структурными связями);

7)распределение напряжений и деформаций грунта в объеме модели, общий характер и скорость ее разрушения или деформирования.

При дальнейшем анализе полученных экспериментальных данных используют­ ся как непосредственно измеренные величины, так и их различные относительные

и приведенные (нормализованные) значения — для большей наглядности рассужде' ний и для исключения эффекта хотя бы некоторых из многочисленных факторов, затрудняющих такой анализ.

Точность всех методов определяется: а) задачами исследования, б) принятым^ граничными условиями, в) адекватностью моделируемой динамической нагрузки реальному воздействию, г) технической точностью регистрирующей аппаратуры, имеющейся в распоряжении экспериментатора. В ряде случаев для успешного решения задач динамики грунтов требуется применение как полевых, так и лабора­ торных методов динамических испытаний.

Переходя теперь к систематическому изложению основных лабораторных ме­ тодов динамических испытаний грунтов, следует остановиться на одном терминоло­ гическом вопросе. Дело в том, что в зарубежной литературе наряду с обсуждавшимся выше неоднозначным понятием «динамических свойств» грунтов прочно утверди­ лись также термины «циклические испытания» и «циклическое поведение» грунтов* В связи с этим нелишне оговорить, что специального разграничения между ци­ клическими и динамическими методами испытаний автором не проводится, т. К* динамическое нагружение рассматривается как разновидность циклического, а все описанные ниже методы являются способами динамических испытаний грунтов (либо могут быть таковыми при соблюдении определенных условий, которые будут в случае необходимости оговорены).

3.1. Лабораторные методы динамических испытаний грунтов

Основным принципом лабораторных динамических испытаний является воз­ можность адекватного моделирования динамического воздействия на произвольный выделенный в массиве объем грунта с помощью лабораторной установки. Однако наиболее вероятно, что создание такого аппарата невозможно в принципе, к чему в последнее время и пришли наиболее трезво мыслящие экспериментаторы (Lee, 1976). Проблема сводится, следовательно, к формулировке наиболее важных огра­ ничений и допущений, которые служат основой для выбора наилучшего метода испытаний в конкретных условиях.

Попытки измерения динамической сдвиговой прочности грунтов предпри­ нимались, начиная с 1948 г. (Casagrande, Shannon, 1948). Наибольшая активность этих исследований наблюдается с 1966 г. — с работы Б. Сида и К. Ли (Seed, Lee, 1966) — после землетрясений 1964 г. в Ниигате (Япония) и Анкоридже (Аляска), сопровождавшихся катастрофическим разжижением пылевато-песчаных грунтов. И в дальнейшем разработка новых методов динамических испытаний грунтов была связана, прежде всего, с изучением их реакции на сейсмические толчки. Этим обу­ словлен, в частности, меньший интерес многих экспериментаторов к динамическим нагрузкам с частотами выше первых герц, не характерных для спектральных мак­ симумов сейсмических нагрузок. По очевидным причинам наиболее разнообразны и многочисленны методы динамических испытаний дисперсных грунтов. Среди их создателей следует назвать, кроме Б. Сида и А. Казагранде, имена Д. Андер­ сона, Р. Вудса, В. Дрневича, К. Ишихары, Р. Кампанеллы, Г. Кастро, Ф. Ричарта, К. Стокоу, Л. Финна и Б. Хардина.

Динамическое трехосное сжатие

Мы начинаем обзор с этого метода, поскольку на сегодняшний день он наиболее широко используется в мировой практике, и динамические стабилом^тры являются самыми распространенными устройствами для таких испытаний дис­ персных грунтов. Это не значит, что они являются наилучшими во всех случаях,

Рис. 20. а, б. Напряженное состояние в образце при трехосных динамических испытаниях (пояснения в тексте)

однако некоторым образом свидетельствует о надежности данных, доступности оборудования и удобстве проведения эксперимента.

При этих испытаниях подготовленные образцы цилиндрической формы (чаще нарушенного сложения) после изотропной (К0) или анизотропной консолидации подвергаются действию динамической нагрузки, изменяющей соотношение главных напряжений на момент окончания консолидации. В принципе, при этом образец испытывает сначала увеличение осевого напряжения на величину ± a dc/2 и одновре­ менное уменьшение бокового напряжения на ту же величину (рис. 20, а). При этом нормальные напряжения на плоскости, проходящей под 45° к оси образца, не меня­ ются, но на ней развиваются сдвигающие напряжения величиной ± a dc/2. Во вторую половину цикла направление последних меняется на обратное при неизменных нор­ мальных напряжениях на плоскостях главных касательных напряжений.

Создаваемое таким образом напряженное состояние полагается близким к то­ му, которое возникает в горизонтальном сечении элементарного объема грунта в массиве при прохождении через него упругих волн сдвига в вертикальном направлении. Для удобства проведения испытаний давление в камере обычно поддерживается постоянным, а осевое напряжение изменяется на величину ±<rdc (рис. 20,6). Это позволяет создать практически эквивалентные условия при недренированных испытаниях водонасыщенных образцов (Seed, Lee, 1966), в противном случае необходим контроль осевых и боковых напряжений.

К настоящему времени создано множество версий динамических трехосных испытаний, которые можно разделить на две подгруппы: а) испытания с контро­ лем напряжений и б) с контролем деформаций. Чаще используются установки с контролем напряжений, задаваемых и поддерживаемых на определенном уров­ не (или изменяемых по заданной программе) в течение эксперимента, а поровое давление и осевая деформация образца измеряются как функции числа циклов нагружения. Эти аппараты могут иметь гидравлическую, пневматическую, электрогидравлическую или пневмогидравлическую системы нагружения.

Рис. 21. Динамический трехосный аппарат маятникового типа (по A. Casagrande, W.L. Shannon, 19486)

Первые опубликованные исследования по динамическому нагружению грун­ тов, выполненные в рамках проекта Панамского канала А. Казагранде и У. Шенно­ ном (Casagrande, Shannon, 1948аб; 1949) в Гарвардском университете и посвященные оценке устойчивости грунтов под действием кратковременных нагрузок при взрывах бомб, проводились в динамическом приборе трехосного нагружения маятникового типа (рис. 21). Энергия маятника, отведенного на фиксированное расстояние, пе­ редается через пружину на поршень нижнего гидроцилиндра, который, в свою оче­ редь, гидравлически соединен с верхним цилиндром, создающим осевую нагрузку на образец. Продолжительность действия такой нагрузки пропорциональна корню квадратному из веса маятника, обратно пропорциональна корню квадратному из по­ стоянной пружины и составляла для данной установки от 0,01 до 0,05 с, что, по мне­ нию авторов, было оптимальным для поставленной задачи. Кроме того, максималь­ ная сила воздействия прямо пропорциональна начальному расстоянию до отведен­ ного маятника, корню квадратному из постоянной пружины или из веса маятника.

Среди наиболее современных динамических стабилометров с силовым приво­ дом гидравлического типа можно привести установку, изготовленную в университете Ноттингема (Великобритания) (рис. 22). Аппарат (описан в работе Raybould, 1991) предназначен для испытаний образцов нарушенного сложения диаметром 76 мм и высотой до 152 мм. Микродатчики порового давления в данной конструкции закладываются в центральную часть образца при его подготовке. Гидравлическая силовая система имеет два линейных преобразователя, контролирующих и изменяю­ щих в заданном временном режиме как боковое напряжение, так и девиатор. Для из­ мерения осевых и радиальных деформаций используются индуктивные преобразова­ тели типа LVDT (Linear Variable Differential Transformer), чрезвычайно удобные и на­ дежные в обращении, имеющие, так же, как и измерители напряжений, обратную связь с системой нагружения, что и обеспечивает автоматизированный режим рабо­ ты всей установки. Система сбора и обработки данных снабжена фильтрами низком частоты, вырезающими шумовые помехи и сглаживающими полезный сигнал.

Рис. 22. Динамический стабилометр гидравлического действия Ноттингемского университета (по М. Raybold, 1991)

Пневматические трехосные аппараты более просты и удобны в управлении, однако способны передавать существенно меньшие осевые нагрузки, а также весьма низкие (обычно не более 1 Гц) частоты воздействия, что связано со значительной сжимаемостью воздуха, и при попытках генерировать более высокие частоты нагру­ жения происходит искажение задаваемой формы волны (обычно гармонической) и механической реакции электропневматического преобразователя. Тем не менее, они получили едва ли не наибольшее распространение, поскольку, как уже отмеча­ лось выше, большинство таких исследований посвящено сейсмическим нагрузкам на грунты. Схема первого динамического стабилометра пневматического действия, который использовали (Seed, Fead, 1959), приведена на рис. 23.

Одним из основных узлов более современных конструкций (Campanella, Vaid, 1972; Motherwell, Wright, 1978 и др.) является пневмоцилиндр с поршнем, скользя­ щим в нем почти с нулевым трением. Давление воздуха в камерах по обе стороны поршня и характер его изменения задается электропневматическим преобразова­ телем, а управляющий сигнал на последний подается компьютером по заданной программе.

Динамические трехосные испытания с контролем деформаций позволяют определять также коэффициент затухания грунта, модуль Юнга и модуль общей деформации. Общий ход эксперимента при этом остается практически таким же, однако нагружение и разгрузка грунта в каждом цикле воздействия осуществляется до достижения заданной деформации сжатия или растяжения, и регистрируется изменение напряжений, необходимых для достижения данного уровня деформации, обычно уменьшающихся в связи с деградацией прочности грунта от цикла к ци­ клу. Модули деформации рассчитываются по отношению приложенного осевого напряжения и достигнутой при этом осевой деформации образца.

Среди основных особенностей динамических трехосных испытаний, ограни­ чивающих применение этого метода, следует назвать (Woods, 1978):

1) сложности с измерением сдвиговых деформаций менее 0,01%, хотя в по­ следнее время (с развитием технологии эксперимента) эта проблема может быть успешно решена (Ladd, Dutko, 1985);

2) резко различное поведение грунта в фазах растяжения и сжатия каждого цикла нагружения (растягивающие усилия при инверсии знака осевого напряжения

Рис. 23. Первая трехосная динамическая установка пневматического действия (по Н. В. Seed, J.W.N.Fead, 1959):

1 — противовес; 2 — мессура; 3 — динамометр; 4 — камера гидростатического сжатия; 5 — образец в резиновой оболочке; 6 — счетчик циклов нагружения; 7 — пневмоцилиндр; 8 — поршень; 9 — загрузочные «качели»; 10 — кран воздуховыпуска

в течение цикла прикладываются к мембране, а в расчеты вводятся соответствующие поправки, зависящие от модуля упругости резины), вследствие чего формируется несимметричная петля гистерезиса в опытах с контролем деформаций или появля­ ется тенденция к образованию шейки на образце в опытах с контролем напряжений;

3)перераспределение пористости в объеме образца во время динамических испытаний, что, впрочем, характерно и для других типов динамических испытаний дилатантных грунтов (Castro, Poulos, 1977);

4)концентрацию напряжений на торцах образца;

5)изменение направления наибольшего главного напряжения на 90° в ходе эксперимента.

На величину прочности грунта в трехосных динамических испытаниях в разной степени также влияет и целый ряд факторов, связанных с особенностями процедуры подготовки и проведения эксперимента (Townsend, 1978). Рассмотрим их вкратце.

1.Методика подготовки образцов. Для подготовки образцов песков в настоя­ щее время с разной частотой применяется И способов. Наиболее распространен­ ными являются влажное трамбование, виброукладка разной частоты и направления (в сухом или влажном состоянии), сухое «дождевание» и осаждение в столбе воды (для изготовления водонасыщенных образцов). Оказалось (Mulilis et al., 1977), что различия величины динамических сдвиговых напряжений, вызывающих «начальное разжижение» образцов одного и того же песка с одной относительной плотностью 50%, но приготовленных разными способами, могут достигать 110%. Наиболее сла­ бые образцы получаются при сухом дождевании, а наиболее прочные — при влаж­ ной виброукладке. Это свидетельствует о формировании образцов с существенными структурно-текстурными различиями, влияющими на их динамическую прочность (Mitchell et al., 1977).

2.Нарушение природного сложения грунта — имеются в виду подчас весьма заметные различия в прочности грунта ненарушенного сложения и образца, искус­ ственно приготовленного для эксперимента из того же грунта, с той же плотностью

ивлажностью. Этот недостаток относительно легко преодолим для связных грун­ тов, что же касается песчаных грунтов, особенно неоднородного сложения, точно воспроизвести которое в лабораторных условиях представляется невозможным, то выходом часто является замораживание образцов ненарушенного сложения. Пока­ зано (Walberg, 1977), что оно оказывает незначительное влияние на динамическую прочность чистых легко фильтрующих песков.

3.Всестороннее сжимающее напряжение (<7з). Известно (Seed, Lee, 1966), что количество циклов нагружения, необходимое для разжижения песка, увеличивается с ростом сжимающего напряжения. Для практических целей и в небольших диа­ пазонах давления зависимость динамической прочности от эффективного значения

аз может приниматься прямой (Lee, Focht, 1975).

4.Форма волны нагружения. Во многих работах (Lee, Fitton, 1968; Seed, Chan, 1964; Thiers, 1965; Mulilis et al., 1978) показано, что прочность разных дис­ персных грунтов — от песков до чувствительных глин — существенно варьируется при трехосном динамическом сжатии в зависимости от использующейся фор­ мы волны нагружения. Среди наиболее широко применяющихся в лабораторном эксперименте видов регулярной динамической нагрузки максимальная прочность наблюдается для синусоидального воздействия, минимальная — для прямоуголь­ ной волны нагружения и промежуточные значения получены для треугольной. Определяющее влияние оказывает, по-видимому, продолжительность действия мак­ симальных напряжений в течение цикла (наибольшая для прямоугольной формы волны нагружения), а также скорость изменения нагрузки. Вместе с тем, боль­ шинство реальных динамических нагрузок являются нерегулярными, в связи с чем встает проблема их моделирования в лабораторном эксперименте. Она может ре­ шаться либо путем генерирования воздействия с близким энергетическим спектром (Amini et al., 1988), либо используя метод так называемой передаточной функ­ ции (Amini, 1990), либо же применением регулярной нагрузки, эквивалентной ей

всиловом отношении (Ishihara, Yasuda, 1972; Annaki, Lee, 1976).

5.Частота нагружения является, вообще говоря, одним из факторов, суще­ ственно влияющих на поведение грунтов при динамических нагрузках. Поэтому обсуждать ее в данном контексте автора заставляет желание оговорить два момента. Во-первых, данные о влиянии частоты воздействия на динамическую прочность грунтов, приводимые разными авторами, часто являются взаимоисключающими,

что, вероятнее всего, связано с методическими особенностями эксперимента, а таК' же с недоучетом других эффектов — чаще всего, формы волны нагружения и частичной диссипации напряжений при малых частотах воздействия. Во-втО" рых, большинством исследователей принимается, что влияние частоты нагруже" ния на динамическую прочность несвязных грунтов незначительно (менее 10%) (Townsend, 1978). И с этим можно согласиться применительно к обсуждаемому способу испытаний, за исключением случая дренированных экспериментов с водонасыщенными песками, когда эффекты частичного или полного рассеяния порового давления в зависимости от длительности цикла (а значит — и частоты) могут иметь определяющее значение.

6. Размер образцов — не столько их объем (в разумных для лабораторного оборудования пределах), сколько соотношение вьюоты и диаметра (в соответствии с принципом Сен-Венана). Детали вопроса применительно к трехосным динамиче­ ским испытаниям рассматриваются в работах (Lee, Fitton, 1969; Wang, 1972).

7. «История» нагружения грунта. Имеются в виду прежде всего эффекты предварительного деформирования грунта. Известно (Finn et al., 1970; Ishihara, Okada, 1978; Kvasnicka, Szavits-Nossan и др., 1982), что небольшие сдвиговые де­ формации, испытанные песком в недренированных испытаниях при ограниченном числе циклов нагружения (менее 0,5% в 15 циклах), повышают его устойчивость к разжижению при большей нагрузке, и наоборот, значительные предварительные деформации сдвига (более 7,5%) делают грунт чрезвычайно неустойчивым. Эти эффекты связаны с разным характером переупаковки зерен в дилатантной систе­ ме и требуют особого внимания к процедуре подготовки эксперимента, а также при сравнении результатов испытаний образцов при разной программе опытов.

8. Степень переуплотнения (OCR). Чем выше величина OCR, тем больше при прочих равных условиях динамическая прочность грунта, что вполне понятно, так как с ростом OCR увеличивается суммарная площадь контактов между частица­ ми грунта, причем эта зависимость выражена более отчетливо для более дисперсных разностей (Ishihara et al., 1978).

9. Соотношение главных напряжений при консолидации (Кс = crj/cr^). Этот во­ прос встает в связи с тем, что в ряде случаев требуется проводить динамические ис­ пытания анизотропно-консолидированных образцов. Консолидация их при К с > 1,0 приводит к определенному сдвиговому деформированию грунта и, как мы рассма­ тривали выше, — к повышению динамической прочности с ростом этого показателя. Правда, в большинстве практических ситуаций К с ^ 2. Очевидно, что его дальней­ шее увеличение должно вызывать обратный эффект — из-за развития более значи­ тельных предварительных деформаций сдвига. Многими исследованиями показано также, что инверсия напряжений — появление осевого растягивающего напряжения в течение цикла динамического нагружения — заметно снижает сопротивляемость анизотропно-консолидированного грунта разжижению. Для случая инверсии на­ пряжений в фазе растяжения величина девиатора (adc) должна отвечать условию

где а\с — эффективное гидростатическое напряжение при консолидации.

Строго говоря, при сопоставлении результатов динамических трехосных ис­ пытаний должны приниматься во внимание все эти факторы.

Динамические испытания по схеме простого сдвига

Общепризнано, что динамические испытания по схеме простого сдвига наи­ более адекватно моделируют условия нагружения элементарного объема грунта в массиве под действием идеального сейсмического воздействия. Концепция этих

Армированная мембрана или набор колец

в разрезе

а

Рис. 24. Схема экспериментальной обоймы приборов простого сдвига:

а — Норвежского геотехнического института; б — Кембриджского университета

испытаний и аппаратура для ее реализации появились уже в начале 1950-х гг. Одно из первых устройств такого типа было разработано в Шведском геотехничес­

Landva, 1966). Эта установка, напротив, имеет относительно гибкую обойму — ци­ линдрический образец помещается в резиновой мембране, армированной обмоткой из металлического провода (рис. 24, б). Основным требованием к аппарату при его разработке была возможность равномерного деформирования образца в условиях плоских деформаций, и предназначался он для динамических испытаний образцов «быстрых» глин ненарушенного сложения. Распределение напряжений на грани­ цах образца в приборе Кембриджского типа не является равномерным, поэтому маловероятно и равномерное деформирование грунта (Wood, 1982). В последую­ щем радиографические исследования показали (Wood, Budhu, 1980), что вполне возможно также возникновение заметных вариаций плотности песчаных образцов в ходе эксперимента и появление зон предпочтительной дилатансии. Проведенный анализ (Lucks et al., 1972) показывает, что 70% всего* объема образца в прибо­ ре типа NGI находится в условиях весьма однородного напряженного состояния. Однако Д. Райт с соавторами (Wrigt, Gilbert, Saada, 1978) на основании своих те­ оретических выкладок и результатов моделирования эксперимента на фотоупругих материалах утверждают, что сдвиговое напряжение в сечении образца по плос­ кости X Y , представляющее наибольший интерес при данной схеме испытаний, варьируется настолько существенно в приборах обоих типов, что пренебрегать этим просто некорректно, несмотря на принятое при этом допущение о ли­ нейно-упругом поведении материала. Так, оно минимально в центральной части сечения и увеличивается на 20-45% от среднего значения в направлении дей­ ствия нагрузки и до 47% — в поперечном направлении. Само распределение напряжений в двух разных конструкциях также несколько различается (рис. 26). Более того, неоднородность распределения напряжений возрастает с увеличени­ ем деформации. Это вызывает разрушение образцов при меньших напряжениях, чем в природном массиве (Seed, Peacock, 1971). А. Казагранде (Casagrande, 1976)

XJ X

X

Рис. 26. Распределение напряжений в поперечном сечении образца в приборах простого сдвига:

1 для плоской модели; 2 — для квадратного образца; 3 — для круглого образца (по К. Wright et al., 1978)

и остаются весьма полезным и информативным методом исследований грунтов. Более того, проф. Л. Финн с коллегами (Finn et al., 1971) показали, что при тща­ тельном учете всех факторов динамические испытания в условиях простого сдвига дают очень хорошую корреляцию с результатами трехосных экспериментов. Они также сопоставимы и с данными опытов на вибростолах (DeAlba, Seed, Chan, 1976).

Среди более поздних разработок наиболее интересны следующие.

1.Прибор динамического простого сдвига с постоянным объемом образца, разработанный в Университете Британской Колумбии, Канада (Finn, Vaid, 1977; Finn, 1985), имеющий обойму с жесткими стенками и предназначенный для дрени­ рованных испытаний песков. В этой установке штамп, передающий вертикальную нагрузку, жестко фиксируется после достижения ею заданной величины. Тогда тен­ денция песка к уплотнению при сдвиге вызывает снижение вертикального давления на величину, эквивалентную приросту порового давления в аналогичных, но недренированных испытаниях. Результаты экспериментов на этой установке говорят

отом, что испытания на других приборах простого сдвига должны давать несколько завышенную устойчивость грунта к разжижению из-за податливости системы.

2.Двухосный прибор простого динамического сдвига, изготовленный в уни­ верситете Беркли, Калифорния, США (Boulanger et al., 1993). Он позволяет одно­ временно передавать на короткий цилиндрический образец (как в приборах типа NGI) сдвигающие усилия независимо в двух взаимно перпендикулярных гори­ зонтальных направлениях, что заметно расширяет возможности экспериментатора

Привод

осевого

нагружения

41 см

Рис. 28. Схематический разрез динамического двухосного прибора простого сдвига с камерой

вмоделировании сложных динамических нагрузок. Это достигается за счет того, что образец устанавливается на двух платформах с роликами, поставленных одна на другую, которые могут кататься во взаимно ортогональных направлениях. Качка верхней части образца вместе со штампом для вертикального нагружения исключена

ився система обладает очень низкой податливостью. Сам образец, кроме того, рас­ полагается в камере (рис. 28) в условиях всестороннего гидростатического сжатия.

3.Установка разнонаправленного простого динамического сдвига (Ishihara Nagase, 1985), предназначенная для моделирования нерегулярных динамических на­ грузок, близких к реальным сейсмическим. Направление сдвигающих напряжений

вгоризонтальном сечении образца может заданным образом меняться в ходе экспе­ римента. Поскольку моделируются главным образом низкочастотные сейсмические воздействия, применена пневматическая система нагружения.

Малоамппитудные динамические испытания на резонансных колонках

Резонансные колонки предназначены для определения динамических модулей (сдвига и Юнга) и коэффициента вязкого затухания в диапазоне малых и очень малых амплитуд сдвига порядка 0,001- 0,1 см, соответствующих упругому и отчасти упругопластическому деформированию грунта. Метод основан на теории распро­ странения упругих волн сдвига или сжатия в стержне. Образец цилиндрической формы, помещенный в камеру трехосного сжатия, подвергается продольным (вер­ тикальным) или крутильным колебаниям с изменяющейся частотой до достижения резонанса при заданном значении сжимающих напряжений. Исходя из значения собственной частоты колебаний образца (известных размеров и массы), можно рассчитать скорость поперечных волн, а затем — динамические модули. Затухание оценивается либо по снижению амплитуды свободных колебаний во времени после достижения резонанса, либо по величине резонансного усиления вынужденных колебаний.

Способ резонансной колонки был впервые использован для испытаний грун­ тов японскими инженерами М. Ишимото и К. Иида еще в конце 30-х гг. (Ishimoto,

и сформулированы основные расчетные зависимости (Hardin, Richart, 1963; Hall, Richart, 1963; Hardin, Music, 1965; и др.). Метод является достаточно распространен­ ным и даже стандартизован Американским Обществом Испытаний и Материалов (ASTM Standard D 4515-87).

В настоящее время существует более десяти различных типов резонансных ко­ лонок. Они различаются по величине деформаций образца, условиям его закрепле­ ния, частотному диапазону, форме волны нагружения и конструктивному решению. Первые версии установок допускали испытания в условиях только изотропного (ги­ дростатического) всестороннего сжатия. Колонка, пригодная для изучения влияния анизотропного распределения сжимающих напряжений на динамические модули и коэффициент затухания грунтов, была предложена в 1965 г. (Hardin, Music, 1965). В этой модели основание образца закрепляется жестко, а верхняя насадка, переда­ ющая ему переменный крутящий момент, подпружинена, что противодействует ее инерции.

Сдвиговые деформации в поперечном разрезе резонансной колонки кру­ тильного действия изменяются от нуля в центре до максимального значения у наружного края образца. Для изучения влияния амплитуды деформации на из­ меряемые характеристики грунта В. Дрневич (Drnevich, 1967, 1972) разработал резонансную колонку для испытаний образцов в форме кольца (пустотелого ци­ линдра), схема которого приведена на рис. 29. Преимуществом этого аппарата

под давлением. Этот растворенный воздух может проникать через мембрану, образуя пузырьки, выходящие затем через систе­ му контроля объема образца, что приводит к заметным погрешностям измерения его деформаций даже при достаточно кратковременных экспериментах, и было отмечено разными исследователями (Pollard et al., 1977; и др.).

Для того, чтобы избавиться от этих сложностей, М. Новак и Т. Ким (Novak, Kim, 1981) предложили модифицировать установку Дрневича так, как изображе­ но на рис. 30. Образец помещается в небольшой раздвижной (телескопической) камере, заполненной ртутью и лишь немного поверх ее — водой. Эта дополни­ тельная камера располагается внутри основной, заполнявшейся сжатым воздухом из пневмосистемы статического нагружения. Насадка и пьедестал образца в этом случае никелировались для предохранения от агрессивного действия ртути. Возду> не растворяется во ртути даже при высоком давлении. Однако в режиме продольны> колебаний возникают заметные инерционные силы тяжелой ртути, что оказывает определенное влияние на получаемые результаты. Чтобы избежать этого, можнс

Рис. 30. Схема модифицированной резонансной колонки М. Новака (по М. Novak, Т. Kim, 1981):

1 — наружная камера; 2 — внутренняя телескопическая камера; 3 — мембрана; 4 — штамп

проводить предварительную консолидацию образца в окружении ртути, а перед собственно динамическим испытанием заменять ее водой (Novak, Kim, 1981). Ис­ пользование ртути имеет очевидное неудобство, но проф. М. Новак (1993) считал, что если существует возможность диффузии воздуха через мембрану в образец, то высокоточные измерения динамических характеристик грунта таким методом невозможны, и сами испытания теряют всякий смысл.

В большинстве существующих резонансных колонок используется гармониче­ ское возбуждение. Однако существуют и модели, позволяющие передавать также нерегулярное динамическое воздействие на грунт. Принципиальная схема одной из них представлена на рис. 31. Авторы (Yong, Akiyoshi, Japp, 1977) использовали генератор белого шума для возбуждения колебаний образца и спектральное раз­ ложение Фурье для анализа его реакции. Нерегулярное динамическое нагружение в приборах такого типа использовали и другие исследовательские группы (Al-Sanad, Aggour, 1984), в том числе и при испытаниях крупногабаритных образцов (диаметр 51,2 мм, высота 10,24 мм) гравийных (Woods, 1991) и скальных (диаметр 101мм, высота 200-400 мм) (Prange, 1981) грунтов. Импульсное динамическое воздействие применяли (Tawfiq et al., 1988) для сравнения с результатами синусоидального нагружения.

Специальная модификация резонансной колонки была предложена (Lord, Curran, Коегпег, 1976) для измерения затухания в грунте в зависимости от частоты

колонки с нерегулярным динамическим

воздействия. Схема установки предста­ влена на рис. 32. В подготовленный образец на разной высоте закладыва­ лись два отрезка магнитомягкого про­ вода. При продольных короткоимпульс­ ных разной частоты колебаниях образца они играли роль сердечника, вызывая изменения э. д. с. в обмотке электро­ магнита, охватывавшего образец полу­ кольцом. Проводя измерения последо­ вательно у разных отрезков при извест­ ном расстоянии d между ними, можно оценить коэффициент затухания грун­ та для продольных волн. Аналогичный принцип использовался и в режиме кру­ тильных колебаний для волн сдвига.

В 1985 г. В. Дрневич представил обобщение достижений в этом виде испытаний и анализе их результатов (Dmevich, 1985). Среди новых наибо­ лее интересных работ в этом направле­ нии — описание нелинейных эффектов поведения грунта в резонансных ко­

лонках (Bianchini, 1985), исследования очень плотных несвязных грунтов (Cuellar, Navarro, 1991), карбонатных песков (Du et al., 1991) и зол уноса (Yu, Qin, 1991),

атакже сравнительный анализ данных, получаемых методом резонансной колонки,

ирезультатов других динамических испытаний (Coop et al., 1991).

1972), который представлял собой соответствующим образом модифицирован­ ную трехосную динамическую установку. Однако более удачным решением следует признать способ испытаний кольцевых образцов. В этом случае распределение деформаций в любом поперечном сечении кольца грунта является существенно более однородным по сравнению со сплошным цилиндром, где деформации сдвига возрастают от нуля в центре образца до максимального значения на его боковой поверхности. Схема действующих напряжений для образца в форме кольца пред­ ставлена на рис. 33. Варианты приборов такой конфигурации были разработаны

Рис. 34. Принципиальная схема комби­ нированного аппарата для разноампли­ тудных испытаний грунтов в режиме крутильных колебаний (по R. D. Woods, 1991):

1 — пружина; 2 — электродвигатель;

3 — электромеханический преобразова­ тель колебаний Хардина; 4 — датчики угла поворота; 5 — внешняя гидростати­ ческая камера; 6 — образец; 7 — датчик осевой нагрузки; 8 — датчик окружного напряжения; 9 — счетчик периода; 10 — генератор колебаний; 11 — вольтметр; 12 — осциллограф; 13 — микрокомпью­ тер; 14 — адаптер

А. Казагранде, описанный выше (рис. 21) и предназначенный именно для иссле­ дования эффектов от взрывов бомб на борта Панамского канала. Методический подход к лабораторному исследованию этих вопросов с тех пор существенно не из­ менился, и современные приборы для ударных испытаний грунтов принципиально отличаются лишь способом генерирования в образце волн напряжений (чаще — волн сжатия). Изучается же по большей части сжимаемость грунтов в условиях

от взрывных волн, во-первых, существенно более низкой интенсивностью и ра­ диусом распространения, во-вторых, периодичностью и большей длительностью действия. Динамические нагрузки такого вида следует называть виброударными. Ис­ пытания грунтов при виброударном режиме нагружения можно проводить на вибро­ стендах электромеханического действия — форма волны при этом задается соответ­ ствующей формой эксцентрика (Вознесенский, 1985). При амплитуде 0,25-0,50 мм и частотах до 20 Гц такая нагрузка характеризуется скачком амплитудных значений виброускорения в 2-3 десятка g и приводит к большему разупрочнению или бы­ строму разжижению грунтов, а также часто вызывает их заметное динамическое уплотнение без дополнительной пригрузки (Вознесенский, 1985; Вознесенский, Вердина, 1993).

Лабораторные акустические методы

Акустические методы основаны на расчете ряда динамических характеристик грунта по измеренным значениям скоростей распространения в образце ультра­ звуковых волн и их амплитуд. Скорость рассчитывается по измеренным значе­ ниям времени прохождения волны данного типа через образец известной длины. Для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний используются кристалли­ ческие вещества, обладающие выраженным пьезоэлектрическим эффектом, как природные (кварц), так и синтетические (пьезокерамика). Наибольшее распростра­ нение для изготовления пьезоэлектрических датчиков в последнее время получили керамические материалы на основе титаната бария, титанат-хромата свинца и др. Излучение упругих волн ведется импульсами и обычно в резонансном для данно­ го преобразователя режиме, что позволяет увеличить интенсивность воздействия. В принципе, при ультразвуковом воздействии на образец в нем возникают волны трех типов — продольные, поперечные и Рэлеевские, момент прихода которых мо­ жет быть идентифицирован на волновой картине на экране осциллографа. Исходя из основных уравнений теории упругости, можно определить следующие динами­ ческие характеристики грунта как среды распространения упругих колебаний:

Е = , ( \ + М \ - 2 у )

Коэффициент Пуассона

Логарифмический декремент затухания (где AQ — начальная амплитуда волны, Ап — амплитуда в n -м цикле)

Основной отличительной особенностью акустических испытаний грунтов, ко­ торая, в зависимости от задач исследования, может рассматриваться и как их достоинство, и как недостаток, является нагружение образцов в упругой области. Максимально достижимый уровень амплитуд деформаций грунта не превышает 10_4%. Это несколько ограничивает применимость метода, поскольку получаемые показатели не могут характеризовать поведение грунта при интенсивных динамиче­ ских нагрузках — за пределом упругости. Однако во многих случаях используемая для расчета фундаментов модель поведения грунтового основания может описы­ ваться именно их упругими модулями. Кроме того, именно благодаря столь незна­ чительным деформациям, не вызывающим изменения структуры и свойств объекта исследований, ультразвуковые методы являются нераЗрушающими испытаниями даже для слабых и динамически неустойчивых грунтов.

Сам эксперимент весьма прост, удобен и не занимает много времени. Однако существуют свои сложности при подготовке образцов, подборе датчиков и ин­ терпретации результатов. На этих этапах исследования есть смысл остановиться подробнее.

1. Подготовка образцов: их размер, крепление пьезопреобразователей, сопря жение с поверхностью образца. Известно, что во избежание различных краевых эффектов (наложение прямых и отраженных волн, возбуждение изгибных и соб­ ственных продольных колебаний образца и т. д.) размеры образца — длина (I)

и диаметр (d) — не могут быть меньше некоторых критических при данной рабочей частоте генератора, характеризуемой длиной волны (Л) в исследуемом материале. Так, для продольных волн (Меркулова, 1967):

Наши экспериментальные исследования с использованием пьезопреобразова­ телей с разной рабочей частотой — от 25 кГц до 1МГц на образцах скальных пород и металлов разного размера показали наличие дисперсии скорости продольных волн. Получены следующие эффекты, обусловленные влиянием геометрии и свободными границами образцов.

а) Тенденция повышения скорости ультразвука с увеличением длины базы прозвучивания (т. е. высоты образца) при постоянной частоте, что, естественно, выражено более отчетливо на наиболее низких частотах — до 100 кГц. Причина — определенное соотношение длины волны с базой прозвучивания: при этих частотах длина волны (4-12 см) превосходит не только диаметр образца, но и базу прозвучи­ вания (см. также условия (27) и (28)). В этих условиях весь образец как единое тело вовлекается в продольные колебания, что «оттягивает» значительную часть аку­ стической энергии на другую моду колебаний, увеличивает затухание и, повышая относительный уровень волн-помех, вносит большие погрешности в определение истинных скоростей упругих волн.

б) Общее увеличение скорости продольных ультразвуковых волн с частотой и ее стабилизация за уровнем 0,6 МГц. Этот асимптотический рост скорости с часто­ той вызван не только эффектами, описанными выше для образцов разной высоты, но и повышением упругости материала при снижении амплитуды деформирования.

в) Аномальный всплеск скорости (на 150-200 м/с для продольных волн), когда длина распространяющейся продольной волны приближается к высоте образца (Ар « Я). В соответствии с современными представлениями акустики этот эффект, вероятнее всего, связан с образованием волн других типов — поверхностных и изгибных волн в стержне, а также их взаимным наложением с образованием интерференционной волны произвольного вида, для которой понятие групповой скорости часто теряет смысл. Всплеск скорости, вызванный таким искажением

которое с помощью тяг 3 с ограничителями 4 зажимается между торцевыми фланцами 2, имеющими конические отверстия 6 для излучающего 9 и приемно­ го 9а пьезопреобразователей. Внутри корпуса находится дополнительная емкость 5, выполненная из пенопласта — акустического изолятора, в которую помещается исследуемый образец. Между фланцами и алюминиевыми муфтами 11, в которых жестко закрепляются преобразователи, установлены дополнительные поглощающие прокладки 7 и 10 из мягкой резины. Акустический контакт между датчиками и тор­ цами образца обеспечивается полиуретановой пленкой 12. Рабочие поверхности преобразователей конструктивно изолированы от их корпусов.

2. Подбор подходящих для эксперимента датчиков должен основываться на ряде требований (Stephenson, 1978).

а) Полярность пьезоактивного элемента. Обычно при работе с грунтами, особенно дисперсными, используются элементы в виде диска, изменяющие свою толщину под действием переменного тока — т. е. генераторы продольных колебаний. Во-первых, они имеют большую мощность, во-вторых, легче достигается надежный акустический контакт с образцом, в-третьих, продольные колебания меньше под­ вержены рассеянию на неоднородностях среды, и наконец, при этом генерируются также и волны сдвига. Излучатели сдвиговых колебаний применяются реже.

б) Материал пьезопреобразователя — он должен удовлетворять трем основ­ ным требованиям: доступность, низкий коэффициент Пуассона (меньше интенсив­ ность неосновных мод колебаний) и возможно более короткий период возбужде­ ния (продолжительность колебаний), что позволяет получать короткие импульсы. В промышленно изготовленных пьезопреобразователях обычно используется син­ тетическая пьезокерамика.

в) Размер кристаллического пьезоэлемента. Для сведения к минимуму интен­ сивности возникающих помех (вторичных волн за счет генерации неосновных мод колебаний преобразователя) длина возбуждаемой волны должна быть существенно

в образце так же, как и в «бесконечной» среде, длина генерируемой волны должна быть много меньше минимального размера образца в направлении, перпендикуляр­ ном ее распространению:

(для цилиндрического образца это условие эквивалентно (26)). Условие (28) по­ зволяет определить минимальную рабочую частоту f min преобразователя по макси­ мальной длине волны, удовлетворяющей ему:

где V — скорость ультразвуковых волн данного типа в образце.

Необходимо также учитывать, что рассеяние ультразвука резко усиливается при близости длины волны к размеру частиц грунта. Поэтому, чтобы ослабить этот неблагоприятный эффект, длина волны излучения должна быть намного больше максимального диаметра частиц грунта dmax, т. е.:

Условие (30) считается также необходимым для того, чтобы результаты акустических испытаний могли быть перенесены на случай распространения низкочастотных сейсмических волн в «открытом поле» (Красников, 1970). А поскольку рабочая частота пьезопреобразователей продольного типа определяется толщиной кристалла, то условия (29) и (30) также контролируют возможные размеры пьезоэлементов.

3. Интерпретация результатов заключается, в основном, в возможно боле точной идентификации моментов прихода к приемнику волн разных типов. Как правило, на осциллограмме видны все" типы волн — продольные, поперечные и Рэлеевские. Первой приходит волна сжатия, и ее первое вступление хорошо видно на экране осциллографа. Существуют электронно-акустические приборы, которые выдают время первого вступления сразу в цифровой форме на электронном индикаторе. Точность определения этого момента зависит от того порогового сигнала, который данное устройство уже отличает от «шума». Поэтому чем круче фронт вступления волны, тем меньше ошибка его определения. Но для грунтов с высоким поглощением этот фронт как раз имеет выраженный наклон. Поэтому использование таких приборов для дисперсных грунтов не является оптимальным вариантом. Определение первого вступления поперечных волн осложнено, вопервых, их низкой интенсивностью, во-вторых, наложением Рэлеевской волны, имеющей близкую скорость. Саму Рэлеевскую волну проще узнать по большой амплитуде и длинному периоду. Однако и ее форма может искажаться наложением отраженных и преломленных продольных волн.

Особую методическую сложность представляет оценка затухания волн в грунте. Пришедшая к приемнику Р'-волна с амплитудой А\ отразится от поверхности раздела образец/датчик, вернется к излучателю, отразится от его поверхности и снова придет к приемнику, имея амплитуду А2. Измерив эти амплитуды, можно теоретически оценить затухание ультразвука на единицу пути волны. Однако опыт показывает, что чрезвычайно сложно измерить амплитуду этой дважды отраженной P-волны, которая должна прийти через время примерно втрое большее времени ее первого вступления. Эта волна оказывается практически неразличимой на фоне R-волн, имеющих большие амплитуды (Stephenson, 1978).

Акустические испытания являются также косвенным методом определения целого ряда физических и физико-механических характеристик грунтов (плотно­ сти, пористости, влажности, прочности) на основе корреляционных зависимостей с высокой теснотой связи. Правда, во многих случаях такая корреляция правомерна

на рис. 44 приведена корреляционная зависимость между недренированной прочно­ стью (ти, МПа, определялась методом лопастного среза) и скоростью продольных ультразвуковых волн (Ур, м/с) для четвертичных глинистых грунтов озерно-аллю­ виального и аллювиального генезиса, распространенных на территории Среднего Приобья (Западная Сибирь). Влажность образцов 28-42%. Обращает внимание, что в некоторых случаях зафиксированы скорости продольных волн, меньшие ее характерных значений для воздуха. По-видимому, здесь проявился эффект «па­ радоксального» интервала влажности при неполном водонасыщении грунта. Эта зависимость использовалась нами для непрерывного контроля за изменением проч­ ности грунтов в ходе его вибрационного нагружения — установка, изображенная на рис. 43, монтировалась на вибростенде. В основу такого эксперимента было положено представление о том, что в результате разрушения контактов между частицами грунта, изменения пористости и структурной перестройки при квазитиксотропном разупрочнении и обратных процессах при восстановлении и упрочнении грунта, должны меняться и его акустические характеристики. Полученные данные

Рис. 44. Корреляционная зависимость между прочностью глинистого грунта (по сопро­ тивлению вращательному срезу) и скоростью продольных ультразвуковых волн (0,1 МГц) (по Е. А. Вознесенскому, 1985)

подтвердили это предположение (рис. 44). Вместе с тем, скорость продольных волн не является достаточно чувствительным параметром для изучения таких сложных и тонких процессов, и более информативными для целей подобного исследования могут быть характеристики поглощения грунта.

Методы усталостных испытаний грунтов

Общепринятых методов, которые применяются или могли бы применяться для динамических испытаний грунтов с жесткими структурными связями сейчас, пожалуй, и не существует — прежде всего потому, что само явление усталости грунтов практически не изучено. Однако, интерес к этому вопросу возрастает в связи с интенсивным развитием современной механики разрушения, особенно применительно к неоднородным материалам.

Надо сказать, что с усталостью как технической проблемой человек столкнулся еще с появлением паровых машин. Первые усталостные испытания металлов провел В. Альберт в 1830 г., а термин «усталость» был введен в 1839 г. Дж. Пончелотом при чтении лекций в Ecole Politechnique в Париже (Механика разрушения, 1990). Но впервые усталость металлов под действием циклических нагрузок начал си­ стематически изучать А. Вёлер в 1852-1870 гг. Им было создано несколько видов машин для таких испытаний и предложена методика определения долговечности материала в зависимости от амплитуды цикла.

испытаний металлов и некоторых других высокопрочных материалов и 2) группу методов усталостных испытаний грунтов и, отчасти, бетонов и других каменных строительных материалов. Этих методов, напротив, очень немного.

Методы первой группы принципиально отличаются тем, что подразумевают испытания изделий из данного материала, которым можно придать любую удобную для эксперимента форму, не изменяя свойств вещества. Причем геометрические параметры этого изделия могут быть заданы с весьма высокой точностью. Второй принципиальный момент — испытываемый образец можно считать совершенно однородным — по крайней мере уж точно по сравнению с образцом горной породы. Следовательно, для этих испытаний не существует проблем: а) с размером образца, б) способом его закрепления и в) с чистотой обработки поверхности, что имеет значение в особенности при передаче сжимающих усилий.

В области усталостных испытаний материалов сложилась своя терминология. Усталостные испытания с контролем напряжений цикла (с заданным размахом нагрузки) принято называть мягким нагружением, а с контролем деформаций (с заданным размахом деформаций) — жестким. Обычно диаграмма усталости {кривая Вёлера) строится по результатам испытаний 8-10 и более образцов при раз­ ных напряжениях с соблюдением идентичности частоты, формы и коэффициента асимметрии цикла. В соответствии с существующими способами таких испытаний и реальными условиями эксплуатации машин и сооружений принято следующее их деление по частоте: квазистатические (менее 0,1 Гц); низкочастотные (0,1-10 Гц); среднечастотные (10-100 Гц); высокочастотные (100 Гц — 10 кГц) и ультразвуковые (более 10 кГц).

Всвязи с заметным разбросом данных результаты усталостных испытаний под­ вергаются статистической обработке, основная задача которой сводится к нахожде­ нию функциональных зависимостей между действующими напряжениями, числом циклов нагружения и соответствующей им вероятностью разрушения. Для характе­ ристики условий испытаний используют соотношение воспроизводимых в образце нормальных и касательных напряжений — коэффициент жесткости напряженно­ го состояния в = т/сг. При напряжениях, превышающих динамический предел текучести, находится область малоцикловой усталости. Область ограниченной выно­ сливости при ресурсе, превышающем 5 х 104 циклов, относится к многоцикловой усталости, при этом выявлен разрыв полной диаграммы усталости на стыке ма­ ло — и многоцикловой областей, что свидетельствует об изменении механизма усталостного разрушения и характера напряженного состояния образца в связи со снижением уровня приложенных напряжений (Механика разрушения..., 1990).

Всоответствии с введенными понятиями все методы усталостных испытаний материалов можно условно подразделить на несколько подгрупп по разным при­ знакам. Во-первых, по количеству циклов нагружения и в зависимости от уровня прикладываемых напряжений — на малоцикловые и многоцикловые. Во-вторых, могут испытываться цельные (интактные) образцы, с нанесенным концентратором напряжений (вырез определенной формы) или с предварительно созданной трещи­ ной (испытания на трещиностойкость). И в-третьих, испытания могут проводиться

в коррозионной, либо в неагрессивной среде.

По характеру силовых схем нагружения машины для усталостных испытаний делятся на несколько групп (Серенсен и др., 1967).

1. Машины для испытаний на изгиб с вращением являются самыми распро­ страненными. Они были предложены и использовались еще А. Вёлером. Цилиндри­ ческий образец закрепляется своими захватами в патроны двух шпинделей, которые приводятся во вращение через муфту от электродвигателя. Шпиндели укреплены на шарнирах и могут поворачиваться в плоскости изгиба образца. Нагружение

образца чистым изгибом обеспечивается за счет весовой нагрузки (мягкое нагру­ жение) или жесткого упругого элемента (жесткое нагружение) через рычажную систему. В более простых конструкциях используется схема консольного изгиба

споперечной силой.

2.Машины с возбуждением усилий кривошипным механизмом широко ис­ пользуются еще с 1930-х гг. Нагружающее устройство включает шатун и кривошип­ ный механизм, радиус которого регулируется перед испытанием образца для уста­ новления нужного уровня нагрузки. Обычно применяется нагружение консольным либо чистым изгибом, а также кручением. Принцип кривошипного механизма для создания усилий используется иногда и при испытаниях на растяжение-сжатие.

3.Машины с возбуждением усилий эксцентриковыми инерционными вибра­ торами делятся на установки нерезонансного и резонансного типов. В первых используются возникающие на вибраторе центробежные усилия, величина которых

определяется скоростью его вращения. Это обусловливает высокую частоту (50 Гц и более) нагружения. Во вторых усиление центробежного возбуждения возникает при рабочих частотах вибратора, близких к собственной частоте всей системы. Поэтому важным упругим звеном такой машины является сам образец. Но при воз­ никновении и росте в нем усталостной трещины жесткость всей системы меняется неконтролируемым образом, поэтому часто в таких установках используются до­ полнительные упругие элементы, не подлежащие усталостному разрушению. Тогда они и определяют собственные частоты машины как субрезонансного осциллятора.

4.Машины с гидропульсационным возбуждением — это универсальные уста­ новки с гидромеханическими (кривошипно-шатунный механизм и гидропульсатор), плунжерными, роторными или электрогидравлическими возбудителями. Недостат­ ки: погрешности в силоизмерении, высокая стоимость и сложность изготовления. Достоинства: многолетняя стабильная работа, маневренность нагружения, широкий диапазон частот испытаний.

5.Машины с электромагнитным возбуждением используют, как правило, ре­ зонансный принцип генерации колебаний. Частота задается прерывателем, а обыч­ ный диапазон частот составляет 50-200 Гц.

6.Машины с электродинамическим возбуждением применяются для дости­ жения ультразвуковых частот нагружения (для ускорения испытаний). Эта задача решается с помощью магнитострикционных вибраторов, снабженных стержневы­ ми концентраторами энергии переменного сечения. Такие установки позволяют доводить частоту испытаний до 25 кГц.

Резюмируя этот краткий обзор, следует отметить, что, во-первых, схемы нагру­ жения при усталостных испытаниях конструкционных материалов сводятся всего к трем видам деформаций: сжатие-растяжение (чаще используется растяжение), изгиб (чистый и консольный) и кручение. А во-вторых, практически все способы таких испытаний обеспечены серийно выпускаемыми установками.

Этого, к сожалению, нельзя сказать об установках для усталостных испытаний грунтов. А рассмотренные машины для циклических испытаний конструкцион­ ных материалов в подавляющем большинстве случаев не могут непосредственно использоваться и для горных пород. Поэтому у экспериментатора есть два пути: приспособить какую-либо из существующих испытательных машин для работы с образцами прочных горных пород, либо целенаправленно разрабатывать для этого специальное оборудование.

Но автору пока известны лишь отдельные установки (Мохначев, 1979), специ­ ально разработанные для испытаний образцов горных пород в режиме одноосного — пульсирующего сжатия, либо же трехосного сжатия с переменным осевым и боко­ вым напряжениями. Использовавшаяся в этой же работе система для пульсирующего