Одометр для испытаний торфа и заторфованных грунтов

Введение. При компрессионных испытаниях торфа и заторфованных грунтов, продолжительность которых может достигать нескольких месяцев, на контакте между боковой поверхностью образца и металлическим кольцом возникают силы трения, оказывающие существенное влияние на результаты измерений. Разработан одометр, позволяющий повысить достоверность результатов лабораторных испытаний за счет определения характеристик сжимаемости с учетом указанного фактора.

Материалы и методы. Прибор выполнен с применением аддитивной технологии на 3D-принтере, из металла изготовлено только кольцо для образца. Диаметр образца 8,6 см, исходная высота 3 или 5 см. После стабилизации деформаций в основании прибора освобождается полость и на поршень прикладывается монотонно возрастающая нагрузка до момента «срыва» по контакту боковой поверхности с кольцом. При этом с помощью болтов предварительно предотвращается разуплотнение образца. Исследованный торф имел следующие свойства: плотность 0,98–1,02 г/см3, влажность 861–930 %, коэффициент пористости 11,8–14,2, степень разложения 40–45 %. Испытания проводились при нагрузке на образец 50 и 100 кПа.

Результаты. Испытания показали, что на преодоление сил трения уходило до 15–20 % от приложенной к образцу нагрузки. Этот фактор следует учитывать при расчете характеристик сжимаемости, корректируя значение напряжений в образце.

Выводы. Преимуществом представленного одометра является определение характеристик сжимаемости, включая коэффициент консолидации, с учетом погрешности измерений, возникающей из-за сил трения на контакте образца с кольцом. Изготовление геотехнических приборов на 3D-принтере дает возможность существенно сократить затраты времени и средств, облегчает доработку конструкции в ходе испытаний, а также упрощает изготовление запасных деталей.

1. Ивахнова Г.Ю., Невзоров А.Л. Особенности интерпретации результатов компрессионных испытаний торфа // Строительство и архитектура. 2020. Т. 8. № 1 (26). С. 26–32. DOI: 10.29039/2308-0191-2020-8-1-26-32

2. Suits L.D., Sheahan T.C., Sirikaya O., Togrol E. Measurement of side friction between specimen and consolidation ring wiyh newly designed oedometer cell // Geotechnical Testing Journal. 2006. Vol. 29. Issue 1. DOI: 10.1520/GTJ12513

3. ГОСТ 12248–2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. МНТКС, 2011. С. 126.

4. ASTM D2435. Standard Test Methods for One-Dimensional Consolidation Properties of Soils Using Incremental Loading. DOI: 10.1520/D2435_D2435M-11

5. BS 1377 — part 5 1990. Methods of test for soils for civil engineering purposes — Compressibility, permeability and durability tests.

6. Rosine T.N., Sabbagh T.T. The impact of the diameter to height ratio on the compressibility parameters of saturated fine-grained soils // International Journal of Research in Engineering and Technology. 2015. Vol. 4. Issue 6.

7. Wang L., Zhu J., Yuan J., Lu Y. Development and application of an oedometer with negligible side-wall friction for rockfill materials // Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 2022. Vol. 44. Issue 4.

8. Kolay P. Remediation of the side friction in conventional oedometer tests by using large diameter consolidometer ring // International Journal of Geotechnical Engineering. 2008. Vol. 2. Issue 2. Рр. 161–167. DOI: 10.3328/IJGE.2008.02.02.161-167

9. Lovisa J., Sivakugan N. Tall Oedometer Testing: Method to Account for Wall Friction // International Journal of Geomechanics. 2014. DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000359

10. Патент RU № 2798607. Одометp для компрессионных испытаний грунта. Заявка № 2022117566. Приоритет изобретения 27.06.2022. Дата государственной регистрации в Государственном реестре изобретений РФ 23.06.2023.

11. Патент RU № 54597. Компрессионно-фильтрационный прибор. Заявка № 2005138873/22. Приоритет изобретения 13.12.2005. Дата государственной регистрации в Государственном реестре изобретений РФ 10.07.2006.

12. Патент CN 203479609 U. Floating ring type consolidation container for consolidation test. МПК G 01N 3/02. Опубл. 12.03.2014.

13. Kang X., Xia Z., Chen R. Measurement and Correlations of K0 and Vs Anisotropy of Granular Soils // Proceedings of the Institution of Civil Engineers — Geotechnical Engineering. 2020. Vol. 173. Issue 6. Рр. 546–561. DOI: 10.1680/jgeen.19.00162

14. Yao W., Li X., Wu Y., Xue Q., Hao Z., Shi J. et al. Effect og height-to-diameter ratio on the compression test results of remodeled loess and its mechanism // Buildings. 2023. Vol. 13. Issue 1. P. 176. DOI: 10.3390/buildings-13010176

15. Karimpour-Fard M., Zarbakhash S., Soufi G.R., Ahadi A., Naveen B.P. Design, fabrication and calibration of a tall pneumatic oedometer apparatus // Measurement. 2020. Vol. 163. DOI: 10.1016/j.measurement.2020.107985

16. Lodahl M.R., Sørensen K.K., Mortensen N., Trankjǣr H. Oedometer tests with measurement of internal friction between oedometr ring and clay specimen // Proceedings of the 17th Nordic Geotechnical Meeting. 2016. Рр. 289–298.

17. Watabe Y., Udaka K., Kobayashi M., Tabata T., Emura T. Effects of friction and thickness on long-term consolidation behavior of Osaka bay clays // Soils and foundations. 2008. Vol. 48. Issue 4. Рр. 547–561.

18. O’Kelly B.C. Development of a large consolidometer apparatus for testing peat and other highly organic soils // Suoseura — Finnish Peatland Society. 2009. Vol. 60. Issue 1–2. Рр. 23–36.

19. Ahmed M., Beier N.A., Kaminsky H. A comprehensive review of large strain consolidation testing for application in oil sands mine tailings // Mining. 2023. Vol. 3. Issue 1. Рр. 121–150. DOI: 10.3390/mining-3010008

20. Авторское свидетельство СССР № 973702. Прибор для компрессионных испытаний грунта. МПК E02D 1/00. Опубл. 15.11.82. Бюл. № 42.

21. Патент RU № 2718800. Прибор для компрессионных испытаний грунта. Заявка № 2020104307. Приоритет изобретения 31.01.2020. Дата государственной регистрации в Государственном реестре изобретений РФ 14.04.2020.