№12 Скорость нагружения в трёхосном испытании: почему та же глина даёт разную прочность. Инженерный разбор

Однажды мне показали два протокола. Один монолит, одна скважина, один горизонт — суглинок, отобранный с разницей в полметра по глубине. А угол внутреннего трения в двух протоколах отличался градусов на пять. Не на десятые доли — на пять. Заказчик звонил и спрашивал ровно то, что спросили бы вы: «Кто из лаборантов накосячил?»

Никто не накосячил. Образцы давили с разной скоростью.

Звучит вроде как безобидно: ну быстрее, ну медленнее, грунт-то один. Но в трёхосном приборе скорость нагружения решает, успеет ли вода уйти из пор. А от этого зависит всё остальное.

Давайте по порядку. Образец стоит в камере под всесторонним давлением. Дальше мы прикладываем девиаторную нагрузку — вертикальное дожатие, которое и доводит образец до разрушения. И вот тут включается физика, ради которой весь опыт и затевается.

В глине и суглинке поры мелкие, вода сквозь них идёт медленно. Когда мы давим на образец, часть нагрузки берёт на себя вода в порах — поровое давление растёт. А прочность грунта держится на эффективном напряжении: это то, что приходится на сам скелет, за вычетом того, что несёт вода. Пока вода не ушла, скелет недогружен, и образец ведёт себя иначе, чем поведёт себя тот же грунт в основании через год эксплуатации.

Теперь про скорость. Если давить быстро, вода в порах не успевает выйти. Поровое давление подскакивает — и в дренированном опыте, где мы как раз рассчитываем дать воде уйти, дренирования по факту не происходит. Если давить достаточно медленно, вода уходит, поровое давление держится около нуля, эффективные напряжения получаются честные. Та же глина, тот же прибор — а числа на выходе разные, потому что воде дали разное время.

В консолидированно-недренированном опыте с замером порового давления корень тот же. Датчик стоит в основании образца. Если довести до разрушения слишком быстро, поровое давление по высоте образца не успевает выровняться: внизу одно, в середине другое. Датчик честно пишет то, что у него под основанием, а мы потом считаем эффективные напряжения по числу, которое не описывает весь образец. И получаем прочность, которой у грунта на самом деле нет.

Самое неприятное здесь — что ошибка тихая. Прибор не пищит, протокол выглядит аккуратно, кривая гладкая. Просто угол не тот.

ГОСТ 12248.3-2020 на этот счёт лазейки не оставляет: скорость для консолидированно-недренированного испытания не назначают на глаз, её считают по приложению Д — через консолидационные свойства конкретного грунта. Плотный суглинок и текучая глина поедут с разной скоростью, и так и должно быть. А вот одна скорость на всю лабораторию, «потому что так привыкли», — это и есть та мелочь, которая потом всплывает пятью градусами в протоколе.

Где обычно спотыкаются:

— ставят одну скорость на все грунты, не глядя на консолидацию;

— начинают девиаторное нагружение, не дождавшись конца консолидации;

— забывают, что фильтровальная бумага и дренажные пути меняют время, за которое вода реально успевает уйти;

— гонят недренированный опыт быстро, а потом удивляются разбросу значений.

Когда мы разрабатывали прибор трехосного сжатия ПВН-1Т, мы исходили ровно из этого. Скорость деформации задаёт программа и держит её постоянной до конца опыта, а поровое давление пишется синхронно с нагрузкой — чтобы расчётный режим, который инженер посчитал под свой грунт, исполнялся точно и не зависел от того, насколько ровно сегодня идёт смена.

Окно обрабатывающей программы К-Лаб.Про

А вопрос вам оставлю такой. Откройте последние пять протоколов трёхосных испытаний в своей лаборатории и посмотрите, на каком основании там выбрана скорость: посчитана по консолидации конкретного грунта — или «как в прошлый раз»? Если второе — возможно, ваши пять градусов уже лежат где-то в готовом отчёте.