5 BADANIA PARAMETRÓW SPR
ŻYSTYCH
5.1 Badania laboratoryjne
5.1.1 Aparatura badawcza
Do badań własności sprężystych w
zakresie małych odkształceń
wykorzystano nowoczesnÄ… aparaturÄ™
BES (Bender Element System)
brytyjskiej firmy GDS Instruments.
Umożliwia ona pomiary parametrów
sprężystych gruntu, w zakresie
odkształceń odpowiadających
przedziaÅ‚owi 10-6 ÷ 10-5 %, na próbce w
komorze trójosiowego ścinania. Możliwe
są również pomiary na bryłach gruntu
poza komorą, jak również in-situ, w
odpowiednio przygotowanym
fragmencie ściany wykopu.
System wykorzystuje tzw. bender
elements. Pojedynczy element składa
się z dwóch warstw materiału
piezoceramicznego, mającego zdolność
odkształcania się po przyłożeniu
napięcia elektrycznego, lub odwracając
Fig.5.1 Stanowisko do badań własności sprężystych
sytuację, zdolność wytwarzania różnicy
potencjału na swoich powierzchniach w przypadku jego mechanicznego odkształcenia. W
zależności od budowy danego elementu, polaryzacji tych warstw, możliwe jest podłużne
lub poprzeczne odkształcanie się elementu. A więc bender elements mogą być z
ródłem lub
odbiornikiem zarówno fali poprzecznej jak i fali podłużnej. Zastosowany system
92
wykorzystuje takie rozwiązanie, gdzie pojedyncza para elementów stanowi zespół
nadawczo-odbiorczy obu typów fali. Jeden element pary jest nadajnikiem fali poprzecznej i
odbiornikiem podłużnej, drugi jest odbiornikiem fali poprzecznej i nadajnikiem podłużnej.
Możliwe jest generowanie fali
sinusoidalnej i prostokÄ…tnej jako
formy zaprogramowane, lub
każdą inną formę fali
wprowadzonÄ… w pliku tekstowym
przez użytkownika.
Pierwszym typem fali
wytwarzanej i wykorzystywanej
do pomiaru jest fala podłużna P
(od Primary). Kierunek ruchu
cząstek ośrodka, w którym
Fig.5.2. Podstawka i kopułka komory trójosiowego ściskania, porusza się ta fala jest zgodny z
wyposażone w dwa prostopadłe zestawy bender elements.
kierunkiem przemieszczania siÄ™
(propagacji) fali i powoduje sprężyste odkształcanie objętościowe ośrodka. Prędkość fali
podłużnej V zależy więc od gęstości objętościowej gruntu. Media ciekłe obecne w porach
p
(woda) przenoszą fale podłużne, tak więc nasycenie ośrodka ma znaczny wpływ na
pomierzone wartości V . Prędkość przemieszczania się fali podłużnej w wodzie może
p
sięgać ok. 1500 m/s, przez co prędkość przebiegu fali w fazie stałej badanego materiału
może zostać nierozpoznana.
Drugi typ fali to fala poprzeczna (shear wave) S (od Secondary). Kierunek ruchu
cząstek ośrodka, w którym porusza się fala jest prostopadły do kierunku przemieszczania
się fali. Prędkość przemieszczania się fali poprzecznej jest V jest zawsze mniejsza niż V ,
s p
pierwszÄ… falÄ… docierajÄ…cÄ… od z
ródła zaburzenia będzie więc zawsze fala podłużna. Moduł
ścinania wody jest bardzo niski, w związku z czym stopień nasycenia ośrodka nie ma
praktycznie wpływu na prędkość fali poprzecznej. Schemat na fig. 5.3 przedstawia
omówione rodzaje fali.
93
Kierunek przemieszczania siÄ™ fali
Kierunek ruchu czÄ…stek gruntu
Fala podłużna P
Fala poprzeczna S
Fig.5.3 Schemat przebiegu fali podłużnej i poprzecznej.
W skład wykorzystanego do badań systemu wchodzą następujące elementy:
o Komora trójosiowego ściskania wyposażona w 12 portowy pierścień (access
ring), przez który możliwe jest wyprowadzenie przewodów do wszystkich
czujników, oraz w specjalną podstawkę i kopułkę.
o Cztery pary bender elements, dwie z nich umieszczone w kopułce i
podstawce, dwie pozostałe umieszcza się na pobocznicy próbki w połowie jej
wysokości (nie używane w niniejszej pracy).
o Zestaw 3 jednostek sterujących pracą piezoelementów
o Komputer wyposażony w oprogramowanie kontrolujące i zbierające dane,
połączony z jednostkami sterującymi za pośrednictwem szybkiej karty
akwizycyjnej.
94
Cztery pary elementów mogą być ustawiane w taki sposób, aby określić anizotropię
ośrodka (Pennington i in 2001). Figura 5.4 przedstawia schemat umiejscowienia par
bender elements i ich płaszczyzny polaryzacji. Modyfikacja tego schematu może
następować dodatkowo poprzez zmianę płaszczyzny polaryzacji elementów o poziomej
Objaśnienia dotyczące wzbudzania fali poprzecznej S:
pozioma propagacja, pozioma polaryzacja
pozioma propagacja, pionowa polaryzacja
pionowa propagacja, pozioma polaryzacja
PÅ‚aszczyzny polaryzacji
pionowa propagacja, pozioma polaryzacja
wzajemnie prostopadłe
płaszczyz
nie propagacji.
Fig.5.4. Schemat maksymalnej instrumentacji próbki za pomocą 4 par elementów nadawczo
odbiorczych fal P i S.
Zmierzone prędkości fal podłużnej i poprzecznej mogą posłużyć do obliczenia
następujących parametrów sprężystych gruntu:
95
o Moduł odkształcenia postaciowego G (inaczej moduł ścinania (shear
max
modulus))
Gmax = ÁVs2 [5.1]
o Moduł ściśliwości M
2
M = ÁVp [5.2]
o Moduł odkształcenia objętościowego K
4
2
K = Á(Vp - Vs2 ) [5.3]
3
o Moduł odkształcenia E (moduł Younga)
E = 2ÁVs2 (1+½ ) [5.4]
o Współczynnik Poissona ½
½
½
½
Vp
1
( )2 -1
2 Vs
½ = [5.5]
Vp
( )2 -1
Vs
gdzie:
V  prędkość fali poprzecznej
s
V  prędkość fali podłużnej
p
Á - gÄ™stość objÄ™toÅ›ciowa gruntu
5.1.2 Metodyka badań na pastach
Widoczny w literaturze trend badawczy dotyczÄ…cy badania powstawania struktury w
gruncie i jej wpływu na jego sztywność, przy użyciu fal akustycznych, koncentruje się na
kilku zagadnieniach. Jednym z nich jest starzenie się (jak najogólniej określany jest wzrost
sztywności) gruntu pozostającego pod stałym obciążeniem, wywołane pełzaniem i
powiązaniami międzycząsteczkowymi o różnym charakterze. Rozległe badania tego i
innych zagadnień przedstawił Lohani i in.(2001). Rezultaty testów ściśliwości wielu
utworów naturalnych i wykonanych z nich past gruntowych prowadzą autorów do
ciekawych konkluzji. Przedstawiona jest sugestia liniowej zależności wskaz
nika
96