Aparatul triaxial

3.3. Aparatul triaxial#

Intuiție

În cutie, pământul este forțat să alunece pe un plan ales de noi. În triaxial îl lăsăm pe el să aleagă: îl apăsăm uniform din toate părțile cu apă (ca pe fundul piscinei), apoi îl mai apăsăm doar de sus, cu un piston. Pământul cedează cum vrea — pe un plan înclinat, printr-o burtă, prin curgere — și noi măsurăm totul: forța, deformația, cât apă intră sau iese, sau presiunea apei dacă nu o lăsăm să iasă.

../_images/triaxial.svg

Figura 3.3 Celula triaxială: proba cilindrică (38×76 mm sau 50×100 mm), învelită într-o membrană de cauciuc, stă între două pietre poroase. Apa din celulă aplică presiunea \(\sigma_r\) (radială, pe toate fețele); pistonul adaugă pe față \(\Delta\sigma = \sigma_a - \sigma_r\). Drenajul probei se face prin pietrele poroase către un tub exterior, care poate fi deschis (drenat, măsurăm \(\Delta V\)) sau închis (nedrenat, măsurăm \(\Delta u\)).#

3.3.1. Eforturile pe probă#

Proba este în simetrie axială:

  • efortul axial \(\sigma_a\) (vertical), aplicat de presiunea celulei plus piston;

  • efortul radial \(\sigma_r\) (orizontal, egal pe toate direcțiile), aplicat de presiunea celulei.

În compresiune triaxială \(\sigma_a \ge \sigma_r\), deci \(\sigma_1 = \sigma_a\) și \(\sigma_2 = \sigma_3 = \sigma_r\). Nu există eforturi tangențiale pe fețele probei — fețele sunt plane principale. Eforturile efective: \(\sigma'_a = \sigma_a - u\), \(\sigma'_r = \sigma_r - u\).

Mărimea \(\sigma_a - \sigma_r\) se numește efort deviator și este singura care produce forfecare (presiunea izotropă singură doar comprimă). Observă că nu are apostrof: \(\sigma'_a - \sigma'_r = \sigma_a - \sigma_r\), pentru că \(u\) se scade din amândouă. Vom nota efortul deviator cu \(q\) în Efortul mediu p' și efortul deviator q.

3.3.2. Etapele unei încercări#

  1. Saturare — ridicăm simultan presiunea celulei și presiunea apei din probă (back pressure) ca să dizolvăm aerul; efortul efectiv rămâne mic și constant. Verificăm cu parametrul \(B = \Delta u/\Delta\sigma_r \approx 1\).

  2. Consolidare — deschidem drenajul și ridicăm \(\sigma_r\) la valoarea dorită (\(\sigma'_r = \sigma'_{a} = p'_0\), consolidare izotropă); așteptăm să iasă apa și măsurăm cât a ieșit ⇒ știm \(v\) la începutul forfecării. (Se poate consolida și anizotrop, \(K_0\), ca in situ.)

  3. Forfecare — ținem \(\sigma_r\) constant și coborâm pistonul cu viteză constantă; \(\sigma_a\) crește până la cedare și dincolo. Înregistrăm forța, scurtarea \(\Delta h\) și:

    • drenat (CD, consolidated drained): drenaj deschis, \(u = u_0\) constant, măsurăm \(\Delta V\) (apa ieșită sau intrată);

    • nedrenat (CU, consolidated undrained): drenaj închis, \(\Delta V = 0\), măsurăm \(\Delta u\).

Denumirile se referă la etapele 2 și 3: Consolidated–Drained, Consolidated–Undrained; există și UU (neconsolidat–nedrenat), mai puțin util pentru teorie.

3.3.3. Ce măsurăm, ce calculăm#

Măsurat

Calculat (eforturi în kPa, deformații în % sau [–])

forța pe piston \(F\) [kN]

\(\sigma_a - \sigma_r = F/A\) (cu \(A\) corectată pentru burtă: \(A = A_0(1-\varepsilon_v)/(1-\varepsilon_a)\))

scurtarea \(\Delta h\) [mm]

\(\varepsilon_a = \Delta h/h_0\)

\(\Delta V\) [cm³] (CD)

\(\varepsilon_v = \Delta V/V_0\); \(v = v_0(1-\varepsilon_v)\)

\(\Delta u\) [kPa] (CU)

\(\sigma'_a\), \(\sigma'_r\)

\(\sigma_r\) [kPa] (celulă)

—

Rezultatul unei singure încercări este deci un drum în spațiul \((\sigma'_a, \sigma'_r, v)\) — sau, cum vom vedea, \((p', q, v)\). Acesta este spațiul în care trăiește teoria stării critice.

3.3.4. De ce triaxialul e „aparatul teoriei”#

  • eforturile principale sunt cunoscute și uniforme (în prima aproximație);

  • drenajul este controlat și presiunea apei măsurată;

  • volumul este măsurat;

  • putem urma aproape orice drum de eforturi (compresiune, extensiune, \(p'\) constant, \(\sigma_r\) constant…).

Schofield și Wroth și-au construit toată cartea din 1968 pe încercări triaxiale pe argile remaniate (Weald Clay, London Clay, kaolin) făcute la Imperial College și la Cambridge în anii 1950–60. Notațiile pe care le vom introduce în capitolul 4 sunt notațiile lor.

Cuprins