Экспериментальные исследования напряженно-деформативного состояния в основании сооружений проведены в очень малом объеме. В основном все исследования проводились на песках и лёссовых грунтах.

Сложность определения напряженно-деформативного состояния обусловлена сложностью измерений напряжений и деформаций в отдельных точках основания. Однако за последние пять лет наметились новые пути решения поставленной проблемы, особенно в связи с разработкой датчиков для измерения напряжений внутри грунтового массива и методики определения достоверности их измерений. В числе этих датчиков есть и датчики для измерения напряжений в грунтовом массиве, сложенном слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами. В первую очередь следует отметить мессдозы, разработанные в ЦНИИСКе (Д. С. Баранов), Новочеркасском политехническом институте (Ю. Н. Мурзенко), Гидропроекте (В. П. Бомбчинский и др.), в ДИИТ (М. Н. Гольдштейн и др.), в НИИСК УССР (Е. Ю. Лабезник) и т. п. Большие исследования, проведенные в Союзморниипроекте, НИС Гидропроекта (В. З. Хейфец и др.), а также в МИСИ (А. А. Крыжановский), позволили более точно тарировать и более обоснованно учитывать величину искажений при измерениях Напряжений и порового давления, возникающих в связи с внесением жесткого элемента (мессдозы) в среду с другими деформативными характеристиками.

Наиболее просто проводится измерение вертикальных напряжений, так как глубинные марки уже давно широко применяются при различных исследованиях в механике грунтов. Предложено много конструкций глубинных марок, которые с достаточно высокой точностью позволяют оценить вертикальные смещения различных точек грунтового основания. Многие из глубинных марок применялись и при исследовании просадочных при замачивании грунтов (Ю. М. Абелев, В. И. Крутов, 1960-1967 гг.), которые могут быть отнесены к слабым водонасыщенным глинистым грунтам. Методика же измерения, горизонтальных смещений практически не разработана, что мешает определять деформативное состояние в грунтовом массиве. Известны лишь отдельные опыты измерения горизонтальных напряжений, выполненные за рубежом, однако точность измерения в этих опытах весьма низкая.

Так как при исследованиях напряженно-деформативного состояния основания, сложенного водонасыщенными глинистыми грунтами, весьма сложно замерить деформации из-за их крайне медленного развития во времени, то для проверки решения консолидационных задач измеряют обычно поровое давление. Поровое давление измеряют датчиками разнообразных конструкций, причем считается, что измерение порового давления проще, чем измерение напряжений.

Для ряда задач механики грунтов необходимо знать распределение напряжений и деформаций непосредственно под подошвой фундамента - так называемые контактные напряжения и деформации. Хотя методика определения контактных напряжений значительно проще по сравнению с определением напряжений в грунтовом массиве, однако до последних лет не было проведено натурных исследований напряжений под фундаментами, лежащими на слабых водонасыщенных глинистых грунтах. Впервые эти измерения были выполнены в 1965-1971 гг. на илах оз. Сиваш. Измерения напряжений на контакте и в глубине основания жесткого штампа площадью 10 тыс. см2 были проведены Н. С. Рязановым, Н. Ф. Ариповым и автором по следующей методике. Была выбрана площадка, где илы залегали на глубину до 6 м и имели примерно постоянные характеристики прочности и сжимаемости по глубине (что обусловлено большим содержанием солей в грунте). Так как верхний слой илов (до глубины 0,7 м) имел отличные от пласта характеристики, опыты проводились в шурфах, отрытых на глубину 0,8-0,9 м.

В испытаниях применялись круглые металлические штампы, усиленные ребрами жесткости. В днище каждого штампа заподлицо с поверхностью были установлены 13-15 мессдоз с гидравлическим преобразователем конструкции ЦНИИСК, приспособленным для проведения таких опытов. Мессдозы изготовлялись в лаборатории МИСИ им. В. В. Куйбышева с участием Д. С. Баранова. Для повышения точности измерения напряжений мессдозы конструкции Д. С. Баранова были несколько модифицированы - уменьшена толщина мембраны, усилена гидроизоляция. Кроме того, мессдозы были защищены от быстрой коррозии в засоленных илах. Точность измерения напряжений на контакте с грунтом этих мессдоз составляла 10-20 гс/см².

Мессдоза с гидравлическим преобразователем имеет ряд преимуществ по сравнению с мембранной мессдозой.

Рис. II.6 Мессдоза конструкции ЦНИИСК для измерения напряжений в грунте и для определения контактных напряжений
1 - корпус; 2 - кольцевая мембрана; 3 - крышка; 4 - резиновое внутренее кольцо;5 - силиконовая жидкость; 6 - мембрана и тензодатчик; 7 - хлорвиниловая трубка; 8 - резиновая трубка; 9 - резиновое наружное кольцо

Суть их заключается в том, что давление грунта первоначально передается на элемент, который через жидкую прослойку распределяет давление на соответствующую измерительную систему. Если пространство между приемной и рабочей мембранами заполнить несжимаемой жидкостью (ртутью, силиконовой жидкостью и т. п.), то деформации верхней приемной мембраны (рис. II.6) будут меньше деформаций рабочей мембраны во столько раз, во сколько площадь второй будет меньше площади первой. К преимуществам мессдоз с гидравлическим преобразователем относится и то, что измерительное устройство такой мессдозы реагирует на все давление, которое действует на приемную мессдозу, независимо от характера распределения этого давления по площади мессдозы.

Основным чувствительным элементом мессдозы такого типа является рабочая мембрана толщиной 0,15-0,2 мм. На нижнюю часть рабочей мембраны наклеен фольговый тензодатчик мембранного типа. В торцовой части корпуса мессдозы имеется отверстие для штуцера и отдельно просверленные отверстия для размещения соединительных проводов. Эти провода припаивают к выводным проводникам датчика. С противоположной стороны предусмотрено отверстие для заполнения мессдозы жидкостью, прослойка которой в датчике носит название гидропреобразователя.

Приемная кольцевая мембрана изготовляется из того же материала, что и корпус, и имеет кольцеобразный вырез, в который уложено резиновое кольцо. Это конструктивное приспособление позволяет передавать давление на гидропреобразователь сразу по всей площади приемной мембраны и обеспечивает ее поступательное движение при нагружении независимо от краевого эффекта.

Внешне мессдоза представляет собой металлический диск диаметром 70 и высотой 16 мм. Небольшие габариты прибора позволяют использовать его для измерения напряжений на контакте штампов и внутри грунтового основания.

Для измерения контактного давления в плите металлического штампа были сделаны круглые углубления диаметром каждое 74 мм и вырезы для укладки и вывода соединительного кабеля. Эти углубления были необходимы для установки мессдозы заподлицо с поверхностью штампа.

В углубление штампа заливали жидкий цементный раствор и устанавливали мессдозу на место легким прижатием. Затем с помощью шаблона, который гарантировал правильность постановки и исключал перекосы мессдозы, ее выравнивали с поверхностью штампа. После этого в вырез укладывали кабель и через отверстие продергивали его на противоположную сторону плиты (штампа). Штамп с установленными в него мессдозами выдерживали некоторое время для «схватывания» цементного раствора, а затем снова проверяли правильность установки мессдоз тем же шаблоном.

При установке мессдоз заподлицо с днищем штампа особое внимание обращали на дублирование измеряемых точек. Все основные точки (центр, край и середина радиуса штампа) имели по две измерительных мессдозы. Это исключало ошибки при измерениях и гарантировало возможность измерений в процессе всего эксперимента, если даже одна из мессдоз во время опытов выходила из строя. Размещение мессдоз в днище штампа показано на рис. II.7.

Перед установкой мессдозы тарировали гидравлической нагрузкой до давления 4 кгс/см². Кроме того, несколько мессдоз были протарированы в стабилометрах для исследования влияния напряженного состояния на их показания. Опыты показали, что при давлениях до 2,5 кгс/см2 тарировочные кривые, полученные при гидравлическом обжатии, хорошо совпадают с тарировочными кривыми, полученными при испытании мессдоз в стабилометрах (образец в стабилометре был изготовлен в виде пасты из ила оз. Сиваш с влажностью, равной влажности на пределе текучести).

Штамп устанавливали на тщательно выровненную поверхность и замеряли показания мессдоз. После этого штампы нагружали малыми ступенями давления (по 0,05 кгс/см²).

Рис. II.7  Металлический круглый штамп площадью 10 тыс. см² с мессдозами

Чтобы исключить влияние скорости нагружения на показания мессдоз, каждую ступень давления выдерживали до условной стабилизации осадки штампа, за которую принимали осадку, равную 0,1 мм за 6 ч. Показания мессдоз регистрировались в течение 3,5 мин полупроводниковым измерителем деформацией (ПИД-10М). Замеры проводились через каждый час в течение всего времени нагружения данной ступенью давления.

В 1966-1968 гг. мы провели три опыта продолжительностью около трех месяцев. Каждый раз в течение всех опытов показания мессдозы были стабильны, и приборы сохраняли высокую чувствительность.