установка для компрессионных испытаний грунта

Формула изобретения

Установка для компрессионных испытаний грунта, содержащая упорные конструкции, включающие несущую плиту, соединенную с помощью опорных стоек с основанием, на котором смонтирован механизм осевого нагружения образца грунта, а также силоизмерительную конструкцию, выполненную в виде оснащенной измерительными средствами рамы, образованной двумя продольными тягами и двумя поперечными балками, верхняя из которых имеет опорную часть для восприятия измеряемых усилий, отличающаяся тем, что поперечное сечение верхней балки по оси симметрии установки выполнено в форме горизонтального двутаврового профиля, на рабочих полках которого размещены измерительные средства, представляющие собой тензометрические датчики, а на стенке - опорная часть для восприятия измеряемых усилий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, а именно к исследованию деформационных свойств грунтов при инженерно-строительных изысканиях.

Известно устройство по авт. свидетельству СССР №1788144, кл. Е 02 D 1/00, опубл. 15.01.1993 для компрессионных испытаний грунтов, содержащее приводную нагружающую систему с датчиком силы, механически связанную с одометром, преобразователь механических перемещений поршня одометра в электрический сигнал. Устройство снабжено дополнительной нагружающей системой, которая поддерживает стабильность заданных давлений на каждой ступени нагружения образца.

Недостатком данного устройства является наличие дополнительной нагружающей системы, которая не позволяет использовать устройство для испытания грунтов в режиме контролируемых фиксированных перемещений и последующей релаксации давлений на образец.

Известно устройство для реализации релаксационного способа определения длительной прочности мерзлых грунтов и тому подобных пластично-вязких материалов, защищенное авт. свидетельством СССР №161133 по кл. 42k, 28; опубл. 09.03.1964. Устройство содержит упорную конструкцию, включающую несущую плиту, соединенную с помощью вертикальных стоек с поперечной балкой, на которой смонтирован механизм осевого нагружения образца, а также силоизмерительное приспособление.

Недостатком данного устройства является низкая вертикальная жесткость, обусловленная деформациями элементов конструкции, а также, в значительной мере, собственными деформациями силоизмерительного приспособления, что искажает истинную кривую релаксации напряжений за счет больших деформаций последействия и несоблюдения условия постоянства деформации образца в процессе наблюдения. Кроме того, данное устройство не может быть использовано в режиме компрессионных испытаний, т.к. не содержит приспособлений для измерения вертикальных деформаций образца.

Прототипом заявляемого изобретения является установка для испытаний грунтов в режиме релаксации, которая может быть использована и для компрессионных испытаний (Вялов С.С., Городецкий С.Э. и др. Методика определения характеристик ползучести, длительной прочности и сжимаемости мерзлых грунтов. М.: Наука, 1966, с 100-103).

Устройство содержит упорную и силоизмерительную конструкции, механизм осевого нагружения образца, а также средства измерения давления и деформаций. Упорная конструкция включает несущую плиту, соединенную с помощью опорных стоек с основанием, на котором смонтирован механизм осевого нагружения образца грунта. Силоизмерительная конструкция представляет собой раму, образованную двумя поперечными балками (верхней и нижней), соединенными продольными тягами. Для передачи усилия от нагрузочного устройства на образец грунта служит образцовый динамометр, который устанавливается между подвижными направляющими, скользящими по продольным тягам рамы. Устройство содержит также штамп с двумя опорами для индикаторов часового типа, измеряющих деформации образца.

Основным недостатком данного устройства является значительная собственная деформация образцового динамометра, что искажает режим релаксации, снижая точность результатов измерения, и увеличивает длительность испытаний из-за медленной стабилизации деформаций последствия и напряжений, действующих в образце.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, состоит в повышении точности результатов измерения и уменьшении длительности испытаний.

Кроме того, обеспечивается возможность полной автоматизации работы установки в комплекте с персональным компьютером, что также повышает точность результатов испытаний, сокращает время их проведения и значительно улучшает условия труда.

Для достижения изложенного технического результата в установке для компрессионных испытаний грунта, содержащей упорные конструкции, включающие несущую плиту, соединенную с помощью опорных стоек с основанием, на котором смонтирован механизм осевого нагружения образца грунта, а также силоизмерительную конструкцию, выполненную в виде оснащенной измерительными средствами рамы, образованной двумя продольными тягами и двумя поперечными балками, верхняя из которых имеет опорную часть для восприятия измеряемых усилий, поперечное сечение верхней балки по оси симметрии установки выполнено в форме горизонтального двутаврового профиля, на рабочих полках которого размещены измерительные средства, представляющие собой тензометрические датчики, а на стенке - опорная часть для восприятия измеряемых усилий.

Ослабление поперечного сечения верхней балки в зоне действия максимального изгибающего момента концентрирует полезный сигнал в местах установки тензометрических датчиков, а неослабленные участки остаются при этом практически недеформированными.

Размещение же опорной части на стенке двутавра способствует линейному распределению внутренних напряжений в балке в местах установки тензодатчиков и независимости их показаний от действия контактных напряжений от опорной части на верхнюю балку.

Предлагаемое конструктивное выполнение верхней балки и указанное выше размещение средств измерения превращают эту балку в динамометрическую и исключают необходимость использования пружинного динамометра.

Таким образом, избирательное целенаправленное ослабление поперечного сечения по длине динамометрической балки в значительной мере увеличивает точность измерения давлений при сохранении высокой общей жесткости силоизмерительного узла, что позволяет сократить интервалы времени снятия отсчетов по изменению величины релаксируемых давлений и уменьшить в связи с этим время достижения требуемого условного критерия стабилизации.

На фиг.1 изображена схема механической части предлагаемой установки; на фиг.2 - фрагмент верхней (динамометрической) балки; на фиг.3 - вид сверху по А-А фиг.2; на фиг.4 - сечение Б-Б фиг.2.

Установка содержит упорную конструкцию, включающую несущую плиту 1, соединенную с помощью опорных стоек 2 и болтовых соединений (на схеме не показаны) с основанием 3, на котором смонтирован механизм осевого нагружения образца грунта. Этот механизм включает червячный редуктор 4, приводящийся в движение реверсивным двигателем (на схеме не показан), и винтовой домкрат 5, верхний торец которого жестко связан с силоизмерительной конструкцией. Последняя выполнена в виде рамы, образованной двумя продольными тягами 6 и двумя поперечными балками: верхней (динамометрической) 7 и нижней 8. Поперечное сечение балки 7 по оси симметрии установки выполнено в форме горизонтального двутаврового профиля, на рабочих полках которого размещены тензометрические датчики измерения усилий 9, а на стенке - опорная часть для восприятия усилий, выполненная в виде сферического элемента 10, соединенного с переходным элементом 11. Устройство снабжено также датчиком измерения задаваемых перемещений, состоящего из тензосопротивлений 12, чувствительного элемента 13 и реперной стойки 14, установленной на несущей плите 1. Чувствительный элемент 13 установлен с возможностью взаимодействия с переходным элементом 11.

Одометр 15 с помещенной в него пробой грунта 16 монтируется на несущей плите 1 соосно с силоизмерительной рамой с помощью фиксирующих упоров 17 и шаровой опоры 18.

Перед началом эксплуатации устройства производят тарирование тензодатчиков 9 и 12. Кроме того, для определения собственной жесткости всех упорных конструкций вместо образца грунта в одометр 15 устанавливается практически несжимаемая стальная болванка с фильтрами и осуществляется ее нагружение ступенчато-возрастающими давлениями, по результатам которого строится график зависимости собственных деформаций установки от нагрузки, данные которого используются при обработке материалов испытаний образцов грунта в виде отрицательных поправок, а также для назначения условного критерия стабилизации релаксируемых давлений во времени.

Установка работает следующим образом. Перед началом работы путем включения обратного вращения электродвигателя червячного редуктора 4 силоизмерительная рама 6-8 поднимается в крайнее верхнее положение. Одометр 15 с помещенной в него пробой грунта 16 устанавливают на несущую плиту 1 между фиксаторами 17 и размещают на поршне одометра сферическую опору 18. При этом самопроизвольно обеспечивается соосность одометра 15 и силоизмерительной рамы 6-8. Включением прямого вращения электродвигателя червячного редуктора 4 устанавливают момент касания динамометрической балки 7 к сферической опоре 18 путем достижения незначительного начального давления, например 0,005 МПа, которое и принимается за начало отсчета не только для давлений, но и для деформаций образца грунта. Дальнейшее нагружение пробы осуществляется ступенчато-возрастающими деформациями, значения которых устанавливаются и корректируются в ходе эксперимента, сообразуясь с условиями:

- общее количество экспериментальных точек на всем интервале давлений было, например, не менее пяти штук;

- расположение опытных точек на графике зависимости деформаций от нагрузки было приблизительно равномерным.

Каждая ступень нагружения фиксированными ступенями деформаций выдерживается до условной стабилизации релаксируемых давлений во времени (МПа/мин), значение которого зависит от вида грунта и жесткости упорных конструкций, в том числе и наиболее деформируемой балки 7. Чем выше жесткость упорных конструкций, тем больше значение условного критерия стабилизации и тем быстрее проходит эксперимент.

Предлагаемое выполнение верхней (динамометрической) балки 7 концентрирует полезный сигнал в местах установки тензодатчиков 9. Устройство же опорной части на стенке двутавра способствует линейному распределению внутренних напряжений в балке 7 в местах установки тензодатчиков 9 и независимости их показаний от действия контактных напряжений от сферической опоры 10 на динамометрическую балку 7. Общая расчетная вертикальная деформация балки 7 по оси симметрии устройства при максимально допустимом давлении на образец грунта, равном 1,0 МПа, составляет 0,057 мм. Для сравнения укажем, что собственная деформация пружинного динамометра ДОСМ-3-1 грузоподъемностью 10 кН составляет при такой же нагрузке величину, равную 0,734 мм, т.е. в 12,9 раза больше, чем у предлагаемой установки, что в такой же мере ускоряет и время достижения условного критерия стабилизации.

Таким образом, использование предлагаемой установки позволяет значительно повысить точность результатов измерений и сокращает время проведения испытаний. Кроме того, обеспечение возможности полной автоматизации работы установки в комплекте с персональным компьютером также способствует достижению поставленного технического результата.

В ОАО “Стройизыскания” изготовлен опытный образец установки и проведены сопоставительные по сравнению данных испытания образцов-близнецов грунтов на предлагаемой установке и на традиционных компрессионных приборах. Полученные результаты свидетельствуют о высоких технических возможностях предлагаемого устройства, работающего в комплекте с персональным компьютером; при практически полном совпадении результатов (расхождение в среднем составляет 1,7%) продолжительность эксперимента по сравнению с традиционными испытаниями сократилась в 7-10 раз. В настоящее время осуществлена дизайнерская проработка внешнего вида и готовится выпуск малой серии таких приборов в количестве 10 штук.