способ исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов, включающий помещение материала в форму, их совместное нагружение посредством циклического деформирования и определение усилия деформирования, по которому судят о свойствах материала, отличающийся тем, что после проведения циклического деформирования в материал внедряют полый жесткий круговой цилиндрический стакан на всю высоту образца материала, поворачивают полый стакан вместе с находящимся внутри него материалом вокруг своей оси, извлекают полый стакан из образца материала и догружают в том же направлении.

2. Устройство для исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов, включающее механизм нагружения сдвигом, выполненный в виде камеры с жесткими подвижными стенками, соединенными посредством шарниров, и дном, выполненным из отдельных пластин, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено элементом изменения траектории нагружения, выполненным в виде жесткого полого тонкостенного кругового цилиндрического стакана.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике и позволяет изучать механические свойства грунтов, сыпучих и порошковых материалов.

Известен способ испытания сыпучих материалов (Бугров А.К., Нарбут P.M., Сипидин В.П. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. - Л.: Стройиздат, 1987), основанный на изменении траектории в процессе нагружения. Известный способ заключается в том, что образец материала помещают в резиновую оболочку и подвергают гидростатическому обжатию, а затем осуществляют сложное нагружение образца, по результатам которого судят о свойствах материала.

Сыпучие среды и грунты в обычном состоянии не воспринимают деформации растяжения. После же трехосного сжатия сдавленный образец приобретает способность воспринимать нагрузки осевого сжатия либо кручения. Изменяя нагрузки, независимо передаваемые на образец материала, можно реализовать не только прямолинейную траекторию нагружения (простое нагружение), но и сложное нагружение по криволинейным траекториям, позволяющее получить существенно больше информации о свойствах материала.

К недостаткам известного способа следует отнести сложность и высокую стоимость приборов для трехосного сжатия. Кроме того, в замкнутом объеме, в котором находится испытуемый материал, невозможно изучать поведение сыпучих сред в условиях свободного дилатирования, часто встречающихся в практической деятельности, например в сфере технологических процессов по переработке сыпучих материалов, при выпуске из бункеров, транспортировке и т.д.

Наиболее близкими техническими решениями по совокупности существенных признаков и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению являются способ исследования механических свойств порошковых материалов и устройство для его осуществления по авторскому свидетельству СССР №1534369, МПК 5 G01N 3/24, опубл. 07.01.1990, Бюл. №1). Известный способ заключается в том, что испытуемый материал помещают в форму в виде упругой цилиндрической оболочки, совместно циклически деформируют их, придавая оболочке эллиптическую в поперечном сечении форму и поворачивая в начале каждого цикла оболочку с материалом вокруг ее оси, и определяют усилие деформирования, по которому судят о свойствах материала.

Одним из основных параметров, характеризующих сыпучую среду при сдвиге, является дилатансия - изменение объема, возникающего за счет изменения взаимного положения частиц. Основным недостатком способа по а.с. №1534369 является непостоянство объема камеры при сдвиге, поскольку при фиксированной длине оболочки преобразование ее сечения из круга в эллипс обязательно сопровождается изменением объема. Это приводит не только к погрешности измерения дилатансии, но и напряженного состояния образца в сравнении с условиями, когда испытательная камера при сдвиге имеет постоянный объем.

Недостатком устройства по а.с. №1534369 так же, как и самого способа, для реализации которого оно используется, является невозможность получения достоверных данных о свойствах испытуемого материала при сдвиге и о напряженном состоянии деформированного образца. Для получения таких данных необходимо оборудование, в котором испытательная камера не меняет объем при сдвиге.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении точности измерений при получении дополнительной информации о механических свойствах сыпучего материала при изменении траектории нагружения.

Поставленная задача решается тем, что в способе исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов, включающем помещение материала в форму, их совместное нагружение посредством циклического деформирования и определение усилия деформирования, по которому судят о свойствах материала, после проведения циклического деформирования в материал внедряют полый жесткий круговой цилиндрический стакан на всю высоту образца материала, поворачивают полый стакан вместе с находящимся внутри него материалом вокруг своей оси, извлекают полый стакан из образца материала и догружают в том же направлении.

Приведенная последовательность операций позволяет получить составной образец, центральная часть которого имеет направление анизотропии, отличное от материала, находящегося на периферии. При этом граница раздела отсутствует, а формоизменение камеры при сдвиге в процессе дальнейшего догружения в том же направлении осуществляется при постоянном объеме всего образца и его центральной части, что позволит получить более точные и достоверные данные о свойствах испытуемого материала.

Устройство для исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов так же, как и устройство по а.с. №1534369, включает механизм нагружения сдвигом, выполненный в виде не меняющей объем камеры с жесткими подвижными стенками, соединенными посредством шарниров, и дном, выполненным из отдельных пластин. Дополнительно предлагаемое устройство снабжено элементом изменения траектории нагружения, выполненным в виде жесткого полого тонкостенного кругового цилиндрического стакана.

Снабжение устройства элементом изменения траектории в виде жесткого полого тонкостенного кругового цилиндрического стакана позволяет получить составной образец с разными направлениями анизотропии в каждой его части без изменения объема материала при сдвиге. Использование предлагаемой конструкции обеспечит повышение точности измерений при получении дополнительной информации о механических свойствах сыпучего материала.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов, на фиг.2 - вид линий скольжения, образующихся на поверхности однородного образца, на фиг.3 - вид линий скольжения при деформировании составного образца.

Устройство для исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов включает в себя механизм нагружения сдвигом, выполненный в виде камеры с жесткими подвижными стенками 1, соединенными посредством шарниров 2, и дном, выполненным из отдельных пластин 3. Устройство снабжено элементом изменения траектории нагружения, выполненным в виде жесткого полого тонкостенного кругового цилиндрического стакана 4. Сдвиг осуществляется посредством реверсивного двигателя 5, редуктора 6 и червячной передачи 7.

Реализация предлагаемого способа и работа устройства осуществляются следующим образом.

Камеру заполняют сыпучим материалом 8. При этом материал можно считать изотропным с хорошим приближением. Затем осуществляют его циклическое деформирование за счет сдвига подвижных стенок 1 и связанных с ними пластин 3 дна камеры при помощи двигателя 5. Уже после первого цикла деформирования материал приобретает механическую анизотропию. При дальнейшем нагружении по неизменной траектории степень анизотропии возрастает, а затем стабилизируется. После нескольких циклов нагружения камеру останавливают в положении, соответствующем ее прямоугольному сечению. В центральную часть образца материала внедряют жесткий полый тонкостенный круговой цилиндрический стакан 4 и поворачивают его вокруг оси на заданный угол. За счет бокового распора и трения на внутренних стенках создаются усилия вращения материала, превосходящие силы трения его на контакте с дном камеры. Это обеспечивается за счет несоизмеримо большей внутренней боковой поверхности стакана 4 по сравнению с площадью его сечения. Итак, при повороте стакана 4 материал 8, находящийся внутри него, также поворачивается, в результате чего направления анизотропии в нем и остальной части образца материала 8 не совпадают. Затем стакан 4 извлекают, при этом против сил трения работает вес материала 8, который надежно удерживает образец в исходном вертикальном положении. После излома траектории осуществляют догружение материала 8 сдвигом камеры в том же направлении до полного цикла нагружения. Определяя усилия деформирования при догружении в зависимости от угла поворота стакана 4 судят о прочностных свойствах материала.

В качестве дополнительной информации на примере локализации деформации на фиг.2 и фиг.3 представлены результаты испытаний соответственно однородного и составного образцов материла.

Вид линий скольжения, образовавшихся после нагружения однородно-анизотропного материала, показан на фиг.2. Как видно, образуется два семейства параллельных линий скольжения, пересекающихся под некоторым углом.

При деформировании неоднородно-анизотропного материала (составного образца) вид линий скольжения (фиг.3) по форме напоминает восьмиконечную звезду, а его центральная часть обрамлена квадратом. Из всей образовавшейся сетки линий скольжения по направлениям можно выделить уже четыре семейства.

Таким образом, если в однородном изотропном или анизотропном материале сеть линий скольжения образует два пересекающихся семейства параллельных прямых, покрывающих всю поверхность образца, то в составном образце за счет включения локализация происходит по четырем направлениям, не затрагивая материал центральной части.