УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТОВ
DEVICE TO MEASURE SOIL DEFORMATIONS

Изобретение относится к области диагностики и прогноза состояния грунтовых технических систем (ГТС), в частности грунтов оснований дорожного полотна, расположенного на оползневых склонах, слабых и набухающих грунтах при воздействии неблагоприятных факторов: вибродинамических, собственных колебаний, природно-климатических, техногенных статических, сейсмических и т.д., вызывающих упругие и остаточные знакопеременные деформации ГТС.
Общеизвестно, что от нагрузки слабые грунты деформируются. Процесс деформирования представляет собой такую совокупность перемещений частиц грунта, которая ведет к смещению одного слоя грунта относительно другого или выдавливание грунта на границе контакта (поверхности скольжения) из-под сооружения, что создает угрозу безопасности движения поездов и стабильности самих инженерных сооружений. Перемещение грунтов, вызванное упругими и остаточными деформациями, происходит в прямом и обратном направлениях: горизонтальных, по касательной к поверхности смещения грунтов, перпендикулярном оси ГТС, параллельном оси ГТС и промежуточных.
Для установления степени несущей способности грунтов ГТС и стабильности ГТС выполняют диагностику состояния слабых грунтов их оснований и откосов грунтовых технических сооружений.
Проблема известных устройств для диагностики несущей способности грунтов технических систем заключается в достоверности измеряемых величин и направлений деформаций грунтов. Известные устройства диагностики позволяют установить степень деформирования грунтов только по величине горизонтального или вертикального смещения грунтов от сдвигающих усилий, что снижает точность и чувствительность устройств для диагностики.
Известно устройство для измерения деформаций грунтов, основанное на измерении горизонтальных смещений грунта [А.С. №1135839, МПК E02D 1/00. Устройство для измерения горизонтальных смещений грунта. / Ю.Д. Габричидзе, А.А. Гелуташвили; Тбилисское отделение ВНИИ "ГИДРОПРОЕКТ. - №3666649; Заявл. 29.11.1983; Опубл. 23.01.1985, Бюл. №3].
Устройство для измерения горизонтальных деформаций грунтов содержит чувствительные элементы, предназначенные для контакта с грунтом в процессе работы и установленные вертикально один на другом с образованием стойки, а также регистрирующее устройство.
Каждый чувствительный элемент представляет собой полый трубчатый элемент и выполнен в нижней части с держателем и в верхней части - с колодкой.
Регистрирующее устройство содержит постоянные магниты и герконы, расположенные в чувствительных элементах, и регистрирующую аппаратуру. Герконы, длина которых не превышает 1 мм, соединены проводами с регистрирующей аппаратурой. Постоянные магниты регистрирующего устройства установлены на держателях каждого чувствительного элемента с возможностью перемещения в держателе, герконы - на колодках в верхней части чувствительного элемента с возможностью взаимодействия с постоянными магнитами.
Устройство для измерения горизонтальных деформаций грунтов работает следующим образом.
Устройство устанавливается в скважине, расположенной, например, в подошвенной зоне насыпи. При этом чувствительные элементы стойки контактируют с грунтом. Под действием внешней нагрузки, например вибродинамической, слабые грунты основания смещаются под действием разнонаправленных сдвигающих усилий. При этом деформации грунтов в скважине вызывают перемещение каждого чувствительного трубчатого элемента стойки в горизонтальном направлении, изменяя положение стойки относительно вертикали. Различная величина воздействий на каждый чувствительный элемент приводит к различным их перемещениям в горизонтальном направлении. Вследствие этого, магнит одного чувствительного элемента перемещается относительно герконов нижележащего чувствительного элемента, замыкая контакт с герконом. Величина горизонтальных перемещений чувствительных элементов фиксируется герконом нижестоящего элемента относительно магнита вышестоящего элемента. Перемещение чувствительных элементов при однократном воздействии сдвигающих усилий значительно меньше длины геркона, т.е. меньше 1 мм. Регистрирующее устройство не реагирует на такое перемещение чувствительных трубчатых элементов, так как его разрешающая способность сопоставима с размерами геркона, и начинает реагировать (регистрировать) на суммарные перемещения чувствительных элементов при многократных воздействиях сдвигающих усилий.
При этом момент контакта соответствующего магнита с соответствующим герконом фиксируется регистрирующим устройством при смещении чувствительных элементов точно, если они перемещаются строго в горизонтальном положении.
По величине горизонтальных смещений чувствительных трубчатых элементов и грунта в горизонтальном направлении судят о степени несущей способности грунтов ГТС. Отсутствие горизонтальных смещений грунтов за период измерений говорит об удовлетворительной несущей способности ГТС, наличие горизонтальных смещений грунтов, не превышающих 0,1 м, - о потере несущей способности, наличие значительных горизонтальных смещений грунтов, превышающих 0,1 м, свидетельствует об аварийном состоянии грунтов ГТС.
Достоинством известного устройства для измерения горизонтальных деформаций грунтов ГТС является высокая точность определения степени несущей способности грунтов ГТС при горизонтальном смещении грунта, перпендикулярном ГТС.
Недостаток известного устройства заключается в низкой точности определения степени несущей способности грунтов ГТС при смещении грунтов в направлениях, отличных от горизонтального движения, обусловленной значительной погрешностью измерения смещения грунтов, превышающей разрешающую способность измерительного устройства вследствие снижения его работоспособности из-за нарушения контактов постоянных магнитов с герконами под действием боковых или наклонных смещений грунтов.
Другой недостаток известного устройства заключается в его низкой чувствительности, что обусловлено отсутствием реакции устройства на незначительные перемещения трубчатых элементов при однократном воздействии сдвигающих усилий при смещении грунта.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство для измерения деформаций грунтов, основанное на измерении смещений грунта в различных направлениях [Патент на изобретение РФ №1791529, МКИ E02D 1/00. Устройство для измерения деформаций грунтов / Жданова С.М., Никифоров А.Н.; ХабИИЖТ. - №4825204/33; Заявл. 14.05.90, Опубл. 20.08.1993, Бюл. №4.].
Известное устройство для измерения деформаций грунтов предназначено для измерения горизонтальных и наклонных смещений грунтов от сдвигающих усилий и содержит полую стойку, установленные на ней чувствительные элементы, предназначенные для восприятия сдвигающих усилий грунта, и регистрирующее устройство. Чувствительные элементы представляют собой пластины, установленные в вертикальном положении одна над другой параллельно стойке.
Регистрирующее устройство представляет собой измерительный блок и датчики, связанные с каждым чувствительным элементом. Каждый датчик выполнен в виде двух измерительных лент, одна из которых подсоединена к верхнему краю пластины, другая - к нижнему, при этом другие концы измерительных лент соединены с измерительным блоком. Измерительные ленты расположены в полой стойке с возможностью свободного перемещения чувствительных элементов.
Устройство работает следующим образом.
Устройство для измерения деформаций грунтов от сдвигающих усилий при смещении грунтов устанавливается в скважину перпендикулярно оси ГТС в выбранном сечении, например, в подошвенной зоне насыпи.
При этом чувствительные элементы всегда контактируют с грунтом. При воздействии внешней нагрузки, например вибродинамической, слабые грунты основания смещаются под влиянием сдвигающих усилий, направление, величина и глубина которых различны.
Однократное воздействие поездной нагрузки приводит к незначительному смещению грунтов от сдвигающих усилий, при этом чувствительные элементы в силу своей большой площади и инертности остаются практически неподвижными. В этом случае изменение длины измерительных лент близко к нулю, которое не фиксируется измерительным блоком регистрирующего устройства.
При каждом повторном воздействии поездной нагрузки происходит увеличение смещения грунтов от сдвигающих усилий, и чувствительный элемент воспринимает суммарное значение сдвигающих усилий, под действием которого изменяет свое положение.
При смещении грунтов в горизонтальном направлении в полевую сторону, в направлении, перпендикулярном оси ГТС, чувствительные элементы перемещаются, сохраняя свое вертикальное положение. В этом случае перемещение чувствительных элементов приводит к равному изменению длины измерительных лент, которая фиксируется измерительным блоком регистрирующего устройства.
При смещении грунтов в направлении, отличном от горизонтального направления, чувствительные элементы перемещаются, отклоняясь от вертикального положения. В этом случае перемещение чувствительных элементов приводит к неравному изменению длины измерительных лент. Измерительный блок регистрирующего устройства фиксирует среднее значение изменения длины измерительных лент.
По величине изменения длины лент Δl судят о степени несущей способности грунтов ГТС. При Δl, равной нулю за период измерений, говорят об отсутствии смещений грунтов ГТС и обеспечении удовлетворительной несущей способности грунтов ГТС, при Δl, отличных от нуля, - о наличии смещений грунтов ГТС и о потере их несущей способности грунтов ГТС, при Δl, значительно отличных от нуля, - об аварийном состоянии ГТС.
При для регистрации смещений грунтов регистрирующим устройством требуется многократное воздействие нагрузки, которое обеспечивается за длительный промежуток времени.
Достоинство известного устройства заключается в повышении точности определения несущей способности грунтов ГТС при смещении грунтов в направлениях, отличных от горизонтального движения, с сохранением высокой точности определения степени несущей способности грунтов ГТС при горизонтальном смещении грунтов. Это обусловлено обеспечением работоспособности устройства при любом направлении смещения грунтов.
Однако чувствительность устройства для измерения деформаций грунтов при определении несущей способности грунтов ГТС остается недостаточной для измерения смещения грунтов при воздействии на них однократной нагрузки, что является недостатком известного устройства. Это обусловлено тем, что при однократном воздействии сдвигающих усилий перемещение чувствительных элементов близко к нулю вследствие большой площади и инерционности чувствительных элементов, а при повторных воздействиях их перемещение отстает от фактического перемещения грунтов.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для измерения деформаций грунтов, обладающего высокой чувствительностью при однократном воздействии на чувствительные элементы сдвигающих усилий при смещении грунта в любых направлениях с сохранением высокой точности измерения за счет уменьшения инерционности чувствительных элементов и площади их контакта со смещающимися грунтами.
Для решения поставленной задачи в устройстве для измерения деформаций грунтов, содержащем полую стойку, чувствительный элемент, предназначенный для восприятия сдвигающих усилий при смещении грунта, и регистрирующее устройство, включающее измерительную часть, предназначенную для измерения изменения положения чувствительного элемента под действием сдвигающих усилий при смещении грунта, и соединенную с ней регистрирующую аппаратуру, предназначенную для преобразования изменения положения чувствительного элемента под действием сдвигающих усилий в величину смещения грунтов, чувствительный элемент выполнен в виде стержня с коническим наконечником и установлен в полой стойке, при этом чувствительный элемент снабжен фиксатором, предназначенным для удержания стержня в вертикальном положении после погружения стойки с чувствительным элементом в скважине и установленным на стержне с возможностью перемещения его вдоль стержня и с возможностью обеспечения свободного отклонения стержня от первоначального положения под действием сдвигающих усилий грунта, измерительная часть регистрирующего устройства представляет собой горизонтальную пластину с установленными на ней измерительными датчиками для измерения углов наклона стержня относительно оси скважины, при этом горизонтальная пластина регистрирующего устройства укреплена на стержне чувствительного элемента над фиксатором чувствительного элемента.
Кроме того, фиксатор чувствительного элемента устройства выполнен с центральным отверстием для установки его на стержень чувствительного элемента и боковыми отверстиями для жесткого его закрепления на поверхности земли после установки полой стойки со стержнем чувствительного элемента в скважине, диаметр стержня чувствительного элемента сопоставим с диаметром центрального отверстия фиксатора чувствительного элемента, а горизонтальная пластина регистрирующего устройства расположена на стержне на высоте, превышающей глубину смещения слабого грунта.
Заявляемое решение отличается от прототипа совокупностью существенных отличительных признаков, а именно: чувствительный элемент выполнен в виде стержня с коническим наконечником и установлен в полой стойке, при этом чувствительный элемент снабжен фиксатором, предназначенным для удержания стержня в вертикальном положении после погружения стойки с чувствительным элементом в скважине и установленным на стержне с возможностью перемещения его вдоль стержня и с возможностью обеспечения свободного отклонения стержня от первоначального положения под действием сдвигающих усилий грунта, измерительная часть регистрирующего устройства представляет собой горизонтальную пластину с установленными на ней измерительными датчиками для измерения углов наклона стержня относительно оси скважины, при этом горизонтальная пластина регистрирующего устройства укреплена на стержне чувствительного элемента над фиксатором чувствительного элемента.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Выполнение чувствительного элемента в виде стержня с коническим наконечником и установка его в полой стойке, наличие у чувствительного элемента фиксатора, предназначенного для удержания стержня в вертикальном положении после погружения стойки с чувствительным элементом в скважине и установленного на стержне с возможностью перемещения его вдоль стержня и с возможностью обеспечения свободного отклонения стержня от первоначального положения под действием сдвигающих усилий грунта, выполнение измерительной части регистрирующего устройства в виде горизонтальной пластины с установленными на ней измерительными датчиками для измерения углов наклона стержня относительно оси скважины и установка его на стержне чувствительного элемента над фиксатором чувствительного элемента приводит к высокой чувствительности устройства для измерения деформаций грунтов при однократном воздействии сдвигающих усилий при смещении грунта в любых направлениях на его чувствительный элемент при сохранении высокой точности измерения. Это обусловлено снижением инертности чувствительного элемента благодаря уменьшению площади контакта чувствительного элемента со смещающимися грунтами и обеспечением возможности изменения положения чувствительного элемента при однократном воздействии сдвигающих усилий при смещении грунта на его чувствительный элемент. В свою очередь, повышение реакции чувствительного элемента при однократном воздействии на него сдвигающих усилий при смещении грунта повышает чувствительность устройства при сохранении высокой точности измерения при смещении грунтов в любых направлениях.
Причинно-следственная связь «Выполнение чувствительного элемента в виде стержня с коническим наконечником и установка его в полой стойке, наличие у чувствительного элемента фиксатора, предназначенного для удержания стержня в вертикальном положении после погружения стойки с чувствительным элементом в скважине и установленного на стержне с возможностью перемещения его вдоль стержня и с возможностью обеспечения свободного отклонения стержня от первоначального положения под действием сдвигающих усилий грунта, выполнение измерительной части регистрирующего устройства в виде горизонтальной пластины с установленными на ней измерительными датчиками для измерения углов наклона стержня относительно оси скважины и установка его на стержне чувствительного элемента над фиксатором чувствительного элемента приводит к повышению чувствительности устройства для измерения деформаций грунтов при однократном воздействии сдвигающих усилий при смещении грунта в любых направлениях на его чувствительный элемент при сохранении высокой точности измерения» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него. Новизна вышеупомянутой причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлено поперечное сечение ГТС с устройством для измерения деформаций грунтов.
Устройство для измерения деформаций грунтов содержит полую стойку 1, чувствительный элемент 2, предназначенный для восприятия сдвигающих усилий грунта, и регистрирующее устройство 3, предназначенное для преобразования углового отклонения чувствительного элемента 2 под действием сдвигающих усилий в величину смещения грунтов.
Чувствительный элемент 2 представляет собой стержень 4 с коническим наконечником 5, который установлен в полой стойке 1.
Стержень 4 снабжен фиксатором 6, который представляет собой планку 7, установленную на стержне 4 с возможностью ее перемещения вдоль стержня 4 и с возможностью обеспечения свободного отклонения стержня 4 от вертикального положения.
Планка 7 фиксатора 6 выполнена с центральным отверстием 8 для ее установки на стержень 4 и с боковыми отверстиями 9 для жесткого закрепления ее на поверхности земли после установки стержня 4 с чувствительным элементом 2 в грунт. При этом диаметр центрального отверстия 7 планки 7 фиксатора 6 чувствительного элемента 2 соответствует диаметру стержня 4 чувствительного элемента 2, что делает это отверстие 7 «узлом» вращения стержня 4 при его повороте. Толщина кромки центрального отверстия 8 планки 7 выполнена минимальной в пределах 0,15-0,20 мм для обеспечения минимального линейного контакта фиксатора 6 со стержнем 4 при соприкосновении стержня 4 с планкой 7 фиксатором 6.
Регистрирующее устройство 3 включает измерительную часть 10, предназначенную для измерения изменения положения чувствительного элемента под действием сдвигающих усилий при смещении грунта и регистрирующую аппаратуру 11, предназначенную для преобразования изменения положения чувствительного элемента под действием сдвигающих усилий в величину смещения грунтов, которые соединены между собой.
Измерительная часть 10 регистрирующего устройства 3 представляет собой горизонтальную пластину 12 с установленными на ней измерительнымм датчиками 13 и 14 для измерения углов наклона стержня относительно оси скважины, которые связаны с регистрирующей аппаратурой 11, например, персональным компьютером. Один датчик, например 13, установлен с возможностью измерения смещения грунтов в направлении, параллельном оси ГТС, а датчик 14 - с возможностью измерения смещения грунтов в направлении, перпендикулярном оси ГТС. Горизонтальная пластина 12 жестко укреплена на стержне 4 над фиксатором 6.
Устройство для измерения деформаций грунтов работает следующим образом.
1
Для регистрации смещения грунтов полая стойка 1 с чувствительным элементом 2 устройства для измерения деформаций грунтов устанавливается в заранее пробуренную скважину 15, которая выполняется в приподошвенной зоне насыпи 16 на глубину смещения слабого грунта основания h в выбранном сечении насыпи 16, например, перпендикулярном оси ГТС. При этом наконечник 5 стержня 4 вдавливается в грунт ниже дна скважины 15.
Стержень 4 центрируется в скважине 15 по ее оси и не контактирует со стенками скважины 15. Фиксатор 6 на стержне 4 устанавливается на поверхности земли и закрепляется в ней через боковые отверстия 9 с помощью, например, шпилек. В результате установки стержня 4 в скважину 15 горизонтальная пластина 12 регистрирующего устройства 3 с датчиками 13 и 14 оказывается над поверхностью земли на высоте h2.
Под воздействием одноразовой внешней нагрузки, например вибродинамической, слабые грунты основания насыпи 16 смещаются и воздействуют на наконечник 5 стержня 4, вовлекая его в свое движение вместе с перемещающимися грунтами. Наконечник 5 даже под воздействием одноразовой внешней нагрузки приходит в движение вследствие своей незначительной инерционности, обусловленной малой площадью контакта наконечника 5 со смещающимися грунтами.
Под действием сдвигающих усилий наконечник 5 со стержнем 4 отклоняется от первоначальной оси в направлении смещения слабых грунтов относительно «узла» вращения в отверстии 9 планки 7 фиксатора 6. При этом линейный контакт фиксатора 6 со стержнем 4 обеспечивает свободное вращение стержня 4 даже при минимальном перемещении грунтов и воздействии их на наконечник 5. Стержень 4 отклоняется от оси скважины 15 на угол, соответствующий смещениям грунта. Вместе со стержнем 4 от первоначального положения отклоняется горизонтальная пластина 12 с датчиками 13 и 14. Углы отклонения стержня 4 от первоначального положения фиксируются датчиками 13 и 14 по взаимно перпендикулярным осям.
Регистрирующая аппаратура 11, получая в режиме «он-лайн» информацию об углах отклонения стержня 4 от первоначального положения, преобразует эти данные в величину смещений грунта известным способом:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>l</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>l</mi><mi>г</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>ℓ</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow>
,
где Δl - результирующая величина смещения грунта;
г
max
max
Δl=h·tfα - смещение грунта в продольном направлении при максимальном угле отклонения α пластины 12 сдатчиком 13;
n
max
max
Δℓ=h·tgβ - смещение грунта в поперечном направлении при максимальном угле отклонения β пластины 12 сдатчиком 14;
h - длина стержня от наконечника 5 до пластины 12.
Величина смещения грунта характеризует степень несущей способности ГТС в данный момент времени.
-3
-3
-3
-3
В соответствии с Указаниями по техническим решениям и технологии усиления и стабилизации насыпей на болотах [М.: ВНИИЖТ, 1993. - 79 с.] отсутствие смещений грунта при приложении одноразовой нагрузки, например при прохождении поезда, говорит об удовлетворительной несущей способности ГТС, при их наличии до 15·10 мм - о малой потере несущей способности, более 15·10 мм, но менее 100·10 мм - о значительной потере несущей способности и при значительных величинах смещений более 100·10 мм - об аварийном состоянии ГТС.
Опытные испытания заявляемого устройства проведены на участках железнодорожного полотна с различными типами деформаций грунтов: на участке осадки насыпи и на участке сползания откоса выемки.
Пример 1. На КМ 8525 ДВЖД в приподошвенной зоне осадочной насыпи с горизонтальными пластическими деформациями, перпендикулярными оси ГТС, устанавливались в пробуренные скважины 15 заявляемое устройство и устройство-прототип. Обоими устройствами проводись измерения смещения грунтов.
-3
-3
-3
-3
После однократного приложения вибродинамической нагрузки (поезда) угол отклонения стержня 4 от первоначального положения по оси Х составил 7', что соответствовало смещению грунтов ΔХ=33,936-10 мм, по оси Y-3', что соответствовало смещению грунтов ΔY=14,544·10 мм. Таким образом, результирующее смещение грунтов составило 36,922-10 мм, что свидетельствовало о значительной потере несущей способности грунтов ГТС. После 8-12-кратного приложения нагрузки смещение грунтов составляло 1152,347·10 мм.
Устройство-прототип на однократное приложение вибродинамической нагрузки не реагировало, и первые смещения грунтов в 1-2 мм были зафиксированы после 8-12-кратного приложения нагрузки, что свидетельствовало о потере несущей способности грунтов ГТС.
Пример 2. На КМ 8519 ДВЖД в оползневом откосе выемки с деформациями кручения в боковом направлении и направлении, параллельном оси ГТС, проводились измерения смещения грунтов, как описано в примере 1.
Заявляемое устройство фиксировало смещения грунтов менее чем однократного приложения вибродинамической нагрузки (поезда), устройство-прототип - после 5-8-кратного приложения нагрузки.
Пример 3. На КМ 1 ПК 4 Кузнецово-Хмыловский ДВЖД на участке осадки насыпи с деформациями по касательной к поверхности скольжения слабого грунта, перпендикулярными оси ГТС, проводились измерения смещения грунтов, как описано в примере 1. Заявляемое устройство фиксировало смещения грунтов после однократного приложения вибродинамической нагрузки (поезда), устройство-прототип - после 10-15-кратного приложения нагрузки.
Пример 4. На КМ 1 ПК 13+50 Кузнецово-Хмыловский ДВЖД на участке насыпи, ранее укрепленной в основании геоматами, выполненными из синтетического нетканого материала с местными грунтами, с деформациями по касательной к поверхности скольжения слабого грунта проводились измерения смещения грунтов, как описано в примере 1. Заявляемое устройство фиксировало смещения грунтов в период однократного приложения вибродинамической нагрузки (поезда) и после его прохода; устройство-прототип - только после 10-15-кратного приложения нагрузки.
Результаты измерений смещения слабых грунтов приведены в таблице.
Таким образом, заявляемое устройство для измерения деформаций грунтов позволяет осуществить измерение смещения грунтов в любых направлениях при однократном воздействии вибродинамической нагрузки на ГТС.