УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТА ОТНОСИТЕЛЬНО ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОНСТРУКЦИИ
DEVICE FOR MEASURING SHEAR DEFORMATIONS OF THE GROUND RELATIVE TO A REINFORCED CONCRETE STRUCTURE

Изобретение относится к строительству, а именно к устройствам для измерения деформаций грунтов.
Известно устройство для измерения деформаций грунтов, содержащее полый репер, гибкий шнур с маркой на конце, трубку со сквозной прорезью и размещенную внутри нее втулку, трубка установлена на внешней поверхности репера возле сквозного паза, выполненного в стенке репера и идентичного сквозной прорези в трубке, устройство также снабжено полым измерительным стержнем, расположенным внутри репера, и нижним концом жестко связанным со стержнем с пластиной на конце, проходящим через отверстие во втулке, а гибкий шнур проходит через отверстие во втулке и измерительный стержень [Патент на изобретение РФ №2164979, E02D 1/00. Устройство для измерения деформаций грунтов на склонах / Петров B.C., Манзырев Д.В. // Изобретения. Полезные модели, 2001, №10].
Недостатками известного устройства являются:
- невозможность измерения сдвиговых деформаций грунта вблизи строительной конструкции и в непосредственном контакте с ней [1) Руководство по проектированию подпорных стен и стен подвалов для промышленного и гражданского строительства / ЦНИИПромзданий Госстроя СССР. - М: Стройиздат, 1984. - 117 с.; 2) Далматов Б.И., Бронин В.Н., Голли А.В. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений. Учебное пособие / Под ред. Б.И. Далматова, 2-е изд. - М.: Изд-во АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 2001. - 440 с.];
- низкая точность измерения перемещений марок из-за связи их с измерительной частью гибким шнуром и неустойчивого консольного размещения измерительного стержня в репере на чувствительном стержне;
- низкая достоверность результатов измерений смещений фунта вследствие сопротивления перемещению гибкого шнура в месте изгиба полого измерительного стержня;
- дополнительные трудозатраты по установке трубки на внешней стороне репера и проходки для этого дополнительного шурфа, нарушающего устоявшееся сложение грунта и снижающего достоверность результатов;
- дополнительные трудозатраты на гидроизоляцию репера;
- невозможность использования на больших глубинах.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции, включающее репер, являющийся корпусом устройства, с боковым отверстием и чувствительный элемент, соединенный с передаточным стержнем, размещенным с возможностью осевого перемещения в направляющих втулках, неподвижно закрепленных в корпусе, шарнирно соединенным с чувствительным элементом в его средней части на оси передаточного стержня, и снабженным датчиком величины поворота чувствительного элемента, при этом чувствительный элемент одним концом шарнирно соединен с корпусом, а другим концом проходит через боковое отверстие в корпусе и в исходном положении, перпендикулярном оси передаточного стержня, выступает за наружную поверхность корпуса [Патент на изобретение РФ №2733339, E02D 1/02. Устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции / П.А. Ляшенко, В.В. Денисенко, М.Б. Мариничев // Изобретения. Полезные модели, 2020, №28 - прототип].
Недостатками известного устройства являются:
- большая длина передаточного стержня, приводящая к его продольному изгибу, увеличивающемуся с увеличением глубины размещения устройства, и к снижению точности измерения поворота чувствительного элемента;
- конструкция устройства ограничивает глубину его применения и не позволяет размещать нескольких устройств на одной оси железобетонной конструкции;
- не позволяет измерять величину деформации сжатия железобетонной конструкции под действием приложенной нагрузки и определять значение относительной сдвиговой деформации грунта на бетонной поверхности;
- через боковое отверстие в корпусе устройства при бетонировании железобетонной конструкции в корпус устройства может проникать бетон, препятствующий работе чувствительного элемента;
- для выведения чувствительного элемента в исходное горизонтальное положение требуются дополнительные технологические операции и приспособления.
Задача изобретения - обеспечение лучшей защищенности устройства от бетона, обеспечение компактности и большей автономности устройства для измерений сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции, повышение точности и достоверности результатов измерений, увеличение числа измеряемых параметров при испытании.
Технический результат изобретения - измерение сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции, деформаций сжатия железобетонной конструкции, при этом - повышение точности и достоверности результатов измерений, обеспечение защищенности рабочих частей устройства от бетона, обеспечение компактности и большей автономности устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции, включающем корпус, чувствительный элемент, шарнирно закрепленный одним концом в корпусе, а другим концом проходящий через боковое отверстие в корпусе, и датчик величины поворота чувствительного элемента, согласно изобретению, чувствительный элемент выполнен в виде малого гидроцилиндра, а датчик величины поворота чувствительного элемента размещен в корпусе и находится в постоянном контакте с наружной поверхностью малого гидроцилиндра, причем шток малого гидроцилиндра снабжен конусной насадкой, имеющей на малом основании проточку, закрывающую боковое отверстие в корпусе в исходном положении штока, а в корпусе дополнительно размещен большой гидроцилиндр, гидровыход которого соединен с гидровходом малого гидроцилиндра, при этом корпус выполнен с подвижно сопряженной крышкой и размещен между двумя траверсами, жестко закрепленными на двух арматурных стержнях, а шток большого гидроцилиндра и шток малого гидроцилиндра снабжены датчиками величины осевого перемещения штоков.
Новизна заявляемого устройства для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции заключается в выполнении чувствительного элемента устройства в виде малого гидроцилиндра, размещении в корпусе большого гидроцилиндра и соединении гидровыхода большого гидроцилиндра с гидровходом малого гидроцилиндра.
Такое техническое решение обеспечивает выдвижение штока чувствительного элемента и погружение его конусной насадки в грунтовый массив возрастающим в малом гидроцилиндре давлением жидкости, передаваемым из большого гидроцилиндра при перемещении его штока под действием сжатия железобетонной конструкции вдоль оси большого гидроцилиндра.
Конусная насадка на штоке малого гидроцилиндра предназначена для формирования в бетоне при бетонировании железобетонной конструкции отверстия, обеспечивающего свободное отделение от бетона и перемещение штока чувствительного элемента при повороте его в пределах рабочего диапазона.
Проточка на малом основании конусной насадки обеспечивает надежное перекрытие бокового отверстия в корпусе и предотвращение попадания бетона в корпус при бетонировании железобетонной конструкции после установки устройства в проектное положение.
Выполнение корпуса с подвижно сопряженной крышкой предотвращает контакт бетона со штоком большого гидроцилиндра и попадание бетона в корпус при бетонировании и сжатии железобетонной конструкции под действием приложенной нагрузки.
Размещение устройства между двумя траверсами, жестко закрепленными на двух арматурных стержнях, пространство между которыми заполнено бетоном, обеспечивает равномерное сжатие железобетонной конструкции и устройства под действием прикладываемой нагрузки.
Размещение датчика величины поворота чувствительного элемента в корпусе и его постоянный контакт с наружной поверхностью малого гидроцилиндра обеспечивает измерение величины перемещения чувствительного элемента вдоль оси устройства при повороте малого гидроцилиндра относительно шарнирно закрепленного в корпусе другого его конца.
Снабжение штока большого гидроцилиндра и штока малого гидроцилиндра датчиками величин осевого перемещения штоков обеспечивает измерение и контроль этих величин.
Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков является сущностью изобретения, обеспечивающей его новизну, изобретательский уровень и промышленную применяемость.
Заявляемое устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции и пояснения к его работе схематично изображены:
фиг. 1 - общий вид в разрезе устройства для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции в исходном положении перед началом измерений;
фиг. 2 - вид сверху на устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции в исходном положении перед началом работы по сечению А-А, где датчик 14 величины осевого перемещения штока 10 малого гидроцилиндра 1 условно показан в горизонтальной плоскости;
фиг. 3 - общий вид в разрезе устройства для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции в рабочем положении в процессе измерений.
Устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции состоит из чувствительного элемента, выполненного в виде малого гидроцилиндра 1, и большого гидроцилиндра 2. Малый и большой гидроцилиндры 1 и 2 размещены в корпусе 3, с подвижно сопряженной крышкой 4, между траверсами 5 и 6, жестко закрепленными на двух арматурных стержнях 7.
Подвижное сопряжение крышки 4 с корпусом 3 предназначено для исключения передачи сжимающего усилия на корпус 3 при сближении траверс 5 и 6 и для предотвращения попадания бетона в корпус 3 при бетонировании и осколков бетона при сжатии железобетонной конструкции.
Корпус 3 и большой гидроцилиндр 2 неподвижно закреплены на траверсе 6, а крышка 4 и шток 8 большого гидроцилиндра 2 неподвижно закреплены на траверсе 5.
Малый гидроцилиндр 1 одним концом закреплен в корпусе 3 шарнирным соединением 9 с возможностью свободного поворота в плоскости, проходящей через продольную ось устройства.
Шток 10 малого гидроцилиндра 1 проходит через боковое отверстие 11 в корпусе 3 и снабжен конусной насадкой 12, имеющей на малом основании проточку, закрывающую боковое отверстие 11 в корпусе 3 в исходном положении штока 10 и, т.о. предотвращающую попадание бетона в корпус 3 при бетонировании железобетонной конструкции.
Шток 8 большого гидроцилиндра 2 снабжен датчиком 13 величины осевого перемещения штока 8, неподвижно закрепленным в корпусе 3 и находящимся в постоянном контакте с жестким упором на штоке 8.
Шток 10 малого гидроцилиндра 1 снабжен датчиком 14 величины осевого перемещения штока 10, неподвижно закрепленным на малом гидроцилиндре 1 и находящимся в постоянном контакте с жестким упором на штоке 10.
Кроме того, в корпусе 3 неподвижно закреплен датчик 15 величины перемещения точки на поверхности малого гидроцилиндра 1 при его повороте на шарнирном соединении 9, находящийся в постоянном контакте с наружной поверхностью малого гидроцилиндра 1.
В качестве датчиков 13, 14 и 15 могут использоваться преобразователи линейных перемещений любой конструкции, способные преобразовать линейные перемещения в сигналы для автоматической регистрации, например, фотоэлектронные преобразователи линейных перемещений [Денисенко В.В., Ляшенко П.А. Совершенствование техники и технологии испытания грунтов: монография / КубГТУ. - Краснодар: Изд-во ООО «ПринтТерра», 2019. - 183 с.].
Гидровыход большого гидроцилиндра 2 соединен с гидровходом малого гидроцилиндра 1 трубкой 16.
Устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции работает следующим образом.
Собранное устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции устанавливают на заданной глубине котлована, подготовленном в грунтовом массиве, и крепят на арматуре железобетонной конструкции так, чтобы продольная ось устройства проходила параллельно оси сжатия железобетонной конструкции, а большое основание конусной насадки 12 было прижато к стенке котлована. Затем устройство жестко крепят траверсами 5 и 6 к арматуре железобетонной конструкции и производят ее бетонирование.
При нагружении полученной железобетонной конструкции происходит ее сжатие, вызывающее сближение траверс 5 и 6 на величину AM, определяемую по перемещению штока 8, и вытеснение жидкости (масла) из большого гидроцилиндра 2 по трубке 16 в малый гидроцилиндр 1. При этом из малого гидроцилиндра 1 выходит шток 10, выталкивает конусную насадку 12 из бетонной массы и вдавливает ее в грунтовый массив на величину и (фиг. 3).
Величина ДМ перемещения штока 8 большого гидроцилиндра 2 измеряется датчиком 13, а величина и перемещения штока 10 малого гидроцилиндра 1 измеряется датчиком 14.
Для беспрепятственного отрыва конусной насадки 12 от бетонной массы ее поверхность перед бетонированием смазывают консистентной смазкой или покрывают полиэтиленовой пленкой.
Под действием приложенной нагрузки одновременно со сжатием железобетонной конструкции происходит ее смещение относительно грунтового массива. При этом конусная насадка 12 вместе со штоком 10 и малым гидроцилиндром 1 поворачивается на шарнирном соединении 9 в плоскости оси устройства под действием реакции грунта. Величина перемещения х малого гидроцилиндра 1 вдоль оси устройства при повороте на шарнирном соединения 9 измеряется датчиком 15.
Показания всех датчиков 13, 14 и 15 передаются и синхронно регистрируются на дневной поверхности грунтового массива вручную или блоком регистрации любой конструкции.
Значение абсолютной сдвиговой деформации грунта относительно поверхности железобетонной конструкции определяется по формуле (фиг. 3)
где х - величина перемещения малого гидроцилиндра 1 вдоль оси устройства при повороте относительно оси шарнирного соединения 9, определяемая по показаниям датчика 15, мм;
L - расстояние от оси шарнирного соединения 9 малого гидроцилиндра 1 до поверхности железобетонной конструкции, мм;
l - расстояние от оси шарнирного соединения 9 малого гидроцилиндра 1 до оси датчика 15, мм.
Значение относительной сдвиговой деформации грунта вблизи поверхности железобетонной конструкции определяется по формуле (фиг. 3)
где u - глубина погружения конусной насадки 12 в грунтовый массив, равная величине перемещения штока 10 малого гидроцилиндра 1 и определяемая по показаниям датчика 14, мм.
Величина деформации сжатия железобетонной конструкции ΔМ определяется по показаниям датчика 13.
Пример определения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности железобетонной конструкции приведен в таблице 1.
Таким образом, заявляемое устройство: не содержит передаточного стержня от чувствительного элемента к датчику величины его поворота, что повышает точность и достоверность измерений; увеличивает число измеряемых параметров деформаций грунтов при взаимодействии с железобетонной конструкцией, используемых для ее расчетов: относительной сдвиговой деформации грунта и деформации сжатия железобетонной конструкции; может использоваться на любых глубинах погружения в грунт железобетонных конструкций; позволяет размещать необходимое количество устройств на одной оси железобетонной конструкции на разных глубинах; предотвращает попадание бетона в корпус устройства при бетонировании железобетонной конструкции; не требует дополнительных трудозатрат и приспособлений для выведения чувствительного элемента в исходное горизонтальное положение и, тем самым, создает определенный технико-экономический эффект.