Устройство для моделирования и измерения касательных сил морозного пучения

Полезная модель относится к области инженерно-строительных изысканий для проектирования и строительства различных зданий и сооружений.
Известна конструкция прибора для определения величин и сил морозного пучения грунта [1. Патент РФ №746033 A1 E02D 1/100 «Прибор для определения величин и сил морозного пучения из грунта», опубл. 05.07.1980, бюл.№19], содержащая заключенный в теплоизоляционный кожух контейнер для грунта, в котором размещается модель элемента фундамента (сваи). Для моделирования гидрогеологических условий днище контейнера выполнено перфорированным и погружается в емкость с водой, под которой размещается нагревательный тепловой элемент. Модель снабжена штоком, подвижно установленным в кольцевой полости, соединенным с коническим наконечником. В процессе испытаний силы морозного пучения определяются по показаниям динамометра при вертикальном сдвиге модели сваи после достижения температуры грунта заданного отрицательного значения.
Известен также ГОСТ Р 56726-2015 «Грунты. Метод лабораторного определения удельной касательной силы морозного пучения», в котором описана конструкция устройства, содержащего образец материала фундамента, образец грунта, помещенный в кольцевую обойму, штамп для создания и распределения вертикальной нагрузки, датчики перемещения и силы. В процессе испытаний силы морозного пучения определяются по показаниям датчика силы, регистрирующего сопротивление перемещению образца материала относительно грунта при горизонтальном сдвиге.
Недостатком обеих конструкций является то, что они не обеспечивают возможности прямого измерения силы морозного пучения грунта, а по сути определяют адгезию его примерзания к грунту при страгивании и величину трения материала сваи с грунтом.
Известен также ГОСТ 27217-2012 «Грунты. Метод полевого определения удельных касательных сил морозного пучения». В указанном стандарте предложена установка, включающая анкерные сваи, упорные балки, силоизмерительное устройство (динамометр сжатия) и образец фундамента (сваю). Монтаж установки осуществляется в летний период. При понижении температуры окружающего воздуха с началом замерзания грунта на образец сваи начинает воздействовать морозное пучение грунта, при этом величина касательных сил измеряется напрямую динамометром.
Недостатками установки являются большие затраты времени на проведение эксперимента. На одной установке возможно проведение испытания только одного типа сваи в год. Габариты установки и его конструкция не позволяют проводить эксперименты в лабораторных условиях.
Задачей полезной моделиявляется ускорение проведения экспериментов и обеспечение возможности проведения экспериментов в лабораторных условиях.
Техническим результатом реализации полезной модели будет являться значительное снижение продолжительности экспериментов, уменьшение габаритов и обеспечение возможности проведения экспериментов в морозильной камере.
Существенные признаки, характеризующие полезную модель
Ограничительные:устройство содержит раму со съемной верхней частью, контейнер для грунта с двойными стенками, пространство между которыми заполнено теплоизолятором, с размещенной внутри него моделью сваи, а также динамометр сжатия.
Отличительные: между верхней частью образца и динамометром предусмотрена теплоизолирующая проставка, нижняя часть которой размещена под поверхностью грунта, контейнер цилиндрической формы выполнен открытым сверху, его внутренняя стенка изготовлена из полимерного материала с пониженной теплопроводностью, и по ее высоте в шахматном порядке выполнены по периметру прорези, заполненные пенопластом, модель сваи размещается по центру контейнера.
Осуществление полезной модели
Сущность полезной модели поясняется фигурами, где на фиг.1 схематично изображена конструкция предлагаемого устройства в разрезе. На фиг.2 представлена внутренняя стенка контейнера.
Устройство содержит раму 1 со съемной верхней частью 2, контейнер с двойными стенками 3 и 4, пространство между которыми заполнено теплоизолятором 5. Внутренняя полость контейнера заполняется грунтом 6, в ее центре размещается модель элемента фундамента (сваи) 7. На ее поверхность может быть нанесено криофобное покрытие 8.
В верхней части модели сваи устанавливается теплоизолирующая проставка 9, между которой и верхней частью рамы размещается динамометр сжатия 10. Внутренняя стенка 4 контейнера выполнена из полимерного материала с пониженной теплопроводностью, в ее боковой части предусмотрены расположенные в шахматном порядке прорези, заполненные пенопластом 11. Съемная верхняя часть обеспечивает удобство монтажа установки.
Смонтированное устройство в раме размещается в морозильной камере, после включения которой начинается процесс замораживания и пучивания грунта с его верхней части, контактирующей с охлаждающим воздухом. Выпучивающийся грунт, одновременно примерзающий к модели сваи, воздействует через нее и проставку на динамометр сжатия, по показаниям которого производится измерение касательных сил морозного пучения. Теплоизоляционная проставка 9 и заполненные пенопластом прорези 11 при этом минимизируют влияние «мостиков холода», образующихся при использовании материалов с относительно повышенной теплопроводностью для изготовления внутренней стенки контейнера и модели сваи. Расположение модели по центру контейнера обеспечивает его равномерное обжатие по периметру замерзающим и расширяющимся грунтом. Съемная верхняя часть рамы способствует удобству обслуживания установки.
Использование предлагаемого  технического решения будет способствовать более корректному воспроизведению процессов промораживания грунта в лабораторных условиях и ускорению экспериментов. На разработанном устройстве возможно проведение исследований морозного выпучивания свай из различных материалов или с различными защитными покрытиями в зависимости от типа и состава грунтов и их влажности.