ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТАХ
SENSOR FOR MEASUREMENT OF NORMAL STRESSES IN SOILS

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения нормальных напряжений в грунтах.
Нормальные напряжения измеряют с помощью плоских датчиков, помещаемых в заданную точку грунтового основания. Датчики ориентируют таким образом, чтобы нормаль к их плоскости совпадала с направлением измеряемых напряжений. Наибольшее распространение получили жесткие датчики, или месдозы мембранного типа, в которых регистрация деформаций мембраны осуществляется с помощью тензодатчиков, струн, пъезокристаллов и т.п. (B.C. Punmia, Ashok Kumar Jain, Arun Kumar Jain. Soil Mechanics and Foundations. - Laxmi Publications 2005, p. 875-880).
Основным недостатком таких устройств является искажение напряженного состояния основания из-за отличия деформаций датчика от деформаций грунта при равных напряжениях, что приводит к концентрации напряжений в грунте вокруг датчика (J. Dunnicliff, G.E. Green. Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance. - A Wiley-Interscience Publication, 1988, p. 168-169).
Попытки снизить влияние рассматриваемого фактора за счет уменьшения толщины датчика приводят к усложнению его конструкции и, как результат, к снижению надежности и повышению стоимости устройства. У идеального датчика, исключающего концентрацию напряжений, деформативность, а именно зависимость деформаций от действующих напряжений, должна совпадать с деформативностью вмещающего его грунта. Снизить концентрацию напряжений в грунте можно за счет применения так называемых эластичных датчиков (Ашрабов А.А., Раупов Ч.С. Экспериментальные методы и средства проведения инженерных испытаний. - Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта, 2007 г.).
Известен датчик давления, содержащий корпус в виде диска из эластичного материала с внутренней полостью, заполненной веществом-наполнителем, в качестве которого используется малосжимаемая жидкость, внутри жидкости размещен измеритель давления (Патент РФ №1840407, МПК G01L 11/00, 2006 - прототип). Недостатком датчика является сохраняющееся отличие деформационных характеристик датчика и вмещающего его грунта.
Во-первых, используемая в качестве вещества-наполнителя жидкость считается несжимаемой при действующих в основаниях зданий напряжениях (Далматов Б.И. и др. Механика грунтов. Ч. 1. Основы геотехники в строительстве. - М.: Издательство АСВ, 2000. - Стр. 43).
Во-вторых, у эластичного или упругого материала корпуса зависимость между напряжениями и деформациями линейная, тогда как у грунтов этой зависимости свойственна существенная нелинейность. Поэтому датчик будет давать достоверные результаты измерений лишь в определенном интервале напряжений.
В-третьих, для закладки в различные грунты придется подбирать материалы для изготовления корпуса датчика с соответствующими свойствами. Так, например, характерные значения модуля деформации ила составляют 2…5 МПа, а песка 30…40 МПа, то есть имеет место отличие от 6 до 20 раз (Заручевных И.Ю., Невзоров А.Л. Механика грунтов в схемах и таблицах: учебное пособие. - М.: Издательство АСВ, 2015. - Стр. 20).
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение достоверности измерения напряжений в грунтах. Технический результат заключается в полном совпадении деформационных характеристик вещества-наполнителя и вмещающего датчика природного грунта. Указанный технический результат достигается тем, что в датчике, содержащем плоский корпус из тонкого эластичного материала с внутренней полостью, в полости размещают искусственный грунт, приготовленный из природного грунта, в котором располагается датчик, путем замены одной из фракций твердых частиц порошком электропроводного материала тех же размеров, а в искусственном грунте размещают электроды.
На фиг. 1 представлен разрез датчика, а на фиг. 2 - вид сверху.
Датчик включает корпус из тонкого эластичного материала 1. Во внутренней полости корпуса размещен искусственный грунт 2, приготовленный из природного грунта, в котором будет располагаться датчик, путем замены одной из фракций твердых частиц порошком электропроводного вещества, например, магнетита, железа, никеля, с теми же размерами частиц. Внутри искусственного грунта размещаются одна или несколько пар электродов 3, соединенных линией связи 4.
Искусственный грунт в полости при подготовке датчика следует уплотнять до достижения значения коэффициента пористости, равного коэффициенту пористости природного грунта, вмещающего датчик. Корпус датчика имеет перфорацию 5 по внешнему контуру для обеспечения отвода воды или воздуха при деформировании искусственного грунта в его полости.
Датчик располагается на выровненной поверхности грунта, соединяется с измерительными приборами и засыпается грунтом.
Возникающие в грунте напряжения вызывают сжатие искусственного грунта в полости датчика, благодаря чему изменяется его электрическая проводимость. Измерив эту характеристику искусственного грунта, с помощью градуировочной зависимости его электрической проводимости от давления, полученной при характерной для основания температуре, находят значение нормальных напряжений, действующих в массиве грунта в месте установки датчика.
Известно, что "электропроводность грунтов в известной степени зависит от внешнего давления, передаваемого на грунт: с увеличением давления наблюдается повышение электропроводности", что объясняется уменьшением пористости и увеличением площади контактов между частицами. Интервал характерных значений электропроводности грунтов составляет 0,01…0,1 См/м (Сергеев Е.М., Голодковская Г.А., Зиангиров Р.С., Осипов В.И., Трофимов В.Т Грунтоведение. - М.: Издательство МГУ, 1983. - Стр. 125).
Известна аналогичная зависимость электропроводности порошков электропроводных материалов от давления. Отличие состоит лишь в существенно больших, по сравнению с грунтами, значениях электропроводности. Так, в интервале давления от 10 до 25 МПа у порошка железа она изменяется  от 10 до 110 См/м, а у порошка никеля при тех же значениях давления - от 3000 до 7000 См/м (Mamuniya Ye.P., Zois Н., Apekis L., Lebedev E.V. Influence of pressure on the electrical conductivity of metal powders used as fillers in polymer composites. - Powder Technology, 2004, p. 49-55). Для порошка магнетита с размерами частиц 1…3 мкм электропроводность увеличивается от 0,5  до 22,3 См/м при росте давления от 0,7 до 7 МПа (Sancaktar Е., Dilsiz N. Pressure-dependent conductivity behavior of various particles for conductive adhesive applications. - Journal of Adhesion Science and Technology, 2012).
Путем приготовления искусственного грунта, состоящего из природного грунта, в котором предполагается установка датчика, и порошка электропроводного материала, можно добиться нужных значений электропроводности, соответствующих, например, возможностям измерительной аппаратуры.
Конструкция датчика исключает концентрацию напряжений в грунте вокруг него из-за полного совпадения деформационных характеристик искусственного грунта в его полости и вмещающего датчик природного грунта. Благодаря тому, что толщина стенок корпуса из эластичного материала во много раз меньше высоты датчика, влияние стенок на результат измерений несущественно.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить достоверность измерения напряжений в грунтах.