УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СНЕЖНОГО ПОКРОВА
DEVICE FOR DETERMINING RHEOLOGICAL PROPERTIES OF SNOW COVER

Изобретение относится к области испытаний при инженерных изысканиях в транспортно-технологическом машиностроении, в частности к устройствам для определения реологических свойств снежного покрова в полевых условиях.
шт
Известен способ (методика) оценки степени уплотнения крупнообломочного грунта и устройство для его осуществления [1]. В процессе динамического нагружения слоя грунта через круглый штамп грузом, разделенным на элементы и сбрасываемым с определенной высоты по направляющим штангам, создается динамическая нагрузка на слой грунта с переменной длительностью импульса загружения, регулируемой посредством элементов, соединяющих между собой разделенные элементы сбрасываемого на штамп груза. При этом замеряется остаточная деформация осадки штампа диаметром D, которая не должна превышать определенной величины. В противном случае уплотнение слоя грунта считается недостаточным.
Достоинством данного способа и устройства для его осуществления является обеспечение динамической нагрузки с регулируемой длительностью импульса загружения слоя грунта через штамп, что при достигнутых и соответствующих реальным нагрузках на слой грунта повышает мобильность установки, проявляющейся в снижении материалоемкости, а также устраняет необходимость применения в качестве упора (как это необходимо при нагружении статической нагрузкой) рамы различных автомобилей или дорожных машин.
Недостатками данного устройства являются следующие. Во-первых, разделение груза на элементы приводит к тому, что при сбрасывании его по направляющим штангам на жесткий круглый штамп в слое грунта развиваются значительные по величине и кратковременные по длительности ударные динамические нагрузки, что приводит к разрушению структуры грунта. Кроме того, ударный импульс вследствие особенностей взаимодействия элементов сбрасываемого груза на штамп имеет сложную форму, не соответствующую реальному характеру воздействия ходовых систем машин на слой грунта, и не может быть определен количественно вследствие различного физико-механического состояния грунта, что вносит погрешность в оценку степени уплотнения грунта. Во-вторых, регистрация только остаточной деформации осадки штампа не позволяет определить модули упругости и деформации слоя грунта как основных характеристик при уплотнении, а также определить параметры реологических характеристик, например параметры кривых ползучести.
Известен также способ испытания дорожной одежды и устройство для его осуществления [2, 3]. Слой нагружается динамической нагрузкой посредством установки динамического нагружения, в которой груз падает с определенной высоты по направляющей штанге на упругое амортизационное устройство (пружину), передающее кратковременную динамическую нагрузку на слой через круглый штамп, соединенный с направляющей штангой соосно. Для измерения деформации одежды применяют вибрографы, записывающие вертикальную деформацию на бумажную ленту, или датчики перемещения с фиксацией вертикальной (продольной) деформации с помощью осциллографа. При этом наибольшее динамическое усилие и модуль упругости (мгновенный модуль деформации) определяют по формулам
;
;
,
11
где σ - контактное давление под штампом, развиваемое вследствие действия динамической нагрузки, Па;
шт
2
F - площадь штампа, м;
М - масса падающего груза, кг;
2
g - ускорение свободного падения (9,81 м/с);
Н - высота падения груза, см;
δ - показатель, характеризующий жесткость амортизатора и равный его деформации от статического действия груза массой М, м;
п
К - коэффициент, учитывающий потери энергии (только в деформируемом слое) при сбрасывании груза;
l, l' - вертикальные деформации дорожной одежды от первого и второго удара (после подскока) при одном и том же сбрасывании, см;
D - диаметр штампа, см;
ε - относительная деформация слоя;
µ - коэффициент Пуассона, для дорожных одежд принимаемый равным 0,3.
Достоинствами данного способа и устройства для его осуществления являются следующие. Во-первых, нагружение слоя осуществляют динамической нагрузкой, что при достигнутых и соответствующих реальным нагрузках на слой грунта повышает мобильность установки, проявляющейся в снижении материалоемкости, а также устраняет необходимость применения в качестве упора (как это необходимо при нагружении статической нагрузкой) рамы различных автомобилей или дорожных машин. Во-вторых, применение цельного груза, неразделенного на элементы, позволяет передавать через пружину на штамп нагрузку, характер изменения которой соответствует реальному характеру воздействия ходовых систем машин (в частности, колесных) на деформируемое основание, близкому к параболической форме.
п
Недостатками данного способа и устройства для его осуществления являются следующие. Во-первых, коэффициент К определяется не совсем корректно, т.к. при отскоке груза вверх после первого цикла нагружения (удара) в слое испытуемого материала происходят структурные изменения вследствие развивающихся в слое остаточных внутренних напряжений. Это значит, что модуль деформации и действующая на штамп нагрузка (ее величина и характер изменения) зависят не только от параметров состояния слоя (температуры, плотности, влажности), но и от сложившейся структуры. Поэтому второй и последующие циклы нагружения будут протекать по измененным законам нагружения вследствие изменившейся структуры за счет быстрого (в пределах сотых долях секунды) изменения напряженного состояния слоя. Кроме того, при падении груза по направляющей штанге возникают определенные силы трения, а также при сжатии пружины происходит потеря энергии, идущая на нагрев витков пружины вследствие кратковременного динамического воздействия через пружину и штамп на слой, которые не учитываются в расчетах. В силу отмеченных обстоятельств определение наибольшего динамического усилия является некорректным. Во-вторых, как показали исследования [4], для различных материалов или при деформировании одного и того же материала различными видами нагружения развитие деформации слоя протекает по различным законам. Отсюда можно сделать вывод, что необходимо знать параметры кривых ползучести (деформации), в соответствии с которыми можно достаточно точно определить деформацию слоя грунта в любой момент времени расчетным путем, а также модуль деформации слоя, что может существенно расширить информативность получаемых из опытных данных результатов. Представленный и все представленные выше способы не позволяют определить параметры кривых ползучести, а значит, и определить достаточно точно модуль упругости (модуль мгновенной деформации) и модуль деформации в любой момент времени действия нагрузки.
Известен также способ динамического испытания несущей способности грунта и устройства для его осуществления, при котором динамическая нагрузка на поверхность грунтового слоя создается прогибомером с падающим грузом (через амортизирующее устройство) и измеряется образовавшийся прогиб, на основе которого и вычисляется модуль упругости материала [5, 6, 7]. Указанный способ и устройство для его осуществления аналогичны предыдущему [2, 3], отличие состоит лишь в испытаниях различных материалов (грунтов или дорожной одежды).
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для определения модуля деформации и модуля упругости грунта [8]. Устройство включает жесткий штамп диаметром 5 см и рычажную систему с гирями, нагружающую грунт через штамп ступенчатой нагрузкой, а также индикаторы часового типа для замера вертикальной деформации грунта через смещение штампа.
Недостатками указанного устройства являются следующие. Во-первых, модуль упругости и модуль деформации определяются посредством штампов малого диаметра, что носит условный характер и определяет относительные и качественные, а не расчетные характеристики (как отмечается в самом источнике информации). Во-вторых, ступенчатое нагружение постоянной нагрузкой чисто технически не может быть обеспечено мгновенно, т.к. возрастание нагрузки на штампе от нуля до требуемого значения осуществляется как минимум за доли секунды, что значительно искажает получаемые результаты развития деформации во времени под нагрузкой. В-третьих, испытания проводятся на специальном стенде в лабораторных условиях с использованием заранее сформированных образцов грунта, что влияет на искажения структуры грунта по сравнению со структурой грунта, находящегося в реальных условиях эксплуатации. В-четвертых, использование механических индикаторов деформации часового типа не позволяет (в силу визуального наблюдения) точно определить величину деформации слоя грунта при заданных значениях времени наблюдения, что также приводит к снижению точности измерения.
Общим недостатком всех рассмотренных устройств являются следующие. Во-первых, перед проведением нагружения слоя через штамп последний предварительно устанавливается на поверхности слоя грунта и уже под собственным весом осуществляет давление на исследуемый слой, что при определения реологических свойств снежного покрова недопустимо, поскольку плотность и несущая способность снежного покрова намного ниже, чем у грунтов, и даже под действием незначительных давлений снежный покров начинает деформироваться. Во-вторых, величина и интенсивность передаваемых нагрузок существенно выше необходимых для нагружения снежного покрова, что, в частности, формируется за счет конструктивных особенностей применяемых устройств, когда грузы, передающие нагрузки на штамп, перемещаются вдоль оси штампа непосредственно или через рычаг.
Большинство ученых, занимающихся изучением физико-механических свойств снега, отмечают, что для него присущи такие явления, как ползучесть и релаксация, а сам снег относится к разряду упруговязкопластичных материалов [9, 10, 11, 12]. При этом те или иные свойства одного и того же снега могут проявляться по-разному. Так, снег отличается упругими свойствами при приложении небольших нагрузок в течение достаточно короткого времени. При таких условиях деформации невелики и обратимы при устранении приложенных напряжений, структура снега не нарушается. Для пластического течения требуется, чтобы было достигнуто некоторое пороговое значение напряжения, после которого оно начинается. Однако это напряжение достаточно мало, оно зависит от скорости приложения нагрузки и не может быть с достаточной степенью точности измерено [11]. Поэтому рекомендуется определять вязкопластические свойства в совокупности.
Совместное действие различных механизмов деформирования снега и разрушения связей между зернами приводит к большому разнообразию скоростей и величин деформации снега и его прочностных характеристик в зависимости от структуры, плотности и температуры снега, условий деформирования, величин и времени действия нагрузок. Тем не менее, исследованы некоторые общие закономерности изменения напряженно-деформированного состояния. Так, в работе [10] отмечается, что с определенной степенью точности для описания процессов ползучести и релаксации можно использовать такие модели, как модели Кельвина-Фойгта или Бюргерса. Однако при этом отмечается, что входящие в них элементы не имеют четкого физического смысла и могут существенно изменяться в зависимости от условий нагружения снега. Поэтому широкий диапазон изменения параметров, характеризующих процессы деформирования снега и изменчивость его свойств, затрудняют построение единой реологической модели.
Многие исследователи отмечают, что практически трудно замерить для снега мгновенно-упругую деформацию и модуль упругости получается заниженным. Поэтому применение способа статического нагружения, когда нагрузка на штамп прикладывается по закону Хевисайда (когда постоянная нагрузка мгновенно прикладывается и выдерживается в течение времени проведения опыта), для снега не подходит. Ступенчатое приложение нагрузки, когда через определенное время нагрузка меняется на небольшую величину, при которой не происходит продавливания снега, также затрудняет процесс определения реологических свойств снега, так как время выдерживания постоянной нагрузки значительно влияет на формирование структурных связей, их кристаллизацию.
Исследование реологических свойств снежного покрова при возрастании нагрузки на штампе с постоянной скоростью является самым простым в математическом смысле описания процесса, а также достоверным с точки зрения физических процессов, происходящих в снеге. Однако как показывают исследования, для снежного покрова с различными параметрами состояния присущи различные предельные скорости нагружения, при которых имеется возможность исследования реологических свойств.
Задачей изобретения является повышение эффективности испытаний и точности измерений, развивающейся под нагрузкой деформации снежного покрова.
На фиг.1 представлены типовые диаграммы развития деформации снежного покрова при его деформировании штампом.
На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства.
На фиг.3 представлены общий вид устройства для проверки работоспособности предлагаемого устройства.
На фиг.4 представлена осадка штампа в конце процесса деформации снежного покрова.
На фиг.1 представлены две типовые диаграммы развития деформации снежного покрова при его деформировании штампом с разными скоростями изменения нагрузки. При небольшой скорости изменения нагрузки на штампе (кривая 1) деформация слоя снега развивается скачкообразно, что объясняется следующим. При небольших или медленно меняющихся нагрузках происходит интенсивное образование структурных связей между кристаллами снега. Эта интенсивность снижается со временем и при равномерном увеличении напряжений в слое снега нарастающая прочность снега в какой-то момент времени становится меньше действующих напряжений. Происходит разрушение структуры снежного покрова и на диаграмме деформаций происходит плавный скачок с определенной скоростью деформации.
Эта скорость зависит от плотности снега, величины нагрузки и определяется особенностями относительного смещения частиц снега. С самого начала скачка деформации начинают вновь образовываться одни и разрушаться другие связи, причем их интенсивность различная. В этом и проявляются реологические свойства различных деформируемых материалов. При большой скорости нагружения (кривая 2, фиг.1) такой картины по изменению соотношения структурной прочности и прикладываемой нагрузки не наблюдается, и проявляются реологические свойства на этапе постоянного разрушения структуры.
Именно такая картина изменения напряженно-деформированного состояния и наблюдается при взаимодействии движителей МЭС со снежным покровом. Поэтому необходимо определять предельные значения скоростей нагружения снежного покрова, при которых не происходит скачков в развитии деформаций снега и при которых (и выше их значений) можно определить реологические свойства снежного покрова. Эти значения определяются плотностью, температурой и влажностью снега, толщиной слоя и историей его сложения.
Сущность изобретения состоит в том, что устройство для определения реологических свойств снежного покрова включает жесткий штамп, рычажную систему с рычагом, нагружающими грузами и противовесом, и регистратор вертикальной деформации слоя через смещение штампа, при этом нагружающие грузы имеют возможность перемещения вдоль рычага с его опорой в сторону подвешенного на рычаге штампа, касающегося снежного покрова изначально без передачи давления на слой, когда расстояние от центра тяжести нагружающих грузов до опоры рычага определяется соотношением
,
1
2
1
2
1
где P - вес штампа, Н; Р - вес противовеса, Н; Q - вес нагружающих грузов, Н; L - расстояние от опоры рычага до точки подвеса штампа, м; L - расстояние от опоры рычага до противовеса, м; L - длина нагружающей части рычага, м; q - вес рычага, распределенный вдоль его длины, Н/м,
при этом устройство дополнительно снабжено механизмом перемещения нагружающих грузов, а регистратор вертикальной деформации слоя снежного покрова снабжен лентозаписывающим устройством с подвижным самописцем, установленным на салазках, с одной стороны соединенным с возвратным в начальное положение упругим элементом, а с другой - с подвижной частью рычага через нерастяжимую нить и систему направляющих роликов.
На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства.
Устройство состоит из рычага 1 с опорой 2, на одной стороне которого крепится на шарнире 3 подвесной штамп 4 с регулируемым посредством винтовой пары 5 по длине штоком 6, а на другой стороне подвешен противовес 7. По концам рычага 1 сверху закреплены два ролика 8, через которые переброшен канат 9, соединенный концами с двух сторон с нагружающими грузами 10, представляющими собой, например, тележку с грузами. На рычаге 1 установлен также электромотор 11, через вал которого переброшен в виде подвижной петли канат 9. Таким образом, ролики 8, канат 9 и электромотор 11 представляют собой в совокупности механизм перемещения нагружающих грузов 10.
Рычаг 1 через стойку опоры 2 закреплен на столе 12 с четырьмя выносными опорами 13, на котором дополнительно размещены упор 14, фиксирующий рычаг 1 со штампом 4 в изначальном положении, когда давление со стороны штампа на снежный покров не передается, а также регистратор вертикальной деформации снежного покрова, который снабжен лентозаписывающим устройством, состоящим из мотора 15 и ленты на вращающемся барабане 16, подвижным самописцем 17, установленном на салазках 18 с направляющими 19, с одной стороны соединенным с возвратным в начальное положение упругим элементом 20, а с другой - с подвижной частью рычага 1 через нерастяжимую нить 21 и систему направляющих роликов 22.
Устройство работает следующим образом.
С помощью винтовой пары 5 максимально укорачивают шток 6 по длине. Нагружающие грузы 10 размещают на рычаге 1 таким образом, чтобы расстояние от их центра тяжести до опоры 2 рычага 1 равнялось величине
,
1
2
1
2
1
где P - вес штампа, Н; Р - вес противовеса, Н; Q - вес нагружающих грузов, Н; L - расстояние от опоры рычага до точки подвеса штампа, м; L - расстояние от опоры рычага до противовеса, м; L - длина нагружающей части рычага, м; q - вес рычага, распределенный вдоль его длины, Н/м.
Далее устройство устанавливают на снежный покров 23 таким образом, чтобы опоры 13 заглубились в снежный покров до соприкосновения с твердым основанием снежного покрова. Проконтролировав наличие контакта рычага 1 с упором 14, с помощью винтовой пары 5 выставляют штамп 4, чтобы он касался снежного покрова изначально без передачи давления на его слой. Включают мотор 15, обеспечивая вращение ленты на вращающемся барабане 16. При этом подвижный самописец 17 смещен в сторону упругого элемента 20, обеспечивая постоянное натяжение нерастяжимой нити 21. При включении электромотора 11 канат 9, охватывая его вал подвижной петлей и проходя свободно между колесиками тележки нагружающих грузов 10, заставляет перемещаться нагружающие грузы 10 вдоль по рычагу 1 в сторону подвеса штампа 4, равномерно увеличивая на нем нагрузку от начального нулевого значения. Под действием равномерно возрастающего давления под штампом 4 со скоростью, определяемой скоростью смещения нагружающих грузов 10, их весом и площадью штампа 4, снежный покров 23 начинает деформироваться, поворачивая рычаг 1, при этом регистратор вертикальной деформации слоя снежного покрова фиксирует развитие деформации во времени в виде кривой линии на ленте с вращающимся барабаном 16. Текущая координата смещения кривой линии от начального положения определяет величину деформации слоя снежного покрова с коэффициентом пропорциональности, равным отношению расстояния между опорой 2 рычага 1 и точкой подвеса штампа 3 к расстоянию между опорой 2 рычага 1 и точкой крепления к рычагу 1 нерастяжимой нити 21.
Зарегистрированная величина деформации снежного покрова во времени позволяет по соответствующей методике определять его реологические свойства.
Предлагаемое устройство позволяет качественно повысить эффективность испытаний и расширить информативность полученных результатов.
Преимущества предложенного устройства наглядно представлены в таблице.
Таблица
Сравнение показателей базового и заявляемого объектов изобретений
Показатели
Базовый объект
Заявляемый объект
Выводы
Устройство для определения реологических свойств снежного покрова
Приложение нормальной нагрузки
Ступенчатое
Возрастающее во времени равномерно
Эффективность и точность воспроизведения процесса нагружения
Проведение испытаний
В лабораторных условиях
В полевых условиях с ненарушенной структурой снега, при реальной температуре наружного воздуха
Точность воспроизведения процесса нагружения
Диаметр штампа
5 мм, не соответствующий требованиям его размера по отношению к толщине снежного покрова
Можно подбирать любое значение, соответствующее требованиям по отношению к толщине снежного покрова
Точность воспроизведения процесса нагружения
Трудоемкость измерений
Требует увеличенного времени испытаний и внимания при изменении величины нагружающих грузов
Измерение проходит за один цикл нагружения
Снижение трудоемкости, повышение универсальности
Литература
1. Операционный контроль качества земляного полотна и дорожных одежд / И.Е.Евгеньев, А.Я.Тулаев, В.С.Порожняков и др.: Под ред. А.Я.Тулаева. - М.: Транспорт, 1985. - 224 с.
2. Гельфер Г.А. Строительство и эксплуатация городских дорог, - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1989. - 272 с.
3. Ремонт и содержание автомобильных дорог: Справочник инженера-дорожника / А.П.Васильев, В.И.Баловнев, М.Б.Корсунский и др. Под ред. А.П.Васильева. - М.: Транспорт, 1989. - 287 с.
4. Носов С.В., Носов В.В. К вопросу по оценке эффективности уплотнения асфальтобетонных смесей гладковальцовыми статическими и вибрационными катками. // Оптимизация параметров строительных и дорожных машин. - Ярославль, 1992. - С.46-55 /сб. тр. ЯПИ/.
5. Tholen О. Falling weight deflectometer. A device for bearing capacity measurement: Properties and performance / Department of Highway Engineering, Royal Institute of Technology. - Stockholm, Sweden, 1980.
6. Koole R.C. Overlay design with the falling weight deflectometer / Symposium Pavement Evaluation and Overlay Design, Transportation Research Board Meeting. - Washington D.C., U.S.A., January, 1979.
7. Форссблад Л. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований / пер. с англ. И.В.Гагариной. - М.: Транспорт, 1987. - 188 с.
8. Попова З.А. Исследование грунтов для дорожного строительства: (Лаборатор. и практич. работы). Учеб. пособие для техникумов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1985. - 126 с.
9. Анфилофьев, Б.А. Исследование реологических свойств снежного покрова / Б.А.Анфилофьев, В.К.Лохин //Труды Новосиб. ин-та инж. ж.-д. Транспорта. - Новосибирск, 1972. - Вып.141.
10. Войтковский, К.Ф. Механические свойства снега / К.Ф.Войтковский. - М.: Наука, 1977. - 126 с.
11. Снег: Справочник / Под ред. Д.М.Грея, Д.Х.Мэйла. - Пер. с англ. под ред. В.М.Котлякова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 752 с.
12. Эльмесов, A.M. К вопросу о вязкости снежного покрова / А.М.Эльмесов // Изв. АН СССР. Сер. Геофиз. - М., 1962. - №4.