ПРИБОР ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ С ИЗМЕРЕНИЕМ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
INSTRUMENT OF TRIAXIAL COMPRESSION WITH MEASUREMENT OF CONTACT STRESSES

Область техники
Техническое решение относится к области строительства и предназначено для определения механических свойств строительных и дорожных материалов, в том числе армированных грунтов, в условиях сложного напряженно-деформированного состояния.
Уровень техники
Аналогом заявляемого технического решения является «Прибор трехосного сжатия» (патент на изобретение (United States Patent) Triaxial compression test apparatus, №3728895, 24 апреля 1973 г., М. Кл. G01N 3/08) [1].
Краткое содержание аналога.
Высокоскоростной прибор для трехосных испытаний, имеющий полый прямоугольный каркас с центральной прямоугольной рабочей камерой для размещения испытуемого образца и прямоугольные полости с каждой стороны каркаса, в которых размещается подвижный штамп, имеющий внутреннюю подвижную стенку, выполненную в виде гибкой диафрагмы, которая под действием давления жидкости через штуцер оказывает сжатие испытуемого образца вдоль соответствующих осей полостей, и датчики, генерирующие сигналы, представляющие давление и перемещение подвижной стенки.
Главным применением прибора является испытание образцов грунта и скальных пород, и других природных и искусственных материалов, для определения их механических свойств.
Недостатком аналога является невозможность проведения испытаний грунта с измерением контактных напряжений на гранях образца из-за отсутствия датчиков для их измерения на гибкой диафрагме.
2
Следующим аналогом заявляемого технического решения является «Прибор для исследования свойств грунтов в условиях трехосного сжатия» (авторское свидетельство СССР на изобретение №700838, заявка №2629174/29-33 от 06.09.1975, заявитель Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительный институт им. В.В.Куйбышева, авторы З.Г.Тер-Мартиросян, Д.М.Ахпателов, Ю.С.Григорьев, В.А.Тищенко, М. Кл. G01N 33/24, G01N 3/10, опубликовано 30.11.1979, бюл.44) [2], включающий корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, размещенными в нем рабочей камерой с эластичной оболочкой и камерами давления, связанными с нагрузочными и измерительными приспособлениями, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и снижения трудоемкости производства работ, корпус снабжен имеющими внутренние проточки эластичными прокладками и четырехугольной опорной рамой с винтами, пропущенными по углам опорной рамы, причем каждая камера давления образована проточкой эластичной прокладки и стенкой рабочей камеры, а винты оперты на боковые стенки корпуса, которые, в свою очередь, шарнирно соединены с основанием.
Недостатками данного аналога являются трудоемкость подготовки прибора к испытаниям и размещения образца грунта в рабочую камеру, невозможность прямого измерения осевых деформаций образца грунта, невозможность измерения контактных напряжений из-за наличия эластичной оболочки.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является «Прибор трехосного сжатия» (патент РФ на изобретение №2418283, заявка №2010108180 от 04.03.2010, заявитель «ООО «НПП Геотек», авторы Болдырев Г.Г., Болдырева Е.Г., Идрисов И.Х., Елатонцев А.И., МПК G01N 3/08, опубликовано 10.05.2011, бюл. 13) [3], включающий раму, корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, размещенными в нем рабочей камерой с эластичной оболочкой и камерами давления, связанными с нагрузочными и измерительными приспособлениями, четыре пневмоцилиндра двойного действия, закрепленные на раме вертикально, нижние штоки пневмоцилиндров присоединены к вертикально перемещаемой платформе, на вертикально перемещаемой платформе расположена горизонтально перемещаемая платформа, основание и образец грунта в съемной форме, верхние штоки пневмоцилиндров присоединены к траверсе, а траверса к крышке, каждая камера давления имеет три датчика линейных перемещений, причем боковые стенки корпуса являются неразъемными, а основание и крышка съемными.
Недостатком прототипа является невозможность измерения контактных напряжений и деформаций на боковых стенках из-за наличия эластичных оболочек.
Объяснение недостатков прототипа.
1. В прототипе для создания сложного напряженного состояния используются эластичные оболочки, через которые передается давление на образец материала. Наличие гибкой границы в виде эластичных оболочек не позволяет исследовать характер распределения контактных напряжений, так как для их измерений требуется наличие жесткой границы. При этом характер распределения контактных напряжений зависит не только от уровня напряженного состояния, но и от величины перемещения жесткой границы для случаев активного и пассивного давлений. Движение границы в прототипе не предусмотрено.
2. Прибор позволяет измерить полную деформацию образца по направлению его трех взаимно перпендикулярных осей, но не позволяет измерять локальные деформации на гранях образца материала.
Сущность технического решения
Известен прибор для трехосных испытаний грунтов, включающий раму, корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, размещенными в нем рабочей камерой с эластичной оболочкой и камерами давления, связанными с нагрузочными и измерительными приспособлениями, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости и повышения производительности испытаний, прибор снабжен четырьмя пневмоцилиндрами двойного действия, закрепленными на раме вертикально, нижние штоки пневмоцилиндров присоединены к вертикально перемещаемой платформе, на вертикально перемещаемой платформе расположена горизонтально перемещаемая платформа, основание и образец грунта в съемной форме, верхние штоки пневмоцилиндров присоединены к траверсе, а траверса к крышке, каждая камера давления имеет три датчика линейных перемещений, причем боковые стенки корпуса являются неразъемными, а основание и крышка съемными.
Цель данного технического решения - расширение функциональности прибора и повышение точности исследований путем измерения контактных напряжений и локальных деформаций.
Поставленная цель достигается тем, что одна из боковых стенок камеры давления выполнена жесткой с встроенным подвижным жестким штампом. Жесткий штамп имеет датчики силы и соединен с сервоприводом, что позволяет задавать перемещение штампа как по направлению внутрь образца материала, так и в обратную сторону. Для обеспечения герметичности по периметру жесткого штампа введено уплотнительное кольцо.
Для измерения локальных деформаций используется цифровой фотоаппарат, и одна из стенок рабочей камеры выполнена прозрачной.
Управление работой прибора выполняется с использованием измерительной системы с прямой и обратной связью.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг.1 приведен чертеж общего вида прибора трехосного сжатия с измерением контактных напряжений.
На фиг.2 приведено аксонометрическое изображение прибора трехосного сжатия.
На фиг.3 изображен вид сверху прибора трехосного сжатия.
На фиг.4 приведена структурная схема управления прибором трехосного сжатия.
Пример реализации технического решения
На фиг.1, 2, 3, 4 прибор трехосного сжатия с измерением контактных напряжений содержит раму 1, на которой закреплен корпус, состоящий из основания 2, четырех боковых стенок 3, 4, 5, 6 и крышки 7, соединяемых между собой на резьбовых шпильках 8 и закрепляемых гайками 9. Основание 2, три боковые стенки 3, 5, 6 имеют камеру давления 10 с эластичной оболочкой 11, штуцеры 12. Крышка 7 имеет прозрачное окно 13. В двух диагонально расположенных углах корпуса вставлены два штуцера 14, 15, к одному из которых присоединяется трубопровод обратного давления 16, а к другому - датчик порового давления 17.
Одна из боковых стенок, например 4, имеет круглый жесткий штамп 18 с группой датчиков силы 19 для измерения контактных напряжений. Штамп 18 перемещается в направляющем цилиндре 20 штоком 21, соединенным с сервоприводом 22. Сервопривод 22 закреплен тремя стойками 23 на опорной плите 24. Опорная плита 24 крепится стойками 23 к одной из сторон корпуса. Штамп 18 имеет два уплотнительных кольца 25.
Для изготовления образца связного грунта 26 используется съемная форма 27.
Для измерения локальных деформаций цифровой фотоаппарат 28 закреплен на траверсе 29 и подключен к компьютеру 47.
На раме 1 закреплены четыре гидравлических нагнетателя 31, 32, 33, 34 с сервоприводами и два ресивера 35, 36.
Датчик порового давления 17, датчики давления 37, 38, 39, 40 гидравлических нагнетателей 31, 32, 33, 34, датчики давления 41, 42 ресиверов 35, 36, группа датчиков силы 19 через кабельную линию 43, блок усиления сигналов 44, аналого-цифровой преобразователь 45 и интерфейс RS-485 46 подключены к компьютеру 47 и образуют в совокупности систему сбора данных.
Сервоприводы гидравлических нагнетателей 31, 32, 33, 34, сервопривод жесткого штампа 22 через кабельную линию 48, цифроаналоговый преобразователь 49, интерфейс RS-485 46 подключены к компьютеру 47 и образуют в совокупности управляющую измерительную систему.
Цифровой фотоаппарат 28 через USB подключен к компьютеру 47.
Загрузочная система включает подвижную платформу 50 с гидроприводом и стол 51.
Прибор трехосного сжатия с измерением контактных напряжений работает следующим образом.
1. Подготовка прибора к работе для испытаний связных грунтов
1.1. Подвижную платформу 48 перемещают внутрь до упора в раму, а затем, используя гидравлику, поднимают стол до упора в основание корпуса 2.
1.2. Открутив гайки 9 на корпусе со стороны основания 2, опускают стол 49 совместно с основанием.
1.3. Перемещают подвижную платформу 50 с основанием 2 на место изготовления образца связного грунта 26.
1.4. На основание 2 устанавливают разъемную форму 27 и изготавливают с заданной плотностью и влажностью образец связного грунта 26. При необходимости в процессе изготовления в образец вводят в заданном соотношении армирующие элементы в виде геосетки или других материалов. Перед изготовлением образца грунта внутренние стенки формы покрывают смазкой для уменьшения адгезии. Для сохранения плоской нижней грани изготавливаемого образца грунта в камеру давления 10 основания 2 подается жидкость до ее полного заполнения.
1.5. Разбирают разъемную форму 27.
1.6. Подвижную платформу 50 перемещают обратно до упора в раму 1.
1.7. При помощи гидравлики подвижной платформы поднимают основание 2 с образцом грунта 26 до упора основания 2 в корпус. Закрепляют основание 2 гайками 9.
1.8. Через штуцеры 14, 15 методом обратного давления выполняют водонасыщение образца грунта.
1.9. Датчик порового давления 17, датчики давления 37, 38, 39, 40, датчики давления 41, 42, группу датчиков силы 19, сервоприводы гидравлических нагнетателей 31, 32, 33, 34, сервопривод жесткого штампа 22 через аналого-цифровой преобразователь 45, цифроаналоговый преобразователь 49, интерфейс RS-485 подключают к компьютеру 47.
2. Подготовка к испытаниям сыпучих грунтов
2.1. Откручивают гайки 9 и снимают крышку 7.
2.2. В камеру прибора укладывают сыпучий грунт с заданной плотностью и влажностью. При необходимости в процессе изготовления в образец вводят в заданном соотношении армирующие элементы в виде геосетки или других материалов.
2.3. Устанавливают крышку 7 обратно и закрепляют гайками 9.
2.5. Датчик порового давления 17, датчики давления 37, 38, 39, 40, датчики давления 41, 42, группу датчиков силы 19, сервоприводы гидравлических нагнетателей 31, 32, 33, 34, сервопривод жесткого штампа 22 через аналого-цифровой преобразователь 45, цифроаналоговый преобразователь 49, интерфейс RS-485 подключают к компьютеру 47.
3. Процедура проведения испытаний
3.1. По программе испытаний компьютер подает сигнал на гидравлический нагнетатель 31 и через штуцер 14 в образце грунта создается требуемое обратное давление, которое измеряется датчиком порового давления 17. Используя компьютер 47 и кронштейн 29, устанавливают фотоаппарат 28 на требуемое расстояние от прозрачного окна 13.
3.2. По программе испытаний компьютер 47 подает сигналы с заданной частотой на сервоприводы гидравлических нагнетателей 31, 32, 33, 34, которые через штуцеры 12 подают давление жидкости на эластичные оболочки 11 и выполняют обжатие образца грунта. В процессе силового нагружения группой датчиков силы 19 фиксируют контактные напряжения при неподвижном жестком штампе 18.
3.3. В процессе испытаний по п.3.2, используя цифровой фотоаппарат 28, через прозрачное окно 13 делают снимки на каждой ступени нагружения и известным способом [4] измеряют локальные деформации на верхней грани образца грунта.
Этот технический прием для неконтактного измерения деформации в физических моделях представляет собой систему, которая объединяет цифровую фотографию, фотограмметрию и цифровую обработку образов (PIV - particle image velocimetry - измерение скорости по изображениям частиц), что позволяет определять поля деформаций на границе моделей при действии внешней нагрузки.
3.4. В процессе испытаний по пп.3.2, 3.3, используя сервопривод 22, смещают жесткий штамп 18 на заданную величину по направлению к грани образца (пассивное состояние) или обратно (активное состояние) и измеряют датчиками силы 19 контактные напряжения на поверхности жесткого штампа.
3.5. Испытания в цикле по пп.3.2-3.4 проводят до разрушения образца грунта.
Промышленная применимость
Данный прибор трехосного сжатия с измерением контактных напряжений промышленно реализуем, обладает расширенными функциональными характеристиками.
Использование данного технического решения позволяет проводить исследования механических свойств образцов грунтов при различных граничных условиях и силовом нагружении, что увеличивает точность исследований.
Литература
1. Патент на изобретение США №3728895 от 24.04.1973. Автор Garrett D.Shaw.
2. Авторское свидетельство СССР на изобретение №700838 от 09.06.1975. Авторы: З.Г.Тер-Мартиросян, Д.М.Ахпателов, Ю.С.Григорьев, В.А.Тищенко.
3. Патент РФ на изобретение №2418283 от 04.03.2010. Авторы: Болдырев Г.Г., Болдырева Е.Г., Идрисов И.Х., Елатонцев А.И. (прототип).
4. White D.J., Take W.A., Bolton M.D., Munachen S.E. A deformation measurement system for geotechnical testing based on digital imaging, close-range photogrammetry, and PIV image analysis. 15th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 2001, pp.539-542. (Перевод. Деформационная измерительная система для геотехнических испытаний, основанная на цифровой обработке образов, локальной фотограмметрии и PIV анализе. 15-я Международная конференция по механике грунтов и геотехнической инженерии, 2001, стр.539-542).